Оповідання з хімії

Коли я вперше прочитав замітку Бейкера, яка загубилася серед інших статей товстелезної книги «Журналу англійського хімічного товариства» за 1922 рік, вона дуже вразила мене своєю незвичайністю. Та я й не думав тоді, що бажання глибше розібратись у суті описаних там явищ приведе мене до таких далеких один від одного і таких не схожих між собою фактів. І ось тепер цих фактів так багато, що я не знаю, з чого почати…

Найкраще, очевидно, буде почати з того, що відбувалось у великому будинку на берлінській вулиці Дінгельштрассе в жаркі серпневі дні 1933 року.

В імперському митному суді був великий день. Слухалася справа про американську платину. На лаві підсудних сиділи вісім власників найбільших берлінських ювелірних магазинів.

На комерційні операції панів ювелірів поліцейське управління завжди дивилося крізь пальці. Коли ж анонімні доноси вже стали надто настирливими, довелося зробити обшук. І в усіх магазинах були виявлені великі запаси платини. На допиті ювеліри давали плутані відповіді, а за митними книгами такої кількості металу з-за кордону не було завезено. Почався судовий процес, в результаті якого на найбільших ювелірних магазинах Берліна вже три місяці сумно висіли замки.

Пани ювеліри твердили, що платина — німецького походження і сплавлена з різних платинових виробів. Поліцейське управління настоювало на своєму: платина завезена потай з Південної Америки і відлита в невеличкі злитки майже стопроцентного металу.

Нескінченні дебати сторін встигли досить-таки набриднути публіці, а тому, коли голова суду надав слово вченому-експерту, професору Ноддаку, рівномірний гул в залі нітрохи не зменшився.

Серед людей, які розкриють суть справи, публіка називала імена судді, прокурора, адвокатів. Ніхто й подумати не міг, що вирішальну роль тут відіграє висновок скромного експерта Вальтера Ноддака.

Не часто в урочисто-казенному залі імперського суду вимовляли фізичні й хімічні терміни. Голова суду морщив лоба, слухаючи професора і намагаючись пригадати мізерні відомості з хімії, здобуті ним у правовому училищі.

— Сучасна аналітична хімія, — говорив експерт, — має величезні можливості, які часто не використовуються дослідниками. За допомогою різноманітних хімічних реакцій ми можемо в 1 г речовини виявити до 0,001 мг домішок, що складають одну десятитисячну частку процента. Навіть найчистіша речовина має певну кількість домішок. Коли ж користуватись методами рентгенівського або спектрального аналізів, то можна визначити кількість речовини в 10^–9г. Це вже одна десятимільйонна частка процента. Застосовані нами методи аналізу показують, що в будь-якій речовині є як домішки майже всі елементи періодичної системи.

— Чи не може пан експерт, — перебив Ноддака в’їдливий адвокат одного з ювелірів, — сказати, скільки в мені міститься, наприклад, золота?

— Якщо тіло пана адвоката особливо не відрізняється за своїм складом від тіла сірих щурів, над якими ми проводили експерименти, то три десятимільйонні частки вашої поважної ваги варто віднести за рахунок золота, — спокійно відказав експерт. — Я продовжуватиму, пане голово. Характер домішок до даної основної речовини різний залежно від того, яким способом і де одержано цю речовину. Ось перед вами два злитки. Обидва вони характеризуються однаковим ступенем чистоти: 99,999 %. Та співвідношення різних елементів з числа домішок, тобто відношення до кількості основної речовини, позначеної п’ятьма дев’ятками, різне. Нам пощастило встановити, що характер домішок платини американського походження істотно відрізняється від домішок платини з інших рудників. Платина, запропонована мені для дослідження, безсумнівно американського походження. Про це свідчить як велика кількість міді в ній, так і мала кількість миш’яку. Не маючи наміру більше втомлювати високий суд доведенням очевидного, дозвольте на цьому вважати свою місію закінченою.

Цей висновок експерта і зумовив вирок суду. А втім, вирок не був занадто суворим. Підсудні — дуже багаті люди, а з такими новонароджений райх волів зберігати добрі стосунки.

Ось яке несподіване практичне застосування дістала так звана проблема малих кількостей речовині А виникла ця проблема давно…

Терези створюють хімію

Назва, яку Петро І дав будинку, що виходить своїми вузькими і високими вікнами на Неву, — Кунсткамера — збереглася й досі. Тепер там не демонструють заспиртованих потвор. У цьому музеї серед інших експонатів зберігаються дорогі для історії нашої вітчизняної науки реліквії — прилади, якими користувався Ломоносов.

Урочисто застиг у ніші телескоп, тьмяно відсвічує потемнілий від часу глобус, під стелею висить складний прилад для добування атмосферної електрики. Зовсім непомітно у віддаленому кутку стоять під скляним ковпаком терези ломоносівської лабораторії. Якби не були такими строгими традиції академічного музею, ці терези слід було б освітити яскравим світлом і прикріпити урочистий напис «Прилад, що поклав початок сучасній хімії».

Відкривши закон збереження ваги речовин, експериментально доведений на цих самих терезах, Ломоносов тим самим утвердив хімію як точну науку. З тих пір терези стали головним знаряддям досліджень хімії. Чим би хімік не займався в своїй лабораторії: чи добуванням нової речовини, чи детальним дослідженням уже відкритих сполук, чи вивченням якоїсь реакції, завжди його роботу вінчає хімічний аналіз.

Лише аналіз може дати відповідь на запитання, яку саме сполуку добув учений, чи правильно він вів процес, чи досяг бажаного результату.

Не минуло й 100 років після впровадження Ломоносовим терезів у практику наукових досліджень, як вчені вже мали прилади, з допомогою яких можна було зважувати з точністю до 0,001 г. А ще через якихось 40–50 років у кожній хімічній лабораторії стояли терези з чутливістю до 0,0002 г.

Для того щоб результати аналізу були достовірними, потрібно, визначаючи процентний вміст елементів у досліджуваній речовині, бути впевненим, що цифри, які відповідають сотим часткам процента, визначені правильно. Якщо для дослідження складу сполуки брати кількість речовини в 1 г, то неважко підрахувати, що десятитисячні частки грама якраз і складатимуть ті необхідні соті частки процента, щоб з певністю судити про склад сполуки.

Минуло небагато часу, і вже 1 г, який хіміки брали звичайно для аналізу, стало забагато. Справді, при виготовленні якоїсь речовини доводиться провадити багатостадійний синтез протягом двох-трьох тижнів, а часом і довше, в результаті чого дістаєш кілька грамів речовини. Нелегко зважитись на те, щоб майже половину цієї кількості витратити на аналіз. А при хімічному аналізі речовина втрачається безповоротно: її розкладають на складові частини. На проведення аналізу дослідники могли відпустити щонайбільше десяті частки грама. Але тоді потрібно в 10 раз підвищити точність зважування. Так у хімію увійшов п’ятий десятковий знак…

Терези, на яких можна зважувати з такою точністю, тепер в хімічних лабораторіях вже не рідкість. Вони помітно відрізняються від своїх «чотиризначних» товаришів.

Стоять вони, як правило, в окремій кімнаті на спеціальній підставці, укріпленій в стіні, температура в приміщенні повинна бути сталою. Один зайвий десятковий знак — і які ускладнення!

Та й п’ятий десятковий знак — не межа для хіміків. Минуло ще 35 років, і хімікам довелося зіткнутися з визначенням таких мізерних кількостей речовини, що, якби такі маніпуляції приснилися дослідникові кінця минулого століття, це здалося б йому маренням.

На початку 40-х років нашого століття з’явились перші праці з хімії зауранових елементів — елементів, які в періодичній системі стоять після урану. Вчені їх добули штучно, за допомогою ядерних реакцій. Дослідники бюретками відміряли не мілілітри, як у звичайних хімічних лабораторіях, а одну стотисячну мілілітра. Найбільші хімічні стакани, якими маніпулювали автори цих статей, мали в діаметрі 1 мм; доводилось зважувати кількість речовини в 0,001 г, причому це робилося з точністю до 0,000001 г.

