Занимательно о химии

Ее глазами

Сказал некогда Михайло Ломоносов: «Широко распростирает химия руки свои…» Двести с лишним лет назад он гениальным своим чутьем понял значение этой науки для грядущих поколений.

И век двадцатый — нагляднейший тому пример. Химия ныне «существо» многорукое. Не всякий академик сразу, за один присест, перечислит все ее отрасли. А чуть ли не каждый год рождаются все новые и новые.

Но есть нечто, без чего любая химическая «рука» повисла бы безжизненной плетью.

Это нечто — химический анализ.

Он помог химикам открыть очень многие существующие на Земле элементы.

Он позволил разобраться в том, какие составные части входят в химические соединения, простые и сложные. От поваренной соли до белков.

Он расшифровал состав горных пород и минералов и помог геохимикам завести скрупулезный бухгалтерский учет земных ресурсов химических элементов.

Ему во многом обязана химия. В том, что сделалась точной наукой. И в самых разнообразных областях человеческой деятельности он первый помощник. Подтверждений тому не счесть.

Скажем, идет выплавка железа из руды в доменной печи. И от того, сколько углерода окажется в полученном металле, будут в сильной степени зависеть его свойства. Так, если углерода более 1,7 процента, мы получим чугун, интервал от 1,7 до 0,2 процента будет отвечать различным маркам сталей, а когда углерода менее 0,2 процента, получается ковкое железо.

В чем разница между чугуном и сталью, латунью и бронзой? Сколько меди в медном купоросе? Много ли калия в минерале карналлите? На все эти и им подобные вопросы мы можем ответить благодаря химическому анализу. Два главных вопроса стоят перед ним: какие элементы входят в состав изучаемого вещества и в каких соотношениях. На первый отвечает анализ качественный, на второй — количественный.

А сколько существует различных анализов, сразу не скажет и опытный специалист.

Кто изобрел черный (дымный) порох? Легенда утверждает, что швейцарский монах Бертольд Шварц. По мнению ученых, порох знали еще китайцы задолго до нашей эры.

Приготовить черный порох не ахти как трудно: нужно смешать в определенных пропорциях серу, селитру, древесный мелко истолченный уголь. Причем все эти компоненты должны быть высокого качества.

А как его оценить, это качество?

Хороша ли, плоха ли селитра — пороходелы определяли на вкус.

Вот любопытный рецепт «вкусового» анализа селитры, найденный в архиве старинных документов: «Если селитра солона и горька, то она не добра, а только она на языке покусывает и сладка слышится, то такова селитра добра».

Право же, про хорошего пороходела можно было бы сказать: «Он пуд селитры съел!»

Качество серы определяли способом еще более оригинальным.

Кусочек серы сжимали в руке и подносили к уху. Если слышалось легкое потрескивание, сера считалась годной. В противном случае ее выбрасывали, так как она содержала много примесей.

Почему же трещит чистая сера? Ее теплопроводность очень мала. Кусок серы в руке слегка нагревается, в нем появляются участки с разной температурой. В веществе возникают напряжения, хрупкая сера разваливается на кусочки, потому и слышится слабый треск. Загрязненная же сера имеет гораздо большую теплопроводность и поэтому гораздо прочнее. Вот, так сказать, научная основа химического анализа на слух.

Словом, основными аналитическими приборами у химиков прошлого были органы чувств. Это даже нашло отражение в названиях некоторых простых и сложных веществ. Например, бериллий прежде именовали глицием, потому что его соли сладковаты. От латинского слова «сладкий» происходит и название глицерин. А вот природный сульфат натрия называют мирабилитом, что означает «горький».

В начале марта 1886 года в Петербург на имя Дмитрия Ивановича Менделеева пришло письмо. В нем говорилось:

Видимо, недаром почти за сто лет до открытия германия Генри Кавендиш не уставал повторять, что «все определяется мерой, числом и весом». Анализируя довольно редкий минерал аргиродит, незадолго перед этим найденный в Саксонии, Клеменс Винклер обнаружил, что в нем содержались в основном серебро и сера и в качестве небольших примесей железо, цинк и ртуть. Но его сразу же поразил количественный результат анализа — сумма процентного содержания всех найденных в аргиродите элементов упорно держалась цифры 93 и никак не хотела доходить до 100 процентов.

Что же могли представлять собой неуловимые 7 процентов? Ведь методы анализа большинства известных к тому времени элементов довольно хорошо отработали и ни один не должен был скрыться от глаз химика. И Винклер делает смелое предположение: раз эти 7 процентов ускользают при существующей методике анализа, значит, они принадлежат неизвестному элементу. Предположение подтвердилось. Слегка изменив схему анализа, ученый выделил неуловимые 7 процентов и доказал, что они относятся к новому, еще не известному в то время элементу, который был назван в честь родины Винклера германием.

Весовой анализ сыграл важную роль в открытии и другого элемента — аргона, представителя нулевой группы периодической системы.

В начале 90-х годов прошлого столетия английский физик Рэлей занялся определением плотности газов, а отсюда и их атомных весов. Все было хорошо, пока исследователь не дошел до изучения азота. И здесь начались какие-то странности. Литр азота, выделенного из воздуха, весил на 0,0016 грамма больше, чем такое же количество азота, полученного из химических соединений. Злосчастный литр азота из азотистокислого аммония, закиси или окиси азота, мочевины, аммиака и других соединений упорно оказывался легче «воздушного» на ту же самую величину.

