егком гексане. «Но ведь перманганат калия KMnO4 – это полярная соль, – удивляются ученики. – И вы сами говорили, что в гексане он растворяться не должен!». «А это вовсе и не перманганат, а йод, – сообщает преподаватель. – Молекулы йода неполярные, поэтому йод хорошо растворяется в гексане».
Но почему же раствор йода в гексане перепутали с раствором перманганата в воде? Оказывается окраска у этих растворов почти одинаковая. Происходит так потому, что оба раствора поглощают свет с длиной волны от 400 до 600 нм, причем максимум поглощения в обоих случаях тоже совпадает (около 520 нм). Поэтому если удачно подобрать концентрацию веществ, то на глаз такие растворы невозможно различить! В то же время отличить один раствор от другого очень легко с помощью прибора, регистрирующего спектр, то есть поглощение раствором света с разной длиной волны. Полоса поглощения йода «гладкая», тогда как на полосе перманганата четко видны отдельные зубцы.
Другой «фокус» связан с тем, что некоторые вещества могут иметь одновременно разный цвет! Как же такое возможно? Известно множество соединений, которые могут излучать свет, оставаясь холодными. Такие вещества называют люминофорами (от лат. lumen – «свет» и греч. phoros – «несущий»). Твердые неорганические люминофоры состоят обычно из оксидов, сульфидов, фосфатов и силикатов металлов с активирующими добавками сурьмы, марганца, олова, серебра, меди и других тяжелых металлов. Порошок люминофора светится, когда на него попадает синий или ультрафиолетовый свет – как в ртутных лампах или поток быстрых электронов – как на экранах телевизоров и мониторов компьютеров (не жидкокристаллических).
После возбуждения вещество может излучить свет практически сразу. Такое свечение называют флуоресценцией (или флюоресценцией) – от названия минерала флюорита (CaF2), у которого впервые обнаружено это явление. Химики синтезировали множество соединений, способных светиться разными цветами, оставаясь холодными. Флуоресцируют некоторые шампуни и экстракты для ванн, яркие краски бакенов, цветных афиш, дорожных знаков, деталей одежды. Флуоресценцию можно наблюдать у специальных красок для фломастеров (маркеров), когда их освещают солнечным светом.
Хинин
Все эти флуоресцирующие красители поглощают фиолетовые и синие солнечные лучи, энергия которых высока, а излучают зеленые, оранжевые или красные – с меньшей энергией. Флуоресцируют в ультрафиолете специальные Хинин краски, используемые при изготовлении банкнот; так кассиры проверяют их подлинность. Сильной флуоресценцией обладает хинин – сложное органическое соединение, которое используют не только как лекарство от малярии, но и добавляют к тонизирующим напиткам для придания им чуть горьковатого привкуса; такие напитки ярко светятся под действием ультрафиолетовых лучей.
Флуоресцирующие краски и волокна на бумажных купюрах ярко светятся в ультрафиолетовых лучах. Эти краски – одно из средств защиты денег от подделки
Флуоресценцию используют не только для изготовления красок. Вот только один пример. В США решили посмотреть, как пресная вода реки Гудзон смешивается с соленой водой Атлантического океана. С этой целью в реку вылили бочку (400 литров) флуоресцирующего красителя родамина. А измерять флуоресценцию современные приборы могут с очень высокой чувствительностью. Так, родамин можно заметить при разведении в 100 миллиардов раз – т. е. 1 г, растворенный в 100 000 т воды – это почти 1700 больших железнодорожных цистерн!
Флуоресцентное излучение распространяется во все стороны. Если в колбу налить, например, щелочной раствор красителя флуоресцеина, то такой раствор будет обладать одновременно двумя цветами. Если на него смотреть прямо, так чтобы колба находилась между источником света (например, лампой) и глазом, то в проходящем свете этот раствор будет желтоватокрасным. Если же расположить колбу сбоку от лампы (лучше люминесцентной), то раствор будет иметь очень красивый зеленый цвет! Это цвет флуоресцентного излучения с длиной волны 513 нм, которое возникает при поглощении раствором в более коротковолновой части спектра. Во время Второй мировой войны двунатриевую соль флуоресцеина вследствие ее исключительно яркой флуоресценции при дневном свете использовали для покрытия морских опознавательных знаков.