Уявіть собі, як доводиться вести роботу з такими кількостями речовини! Її обережно переливають з однієї посудини в іншу, слідкуючи, щоб не пролилась жодна крапля. А втім, яка там крапля! Про краплю тут не може бути й мови, бо крапля в тисячу раз більша від усього розчину.

Ну, а терези, який вигляд мають вони? Коромисло зроблено з чистого кварцу, завтовшки з людську волосину. Більшість частин цього приладу взагалі невидима для неозброєного ока. Ось які вони тонкі й невагомі! Такі терези в звичайній кімнаті не поставиш. Навіть на абсолютно нерухомій підставці вони зазнають коливань. Пройде вулицею біля будинку, де міститься лабораторія, людина — і коромисло вже коливається, зважувати не можна. Проїде за три квартали вантажна машина — знову терези «хвилюються». Стоять ці терези в глибокому підвалі. Наближаються до них з більшою обережністю, ніж лікар до тяжко хворого. В цій кімнаті не можна голосно розмовляти, сильно розмахувати руками. І все це для того, щоб зважувати з точністю до 0,000001 г. Ось що таке шостий десятковий знак і чого він коштує дослідникам.

Чому в хімії з’явилася потреба в шостому десятковому? Для чого вся ця хитромудрість?

Перші штучні елементи спочатку були добуті в надзвичайно малих кількостях — у десятитисячних, а в деяких випадках навіть у мільйонних частках грама. А знати, причому абсолютно точно, властивості цих елементів було вкрай необхідно.

Хоч вченим довелось оперувати мізерними кількостями речовини, вони дістали вичерпні дані про хімічні і фізичні властивості сполук. А в тому, наскільки малими були ці кількості, можна пересвідчитись хоча б з рисунку, де зображена вся наявна кількість гідроокису америцію до 1945 року.

Так через двісті років після Ломоносова хіміки досягли, здавалось, межі можливого. Хто знав, що не мине й кілька років, як промисловість вимагатиме від хіміків уміння визначати такі кількості речовин, які в порівнянні з описаними вище були такими, як піщинка в порівнянні з великою горою? Ось тут і довелося згадати одну історію, яку майже всі вчені називали науковою сенсацією.

Проблеми виникають так…

Так само, як і інші сенсації, це відкриття в 20-х роках нашого століття наробило багато галасу в наукових і білянаукових колах, а потім з незбагненною швидкістю забулось і протягом якихось двадцяти років не згадувалось.

Чому? Може тому, що надто неймовірними здалися хімікам 20-х років факти, які були описані в кількох невеликих статтях, уміщених у наукових журналах. І, як часто буває, люди визнали за краще не шукати розгадки цих дивовижних явищ, а просто забути про них.

А було це так…

Певно, слід почати з хіміка Кольрауша, який протягом кількох років одну й ту саму порцію води переганяв з однієї посудини в іншу. На відміну від вчених острова Лапути, так блискуче описаних Свіфтом в його «Подорожі Гуллівера», Кольрауш мав істинно наукові цілі. Він намагався очистити воду.

Та невже очищення води є такою складною справою, що вимагає багато років роботи? Авжеж так.

Ось хімік прийшов у лабораторію. Йому потрібна вода, щоб приготувати розчин, по можливості вільний від домішок. З водопровідного крана він наливає її в колбу. На погляд хіміка, ця вода страшенно «брудна». У ній багато солей натрію, кальцію, калію, магнію. Коли вода текла по трубах, у неї перейшло залізо в кількості, достатній для того, щоб виявити його з допомогою роданіду калію.

На водоочисній станції воду хлорували, і при цьому в ній залишилась така кількість хлору, що додача до неї кількох крапель азотнокислого срібла робить її схожою на молоко: це випало хлористе срібло.

Крім того, у воді є значна, з точки зору хіміка, кількість органічних речовин: найдрібніші частки рослин, бактерії тощо. У водопровідній воді розчинено дуже багато повітря. Це видно хоч би з того, що, коли холодна водопровідна вода постоїть у кімнаті, на стінках склянки з’явиться велика кількість повітряних бульбашок. А вуглекислий газ, розчинений у воді? А сірчистий газ, який поглинули води Дніпра, протікаючи повз завод, опалюваний вугіллям? А фенол, що його десь у верхів’ї випустив у Дніпро недбайливий директор хімічного заводу?

Словом, у водопровідній воді, крім водню й кисню, є ще добра третина елементів періодичної системи Менделєєва.

Нехай ці домішки і не шкідливі для спраглої людини, але хіміку вони дуже заважають. Щоб видалити домішки, воду кип’ятять спочатку з лужним розчином перманганату калію. При цьому окислюється більшість органічних речовин, що знаходиться у воді. Потім повторно кип’ятять воду з підкисленим розчином перманганату. Ця операція повинна привести до остаточного зруйнування всіх органічних речовин. Після цього воду переганяють і звільняються від основної кількості домішок: солей металів, значної частини повітря.

Добута дистильована вода далеко ще не чиста. В ній залишилось порівняно багато повітря, залишився майже весь вуглекислий газ. Всі операції проводились у скляній посудині, значить, вода містить багато їдкого натру та кремнійової кислоти, які перейшли до її складу з посуду. Словом, до чистої води ще далеко.

Дистильовану воду знову кип’ятять кілька годин, щоб виділити якомога більше газів, у тому числі й хлор, а потім переливають у перегінну колбу, виготовлену з платини. Холодильник, де конденсується водяна пара, відлитий з олова, прийомна колба теж виготовлена з платини. Адже ці метали майже не розчиняються у воді. При перегонці треба стежити, щоб вода ніде не стикалась з повітрям, бо вона знову натягне кисень, азот і вуглекислий газ. Тепер вода вже називається бідистилатом. З цією водою вже можна працювати.

Бідистилат — не абсолютно чиста вода. Встановити це легко. Досить опустити у воду електроди, сполучені з джерелом електричного струму, і стрілка приладу покаже, що вода проводить електрику. Але ж вода — не електроліт, отже, не повинна проводити струм. Очевидно, з неї не повністю видалено домішки. Електропровідність цієї води невелика і має порядок 10^–6 зворотних омів. Кольрауш значно старанніше очистив воду і одержав електропровідність у 100 раз меншу; вода у нього була набагато чистішою. Та досить було йому потримати цю воду кілька хвилин у відкритій посудині — в контакті з повітрям, як електропровідність почала швидко збільшуватись.

Те, що я розповів про воду, можна з успіхом віднести до будь-якої іншої речовини. Тільки очищати інші речовини здебільшого доводиться ще довше. Важко приготувати очищену речовину, а ще важче зберегти її в чистому стані. Особливо важко уберегти чисті речовини від домішок повітря і вологи, якими насичена атмосфера. Ось чому очищені речовини часто запаюють у скляні або виготовлені з іншого матеріалу посудини.

Так зробив одного разу англійський хімік Бейкер, запаявши у скляній трубці азотистий ангідрид. Правда, нін запаяв цю речовину у контакті з п’ятиокисом фосфору, бо випадково домішав до азотистого ангідриду деяку кількість води. А п’ятиокис фосфору, як відомо, є одною з найжадібніших до води речовин; майже жодна з відомих нам сполук так сильно не притягує воду, як цей білий порошок. У викладеному вище нема нічого дивного, що могло б послужити матеріалом для сенсації.

Минуло п’ять років. І ось Бейкер згадав, що в його лабораторії зберігається трубка з запаяним азотистим ангідридом, потрібним йому для якогось експерименту. Хіміки всього світу звичайно очищають рідини перегонкою. Щоб відокремити азотистий ангідрид від кусочків п’ятиокису фосфору, Бейкер налив рідину в перегінну колбу і приступив до діла.

Почалася перегонка як завжди: ангідрид налили в охолоджену колбу, бо він кипить вже при температурі +3,5°. Прийомник, де мала збиратися перегнана рідина, теж помістили в лід. Бейкер почав чекати, коли ангідрид, попільно нагріваючись при кімнатній температурі, почне переганятись. Минуло десять хвилин, двадцять, а перегонка не починалась.

