Лев Власов - Занимательно о химии

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.

Широко распростирает химия…

Сырой, необработанный алмаз — чемпион «всея минералов, материалов и прочая» по твердости. Современной технике без алмазов пришлось бы нелегко.

Алмаз отделанный, отшлифованный превращается в бриллиант, и нет ему равных среди драгоценных камней.

Особо ценятся у ювелиров голубые алмазы. Они встречаются в природе безумно редко, и платят за них потому совершенно бешеные деньги.

Но бог с ними, с бриллиантовыми украшениями. Пусть будет побольше алмазов обычных, чтобы не приходилось дрожать над каждым крошечным кристалликом.

Увы, алмазных месторождений на Земле считанное количество, а богатых и того меньше. Одно из них — в Южной Африке. И оно дает до сих пор до 90 процентов мировой добычи алмазов. Если не считать Советского Союза. У нас лет десять назад был открыт крупнейший алмазоносный район в Якутии. Теперь там ведется промышленная добыча алмазов.

Для образования природных алмазов требовались чрезвычайные условия. Гигантские температуры и давления. Алмазы рождались в глубинах земной толщи. Местами алмазосодержащие расплавы вырывались на поверхность и застывали. Но случалось это весьма редко.