Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Но почему так? Чем объяснить, что у природы две равные арифметики — одна для смесей, другая для соединений? Почему атомы в обычной смеси могут находиться в любых соотношениях, а вступают в химический союз лишь в заранее предписанных дискретных пропорциях? Какая разница между силами, слагающими атомы в молекулу, и силами, объединяющими молекулы в цельное тело — твердое, жидкое или газообразное?
Загадка химического индивида порождала десятки других загадок. И химики с нетерпением и энтузиазмом принялись за дело.
«Разделяй и властвуй!» — под таким девизом химия стала наводить порядок в мире атомов и молекул.
Овладеть секретами химических превращений, вникнуть в природу химических индивидов было невозможно без приготовления чистых препаратов. Однако получить их оказалось делом нелегким. Погоня за чистотой властно потребовала усовершенствовать способы разделения смесей. И приемы контроля за степенью загрязненности.
Исстари подметили люди: ложка дегтя портит бочку меда. Пусть ложка вмещает 10 граммов. А бочка — 1000 килограммов. Легко прикинуть загрязненность в этом случае: 0,001 процента. Не так уж она и велика. А все же недопустима. Совсем просто загрязнить вещество до такой степени. Зато насколько труднее добиться подобной чистоты: 99,999 процента — три девятки после запятой!
Чтобы очистить воду от минеральных солей, ее приходится дистиллировать — выпаривать и собирать в специальную лабораторную посуду со всеми предосторожностями. Даже многократная перегонка и то едва ли обеспечит чистоту выше 99,99 процента. А чтобы избавиться от заметных примесей углекислого газа, азота и кислорода, попадающих в воду из воздуха, немецкому химику Кольраушу понадобился не один год!
И тем не менее попытки химиков получить сверхчистые вещества становились все упорнее и упорнее. Многие годы, объявив войну примесям, терпеливо, настойчиво проводили ученые свои эксперименты.
И тут обнаружились удивительные вещи. После двадцати семи лет высушивания сероуглерод изменил температуру кипения. Причем весьма заметно — больше чем на треть! Раньше кипел при 49,5 градуса. Так и было записано в справочниках. А стал кипеть при 80! У бензола, который сушился восемь с половиной лет, точка кипения подпрыгнула на 26 градусов.
Мало того. С повышением чистоты веществ менялись и химические их свойства. Угарный газ не горел в кислороде. Водород не соединялся с хлором, гремучий газ не взрывался, нашатырь не распадался, как обычно при возгонке, на аммиак и хлористый водород. Вот что наделала простая операция — высушивание реагентов!
Это выглядело потрясающе. Впрочем, судите сами. Точные науки немыслимы без измерений. Но любые измерения — это сравнение с эталоном. Например, ртуть служит образцом при определении стандартной единицы электрического сопротивления. Удлинение столбика ртути в термометре отмечает повышение температуры. Ртуть работает и в манометрах. Во всех этих случаях мы опираемся на постоянство свойств чистого эталона. Только вот беда: они, оказывается, не остаются неизменными! Например, девятилетняя сушка приводит к тому, что у ртути температура кипения повышается на 62 градуса. 62 градуса! Наверняка и прочие свойства нашего жидкого металла зависят от степени очистки. В том числе электропроводность, удельный вес и способность расширяться при нагревании.
Фундаментальнейшие физические константы оказались в полной зависимости от чистоты веществ. Иными словами, от того, насколько близко удалось придвинуться к загадочному химическому индивиду.
И это еще не все!
Вот уравнение реакции: 2H2 + O2 = 2H2O. Все химические знаки написаны безошибочно. Тем не менее перед нами фикция! По крайней мере идеализация.
Единой химической формулой можно изобразить состав лишь идеально чистого вещества. Между тем высушенные до предела водород и кислород не взаимодействуют. Выходит, чтобы реакция пошла, нужны примеси. Но тогда их участие в процессе придется описывать дополнительно еще одним уравнением! Каким? Очевидно, тем, которое показывает участие загрязнений во взаимоотношениях между химическими индивидами.
Вот и получается, что первоначальное уравнение не отражает всей сложности описываемого им явления. И все же без языка формул и уравнений немыслим прогресс химии.
Композитор записывает новорожденную мелодию нотами: «до», «ре», «ми», «фа», «соль» и так далее. Однако реальные звуки, соответствующие этим нотам, никогда не бывают чистыми. Извлекаемые ли из инструментов, рожденные ли голосовым аппаратом, они всегда сопровождаются примесями обертонов. Звуки чистые, без обертонов, — явление столь же исключительное, как и химический индивид. Однако не будь нотной азбуки, что сталось бы с музыкальным творчеством?
Так, пожалуй, и в химии. Именно введению символов в лабораторный обиход во многом обязана своими успехами теоретическая химия. Да и не одна теоретическая (вспомните хотя бы органический синтез!). Только очень скоро выяснилось, что химические формулы дают идеализированное представление о составе соединений и о характере взаимодействий.
Так закон постоянных и кратных отношений породил проблему химического индивида.
Мысленно представить себе, что такое химический индивид, сравнительно легко. Вещество, составленное из одинаковых атомов или молекул. Результат простой арифметической операции: чистое вещество равно грязное вещество минус примеси. Мед, из которого удален деготь и который разделен на индивидуальные органические соединении. Но это теоретически. А вот экспериментально…
Химикам так хотелось взглянуть хотя бы одним глазком, что же это за штука — химический индивид. Ведь его до сих пор никто не видел. Он существовал лишь в воображении ученых. Даже Пруст в своих тщательнейших анализах имел дело с веществами, которые никак не назовешь абсолютно чистыми. Правда, степень их загрязненности была ничтожной. Но ведь химический индивид — это стопроцентная чистота! Ни одной чужеродной молекулы.
Бурно совершенствовались способы разделения смесей и очистки веществ. А химический индивид оставался по-прежнему недосягаемым идеалом. Этаким призраком в реторте. Но самое главное — трудно было установить: пойман, наконец, призрак или нет?
Очистить вещество — титанический труд. Однако это всего лишь полдела. Надо еще проконтролировать степень чистоты. Определить, какие примеси и в каких количествах затаились где-нибудь в потаенных уголках исследуемого препарата. Вот тут и начинаются утомительные и рискованные аналитические процедуры. Рискованные потому, что очищенное вещество очень легко загрязнить снова.
Известен случай, когда у одного ученого в анализируемых пробах обнаружилось золото. Его было очень немного, но у аналитиков совсем иное мнение на этот счет. Ничтожнейшие примеси порой сводят на нет усилия целого коллектива. Но откуда взялось золото? Вроде бы времена алхимии безвозвратно канули в прошлое. Долго выискивали причину. Оказалось, следы металла были занесены в колбу самим экспериментатором! А все потому, что ученый во время опыта машинально поправлял очки в золотом оправе.
Металлические зубы, кольца, маникюрный лак, губная помада, запах духов —