Розмовляючи з своїм співробітником, Бейкер машинально глянув на термометр, занурений в рідину, і замовк на півслові. Термометр показував 20°, тобто температуру навколишнього повітря. Азотистий ангідрид повинен був уже давно кипіти, а рідина в колбі залишалась нерухомою. Знизавши плечима у відповідь на німе запитання асистента, Бейкер почав обережно підігрівати колбу. Ніякого ефекту: синя рідина лишалась зовні спокійною. 30°… 35°… 40°… і тільки при 43° почалась перегонка.

«Можливо, це не та рідина, за яку я її вважаю?» — майнула в Бейкера думка. Негайно був зроблений аналіз — чистий азотистий ангідриді Знову повторили перегонку при 43°.

За сусіднім столом асистент Бейкера, озираючись на загадкову колбу, гарячково готував з азотної кислоти азотний ангідрид. Ось вона, синя рідина, яка зовнішнім виглядом нічим не відрізняється від своєї сусідки. Яка ж буде її температура кипіння? Термометр показав 3,5°. Знову почали переганяти першу рідину. І знову 43°!

Бейкер наказав запаяти обидві рідини, одягнувся і вийшов. Залишатись в лабораторії віч-на-віч з цією загадкою він більше не міг.

Що ж так вразило англійського хіміка? Невже якихось сорок градусів могли бути причиною такого сильного хвилювання?!

Могли.

Чи постійні «постійні величини»?

Справа в тому, що кожна речовина, кожна хімічна сполука мають цілком визначені фізичні й хімічні властивості. Можна брати, наприклад, воду з Індійського океану, з запліснявілого болота, з полярної крижини, з калюжі на дорозі — яке б не було її походження, завжди вона замерзатиме при 0°, а кипітиме при 100°. Бензол, добутий шляхом переробки кам’яного вугілля, і бензол, добутий синтетично з ацетилену, не відрізняються один від одного ні на йоту.

Отже, кожній хімічній сполуці відповідає цілком певна температура кипіння, температура плавління, густина і т. д. Це правило лежить в основі процесів добування очищених речовин. Якщо хочуть, наприклад, одержати чисту оцтову кислоту, то виділяють з неї домішки доти, поки температура плавлення її не дорівнюватиме 16,6°.

І дослідник може бути впевненим, що він тримає в руках чистий препарат оцтової кислоти. Якщо хімік, переганяючи якусь речовину, бачить, що при нормальному атмосферному тискові вона кипить, скажімо, при температурі 110,8°, то він впевнено може сказати, що в колбі толуол.

Але тепер те, що кожній речовині відповідають тільки її притаманні властивості, треба було ще довести.

Є речовини, з якими хіміки мають справу майже щодня. Для цих речовин температури кипіння і плавлення були визначені особливо старанно. З них і вирішив Бейкер почати чергову серію дослідів.

Читач вже знає, як важко хімікові добути чисту речовину. Очевидно, чим вища ступінь очистки речовини, тим важче її приготувати. Можна старанно очистити якусь органічну речовину від домішок неорганічних речовин. Значно важче, але також можливо очистити цю сполуку від домішок сторонніх органічних речовин. Та як уберегтися речовині від повітря, від водяної пари, що міститься в ньому?

Ось чому, приступаючи до очистки бензолу, брому, сірковуглецю, спирту та інших речовин, Бейкер вже знав, що від води, найменших часток її, врятуватись йому не пощастить.

Звідси основна передумова досліду така: всі описані досі хімічні сполуки, якими б чистими вони не вважались, завжди мають в собі деякі домішки води. Завдання досліду — добути цілком чисті, вільні навіть від слідів води, речовини.

Для цього в скляні трубки разом з п’ятиокисом фосфору були запаяні старанно очищені речовини і покладені в шухляду лабораторного стола. В робочому журналі з’явився запис: «27 листопада 1913 року». Далі стояли нові дати: «січень… березень… червень 1914 року». На цьому записи обірвались. Почалася перша світова війна.

До своїх трубок Бейкер повернувся аж через 9 років (у 1922 році).

Трубки він відкривав в умовах, які виключали присутність вологи: посудини старанно просушувались, кінці трубок відламували під ртуттю і т. п. Результати перевершили всі сподівання.

Першим переганяли бензол. «Звичайний» бензол, як показують всі довідники, має температуру кипіння 80°, а цей закипів при 106°. Далі Бейкер із співробітниками ледве встигали записувати в лабораторні журнали нові дивовижні факти: діетиловий ефір кипів при 83°, тоді як звичайна температура кипіння його 35°, бром починав переганятись при 118° (звичайно бром починав кипіти при 59°), ртуть кипіла при 459° замість 357°, сірковуглець — при 80° (звичайна температура кипіння 46°). Перші ознаки кипіння спирту з’явились при 138°, а не при 78,4°. Так само «поводили себе» й інші речовини, всього було — 11.

Коли Бейкер через кілька днів повідомив про всі ці факти вчених колег, ті зустріли це по-різному: одні одверто реготали, такими неправдоподібними здалися їм його слова; інші глибокодумно закочували очі, а коли Бейкер відходив, здивовано знизували плечима; треті, найбільш далекоглядні, гаряче переконували вченого:

— Дивуюсь, дорогий колего! Невже ви не бачите, що маєте справу з звичайнісіньким явищем перегрівання, коли дуже чиста рідина може деякий час залишатись в рідкому стані трохи вище температури кипіння?

— Перегрівання, панове, — починав сперечатися Бейкер, — тут абсолютно виключене. По-перше, на дні колби, з якої велась перегонка, лежали кусочки пористого фарфору, а це, як відомо, виключає можливість перегрівання. По-друге, як починається кипіння при перегріванні? Рідина лишається зовні спокійною, поки температура не підніметься на кілька градусів вище температури кипіння, а потім раптово і дуже бурхливо закипає. Весь вміст колби стає пінистим. А в даному разі кипіння починалось цілком спокійно, так само проходила й перегонка. Крім того, не слід забувати, що перегрівання буває завжди не більшим, ніж на три-чотири, найбільше — на 10 градусів, а тут 70–80 градусів! Ні, колеги, це не перегрівання.

Колеги вже й самі бачили, що в цих дослідах нема нічого спільного з явищем перегрівання. Це клало кінець науковим суперечкам, і далі розмова вже входила в сферу ненаукову:

— Ну, знаєте, все може бути… — і співрозмовники розводили руками так, ніби вони були не шанованими членами Королівського товариства, а звичайнісінькими школярами.

Отже, в наявності — наукове відкриття. Все було б добре, якби Бейкер сам хоч в якійсь мірі догадувався, яким чином тривале осушування речовини може привести до таких разючих результатів.

До того ж, через кілька днів з’ясувались нові факти: речовини, піддані тривалому осушуванню, змінювали також температуру плавлення. Ромбічна сірка плавилась при 117,5° замість 112,8°, йод — при 116° замість 114°. У бік збільшення змінилася й температура замерзання рідин: бром замерзав при температурі на 2,8° вище звичайної, а бензол — на 0,6°.

Що ж це за явище? Поки що зрозуміло дуже й дуже небагато.

Нема сумніву, що «винна» у всьому волога, сліди якої видалені з осушуваних речовин при багаторічному контакті з п’ятиокисом фосфору. Доказом цього може бути хоч би й те, що, коли ці рідини залишити на повітрі, температура їх кипіння починає швидко знижуватись і за якихось 5–6 хвилин досягає звичайної. Очевидно, це пов’язано з поглинанням води з повітря. Крім того, можна було догадатись, чому для досягнення цього ефекту, названого Бейкером «ефектом осушування», треба було піддавати речовини такому тривалому осушуванню.

Один з дуже важливих хімічних законів — закон діючих мас, відкритий видатним російським вченим М. М. Бекетовим, говорить: швидкість хімічних реакцій пропорційнальна добутку концентрацій взаємодіючих речовин. Якою ж могла бути початкова концентрація води в бензолі, старанно очищеному Бейкером перед тим, як запаяти його разом з п’ятиокисом фосфору? Важко сказати. Та навряд чи більше однієї стотисячної частки процента.