Так и не найдя причину этого странного различия, Рэлей публикует заметку в лондонском журнале «Природа», где подробно рассказывает о своих результатах. Вскоре на эту заметку откликнулся химик Рамзай, и, объединив свои усилия, исследователи добились разрешения загадки. В августе 1894 года они сообщили об открытии нового элемента, аргона, который и был причиной первых неудач Рэлея. Оказалось, что содержание его в воздухе составляет около одного процента.

Так ординарный весовой анализ помог ученым открыть новые элементы. Ни одна химическая лаборатория не обходит его своим вниманием и сейчас. Обычное взвешивание помогает в конце концов определить, в каком количестве содержатся составляющие элементы в сложных соединениях и минералах. Конечно, этому предшествуют трудоемкие химические операции отделения различных элементов друг от друга.

Перед каждым значительным праздником мы можем услышать по радио слова диктора: «Приказ министра обороны… В ознаменование… приказываю: произвести салют в столице нашей Родины Москве, в столицах союзных республик, а также в городах-героях…»

Красиво небо во время салюта. Желтыми, зелеными, красными огнями расцвечивается оно под грохот орудийных залпов. Традиция отмечать праздники салютами и фейерверками очень стара. Еще за две тысячи лет до нашей эры в Китае было известно искусство пиротехники. Но использовать цвет пламени для химического анализа ученые додумались относительно недавно.

Немногим больше ста лет назад немецкий химик Кирхгоф обратил внимание, что соли различных металлов окрашивают бесцветное пламя газовой горелки в различные цвета. Так, соли натрия придают пламени желтую окраску, кальция — карминово-красную, бария — зеленую и т. д.

Кирхгоф быстро сообразил, что окрашивание пламени в определенный цвет солями различных металлов дает возможность быстро и безошибочно устанавливать присутствие тех или иных химических элементов в изучаемых веществах. Однако радость оказалась преждевременной. Все было хорошо, пока ученый пользовался чистыми солями. Но если, например, смешать соли натрия и калия, то на фоне ярко-желтого пламени горелки (обязанного своим цветом присутствию натрия) фиолетовую окраску калия практически невозможно разглядеть.

На помощь химику Кирхгофу пришел физик Бунзен. Он предложил рассматривать пламя горелки, в которое вносится смесь солей, через специальный прибор — спектроскоп. Основной его деталью служит призма, которая, если через нее пропускать белый свет, разлагает его в спектр, то есть на составляющие. Само название «спектроскоп» по-русски и означает «наблюдать спектр».

Вот здесь-то ученых и поджидала удача. Оказалось, что в отличие от других источников света пламя газовой горелки, в которое вносилась испытуемая соль, давало не сплошной, а линейчатый спектр, причем положение линий на спектре было строго постоянным. Так, если рассматривать в спектроскоп пламя, в которое внесли соли натрия, можно различить две очень близкие друг к другу исключительно яркие желтые линии. Если в пламя внести соли калия, на спектре мы увидим одну красную и две фиолетовые линии и т. д.

Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что линии определенных химических элементов появляются на одних и тех же местах всегда, когда их соли вносятся в пламя. Мы можем внести в пламя хлористый, сернокислый, углекислый, азотнокислый натрий, и всегда линии натрия будут появляться на одном и том же месте. Даже если мы смешаем соли натрия с какими-нибудь другими, например, с солями калия, меди, железа, стронция, бария, все равно линии натрия появятся на своем месте.

Кирхгоф и Бунзен, окрыленные своим открытием, работали не покладая рук. Очень многие элементы и соединения испробовали они «на пламя». А через некоторое время составили список химических элементов с характеристиками их линий в спектре. Теперь ученые уже могли безошибочно анализировать многие сложные смеси веществ.

Так родился спектральный анализ. Он оказался не только прекрасным методом качественного определения тех или иных известных химических элементов в смесях. Именно с его помощью были открыты новые элементы: рубидий, цезий, индий и галлий. А когда выяснилось, что интенсивность (яркость) линий зависит от количества присутствующих в смеси веществ, спектральный анализ занял почетное место в ряду количественных методов.

В ожидании солнечного затмения 1868 года астрономы, как всегда, снаряжались солидно. На сей раз они не забыли взять с собой и спектроскоп, незадолго до этого позволивший открыть несколько новых элементов.

Прошло затмение, страсти успокоились. А 25 июля 1868 года Парижская академия наук получила сразу два письма: одно — с берегов далекой Индии от француза Жансена, а другое — из Англии, от англичанина Локьера. В обоих письмах почти слово в слово повторялось одно и то же: оба ученых извещали академию, что каждый из них открыл на Солнце с помощью спектрального анализа неизвестный на Земле элемент. В спектроскопе он дает желтую линию, по цвету схожую с линией натрия. Но к натрию эта линия никакого отношения не имеет.

Почтенное собрание ученых было крайне поражено. Мало того, что Жансену и Локьеру удалось «проанализировать» Солнце, они еще и утверждают, что обнаружили новый элемент!

А на Земле гелий (так был назван «солнечный элемент») открыли лишь в 1895 году, 27 лет спустя.

В честь такого события — открытия метода, позволяющего начать изучение тайн далеких космических светил, — Парижская академия приняла решение отчеканить специальную медаль. Этот метод действительно был достоин специальной медали. Ведь чтобы провести химический анализ любым другим методом, нужно иметь хотя бы самый ничтожный кусочек вещества. А спектральному анализу не страшны никакие расстояния.

