2,75. 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 с кислородом. Формулируя вопрос по-другому, говорим: нужно разобраться в механизме следующей реакции:
CH3COOC2Н5 + HOH→CH3СООН + С2Н5OH.
На языке химии эта реакция носит название реакции омыления, или гидролиза, также хорошо известного уксусно-этилового эфира.
Куда переходит кислород из молекулы воды: в кислоту или в спирт? Если в спирт, то, значит, именно с ним кислород связан прочнее.
Для этого нужно «пометить» кислород воды!
К сожалению, радиоактивный изотоп кислорода О15 не подходит: у него слишком мал период полураспада (около 2 минут), и, прежде чем исследование будет проведено до конца, он распадется практически весь.
На сей раз выручает «тяжелый» кислород, О18. Им-то и «метят» воду.
Изучение продуктов гидролиза эфира показывает, что О18 концентрируется в спирте.
Можно взять, наконец, полимеры. Среди них выделяется своими качествами полистирол. В изучении процесса полимеризации стирола большую роль сыграли радиоизотопы. Дело в том, что многие реакции полимеризации для своего успешного протекания нуждаются в специальных «возбудителях» — своеобразных катализаторах. Стирол хорошо полимеризуется в присутствии персульфата аммония. Если к персульфату добавить радиоактивную серу S32, то удается определить длину цепи молекулы полимера. На основе же этих данных легче подобрать наилучшие условия для осуществления процесса.
— Как видите, примеров немало! — продолжал я. — Со временем одним из основных методов исследования в химии станет применение радиоактивных изотопов. Я рассказал об их использовании в качестве меченых атомов. Однако есть и другая область, где используется действие излучений радиоактивных изотопов на вещества, на протекание различных химических реакций… Этой областью занимается новая наука. Сейчас я расскажу немного о ней.
Лишь очень немногие реакции могут протекать в обычных условиях, то есть при обычной температуре воздуха и атмосферном давлении.
В большинстве же случаев дело обстоит по-иному. Мало привести реагирующие вещества в соприкосновение. Нужны и другие условия. Мы можем тщательно растереть в фарфоровой чашечке железный порошок с серой, но никакой реакции не произойдет. Стоит, однако, погреть чашечку на газовой горелке, как мы окажемся свидетелями бурного процесса.
Следовательно, высокая температура ускоряет химические реакции. Аналогичным образом действует повышение давления. Наконец, во многих химических процессах применяются так называемые катализаторы. Это различные вещества (чаще всего специально приготовленные металлы, окислы или соли), которые способствуют быстрому течению реакций. Сами же они при этом остаются неизменными.
Очень часто химики используют сочетание всех трех факторов. Например, исключительно важная в экономическом отношении реакция синтеза аммиака из азота и водорода требует температуры до 550° и давления до 1000 атмосфер. Катализатором в процессе служит смесь железа с его окислом и некоторыми другими добавками.
Иногда бывает так, что никакие давления, температуры и катализаторы не могут заставить реакцию идти в темноте. В то же время на свету эта реакция происходит даже при обычных условиях. Такие реакции называются фотохимическими. Простейший пример — выделение серебра из эмульсии фотографической пластинки.
Физика объясняет, что свет возбуждает атомы элементов. Возбужденные атомы весьма активны и легче взаимодействуют между собой.
Световые лучи, расскажет далее физика, суть электромагнитные колебания, обладающие определенной частотой и длиной волны. Наибольшее химическое действие оказывают фиолетовые и ультрафиолетовые лучи с малой длиной волн.
Чем меньше длина волны, тем «жестче» лучи, тем больше у них энергии. Тем сильнее их химическое действие.
Но есть лучи более коротких длин, чем у лучей солнечного спектра.
Это рентгеновские лучи.
Это радиоактивные излучения.
Что радиоактивные излучения могут вызывать химические превращения, было известно давно. Об этом знал еще Беккерель.
Поставив все три типа радиоактивных излучений в один ряд, мы допустили некоторую вольность. Электромагнитными колебаниями являются гамма-лучи; альфа- и бета-лучи — это поток заряженных частиц, но они обладают столь же сильным химическим действием.
Изучение действия радиоактивных излучений на вещество позволило в последнее десятилетие сформироваться новой науке, развитие которой приведет к величайшим достижениям. Это — радиационная химия.
Чаще всего она имеет дело с гамма-излучением, поскольку проникающая способность альфа- и бета-лучей невелика. А для радиационно-химических процессов необходимо, чтобы реакция протекала по всей массе вещества.
В настоящее время сконструированы специальные радиационно-химические установки различной мощности, в которых используются главным образом радиоактивные кобальт Со60 и цезий Cs137.
Как известно, азотная кислота — одно из основных веществ современной химической промышленности. Удобрения, лаки, краски, важные полупродукты, искусственные ткани — все это «дело рук» азотной кислоты. Хотя процессы получения окислов азота (из которых дальше готовят азотную кислоту) разработаны давно, но они требуют значительных затрат и очень сложного и дорогого оборудования.
Совсем недавно радиационно-химические исследования показали, что с помощью гамма-излучения из атмосферного азота можно получить его окислы в обычных условиях. Более того, облучение водных раств