Після того як процес осушування почався, ця кількість спочатку швидко, а потім все повільніше й повільніше зменшувалась: мільйонна частка процента, десятимільйонна, стомільйонна… Якщо підставити цю концентрацію в добуток, яким визначається швидкість реакції, то неважко буде уявити, якою мізерною виявиться ця швидкість. Ось чому для абсолютного осушення бензолу та інших речовин потрібні роки.

Деякі сторони явищ, спостережених Бейкером, можна було пояснити, а от найголовніше питання, найголовнішу проблему: яким чином мільйонні частки води так сильно впливають на властивості речовин, розв’язати не вдавалось.

Не дивно, що результати дослідів Бейкера викликали полеміку серед вчених того часу. Адже й тепер, майже через 40 років після цього відкриття, читач, очевидно, здивований: у чому ж суть такого дивовижного впливу мізерних домішок води? Зрозуміло й те, чому це відкриття стало сенсацією в повному розумінні цього слова, тобто про нього дуже швидко забули. Мало хто з дослідників наважувався повторити ці експерименти. У кого вистачить терпіння провадити дев’ятирічний дослід! Однак армія хіміків на землі велика, знайшлося кілька чоловік, які спокійно, без полемічного запалу взялися перевірити дослідні дані англійського вченого.

Нові факти, нові запитання

Через кілька років почали з’являтися окремі праці, присвячені питанню «ефекту осушування». З’ясувались деякі подробиці, а для науки ніщо так не важливо, як подробиці.

Амстердамський хімік Смітс вирішив по можливості зменшити час, необхідний для одержання цього «ефекту». Він встановив, що основна кількість води потрапляє в осушувану речовину головним чином з мікроскопічних капілярів у склі посудини, де зберігається рідина. Звичайне нагрівання не може видалити воду з капілярів. Смітс створив досить складний прилад, з допомогою якого можна сплавляти капіляри, одночасно відкачуючи з них повітря, а отже, і водяну пару. Такий прилад дав можливість значно зменшити початкову кількість води в осушуваній речовині.

Смітсу вдалося досяіти «ефекту осушування» за один рік, а в деяких випадках навіть за дев’ять місяців.

Інший фізико-хімік — Мейлі довів, що час осушування можна значно скоротити, якщо посуд з запаяними в ньому в контакті з п’ятиокисом фосфору речовинами зберігати при високій температурі. Це була правильна ідея, бо з підвищенням температури швидкість хімічних реакцій значно прискорюється.

Такі тривалі експерименти, певно, набридли навіть ентузіастам. Настала кількарічна пауза, і лише в 1927 році знову з’явилася стаття про «надчисті». Автор її — той самий Смітс. Він розглядає питання, чи підвищується температура кипіння осушуваних рідин раптово, стрибком чи поступово, в міру видалення вологи.

Смітс взяв старанно очищений бензол, який спочатку мав температуру кипіння 80,1°. 2 червня 1924 року дослідник запаяв бензол разом з п’ятиокисом фосфору у спеціальний прилад, де рідину можна було переганяти з одної посудини в іншу без контакту з повітрям. 25 серпня бензол уже мав температуру кипіння 81,5°. 23 лютого 1925 року він кипів при температурі 87°. У цей день експериментатора спіткало лихо: на колбу з бензолом упав металевий предмет, і вона дала тріщину. Тріщинка була ледь помітною, і її майже одразу запаяли, однак і цих кількох хвилин виявилось досить, щоб у колбу проникла з повітря якась кількість вологи. Дослід був зіпсований: термометр знову показував 80°.

Довелося все починати з початку. Через місяць після злополучного випадку бензол кипів при 81,5°. Ще через місяць температура кипіння досягла 83°, і, нарешті, через рік весь бензол переганявся в інтервалі 86,6–87,7°. На цьому дослід був припинений. Хоча, продовжуючи далі осушування бензолу, можна довести температуру його кипіння до величини, досягнутої Бейкером — 106°, а може й вище.

Тим часом Бейкера і його нечисленних послідовників мучило питання: в чому ж річ, чому тгкі мізерні домішки води так разюче впливають на властивість речовин? Минали роки, а до розв’язання цього питання було так само далеко, як і в 1913 році, коли вперше був відкритий цей «ефект». Та коли вчені піднялись ще на кілька східців, коли з’явилось ще кілька праць, над деякими незрозумілими явищами замерехтіло світло розгадки.

Один з наступних дослідів показав, що старанно осушені речовини під час перегонки «поводяться» не так, як «звичайні». При перегонці «звичайних» речовин температура всього об’єму рідини повільно підвищується і потім, при певній температурі, що має назву температури кипіння, рідина починає переганятись, причому кипіння проходить строго при цій температурі до кінця досліду.

Коли ж уважно вивчили процес перегонки старанно осушеного гексану (вуглеводень С₆Н₁₄), то виявилась зовсім інша картина. Звичайний гексан кипів при температурі 69°. Внаслідок кількарічного осушування температура його кипіння досягла 82°. Одержавши «гексан-82» (читач уже розуміє, що може бути «гексан-69», або гексан звичайний, «гексан-72» і «гексан-75» і т. д. — в залежності від того, скільки часу осушувалася ця речовина), дослідники почали вивчати процес його перегонки.

Сподівання не обманули вчених. Перегонка відбулася справді незвичайно. Перші ознаки кипіння з’явились при температурі 79°. З цього моменту температура кипіння почала рівномірно підвищуватись, поки не досягла 82°. При цій температурі і перегналась більша частина гексану. Та перегонка, подібна вищеописаній, спостерігається лише для суміші кількох речовин. А тим часом у колбі міститься тільки гексан, причому надзвичайно чистий. І цей гексан кипить при кількох температурах! Кілька гексанів в одній речовині! Неймовірно, але факт!

Попутно виявилось ще кілька цікавих фактів. Речовини, піддані тривалому осушуванню, змінюють не тільки температуру кипіння, а майже всі свої фізичні властивості: показник заломлення, поверхневий натяг, теплоту випаровування і т. д. Ці нові факти додали чимало знаків запитання до тих, які вже стояли біля цієї проблеми.

Чергова стаття Бейкера поставила все на свої місця.) Була визначена густина пари речовин, підданих тривалому осушуванню. А знаючи густину пари, можна визначити молекулярну вагу речовини в паровидному стані. Ці вимірювання показали, що молекулярні ваги вивчених речовин у всіх випадках перевищують визначені. Так, молекулярна вага діетилового ефіру (С₂Н₅)₂0, як виявилось, дорівнює 170. Коли ж скласти вагу всіх атомів, що входять в молекулу діетилового ефіру, то вийде величина 12∙4 + 10 + 16 = 74. Виходить, що молекули ефіру, підданого тривалому осушуванню, збираються в агрегати, по двоє-троє. До такого висновку можна прийти тому, що виявлена молекулярна вага в два-три рази перевищує розраховану.

Подібні результати показали й інші речовини. Так, молекулярна вага метилового спирту перевищувала визначену майже втроє, молекулярні ваги брому, бензолу та чотирихлористого вуглецю збільшились у півтора раза, гексану — вдвоє, сірковуглецю — в 2,7 раза і т. д.

Отже, всі висушені і дуже чисті речовини знаходяться в парах у вигляді агрегатів молекул, або, як кажуть, в асоційованому стані. В рідинному стані величина цих агрегатів, або ступінь асоціації, повинна бути ще більшою. Тепер зрозуміло, чому температура кипіння цих рідин так відрізняється від температури кипіння рідин звичайних. Природно, що енергія, потрібна для відриву одної від одної молекул з меншою молекулярною вагою, повинна бути меншою, ніж для молекул з більшою молекулярною вагою. А звідси — і підвищення температури кипіння. Здавалось, тепер вже можна полегшено зітхнути, бо знайдено ключ до всіх знаків запитання: молекули дуже чистих речовин збираються в агрегати, і цим вони відрізняються від молекул речовин просто чистих. Все інше — наслідок цього явища.