После открытия «солнечного элемента» ученые не раз направляли спектрографы (регистрирующие спектроскопы) на Солнце, и оно послушно рассказывало им о себе.

Вслед за Солнцем пришла очередь других звезд — далеких и близких. Блеск звездных атмосфер достигал земных спектроскопов. А в тиши лабораторий ученые разбирались в запутанном частоколе всевозможных спектральных линий. Ученые открывали на небесных светилах элементы, уже известные на Земле.

Лишь спустя восемьдесят лет солнечный гелий передал эстафетную палочку научных неожиданностей элементу технецию. Тому, что занимает место номер 43 в менделеевской таблице. Призрак в земных рудах, технеций сначала был открыт в спектрах некоторых звезд, а затем ученые обнаружили ничтожные его следы на Земле. И в этих звездах технеций — отнюдь не редкий элемент. Он непрерывно образуется там в результате ядерных реакций.

Новых элементов ни на Солнце, ни в звездах уже больше открыть не удалось. Да, пожалуй, и не удастся. Ведь мир един: Земля, Солнце, планеты и звезды, вообще все небесные тела состоят из одних и тех же химических элементов.

Вот что оказалось любопытным: в небесах действует совершенно иная «бухгалтерия» химических элементов, чем на Земле. Не кислород и кремний главенствуют в космосе, а водород и гелий. Их, первых представителей периодической системы, во вселенной во много раз больше, чем всех остальных элементов, вместе взятых. Видите, к какому удивительному парадоксу привела химия звезд: наша Галактика — это в первую очередь царство водорода.

Цветовых оттенков в природе неисчислимое множество. Это знают и химики. И подчас сказочная гамма окрасок ставит их в тупик.

— Какого цвета, скажем, раствор нитрата ниодима?

— Розовый, — ответит химик.

— А в какой цвет окрасится раствор трехвалентного железа, если к нему прилить роданида калия?

— В красный.

— А какой будет окраска, если к фенолфталеину добавить раствора щелочи?

— Малиновый.

Так можно продолжать довольно долго: очень многие химические реакции идут в цветовом оформлении. Притом оформлении однотонном. Думается, что если мы назовем еще с десяток соединений, растворы которых имеют цвет, близкий к красному, то окончательно запутаемся. Правда, говорят, что художники и текстильщики, связанные с крашением тканей, различают около двух десятков оттенков красного цвета. Вот что значит наметанный глаз!

Для химиков же такое «интуитивное» различение цветов и оттенков мало подходит. Ведь даже раствор одного и того же вещества в зависимости от концентрации может иметь множество оттенков. Где уж тут их все запомнить!

Живут, оказывается, на Земле люди, что различают цвета с завязанными глазами. Кончиками пальцев. Медики говорят, что у этих людей чрезвычайно развито так называемое кожное зрение. Знаменитый Джонатан Свифт иронизировал по поводу «научной» тематики Лапутянской академии наук: там слепые смешивали различные краски.

Сарказм английского сатирика ныне стал неуместным. Сейчас химики могут сказать о цвете раствора, не видя его в глаза. Помогает в этом так называемая спектрофотометрия. Этот своеобразный метод анализа получил свое название от прибора — спектрофотометра. Прибор позволяет провести анализ окраски химического соединения или его раствора.

Еще Исаак Ньютон, пропуская тонкий солнечный луч через стеклянную призму, обнаружил, что белый цвет — сложный. Каждый, наверное, видел радугу. Все цвета радуги и являются составляющими белого цвета. Такую же радугу наблюдал и Ньютон, пропуская солнечный луч через призму. Эта радуга называется спектром.

Но что такое свет? Это электромагнитные колебания, волны. А каждая волна имеет определенную длину (ее обычно обозначают греческой буквой «лямбда»). С помощью длины волны можно точно характеризовать любой цвет или оттенок. Например, химики говорят: «Красный цвет с длиной волны, равной 620 миллимикронам», или: «Красный цвет с длиной волны, равной 637 миллимикронам». (Миллимикрон — одна тысячная микрона, или одна миллионная доля миллиметра.) Теперь уже не нужно присваивать отдельным оттенкам определенные названия — «малиновый», «красный», «бордовый», «кумачовый», «алый». Достаточно назвать длину волны, и всем ученым на свете станет ясно, о каком цвете, каком оттенке идет речь. Каждое соединение получило как бы своеобразный «паспорт», где в графе «цветность» записано: «Лямбда равна такой-то величине». Поверьте, это весьма солидный документ.

Но это полдела. Ведь цвет соединения зависит от того, какие лучи, с какой длиной волны оно поглощает, а какие — пропускает. Например, если раствор соли никеля зеленый, значит, он поглощает все длины волн света, кроме тех, которые отвечают зеленому цвету. А, к примеру, желтый раствор хромовокислого калия прозрачен только для желтых лучей.

Спектрофотометр как раз и позволяет получить поток световых лучей вполне определенной длины волны и исследовать, как поглощаются они тем или иным веществом. Громадное количество соединений как органических, так и неорганических было исследовано с помощью спектрофотометров.

Кроме света видимого, есть свет невидимый. Тот, которого человеческий глаз не замечает. Эти «потусторонние света», расположенные за границами видимого светового спектра, называют ультрафиолетовым и инфракрасным излучением. Химики проникли и в эту область. Они изучили спектры различных химических веществ в ультрафиолетовой и в инфракрасной областях. Здесь-то и обнаружилось очень интересное явление. Оказалось, что каждому химическому соединению (или иону) присущ свой собственный, характерный только для него спектр полосы поглощения. И здесь каждое вещество имеет свой «цветовой» (инфракрасный или ультрафиолетовый) «паспорт».

