Лев Власов - Занимательно о химии

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.