Взяти хоча б перегонку гексану, про яку ми вже говорили. Спочатку в газоподібний стан переходять прості молекули, а потім складні, які зв’язані по двоє-троє і т. д. Ось чому перегонка гексану йде не при одній температурі, а в деякому інтервалі.

Однак тільки тепер починаються найнезрозуміліші речі. Явище асоціації само по собі не викликає здивовання.

Хімікам відома величезна кількість речовин, які в рідкому та газоподібному стані асоційовані. Якщо ми визначимо молекулярну вагу пари, наприклад, оцтової кислоти, то знайдемо, що вона дорівнює 120, тоді як теоретично молекулярна вага цієї речовини — СН₃СООН — дорівнює 60. Отже, в оцтовій кислоті молекули тримаються попарно.

Таких прикладів можна навести ще багато.

Усі речовини, здатні до асоціації, мають спільну властивість: позитивний заряд їхньої молекули зосереджений в одній частині, а негативний — в іншій. Молекули оцтової кислоти побудовані саме так і це пояснює, чому молекули оцтової кислоти намагаються об’єднатися. Позитивний полюс однієї молекули притягує негативний полюс іншої. У рідинному стані, коли віддалі між молекулами значно зменшуються порівняно з паровидним, агрегати молекул більші: вони можуть об’єднуватись по четверо, по шестеро і Т. д.

Наскільки зрозуміла причина асоціації речовин, у молекул яких розділений електричний заряд, або, як кажуть вчені, молекули яких мають дипольний момент, настільки ж повинно бути очевидно й те, що речовини, які не мають його, не можуть асоціюватися. У більшості речовин, з якими експериментували Бейкер та Смітс, дипольний момент дорівнює нулю. Тому вони й не можуть асоціюватись.

Так на місце одного розв’язаного питання прийшло принаймні два. Перше: чому саме вода має такі чудові властивості, що найменші домішки її мають такий величезний вплив на властивості речовин? Друге: що примушує молекули речовин, які не мають дипольного моменту, асоціюватися всупереч законам фізики й хімії?.

Така вже доля вчених. Ніколи їм не досягти того рубежу, де можна було б сказати: «Все, більше в цій галузі вивчати нічого. Можна спокійно відпочивати». Одне розв’язане питання тягне за собою десятки інших.

Чому вода?

Чому саме вода має такі виключні властивості? Очевидно, вона чимось дуже відрізняється від інших неорганічних і органічних речовин. Тоді якою своєю властивістю? Може, густиною і в’язкістю? Ні, сотні речовин мають такі ж величини цих властивостей, як вода. Може, поверхневим натягом, показником заломлення, температурою кипіння або плавлення? Ні, і ці властивості води не показові. Може, електропровідність, дипольний момент або діелектрична стала? Так. Здається, вона. Справді, діелектрична стала води дуже відрізняється від діелектричних сталих інших речовин.

Діелектричною константою у фізиці називають величину, яка показує, в скільки разів ослаблюється електрична взаємодія в даному середовищі в порівнянні з пустотою. Для води ця величина дорівнює 81. Для бензолу, наприклад, вона становить 2,2, для гексану — 1,9.

Погляньмо на таблицю, де зведено дані діелектричних сталих речовин. Жодна речовина не може зрівнятися в цьому відношенні з водою. Найближча до води — мурашина кислота, але і в неї діелектрична стала у 1,5 раза менша.

Може, саме в надзвичайно великій діелектричній константі полягає гідна подиву дія домішок води?

Припустимо, що молекули всіх речовин, Навіть тих, у яких молекули мають дипольний момент, який дорівнює нулеві, притягуються одна до одної якимись силами, природа яких нам ще невідома. А втім, якими б не були ці сили, вони повинні бути електричними, отже, повинні підлягати законам електричного притягання — законам Кулона.

Якщо є якась чиста речовина, то що міститься між двома молекулами цієї речовини? Нічого, пустота! Отже, сили електростатичного притягання в даному випадку, в пустоті, найбільші. Що ж станеться, коли між двома цими молекулами опиниться молекула якоїсь сторонньої речовини?

Звичайно, сила взаємодії між цими двома молекулами значно ослабне. А якщо ця стороння молекула, до того ж молекула такої речовини, як вода, з найбільшою діелектричною сталою, тобто в середовищі якої сили електростатичної взаємодії ослаблюються найбільше, то легко припустити, що ніякого притягання між молекулами основної речовини вже не буде.

Такі міркування треба було підтвердити дослідами. І підтвердження не забарились.

Чистий бензол, осушений звичайним методом для лабораторної практики, помістили в спеціальний посуд між двома платиновими електродами. Посуд нагрівали повільно, поки не закипів бензрл. Термометр показував 80°. Іншими словами, бензол «поводився» так, як і належить «нормальному» бензолові. Та ось до електродів підвели струм високої напруги. На перший погляд це — безглузда витівка: адже бензол не проводить струму. Але як тільки включили рубильник, кипіння бензолу зразу ж припинилось. Довелося нагріти рідину ще на вісім градусів, щоб знову почалось кипіння. Бензол «поводився» так, як «надчистий», підданий багаторічному осушуванню. Як тільки струм вимкнули, температура кипіння зразу знизилась до нормальної. Підвели напругу — знову 88°.

Чому ж цей дослід підтверджує вплив води на асоціацію бензолу? У «звичайному» бензолі порівняно багато води: одну з 50–60 молекул можна вважати оточеною тонесеньким шаром — в одну молекулу — води. Молекули води, як це можна бачити з рисунка на стор. 23, дуже подібні до магнітиків. Маленькі атоми водню, з сильним електропозитивним полем, зосереджені в одному кінці молекули, а атом кисню з двома негативними зарядами — на іншому. Чим не магніт! А поруч зображена молекула бензолу. Досить тільки глянути на неї, і зразу ж стане зрозумілим, чому бензол не має дипольного моменту: шість симетрично розташованих атомів вуглецю і стільки ж атомів водню урівноважують заряди один одного. При утворенні поля струму високої напруги «магнітики» води відриваються від молекул бензолу, водяна оболонка руйнується, і молекула бензолу дістає можливість асоціюватись. Ось чому зразу підвищується температура кипіння рідини. Отже, на запитання «чому вода?» ми відповіли.

А ось друге питання: що примушує бездипольні молекули дуже чистих речовин збиратися в агрегати — досі залишається нез’ясованим.

І далі. Про яку водну оболонку може йти мова, коли навіть у просто чистому бензолі одна молекула води припадає на 50–60 молекул бензолу? А якщо бензол піддається спеціальному осушуванню, то частка води в ньому падає до одної десятитисячної або навіть одної стотисячної процента. Це значить, що одна молекула води припадає приблизно на один мільйон молекул основної речовини. Яким же чином це мізерне співвідношення «сил» може виконувати таку руйнівну дію?

Ось вони, проблеми, які, можливо, розв’яжеш ти, читачу. Загадка «надчистих» рідин досі лишається нерозгаданою.

Та ми ще далеко не повністю зичерпали коло питань, які доведеться розв’язувати майбутньому дослідникові цієї проблеми.

Тепер перейдемо до подій, які, власне, і примусили вчений світ згадати цю історію, яку й досі називають науковою сенсацією.

Голка в сіні

Хто позаздрить людині, яка мусить темної ночі знайти в копиці сіна загублену голку? Скажете, ніхто? Помиляєтесь! Є немало таких хіміків, які сказали б, що ця (звичайно, вигадана мною) людина займається грою в бирюльки. І у відповідь негайно проаргументували б своє твердження ясною мовою арифметики.

Справді, скільки може важити копиця сіна? Кілограмів 400. А голка? Приблизно одну десяту грама, або 10^–4 кг. Якщо 400 кг прийняти за 100 %, то скільки процентів становитиме 0,1 г?

Отже, в голці 25 мільйонних часток процента від ваги копиці сіна. Хімік сказав би, що оперує в межах п’ятого десяткового знака. Але для хімії робота з визначенням такої кількості домішок, яка криється в п’ятому десятковому, давно пройдений етап. Ось, скажімо, шостий або сьомий десятковий знак — тут треба попрацювати.