С помощью спектров поглощения можно проводить не только качественный, но и количественный анализ. И вот почему: во многих случаях интенсивность окраски тем глубже, чем больше концентрация химического соединения в растворе. Тем сильнее поглощается им свет определенной длины волны. Таким образом, определяя поглощение света раствором (как принято говорить, «определяя его оптическую плотность»), легко можно узнать количество интересующего нас элемента.

Из глубины веков дошел до нас афоризм: «Все гениальное — просто».

Один-единственный раз Нобелевской премии было удостоено открытие в области химического анализа. Его сделал в 1922 году Ярослав Гейровский, замечательный чешский ученый. С тех пор Прага стала своеобразной Меккой. К Гейровскому начали стекаться многочисленные паломники — учиться новому методу. Полярографии.

Теперь во всем мире публикуется ежегодно больше тысячи статей, посвященных полярографическому анализу.

Вот его суть, так сказать, «на пальцах». Стеклянный стакан с раствором, в котором требуется определить концентрацию данного вещества. На дно стакана налита ртуть. Слой ртути — это один электрод. Из капилляра через определенные промежутки времени в стакан падает ртутная капля. Она-то и является другим электродом.

К электродам подводится электрический ток. В растворе должен начаться электролиз. Он идет лишь при некотором значении потенциала ртутной капли. Если это значение мало, в цепи тока нет. Оно увеличивается, и ионы, содержащиеся в растворе, начинают разряжаться. В цепи возникает ток.

Когда в растворе ионы разных элементов, то они разряжаются не все сразу, а постепенно. Для каждого вида ионов характерно свое значение потенциала.

Химики строят график. На оси абсцисс они откладывают величину потенциала, на ординате — силу возникающего тока. Кривая напоминает лесенку. Каждая ее ступенька соответствует разряжению определенных ионов.

Полученную лесенку сравнивают с кривой-эталоном. С такой кривой, которая заранее была вычерчена для раствора, содержащего известные концентрации известных веществ.

Так одновременно проводится и качественный и количественный анализ раствора. С помощью специальных устройств анализ проходит автоматически.

О полярографическом методе так и хочется сказать — изящный. Но дело не в одном лишь изяществе. Полярография проста, быстра, точна и по этим своим качествам превосходит большинство других методов анализа. С ее помощью можно, скажем, определить присутствие в одном кубическом сантиметре раствора… миллионной доли грамма хлористого цинка. И на весь анализ уйдет меньше десяти минут.

Первоначальную идею Гейровского теперь усовершенствовали, появилось много ее разновидностей. Например, адсорбционный полярографический анализ. Его чувствительность необычайно высока. Миллиардные доли грамма органического вещества в кубике раствора легко поддаются определению.

Где нужна полярография? Да практически всюду. И для автоматического контроля производства и для анализа минерального сырья и сплавов. Полярография позволяет судить о содержании в организме витаминов, гормонов и ядов. Медики даже хотят применить полярографию для ранней диагностики рака.

Фамилия и специальность этого ученого по странной прихоти судьбы созвучны названию сделанного им открытия.

Он был ботаником, и звали его Михаил Семенович Цвет.

Ботаник Цвет интересовался хлорофиллом. Уже известным нам красящим веществом зеленого листа.

Но профессор Цвет был знаком и с некоторыми приемами химии. В частности, он знал, что существуют некоторые вещества (адсорбенты), на поверхности которых могут задерживаться (адсорбироваться) многие газы и жидкости.

Превратив лист в зеленую кашицу, исследователь сделал из нее спиртовую вытяжку. Кашица обесцветилась. Значит, все красящие соединения перешли в спиртовой раствор.

Потом Цвет приготовил стеклянную трубку и наполнил ее мелом, слегка смоченным в бензоле. И налил туда раствор, содержащий хлорофилл.

Верхний слой мелового порошка окрасился в зеленый цвет.

Капля за каплей ученый начал промывать трубочку бензолом. Зеленое колечко сдвинулось с места, опустилось ниже. А затем — о чудо! — распалось на несколько полосок, по-разному окрашенных. Здесь были желто-зеленая, зелено-синяя, три желтые полоски различных оттенков. Любопытное зрелище наблюдал ботаник Цвет. И оказалось это зрелище величайшей находкой для химиков.

Получалось так, что хлорофилл — сложная смесь нескольких соединений, хотя и близких между собой по строению молекул и свойствам. То, что теперь называют хлорофиллом, — лишь одно из них, правда главное. И все эти вещества удалось отделить друг от друга весьма простым способом.

Все они адсорбировались мелом, но каждое по-своему. Они удерживались на поверхности мелового порошка с различной прочностью. И когда бензол (вымывающая жидкость) проходил через трубку, он увлекал за собой вещества в определенной последовательности. Сначала те, что удерживались слабее. Потом закрепившиеся более прочно. Так происходило разделение.

Как призма разлагает солнечный свет на цвета спектра, так и столбик адсорбента («химическая призма») расщеплял сложную смесь веществ на составные части.

Открытый Цветом в 1903 году новый метод анализа был окрещен самим автором. Ученый назвал его хроматографией, что по-русски означает «цветопись».

