Путешествие в страну РАИ - Дмитрий Николаевич Трифонов
Полученные образцы и эталоны подвергают особой химической обработке. В результате достигается разделение и очистка определяемых элементов-примесей.
Теперь задача состоит в том, чтобы измерить активности выделенных радиоизотопов и сравнить с активностью эталонов.
Оказывается, что в образце металлического висмута содержалось 2·10–7 процентов меди, 1,3·10–6 процентов сурьмы и около 10–7 процентов мышьяка.
Радиоактивационный анализ позволяет контролировать содержание примесей в тех материалах, которые используются в конструкциях ядерных реакторов. Например, очень важно бывает установить, есть ли примеси редкоземельных элементов в висмуте, свинце, графите. В этом случае процесс упрощается, потому что многие редкоземельные элементы обладают весьма большой способностью поглощать нейтроны. Так, редкоземельные элементы европий и гольмий можно определить в количестве 10–11 грамма на 1 грамм материала.
Своеобразным рекордом радиоактивационного анализа является определение примеси теллура в количестве 10–20 грамма (!).
Радиоактивационный анализ — это, если хотите, один из самых ярких примеров использования радиоизотопов в химии. Есть и множество других. В химии стал незаменимым метод меченых атомов.
В чем его суть? Если к какому-нибудь химическому элементу добавить буквально следы его радиоактивного изотопа, то нетрудно проследить поведение этого элемента, например, установить, в какие реакции он вступает. Достаточно лишь время от времени отбирать пробы, в которых содержится соединение интересующего нас элемента, и с помощью счетного устройства следить за содержанием радиоактивного изотопа.
Долгое время считалось, что висмут образует соединение с водородом, так называемый гидрид, причем он при нормальных условиях существует в газообразном состоянии. Обычные аналитические методы оказывались недостаточно чувствительными для доказательства. Поступили следующим образом. На магниевую фольгу нанесли ничтожное количество тория С, который является изотопом висмута и, следовательно, обладает одинаковыми с ним химическими свойствами. Фольгу растворили в соляной кислоте; как известно, при этом процессе выделяется водород. Ученые рассуждали так: если торий С образует гидрид, то в водороде можно будет наблюдать активность. Действительно, с помощью счетчика удалось доказать, что в газообразной фазе находится изотоп висмута. Таким путем ученые получили сведения о способах получения гидрида висмута и его стабильности.
— Прошу слова в порядке ведения собрания! — Илья взлохматил шевелюру. — Прости, Толя, что вмешиваюсь в недоступную моему хилому интеллекту область неорганической химии. Знаете, гидриды, то есть соединения водорода с металлами, — это очень сложная часть неорганики. Только сейчас в ней кое-что начинает проясняться. А несколько десятилетий назад она была такой же неизученной, как, например… ну, скажем, как Кольский полуостров для туристов начала пятидесятых годов…
— Шел бы ты, Илья, с такой «популяризацией» куда-нибудь подальше! — набросился на него Сережа. — За кого ты нас считаешь?
— Он хочет показать, что все знает, — затараторила Майка. — И кокетничает при этом.
— Илья, конечно, прав: гидриды — запутанная и сложная область, — сказал я. — Многие из них имеют очень необычную формулу. Например, гидрид церия — CeH2,75. Здесь мы сталкиваемся с понятием дробной валентности. А состав некоторых гидридов вообще нельзя выразить формулой. Не поймешь: то ли химическое соединение, то ли просто раствор водорода в металле. Но мы отвлеклись от основной темы.
Как известно, абсолютно нерастворимых солей в природе не существует. Есть соли очень малорастворимые, считающиеся в обиходе нерастворимыми. Примером такого вещества является самый обычный мел CaCO3.
С помощью радиоизотопа Ca45 можно с большой точностью определить растворимость мела в воде.
Для этого определяют активность одного миллиграмма CaCO3, содержащего Ca45. Затем порошок мела взбалтывают с водой в течение определенного времени. Таким путем получают насыщенный при данной температуре раствор CaCO3 в воде. Раствор отделяют от нерастворившегося мела, отбирают некоторое количество его (несколько миллилитров) и упаривают. Активность сухого остатка определяют с помощью счетчика. Если мы разделим теперь эту величину на активность одного миллиграмма CaCO3, то отсюда найдем количество мела в сухом остатке. Далее просто рассчитать содержание мела в 100 граммах раствора.
Очень часто какое-либо химическое соединение получают путем так называемых обменных реакций. Если дан раствор ляписа — AgNO3, осадить из него серебро в виде хлорида можно, добавив соляной кислоты:
AgNO3 + HCl→HNO3 + AgCl.
Иногда в подобных процессах важно знать: весь ли осаждаемый металл выпадает в осадок. Тут опять на помощь приходят радиоактивные изотопы. Так, изотоп олова Sn113 позволил доказать, что при действии красной кровяной соли K3[Fe(CN)6] на растворы солей олова все олово выпадает в осадок. После удаления осадка в растворе не было обнаружено радиоактивности.
Многие химические реакции представляют собой сложные явления. Если определение конечных продуктов реакции часто не трудно, то механизм реакций удается точно выяснить далеко не всегда.
Например, процессы коррозии — ржавления металлов. Ученые и инженеры давно заняты разработкой эффективных методов борьбы с этим страшным бичом металлических конструкций и изделий.
Коррозия начинается с того, что металл покрывается пленкой окиси. Дальше процесс окисления может идти двумя путями: или кислород проникает через пленку к не окисленным еще слоям металла, или, наоборот, атомы металла выходят через пленку наружу.
Какой из этих двух процессов происходит в действительности, позволил выяснить радиоизотоп меди Cu64.
Медную пластинку покрыли тонким слоем меди, которая содержит радиоизотоп Cu64, и окислили при высокой температуре до CuO. Ученые рассуждали так: если окисление происходит путем проникновения атомов меди наружу через окисную пленку, то наружный слой окиси меди должен быть нерадиоактивным. В противном случае Cu64 останется на поверхности.
Опыт показал, что наружный слой нерадиоактивен.
Мы найдем немало примеров и в органической химии.
Вот процесс получения синтетического топлива (смеси углеводородов) из воды и окиси углерода. В странах, бедных нефтью, производство синтетического топлива имеет первостепенное значение.
Схема процесса очень проста: над нагретыми железными стружками пропускают смесь окиси углерода и водорода.
Предположили, что железо восстанавливает окись углерода до свободного углерода, который образует с железом карбид. На второй стадии реакции углерод карбида соединяется с водородом, давая углеводороды.
Но, быть может, железо не принимает участия в реакции, а только ускоряет ее?
Ответ был найден благодаря С14. «Меченую» окись углерода С14O пропустили над железом. Оказалось, что на поверхности металла действительно образуется радиоактивный карбид. Однако в углеводородах активности почти не наблюдалось. Следовательно, заключили ученые, происходит прямое взаимодействие окиси углерода и водорода на поверхности железа, которое играет роль катализатора. Карбид — лишь побочный продукт.
Или еще более жизненный пример.
Два известных в обиходе вещества — уксусная кислота CH3СООН и этиловый спирт С2Н5OH. Требуется выяснить, где — в молекуле спирта или в молекуле кислоты — углерод сильнее связан