Та якби хімія обмежувалась тільки шостим і сьомим знаками!

Вже в середині п’ятдесятих років техніка почала вимагати від хіміків не тільки визначення кількостей домішок, але й видалення їх. А це далеко не одне й те ж. Одна справа знайти, скільки до основної речовини домішано того чи іншого елемента, а зовсім інша — видалити домішки, причому так, щоб не внести нових. І це друге завдання набагато складніше від першого. Та якщо техніка, промисловість кажуть «треба», хімія повинна відповісти «є»!

Навіщо потрібні речовини такої надприродної чистоти?

Наше покоління було свідком створення одної з чудових галузей фізики — науки про напівпровідники. Більшість напівпровідників виявляє свої властивості в стані дуже високої чистоти. Ось, наприклад, метал германій. Сучасна напівпровідникова техніка вимагає для нього чистоти 99,9999999999 %, тобто на один атом домішок тисячі мільярдів атомів германію. Два атоми домішок на цю кількість — і напівпровідник вже непридатний. Так перед хіміками у всій величі постала вершина десятого десяткового знака.

Йдеться про одержання не якихось унікальних двох-трьох грамів речовини надвисокої чистоти, а про заводи, де ці речовини виробляють сотнями й тисячами кілограмів. Читач пам’ятає, якими труднощами супроводжувалось завоювання «вершин» шостого і сьомого десяткових знаків. Тепер же треба було взяти десятий. А подібно до того, як кожний метр на великій висоті дається альпіністові важче, ніж кілометр по рівній дорозі, так само кожна послідовна дев’ятка в числі, що виражає чистоту препарата, дається хімікові з дедалі наростаючим зусиллям.

Одержання речовини з ступенем чистоти 99,99 %, або речовини «чотири дев’ятки», не являє тепер труднощів. Але чи давно це так?

Ось три статті, вміщені в різних хімічних журналах. В першій із них читаємо: «Нам вдалося одержати надзвичайно чисту речовину чистотою 99,99 %». В другій написано: «Вміст основної речовини в продукті — 99,999 %. Таким чином, одержаний продукт можна вважати відносно чистим». В третій статті говориться таке: «Одержаний зразок був досить брудним: вміст основного металу в ньому становить лише 99,9999 %».

В чому ж річ? Висловлювання в цих статтях повністю виключають одне одного. Просто перша праця написана на початку 20 століття, друга — в двадцяті роки, а третя з’явилася в наші дні. Речовина, яка шістдесят років тому вважалася чистою, в наш час не може зберегти свою колишню репутацію.

Цікаво хоча б коротенько розглянути, як хімікам вдається добувати речовини такої надзвичайної чистоти.

Одержання таких «надчистих» речовин стало можливим завдяки величезним успіхам аналітичної хімії, бо при очищенні речовини треба насамперед знати, від яких домішок слід її очищати, а потім — скільки їх міститься в основній речовині. На всі ці запитання відповідь дає аналітична хімія. І чим вищий ступінь очищення, тим досконалішими повинні бути прийоми цієї науки.

З усього арсеналу засобів, які є в розпорядженні аналітиків, ми виберемо для ілюстрації декілька, однак і їх досить, щоб показати можливості цієї науки.

Ось один з наймолодших методів аналізу — радіоактиваційний. Метал, який мають очистити, вміщують у ядерний реактор або циклотрон. При опромінюванні металу нейтронами або іншими елементарними частками його атоми — не всі, звичайно, — стають радіоактивними. Набувають радіоактивності і всі атоми домішок. Однак характер випромінювання одного штучного радіоактивного елемента різко відрізняється від характеру випромінювання іншого. Визначаючи характер та інтенсивність кожного типу випромінювання, можна легко визначити кількість і характер домішок у металі. Цей метод дає можливість визначати домішки в кількості до 10^–13 г.

Спробуйте прочитати цю величину у виразах, прийнятих для десяткових дробів!

Електропровідність напівпровідникових матеріалів дуже залежить від домішок — цим, власне, й зумовлена вимога виняткової чистоти напівпровідників. Очищаючи напівпровідник, кожного разу випробовують його електропровідність. Чим чистіша речовина, тим менша її провідність.

Варто спинитися на дуже цікавих способах одержання речовин «дев’ять» або «десять дев’яток».

Насамперед про лабораторії та людей, де провадяться такі роботи. У цих лабораторіях ходять повільно, розмовляють тихо, уникають різких рухів, щоб з одежі не виділялись залишки пилу, який не встиг висмоктати пилосос, що стоїть біля входу. Стіни і стелі цих лабораторій гладенькі й блискучі, і на них смітинці ніде зачепитися. Всі маніпуляції там виконують за допомогою особливих приладів, що нагадують пінцети з довгою ручкою, причому роблять це знову-таки поволі, обережно…

Складається враження, що працювати в таких лабораторіях досить-таки нудно. Та це враження зразу ж розвіється, як тільки ми докладно ознайомимося з тим, як люди в прозорих пластмасових халатах, виконуючи свою буденну і ніби нудну роботу, сходять на одну з найвеличніших і найтрудніших вершин сучасної науки — на вершину «десяти дев’яток».

Ось одна з поширених установок для одержання надчистих речовин. У ній здійснюється процес відокремлення домішок, так звана «зонна плавка». Трубчаста електрична піч повільно рухається вздовж кварцевої трубки. У цій трубці на спеціальній підставці лежить невеличкий розтягнутий злиток германію. Зовні нема нічого цікавого. Ми бачимо, як розплавлена зона переміщається вздовж злитка металу. У тому місці, де над ним проходить піч, він розплавляється і перетворюється у в’язку рідину. Піч проходить далі, і метал повільно остигає.

Для чого це робиться? А ось для чого. Домішка, яка міститься в германії, при розплавлянні металу залишається в рідкій зоні, бо атоми розплавленого металу, з’єднуючись при застиганні, виштовхують «чужаків» з кристалевої гратки. Рідка зона, переміщуючись вздовж злитка, захоплює значну частину домішок. Коли, нарешті, рідка зона доходить до кінця злитка й остигає, її відрізають, і перед нами — германій, значно чистіший, ніж той, який ми мали на початку роботи.

Хоч метод зонної плавки найуніверсальніший, однак і він не завжди придатний для одержання надчистих речовин. Ось, наприклад, інший напівпровідник — сусід германію по періодичній системі Д. І. Менделєєва — кремній. Він плавиться при температурі значно вищій, ніж германій, — при 1400°. При такій високій температурі майже всі атоми інших речовин, що його оточують, намагаються вступити з ним у хімічну сполуку. Звідки беруться ці атоми? З повітря, яке оточує злиток, з тигля, де кремній плавиться. Повітря можна викачати, але чим замінити тигель, де відбувається плавлення?

З елементами (металами), що піддаються впливу магнітного поля, обійшлися дуже оригінально: почали плавити їх без будь-якого посуду. Вміщують кусочок металу в середину круглого електромагніту, вмикають струм і… метал повисає в повітрі, а вірніше — в пустоті, бо повітря відкачане. Там же, в пустоті, його плавлять і проводять інші маніпуляції. Так метал проходить всі стадії, що ведуть до його очищення, і жодного разу при цьому не дотикається до стінок посуду.

А як бути з кремнієм, який не піддається впливу магнітного поля? На допомогу тут прийшов сам кремній. Розплавлений кремній має дуже високий поверхневий натяг. Тому розплавлена маса його вдержується зовнішньою плівкою рідини. Кремній, як бачимо, плавиться у власному посуді.

Кожний новий напівпровідниковий матеріал при його очищенні висуває нові проблеми, нові ускладнення. Але вже з цих кількох прикладів читачеві ясно, наскільки складна проблема одержання надчистих речовин.

Тепер наука розвивається такими темпами, що той зміст, який я вкладаю в слово «складний», говорячи про проблему надчистих, зміниться в бік полегшення навіть за кілька місяців, які минуть з часу написання цих рядків до виходу книги в світ. Адже ступінь чистоти, доступний тепер промисловості, років десять тому не міг навіть приснитися вченому з найбагатшою фантазією.