Ныне метод химической «цветописи» едва ли не самое важное оружие во всех аналитических лабораториях мира.

Но непостижимы судьбы многих научных открытий. Иные предаются забвению. Порой на долгие годы. Чтобы потом заблестеть на научном горизонте звездами первой величины. Так случилось и с хроматографией. О ней вспомнили по-настоящему лишь в 40-х годах. И, вспомнив, не пожалели.

Собственно, его открывали много раз — этот элемент с порядковым номером 61. И всегда давали новое название — иллиний, флоренций, циклоний. Но всякий раз открытие оказывалось ошибочным, и очередное имя мертворожденного становилось достоянием истории.

Потом ученые доказали: шестьдесят первого элемента просто нет на Земле. Не по какой-то странной прихоти природы, лишившей периодическую систему одного из ее представителей. Дело обстоит иначе. Все изотопы элемента номер 61 радиоактивны, очень неустойчивы и уже давным-давно распались, превратившись в изотопы соседних элементов.

В конце концов в 1945 году его получили искусственно. Так сказать, в процессе работы ядерного реактора. Когда ядра урана — реакторного «горючего» — делятся, они распадаются на множество осколков — ядер более легких элементов. В том числе и прометия (назовем, наконец, неуловимого настоящим именем).

Физики-теоретики после долгих раздумий подписались бы под этим сообщением. Химикам же нужно было «пощупать», прометий своими руками, посмотреть хотя бы на крохотную крупинку нового металла или, на худой конец, его соединения.

Впрочем, вряд ли удалось бы выделить из смеси осколков деления урана более десятых, а то и сотых долей грамма элемента номер 61.

Разве это беда? Ведь к тому времени химикам уже не раз приходилось оперировать с еще меньшими количествами веществ. И довольно успешно.

Вся сложность состоит в другом. Прометий — элемент редкоземельный. О сходстве членов этого семейства мы говорили. А в мешанине ядерных осколков довольно много и ближайших соседей прометия — неодима и самария.

От них-то в первую очередь и надо прометий отделить. Но ох как это не просто! Те химики, которые свою жизнь целиком посвятили редким землям, совершили научный подвиг. Мука — другого слова здесь и не придумаешь — разлучать четырнадцать близнецов, чтобы заполучить каждого по отдельности.

(Француз Ш. Урбэн задумал однажды приготовить чистый тулий. Он добился своего. Но потратил пять лет и провел более пятнадцати тысяч крайне однообразных и утомительных химических операций.)

Выделить чистый прометий, конечно, легче, но ненамного. Учтите, что он радиоактивен и распадается быстро. Не получится ли так, что в конце процессов разделения от него ничего не останется?

Значит, нужны более быстрые методы. Чтобы разделение лантаноидов проводить не за годы, не за месяцы, не за недели даже, а в считанные часы. Таких методов не было на вооружении у химии.

Вот тогда-то и вспомнили о хроматографии.

…Разделительную трубку Цвета (теперь ее называют солиднее: хроматографическая колонка) заполняют адсорбентом (не мелом, как бывало, а специальными ионообменными смолами). Через смолу пропускают раствор солей редкоземельных элементов. Хоть и очень похожи лантаноиды, но ведь не одинаковы же они. Каждый образует со смолой комплексное соединение.

Это соединение различной прочности. В таком различии есть свой порядок. Первый в семействе — лантан связывается со смолой крепче всего; последний — лютеций, наоборот, наиболее слабо.

Дальше смолу промывают специальным раствором. Капли раствора обволакивают зерна смолы и как бы смывают прикрепившиеся ионы редкоземельных элементов. Опять же в строгой последовательности.

И капают из колонки растворы чистых редкоземельных солей: в первую очередь — соли лютеция, в самом конце — лантана.

Именно таким путем отделили прометий от неодима и самария американские ученые Д. Маринский, Д. Гленденин и Ч. Кориэлл. И затратили на весь процесс несколько часов.

…Полянка в сосновом бору. Жаркий июльский день. И земляника, земляника под ногами — спелые, шероховатые, ярко-красные ягоды. Изумительно вкусные, они прямо тают во рту.

А чем она пахнет, земляника? Признайтесь, вы никогда об этом не задумывались. Вы лишь с наслаждением вдыхали ароматы соснового леса, запахи нагретой солнцем поляны.

Но оказывается, запах — сложнейшая штука. Есть целая наука о запахах. Ученые до сих пор не пришли к единой точке зрения: почему одни вещества обладают сильнейшим запахом, а другие не пахнут вовсе. Почему одни запахи приятны, а другие отвратительны.

Несомненно, запах вещества связан со строением его молекул. Но как именно? Вот этого-то еще до конца и не знают. Строгой физической теории запахов пока нет.

Химикам немного легче. Они в силах опознать различные молекулы, «ответственные» за те или иные запахи. И химики, например, сумеют сказать вам, чем пахнет земляника.

Аромат земляники — это сложнейшая смесь девяноста шести самых разнообразных запахов. Любой, даже самый опытный парфюмер позавидовал бы природе, создавшей великолепные «земляничные» духи.

Как же удалось разобраться в составе «земляничных» духов?

С помощью метода газо-жидкостной хроматографии.

Адсорбент в этом методе — специально приготовленная двуокись кремния SiO₂, смоченная нелетучей жидкостью. Движущая среда — благородный газ (например, аргон). Вот и все.

