Свет невидимого - Фиалков Юрий Яковлевич
Вопрос совсем не праздный. Существует ли явление самодиффузии? Ответ на этот вопрос интересовал многих физиков и химиков. Но так же, как и в случае обменных реакций, прежде не существовало никаких, абсолютно никаких методов, с помощью которых можно было доказать или опровергнуть существование самодиффузии.
Не буду рассказывать о спорах вокруг этой проблемы. Читатель уже привык к тому, что ни один ответ на научный вопрос не рождается легко. Были споры и здесь. И очень ожесточенные. Одна сторона утверждала, что самодиффузия должна происходить, потому что, дескать, какая разница: сращиваем мы поверхности двух одинаковых металлов или разных. И тут, и там атомы движутся. А раз так — самодиффузия должна протекать. Убедительно? Убедительно.
Но оппоненты не менее резонно возражали им: если вы соедините два сосуда с одинаковым уровнем жидкости, будет перетекать жидкость из одного сосуда в другой? Нет. Если вы соедините два заряженных тела с одинаковыми потенциалами, возникнет ли в такой цепи ток? Нет. Так почему же должны переходить атомы из одного объема какого-либо вещества в другой объем этого же вещества?
Поверьте, что споры велись с куда более обстоятельной аргументацией, в которой фигурировали многоэтажные формулы и такие замысловатые термины, смысл которых я не взялся бы здесь расшифровывать. Но обилие терминологии и научных платформ ни на сантиметр не подвинуло ученых к истине. И не приходится сомневаться, что дискуссия продолжалась бы по сегодняшний день, что морями чернил были бы исписаны Эльбрусы бумаги, но вопрос так бы и остался вопросом во всей своей нагой первозданности: а существует ли вообще она, самодиффузия? Да, это было бы именно так, не появись возможность использовать радиоактивные изотопы.
Эксперимент был совсем несложным. Взяли два бруска, изготовленных из одного и того же металла: один обычный, а второй — с примесью радиоактивного изотопа. Спустя некоторое время в нерадиоактивном бруске были обнаружены радиоактивные атомы. Все. Больше ничего не надо для решения вопроса о самодиффузии. Есть вопросы?.. Нет? Ну, так пошли дальше.
— Погодите! — не согласятся иные читатели. — Вопросы есть. Вы пространно рассказывали о спорах, которые велись вокруг проблемы самодиффузии, а как дошло до сути дела, до того, как именно была решена эта проблема, то отвели рассказу об этом две-три строки — и все!
Но больше и не требуется. В том и преимущество метода меченых атомов, что он позволяет за несколько часов решить ту проблему, разгадку которой искали порой десятилетиями.
* * *Метод меченых атомов вошел в химию примерно тогда же, когда в наш быт вошли пассажирская авиация, транзисторные приемники, телевидение. И так же, как все мы не представляем сегодня наш быт без этих атрибутов цивилизации, так и химики не представляют сегодня свою науку без метода меченых атомов.
* * *Растворимость в воде относится к важнейшим характеристикам каждого химического соединения. Не случайно на последней странице обложек школьных тетрадей печатают таблицу умножения — для младших школьников, и таблицу растворимости — для тех, кто постарше и уже начал изучать химию.
Правда, в школе не особенно углубляются в проблемы растворимости. Стоит в таблице «+», — значит, все в порядке, вещество растворяется; проставлен «―» — вещество не растворяется.
Но на первой же лекции по химии в институте студент-первокурсник слышит от профессора, что, оказывается, совершенно нерастворимых веществ нет. Есть вещества, растворяющиеся хорошо, есть растворимые похуже, плохо, очень плохо, очень-очень плохо, ничтожно, крайне ничтожно, исчезающе мало.
Не надо быть специалистом, чтобы догадаться: химикам эти полулирические определения («мало», «плохо», «очень плохо») ни к чему. Химикам нужны точные величины. Необходимо знать, сколько именно.