Нова хімія

У підручнику з хімії сказано:

«Цинк при звичайних умовах досить крихкий і при невеликому нагріванні може бути легко, без зусиль розтертий у порошок у звичайній ступці».

«Цинк легко розчиняється у розведених сірчаній і соляній кислотах».

«Марганець, хром і титан дуже важко піддаються обробці через свою крихкість. Перший з цих елементів енергійно розчиняється в кислотах».

А ось уривок із статті, опублікованої недавно в одному з хімічних журналів:

«Метали цинк, титан, марганець і особливо хром — дуже пластичні і чудово куються. Цинк і марганець, хоч і стоять в ряді напруг значно вище від водню, не виділяють останній з кислот навіть при великому нагріванні».

Читач заперечить мені:

— Годі вигадувати! Не знаю, як там марганець, а з цинком я особисто провадив спробу і не раз. Подивилися б, як виділяється водень!

Я все це знаю, бо й сам добував водень, розчиняючи цинк у сірчаній кислоті. Проте в наведеній цитаті все правильно.

— Дозвольте, — скажете ви, — але ж тоді всі підручники хімії неправильні!

Ні, і підручники правильні. Просто в першому випадку йдеться про «брудний» цинк, про цинк чистоти, що застосовується в лабораторіях: 99,9 %, а в другому — про «надчисті» метали, які мають не менше «п’яти дев’яток».

З металами надвисокої чистоти трапилась ось яка історія. Звичайно хіміки вивчають властивості якогось елемента і тільки після того одержують його в більш-менш чистому вигляді. Тут же були спочатку одержані надчисті елементи, а потім стало можливим вивчення їх фізичних і хімічних властивостей. Саме тоді й згадали про досліди по одержанню надчистих рідин, згадали про дивовижні зміни властивостей рідин при виділенні з них десятитисячних і мільйонних часток домішок, згадали і… не здивувались. Не здивувались, бо з металами відбувалось щось подібне.

Ось цинк «дві дев’ятки». Він, як і належить цинку, розчиняється в кислотах, дуже крихкий і т. д. Цинк «чотири дев’ятки» — теж прекрасно розчиняється в кислотах, дуже крихкий і т. д. Цинк «п’ять дев’яток» не розчиняється в кислотах навіть при нагріванні, може витягуватись у тонкі нитки, дуже ковкий. Варто цинку змінити свої «чотири дев’ятки» на «п’ять» — і властивості речовини дивовижно змінюються.

Що ж виходить? Забрали домішки, що були в третій дев’ятці, — нічого, в четвертій — те ж саме, і лише тоді, коли звільнились від домішок, які становили одну тисячну від першої «порції» домішок, властивості цинку зразу ж змінились! При цьому в міру очищення цинку розчинність його в кислотах не зменшувалась, а пластичність не збільшувалась. Тільки при переході через межу «п’яти дев’яток» властивості металу змінювались раптово, стрибком. Те ж саме і з іншими надчистими металами: якась чергова «дев’ятка» несподівано різко змінює властивості елемента.

І знову виникає питання, яким чином мізерні частки домішок можуть так впливати на властивості речовини, що надчисті речовини стають нічим не подібні до своїх «предків».

Хімія поки що не може відповісти на це запитання. Очевидно, у фізичних і хімічних властивостях речовини величезну роль відіграють однорідність і неоднорідність її хімічного складу. Коли метали передають струм, електрони біжать не абияк, а пересуваються по ланцюжках атомів, з яких складається кристалічна гратка. Це уявлення не пояснює ще, яким чином один атом домішок на тисячу мільярдів атомів іншої речовини може змінити властивості цієї речовини, але дозволяє догадуватись. Справді, лінія телефонного зв’язку між Москвою і, скажімо, Владивостоком має довжину в 10 тисяч кілометрів. Досить десь на відстані цих 10 тисяч кілометрів вирізати 1 мм провода, як зв’язок зразу ж перерветься. Так само один атом стороннього елемента порушує нормальний біг електронів.

— Добре, — скаже читач, — нехай це вірно у відношенні фізичних властивостей, але як один атом домішок на 10 тисяч мільярдів основних атомів може вплинути на хімічні властивості речовини? Один на 10 тисяч мільярдів!

Коли ми кладемо звичайний (тобто три-чотири «дев’ятки») цинк у кислоту, то зараз же починає виділятись водень.

Як розчиняється цинк у кислотах? Уявно збільшимо поверхню розчиненого цинку в мільярди разів, так щоб видно було окремі атоми, з яких складається гратка цинку. Серед атомів цинку ви помітите порівняно багато атомів домішок. Біля них кристалічна гратка деформована, і тут же ви звернете увагу на те, що молекули кислоти відривають атоми цинку саме в тих місцях, де сталося порушення однорідності кристалічної гратки через сусідство з атомами домішок. Отже, наявність останніх створює сприятливі умови для перебігу реакції.

А якщо речовина дуже чиста і склад її можна вважати однорідним, що відбувається тоді?

Маючи перед собою однорідну в хімічному розумінні поверхню, молекули кислоти «не знають», з якого кінця почати руйнування кристалічної гратки металу. Для того щоб альпініст міг здертися на стрімку стіну, йому потрібно спочатку знайти в ній якусь розколину або виступ, за який він зміг би зачепитись. Такої розколини на поверхні надчистої речовини нема, тому ця речовина інертна в хімічному відношенні.

Очевидно, ідеально чисті речовини взагалі не можуть взаємодіяти. Відомо, що хлор і водень дуже активно взаємодіють один з одним. Якщо змішати ці два гази при світлі, то станеться сильний вибух. У темноті реакція проходить дещо повільніше. Коли ж обидва гази старанно висушити (багато разів пропустити через фосфорний ангідрид), то після змішання така реакція не відбудеться. Більш того, скільки б ми не освітлювали суміш, скільки б її не підігрівали, не буде навіть ознаки реакції Н₂ + Сl₂ = 2НСl.

Ось рівняння реакції водню й хлору. При чому тут вода? Її не видно ні справа, ні зліва. Але вода відіграє велику роль у початку реакції і в її перебігу, порушуючи хімічну однорідність згаданої суміші.

Звичайно, цікаво знати про властивості дуже чистих речовин, але спочатку треба твердо і точно знати, як «поводять себе» речовини звичайного ступеню чистоти.

І далі. Як бути з константами для надчистих рідин? Може, з довідників треба викинути дані про температури кипіння, оскільки вони відповідають рідинам, що містять деяку кількість вологи? Ну, закреслимо, а що вписати на місце закресленого? Яку, наприклад, температуру кипіння має бензол? Писати 80° чи 88°, чи 106°. І тут треба відповісти: викреслювати нічого не потрібно. На практиці майже завжди доводиться мати справу з таким бензолом, який кипить при температурі 80°. Це ж саме можна сказати про всі інші речовини.

Світ нескінченно малих

Після сказаного вище доречно навести кілька фактів, які покажуть читачеві, що проблема малих кількостей речовин і тісно пов’язана з нею проблема надчистих речовин являють собою не приватний інтерес хімії, а мають велике значення для багатьох галузей знань.

Найбільше прикладів впливу надзвичайно малої кількості речовин на властивості сполук дають нам явища каталізу. Ми вже вказували на каталітичну дію мізерних домішок води на реакцію взаємодії водню з хлором. Наведемо ще один приклад каталітичної дії малої кількості речовини. Перекис водню (Н₂O₂) — речовина в звичайних умовах досить стабільна. Та варто внести в перекис водню платину концентрацією в три мільярдні частки грама, як зразу ж починається бурхливий розклад Н₂O₂ = Н₂O + О. А втім, це розкладання можна припинити в одну мить, отруївши каталізатор. Для платини-каталізатора найсильнішою отрутою є синильна кислота. Досить створити в розчині концентрацію синильної кислоти в одну мільярдну грама на один мілілітр, як розкладання перекису припиняється.