А можно просто стеклянную трубочку смочить нелетучей жидкостью. Только трубочка должна быть очень длинной. Чтобы «разнюхать» аромат свежей земляники, исследователи брали трубку длиной… в 120 метров.

Разумеется, ее пришлось свернуть в спираль. И поместить в специальный прибор — термостат. Он обеспечивал медленное и равномерное повышение температуры. Ведь различные составляющие земляничного запаха по-разному летучи: одни легче, другие труднее. Они и расположились в определенной последовательности по всей длине трубки. А выгоняли их оттуда, пропуская через трубку аргон. На выходе сложная аппаратура фиксировала прохождение различных веществ. В земляничном запахе их оказалось девяносто шесть…

Возможности газовой хроматографии необычайны. Она позволяет обнаруживать концентрации веществ порядка 10^–12 грамма!

Многие сложнейшие природные вещества исследовали химики этим способом. Сколько, по-вашему, различных компонентов содержит нефть? Ни много ни мало — около двухсот тридцати! И их удалось не только сосчитать, но и установить, что каждый собой представляет.

Официальная версия гласит: Наполеон Бонапарт I скончался на острове Святой Елены 5 мая 1821 года. Причина смерти — рак желудка, болезнь, меньше чем за полгода упрятавшая в могилу бывшего властителя полумира. Медицинское заключение было подписано доктором Антомарки.

Версия эта утвердилась прочно, но все-таки… ей верили немногие. И были на то основания.

Многие приближенные великого императора до конца дней своих утверждали: Наполеон умер не своей смертью, он был отравлен.

Да и сам Бонапарт за неделю до кончины, диктуя текст завещания, сказал: «Меня убила английская олигархия и ее наемный убийца».

Но чем могли отравить Наполеона? Всяких ядов и в прошлом веке знали более чем достаточно. Но не всяким бы воспользовался неизвестный убийца, чтобы погубить императора.

Требовался яд безвкусный, чтобы жертва ничего не заподозрила. Не очень сильный, чтобы убивал постепенно, медленно накапливаясь в организме. Например, мышьяк.

Так появилась другая версия: Бонапарта отравили мышьяком.

Но как это доказать? Предположения предположениями, а тут необходимы несомненные подтверждения. Свидетелей не осталось. А извлекать прах из гробницы и исследовать его — такое показалось бы кощунством.

И тем не менее спустя 140 лет после печального события в шотландском городе Глазго началось необычное следствие по делу о насильственной смерти Наполеона. Вели дело два врача: Смит и Форшуфвуд.

Они начали с того, что обратились во многие музеи мира со странной просьбой. Дескать, нет ли в музейных коллекциях… пучка волос великого француза? Немало прошло времени, прежде чем следователям посчастливилось. Они получили несколько волосков, срезанных с головы Наполеона через несколько часов после его смерти.

Шотландские врачи знали: мышьяк, попав в человеческий организм, постепенно накапливается в волосах. Если он обнаружится в волосах Бонапарта, то…

Легко сказать — обнаружится. Ведь мышьяка-то в волосах слишком ничтожное количество. Можно, конечно, применить химические методы анализа, но они малочувствительны, не исключают возможных ошибок. А тут надо знать наверняка.

Тогда к следствию подключился шведский физик Вассен.

Драгоценные волоски, надежно упрятанные в алюминиевый цилиндрик, исследователь поместил на несколько часов в урановый реактор.

Когда волоски извлекли и провели соответствующие измерения, выяснилось: да, Наполеон погиб от мышьяка. Мышьяка в его волосах было в тринадцать раз больше обычного. Притом давали императору мышьяк постепенно, малыми дозами.

Каким же образом удалось ученым выяснить истинную причину смерти Бонапарта? Обнаружить мышьяк, не применяя никаких, абсолютно никаких химических методов?

Природный мышьяк — элемент чрезвычайно устойчивый. Во всяком случае, никто из ученых не наблюдал у него хотя бы исчезающе слабой радиоактивности.

Есть у мышьяка и еще одна особенность. Он, как говорят, элемент-одиночка. Многие другие представляют собой смесь двух, трех, а то и более изотопов. Как, скажем, олово, у которого насчитывается десять разновидностей атомов. И все они встречаются в природе.

Мышьяк же одинок. В его ядрах содержится 33 протона и 42 нейтрона, и такая комбинация очень прочна.

Но если в это ядро каким-нибудь способом добавить лишний нейтрон, от былой устойчивости не останется и следа. Образуется другой, радиоактивный изотоп мышьяка. И чтобы его обнаружить, химические методы вовсе не нужны. Достаточно применить специальные приборы, регистрирующие радиоактивные излучения. Чем больше активного мышьяка, тем интенсивнее эти излучения.

В этом и заключается принцип простого, но поистине великого метода — радиоактивационного анализа. Он позволяет определять совершенно ничтожные количества веществ, доли грамма, измеряемые числами, где после запятой стоит 10–12 нулей. Для этого нужно лишь облучить анализируемый объект потоком нейтронов и затем измерить интенсивность излучения, испускаемого образовавшимися радиоактивными изотопами.

Вот каким способом узнали историки обстоятельства смерти Наполеона Бонапарта. Не правда ли, великолепный пример помощи со стороны точных наук!

Для современных аналитиков радиоактивационный анализ — всевидящий глаз. Он легко видит то, чего не в силах разглядеть почти все другие аналитические методы.