Вот почему в любом химическом справочнике одной из первых следует таблица растворимости. По внешнему виду таблица как таблица. Слева — колонка с формулами соединений, справа — значения растворимости. Но если разобраться поглубже, то…
Вот хотя бы всем известное своей нерастворимостью или, будем теперь применять более верный термин, известное своей малой растворимостью соединение сернокислый барий (помните, по учебнику химии, осадок этого соединения немедленно выпадает, если слить растворы хлористого бария и серной кислоты). Действительно, в таблице написано, что растворимость этого вещества составляет двадцать пять десятитысячных долей грамма в литре воды. Мало? Не говорите так, потому что сейчас мы подберем примеры повыразительнее.
Гидроокись цинка — растворимость в литре воды 3·10-7 грамма (три десятимиллионных доли грамма). Предел? Ничуть. Сульфид свинца — растворимость 10-15 грамма в литре. Сульфид ртути — 10-23 грамма. Сульфид меди — 10-27 грамма.
Возьмем сравнительно (сравнительно!) неплохо растворимое из перечисленных веществ — гидроокись цинка. Представьте себе, что вы химик и что перед вами поставили задачу определить растворимость этого вещества. Как решают эту задачу? Известно как: берут какой-либо объем раствора и упаривают его досуха, а оставшийся твердый осадок взвешивают.
Значит, можно взять литр раствора гидроокиси цинка, упарить его досуха, и… ничего не получится. Потому что образовавшийся осадок заметить будет невозможно: три десятимиллионные доли грамма не разглядишь даже в самый сильный микроскоп и, уж конечно, не взвесишь ни на каких весах.
Стало быть, надо взять раствора побольше: литров этак десять. При этом вы получите сухого остатка три миллионные доли грамма — в 10 раз больше, чем при работе с литром раствора, а по сути такое же «ничто», как и прежде.
Очевидно, придется брать 100 литров раствора. Это уже солидная бочка. Но, упаривая досуха эту бочку, мы получим всего несколько стотысячных долей грамма. Такую малость тоже не взвесить. Да, плохи дела химиков! Приходится манипулировать с тысячами литров. Это уже внушительная цистерна. И, только испарив всю воду, можно будет получить… три десятитысячные доли грамма осадка — величину, которую, хотя и не очень уверенно, смогут зафиксировать аналитические весы.
Читатель, наверное, совсем опечалился, представив себе и впрямь невеселую картину: кипит посредине институтского двора котел, мечутся между громадной цистерной и котлом озабоченные химики, таща ведра, наполненные исследуемым раствором. Идет пар из котла, идет пар от вконец замотавшихся ученых. Грустно, очень грустно. И все это для того, чтобы узнать, какова растворимость плохо растворимого соединения.
Могу успокоить читателя. Конечно, дело обстоит далеко не столь мрачно. Химики идут иным путем, который предполагает гораздо более экономный расход времени, труда и… дров.
Не стану рассказывать, как выходили из положения ученые тогда, когда они еще не имели возможности пользоваться радиоактивными изотопами. Впрочем, выходом это вряд ли можно было назвать. Конечно, можно из Москвы во Владивосток добираться пешком. Но «Ту-154» все-таки удобнее.
При определении растворимости радиоактивные изотопы в сравнении с прочими методами то же, что реактивный лайнер в сравнении с пешеходом. Судите сами.
К веществу, растворимость которого хотят определить, примешивают немного радиоактивного индикатора. Так, к гидроокиси цинка можно подмешать немного гидроокиси, образованной искусственным радиоактивным изотопом цинка. «Немного» сказано не из-за пренебрежительной приблизительности. Здесь радиоактивного цинка и впрямь немного: миллионная доля, а то и меньше.
После этого определение растворимости становится легким, можно сказать, даже приятным делом. Осадок, меченный радиоактивным цинком, взбалтывают в определенном количестве воды до тех пор, пока не получат насыщенный раствор гидроокиси (не будем забывать, что этот насыщенный раствор содержит всего 3·10-7 грамма вещества в литре). При растворении гидроокиси цинка в раствор перейдут как молекулы, содержащие обычный цинк, так и молекулы с радиоактивным изотопом. Ничего, что вторых в растворе будет гораздо меньше, чем первых. Для чувствительных счетчиков Гейгера — Мюллера это не помеха.