У старовину, а інколи і в наш час, монастирі спекулюють «святою» водою, яка нібито «зціляє» від багатьох хвороб. Цікаво, що при деяких хворобах, особливо шлункових, вона дійсно виявляє цілющу дію.

Але вся справа в тому, що під виглядом «святої» ченці продають воду, настояну на срібних монетах або предметах. Під час настоювання у воду переходять мізерні кількості срібла, але й їх досить, щоб згубно вплинути на велику кількість бактерій. Адже в середовищі, яке містить одну мільярдну грама срібла в мілілітрі, гине багато бактерій. Ось чому в старовину дуже цінували срібний посуд: люди давно примітили, що їжа, приготовлена в такому посуді, вигідно відрізняється від будь-якої іншої.

Ми оперуємо зараз величинами: одна мільярдна, три мільярдних і т. п. Знаючи з власного досвіду, як важко уявити собі такі мізерні величини, я ще раз дозволю собі вдатися до порівняння.

Отже, що таке одна мільярдна грама?

Припустимо, нам вдалося грудочку цукру-рафінаду поділити порівну між усіма мешканцями нашої планети. Скільки тоді дісталося б кожному? У п’ять раз більше, ніж одна мільярдна грама: 5∙10^–9 г. Тепер уявіть собі цю грудочку цукру, кількість людей на земній кулі і тоді, можливо, збагнете, якими мізерними величинами оперує сучасна хімія.

Ще дивовижніші приклади дає нам біологія. Зараз доведено, що в рості рослинних клітин активну участь бере речовина ауксин. Якщо з допомогою шприца ввести ауксин у стебло рослини, то в цьому місці починається інтенсивний ріст клітин, який призводить до викривлення стебла. За одиницю ауксина приймають таку кількість ного, яка дає відхилення стебла вівса на 10°. У грамах ця одиниця дорівнює 2∙10^–11, тобто двом стомільярдним грама.

Людський нюх дає дивовижні приклади реєстрації мізерної кількості речовини. Органічну сполуку меркаптан, який має неприємний запах, людина може виявити навіть тоді, коли одна частина його припадає на п’ять мільярдів частин повітря. Якщо перевести ці числа в грами, то вийде, що людський нюх реєструє 2∙10^–12г. Цю властивість меркаптану використовують, домішуючи невагомі кількості його до природного газу. Тимчасом відомо, що людський нюх малочутливий в порівнянні з нюхом багатьох тварин і комах. Тут природа дійсно проявляє дива.

Швейцарські натуралісти Фабр і Форель повідомляють про такий дослід. У Цюріху була вирощена гусениця метелика, що перетворилась з лялечки в кокон. Наступної весни з кокона з’явилась самка метелика. Її помістили в кімнаті з відчиненими вікнами, і за кілька днів сюди злетілося понад сто метеликів-самців цієї породи, пролетівши кілька кілометрів з навколишніх лук. Дослід показав, що метелики знаходять один одного по запаху. Уявляєте, як розвинений нюх у комах і яка мала кількість речовини потрібна для збудження їхніх нюхових центрів?!

Всі ці приклади показують, що світ дуже малих кількостей речовини відіграє величезну роль у визначенні властивостей багатьох речовин. Іноді кілька атомів домішок на багато мільйонів атомів основної речовини докорінно змінюють властивості останньої.

Наша розмова про «надчисті» була б не завершена, якби ми не спинилися докладніше на практичній важливості цієї проблеми, хоч сказане вже повинно було показати читачеві, що без розв’язання її сучасна наука і техніка не змогли б просуватися вперед такими величезними кроками.

Великі справи малих домішок

У сільському господарстві тепер широко застосовують так звані мікроелементи для підвищення врожайності багатьох культур. Навіть дуже малі кількості деяких хімічних елементів (кобальту, цинку, марганцю), коли їх внести в грунт разом з добривами, дуже впливають на розвиток рослин. Досить, наприклад, внести в добриво 1,5 кг сполук бору на гектар, як врожай люцерни збільшиться вдвоє Лише 0,1 грама солі марганцю на кущ синіх баклажанів дає чудові результати: визрівання плодів прискорюється на 10 днів, кількість плодів та їх вага значно збільшуються і т. д.

Між мікроелементами є так звані ультрамікроелементи Якщо створити в грунті концентрацію радію в кількості одної стомільярдної частки на кілограм грунту, то врожай гороху підвищиться на 182 %. Така ж доза радію значно прискорює ріст і цвітіння троянд.

Знову мільярдні і навіть стомільярдні частки грама — і знову величезний ефект. Як бачимо, не тільки в хімії а й в біології мізерні зміни в мікросвіті викликають дуже значні зміни в макросвіті.

Говорячи про практичне застосування проблеми «надчистих» і «надмалих», слід було б спинитися ще на явищі корозії. Відомо, що для багатьох металевих виробів корозія — страшенне лихо. Люди важкою працею добувають руду, виплавляють метал, виготовляють різні деталі, складають з них машини. Та як тільки машину пустили в дію, до неї зразу ж підкрадається невидимий підступний ворог — корозія.

Близько 30 мільйонів тонн металу щороку перетворюється в рудувату іржу. І хоч з корозією ведеться невпинна і небезуспішна війна, все-таки доводиться визнати: втрати металу дуже значні.

На одній з площ Делі стоїть залізна колона. Вона є предметом поклоніння і паломництва релігійних індусів. Колона дуже давня: їй понад дві тисячі років. Вона безперервно зазнає впливу жаркого й вологого клімату, однак на ній не помітно найменших слідів корозії. Інші залізні речі в таких же умовах починають іржавіти вже в перший рік і за кілька років стають буквально непридатними.

Загадкова колона привертала увагу багатьох учених. Лише в останні роки встановлено, що вона виготовлена з чистого заліза. Навіть такий точний метод аналізу, як спектральний, не виявляє в матеріалі цієї колони нічого, крім заліза.

Тепер ми знаємо, чому дуже чисте залізо таке стійке до атмосферної вологи: як і всі надчисті речовини, воно хімічно інертне. Загадкою є інше: як могли люди 2 тисячі років тому виготовити надчисте залізо, добувати яке ще й досі в лабораторіях, оснащених найдосконалішим сучасним устаткуванням, дуже важко. Вчені припускають, що ця колона зроблена з гігантського метеорита, який упав колись на землю, і що цей метеорит складався з чистого заліза.

Отже, найдійовішим засобом боротьби з корозією є виготовлення предметів з надчистих металів. Не за горами той час, коли з явищем корозії можна буде ознайомитись тільки з літератури.

Ще одне важливе застосування проблеми надчистих: передача струму на велику відстань. Читачеві, певно, відомо, що найважливішою з обставин, які іноді примушують відмовлятись від проектування лінії далекої передачі електроенергії, є велика втрата струму при проходженні його по проводах — значна частина електроенергії втрачається внаслідок опору металів, з яких зроблені проводи. Питомий опір срібла лише на 6 % нижчий, ніж міді, і все ж уряди деяких країн пішли на проведення ліній електропередач, поки що, правда, на невеликі відстані, не з мідного, як це роблять звичайно, а з срібного дроту.

Як показали дослідження, надчисті метали і особливо мідь дуже знижують опір електричному струмові. Виявляється, щонайменші домішки і тут відіграють значну роль. У цій галузі застосування надчистих нині ведуться наполегливі роботи, і через небагато років промисловість одержить сильне джерело збільшення ресурсів електроенергії.

Та хоч як багато зроблено в цій галузі, набагато більше треба ще зробити. Основні проблеми, які хвилювали вчених років тридцять тому, ще лишилися нерозгаданими. І досі ще не з’ясовано, чому видалення мізерних домішок вологи так сильно змінює властивості рідин? Чому зміна властивостей рідин при видаленні з них вологи йде не поступово, а стрибком? Чому мізерні домішки до металів так впливають на властивості останніх, що при видаленні їх ми одержуємо начебто зовсім інші речовини? Яким чином один атом домішок, який припадає на два мільярди атомів основної речовини, може зробити таку колосальну дію на фізичні та хімічні властивості цієї речовини?