Все знают, что чистый германий — великолепнейший полупроводник. Но представьте, что в нем случайно оказалась примесь атомов другого элемента, скажем сурьмы. Примесь не ахти какая: на тысячу миллиардов атомов германия… один-единственный атом сурьмы. И это ничтожнейшее количество сводит на нет полупроводниковые свойства германия.

А потому германий нужно очень тщательно проверять на чистоту.

Это можно сделать только с помощью радиоактивационного анализа.

И вот нейтроны устремляются к германиевой пластинке. Химики знают, что в ней содержится какое-то количество сурьмы. Может, столь малое, что на него и не стоит обращать внимания. А может, слишком большое, и «чистый» германий придется забраковать.

Ядра атомов германия и сурьмы к нейтронам относятся по-разному. Первые их равнодушно пропускают мимо себя, вторые, напротив, поглощают с жадностью. А поэтому образуются лишь радиоактивные изотопы сурьмы. Теперь дело за счетчиками радиоизлучений. Они скажут наверняка: много или мало сурьмы в германии.

Много ли это — 500 микрограммов? Давайте посчитаем. Один микрограмм — тысячная доля миллиграмма, или миллионная доля грамма. Отсюда 500 микрограммов — пять десятитысячных грамма, или половина миллиграмма. Если у нас есть 500 микрограммов воды, то это половина кубического миллиметра, примерно втрое меньше булавочной головки. А если наше вещество раз в десять тяжелее? Значит и объем его раз в десять меньше. Такое количество вещества и разглядеть-то трудно. Казалось бы, что с ним можно сделать? Разве посмотреть под микроскопом, вот и все.

500 микрограммов плутония — и не более — было в руках американских ученых в 1942 году. Но на этом поистине невесомом количестве они сумели изучить основные свойства элемента. Притом с такой полнотой, что спустя год удалось приступить к проектированию большого завода по производству плутония.

Но ведь в ходе всевозможных химических операций химикам многократно приходилось прибегать к взвешиванию…

Казалось бы, что сложного в весах? Весы и есть весы. Даже аналитические микровесы, позволяющие взвешивать с точностью в одну сотую миллиграмма, довольно просты по своей конструкции. Однако такая чувствительность уже давно не устраивала ученых. И в начале нашего века были созданы весы, позволявшие проводить взвешивание с точностью до одной десятитысячной доли миллиграмма. Кстати, именно с помощью таких весов английский химик Вильям Рамзай взвесил около 0,16 кубического сантиметра радона и подтвердил гипотезу Резерфорда о механизме радиоактивного распада радия.

Но и эти весы не были пределом. Несколько позже шведский химик Ганс Петтерсон сконструировал весы, позволявшие проводить взвешивание с точностью до шести десятитысячных долей микрограмма, то есть 6 · 10^–10 грамма! Представить себе такую точность крайне трудно. На современных ультрамикровесах можно взвесить массу вещества, в два миллиона раз большую, чем та, которую они ощущают.

Сверхточное взвешивание, взвешивание невесомого — это одно из достижений новой науки, ультрамикрохимии. Есть и другие, не менее важные.

Разработаны методы, позволяющие проводить различные химические операции с исключительно малыми объемами вещества: до одной десятитысячной доли миллилитра (кубического сантиметра), причем точность в ряде случаев достигает величины примерно в одну десятитысячную микролитра (1 · 10^–10 литра).

Ультрамикрохимические методы находят широкое применение не только в биологических и биохимических исследованиях, но в особенности при изучении искусственных трансурановых элементов.

Были времена, когда горько сетовали химики: дескать, трудно изучить свойства нового элемента, если приходится иметь дело с миллиграммами вещества.

Потом «критерий малости» не раз пересматривался. В 1937 году итальянские ученые Перье и Сегре неплохо изучили свойства только что искусственно полученного элемента номер 43 — технеция. В руках исследователей была всего лишь… одна десятимиллиардная доля грамма нового представителя менделеевской таблицы.

Опыт пошел впрок. Работая с трансуранами, химики начисто забыли, что есть такие единицы веса: граммы, миллиграммы, микрограммы. «Невесомые, невидимые количества» — вот какие термины фигурировали на страницах научных статей, посвященных трансурановым элементам. Чем дальше продвигались исследователи в этой области периодической системы, тем большие трудности вставали перед ними.

Наконец дошла очередь до сто первого элемента, которому дали название менделеевий, в честь великого русского химика.

Коль скоро новый трансуран получил имя, то, следовательно, ученые были твердо убеждены в том, что его действительно удалось получить.

Сравнительно просто было рассчитать условия, при которых можно надеяться на успех синтеза элемента номер 101. Не составило особого труда написать уравнение соответствующей ядерной реакции. Удавалось предвидеть, какой изотоп нового трансурана должен образоваться.

Такова была теория. То, что получалось на практике, требовало подтверждения. Доказательств, что изотопы именно сто первого элемента, а никакого другого образовались в результате ядерного процесса.

Дальше начиналась фантастика. «В ходе одного эксперимента по синтезу сто первого нельзя рассчитывать на получение более чем одного атома нового элемента», — утверждали строгие физико-математические выкладки. Так оказалось и на деле. Один атом, единственный атом, неизвестный атом заявлял о своем рождении. Но был ли то атом элемента сто один?

Чуткие радиометрические приборы позволили определить период полураспада атома. Но не его химическую природу.

Да и вообще: можно ли изучить хотя бы основные химические свойства одного-единственного атома?

На помощь пришла хроматография.

Проследите за цепочкой наших рассуждений: сто первый элемент должен относиться к семейству актиноидов. Актиноиды во многих своих особенностях подобны элементам другого аналогичного семейства элементов — лантаноидам. Разделение лантаноидов было успешно произведено с помощью ионообменной хроматографии: при этой сортировке отдельные лантаноиды выделялись из смеси в строго определенной последовательности. Сначала тяжелые, затем — легкие.

Сто первый элемент в ряду актиноидов должен был следовать после эйнштейния (№ 99) и фермия (№ 100). Если бы мы захотели хроматографическим методом разделить эйнштейний, фермий и элемент номер 101, то в первых каплях жидкости, вытекающей из хроматографической колонки, должен был обнаружиться именно менделеевий.

Семнадцать раз подряд ставили ученые эксперименты по синтезу менделеевия. Семнадцать раз применяли ионообменную хроматографию, чтобы выяснить химическую сущность нового, созданного по воле людей, атома. И в каждом случае атом менделеевия появлялся именно в той капле раствора, где ему надлежало появляться по теории. Прежде там выходили из колонки фермий и эйнштейний.

Значит, порядковый номер менделеевия 101, и он по свойствам типичный актиноид.

Все на свете имеет свой конец, кроме вселенной, которая не имела начала и не будет иметь конца. Так что, вообще говоря, и предел анализу есть, безусловно. Если мы научимся определять химическую природу отдельных атомов элементов или молекул химического вещества, на этом можно поставить точку.

Однако здесь пойдет речь не совсем об этом. Еще в начале 40-х годов нашего века, каких-нибудь двадцать пять лет назад, химики могли анализировать большинство примесей, если их содержание в основном веществе составляло 0,01–0,001 процента, и почти всех это устраивало. Но наука и техника в наше время движутся поистине семимильными шагами. К началу 60-х годов запросы уже лежали в области одной тысячемиллиардной доли процента примеси (10^–12), и к тому времени по возможностям определения отдельных элементов мы лишь приближались к таким цифрам. Что же, сейчас некоторые элементы и их соединения мы можем определять в таких количествах. И здесь в первую очередь помогают методы активационного анализа, газовой хроматографии и масс-спектрометрии, которые позволяют ученым определять такие «мелочи».

Требования к анализу примесей будут неуклонно повышаться. Известный советский ученый, академик Иван Павлович Алимарин считает, что требования к чистоте материалов стремятся к такому пределу, когда будет необходимо определять единичные атомы примеси, то есть количества вещества порядка 10^–23 грамма. Эта нелегкая задача будет решаться совместными усилиями физиков и химиков. Она ныне решена для атомов радиоактивных. Радиоактивные атомы некоторых химических элементов мы уже сейчас можем определять в единичных экземплярах. Однако чувствительность определения стабильных атомов и их соединений еще далека от предела. И здесь методы анализа ждут тех, кто сумеет «закрасить» это «белое пятно».

Ученые в своих расчетах часто оперируют так называемыми константами — численными величинами, характеризующими то или иное качество или свойство. Одну из них мы предложили вашему вниманию.

Она называется числом Авогадро, по имени знаменитого итальянского ученого, который ввел эту константу в употребление. Число Авогадро обозначает вполне определенное количество атомов. Количество, содержащееся в одном грамм-атоме данного элемента.

Напомним, что грамм-атомом называется количество элемента, численно равное его атомному весу в граммах. Например, грамм-атом углерода равен (округленно) 14, железа — 56, урана — 238.

И во всех случаях атомов будет ровно столько, чему равно число Авогадро.

Если записать его на бумаге, оно приблизительно представится единицей, за которой следует двадцать три нуля; точнее же — 6,025 · 10²³.

Вот сколько атомов содержится в четырнадцати граммах углерода, в пятидесяти шести — железа, в двухстах тридцати восьми — урана.

Число Авогадро столь чудовищно велико, что его трудно себе представить. Однако попробуем.

На земном шаре живет около 3 миллиардов человек. Пусть каждый из землян задастся целью подсчитывать число атомов в грамм-атоме какого-нибудь элемента. Пусть каждый человек работает по восьми часов ежедневно, и пусть каждую секунду он произносит по одной цифре.

Сколько потребуется времени жителям Земли, чтобы пересчитать все 6,025 · 10²³ атомов?

Очень простой расчет, который вы легко проделаете сами, приведет к поразительному результату: около 20 миллионов лет. Как говорится, впечатляюще.

Огромная величина числа Авогадро позволяет нам убедиться в том, что идея о повсеместности распространения химических элементов покоится на прочной основе. Хоть несколько атомов любого химического элемента мы можем обнаружить повсюду.

Так велико число Авогадро, что очевидной становится и невозможность получения абсолютно чистого вещества, не содержащего никаких примесей. Ведь совершенно немыслимо уловить один-единственный атом примеси среди 10²³ атомов, не внеся при этом никаких новых загрязнений.

В самом деле, грамм, скажем, железа содержит около 10²² атомов. Если примесь, например, атомов меди составляет всего один процент (10 миллиграммов), то это ни много ни мало 10²⁰ атомов. Если довести содержание примеси до одной десятитысячной процента, то все равно на 10²³ атомов основного вещества придется 10¹⁶ атомов примеси. Допустим, что примесь включает в себя все элементы периодической системы. Тогда каждый посторонний элемент в среднем будет представлен 10¹⁴, или ста триллионами атомов.