Флуоресцеин
Говоря о флуоресцеине, невозможно не вспомнить знаменитого американского физика Роберта Вуда, любившего пошутить. Вот как описан его «эксперимент» с этим веществом в книге В. Сибрука «Роберт Вуд. Современный чародей физической лаборатории». Флуоресцеин «Даже для свадебной поездки Вуд не упустил возможности химической шутки. Одним из веществ, которые студенты Ремсена[1] приготовляли, был флуоресцеин, то самое удивительное соединение, крупинка которого, величиной с булавочную головку, растворенная в бочке воды, заставляет ее светиться под лучами солнца изумрудно-зеленым светом. Летчики, сбитые и спустившиеся на воду в теперешней войне, применяют его, чтобы создать огромное зеленое пятно на поверхности воды, которое легко заметить со спасательного самолета. Йеллоустонский парк, который он посетил в предыдущем году, тоже вошел в маршрут путешествия, и Вуду пришло в голову, что гейзер «Старый Верный» будет удивительным зрелищем, если в нем растворить достаточную дозу флуоресцеина. Он приготовил пинту этого вещества, в виде густой темно-коричневой жидкости, закупорил его как следует в широкогорлую бутылку – этого количества вполне хватило бы, чтобы сделать небольшое озерко светящимся, – и спрятал в свой чемодан. По дороге на восток, после приключений в Калифорнии и Аляске, они сделали большой тур по Йеллоустону, и Вуд приготовил для гейзера свою бутылку флуоресцеина. Об этом эпизоде он рассказывает так: «Мы нашли, что „Старый Верный“ слишком хорошо охраняется сторожами, чтобы там можно было что-нибудь устроить, но я вспомнил, что есть место еще лучше – знаменитый Изумрудный источник. Большая партия туристов с проводником собиралась отправиться туда пешком, но я уже знал дорогу, и мы вдвоем вышли раньше них, и вокруг знаменитого источника никого не было. Сильный поток воды выходил из туннеля, и как только мы услыхали голоса туристов, я откупорил бутылку с флуоресцеином и бросил ее в середину озерца. Она опускалась глубже и глубже, пока не исчезла из виду, оставляя за собой зеленый хвост. Несколько минут ничего не случилось, а потом из глубины выплыло огромное облако, похожее на грозовую тучу, удивительного зеленого цвета; оно росло и принимало все более сложные формы, приближаясь к поверхности, а когда подошли туристы, все озерко светилось в лучах солнца, как настоящий изумруд. Мы слышали, как гид монотонно бормотал свое описание: „Перед вами, леди и джентльмены, Изумрудный источник, называемые так из-за зеленоватого цвета… боже мой! Я никогда не видал такой штуки, а я живу здесь уже десять лет!“ Туристы были восхищены, и мы тоже».
Йодный термометр
Красивый фиолетовый цвет паров йода позволяет проделать с ними много интересных опытов. При комнатной температуре кристаллы йода испаряются очень медленно, но если их подогреть, над твердым йодом появляются тяжелые фиолетовые пары. А может ли йод расплавиться? Конечно, может, как и большинство веществ молекулярного строения. Температура плавления йода 112,9 °С, температура кипения 183,0 °С. Однако увидеть жидкий йод не так-то просто. И не только потому, что этому мешают интенсивно окрашенные фиолетовые пары. Дело в том, что молекулы йода в кристалле очень слабо связаны друг с другом, поэтому кристаллы легко возгоняются, т. е. испаряются без плавления. Чтобы кристаллический йод перешел в жидкость, нужно либо нагревать его очень быстро (чтобы плавление происходило быстрее возгонки), либо проводить опыт в закрытой посуде небольшого объема, чтобы создать над жидким иодом достаточное давление паров.
При температуре плавления давление паров йода над жидкостью приближается к 100 мм рт. ст. Если давление будет меньше, жидкость не образуется или очень быстро испарится – вот почему в открытой посуде кристаллы следует нагревать быстро.
Это можно пояснить таким примером. Испаряться (возгоняться) могут кристаллы не только йода, но и многих других веществ, в том числе и воды. Все знают, что будет, если нагревать очень холодный кусок льда – при 0 °С он расплавится. Но если лед нагревать исключительно медленно, до воды дело не дойдет: лед испарится раньше! Действительно, хорошо известно, что выстиранное белье на морозе тоже высыхает, хотя и не так быстро, как в теплом помещении (зато на морозе в нем не успевают развиваться микроорганизмы, и такое белье «пахнет свежестью»). Так же и кристаллы йода – при недостаточно быстром нагреве в открытом сосуде они испарятся быстрее, чем расплавятся. Быстрый нагрев способствует также тому, что пары йода над кристаллами не успеют «далеко уйти» от поверхности и создадут нужное для образования жидкости давление.
Если кристаллы йода оставить в запаянной ампуле на длительный срок, можно наблюдать интересное явление: постепенно мелкие кристаллики будут исчезать, а более крупные – расти. Теоретически в ампуле должен остаться один большой хорошо оформленный кристалл, только это может занять слишком много времени. Процесс, однако, можно значительно ускорить, если предварительно откачать из ампулы воздух. Явление это объясняется стремлением вещества максимально уменьшить свою поверхность – именно поэтому, как вода в отсутствие тяготения принимает форму шара, поверхность которого при данном объеме минимальна. Механизм «поедания» маленьких кристалликов большими такой. Чем меньше кристалл, тем больше над ним давление паров. Испарившиеся с него молекулы в ограниченном объеме будут оседать на больших кристаллах. В воздухе этот процесс идет очень медленно, так как молекулам йода требуется много времени, чтобы путем диффузии через воздух добраться до нужного места. В вакууме молекулы воздуха не мешают молекулам йода передвигаться от кристалла к кристаллу, поэтому процесс сильно ускоряется, особенно если ампулу положить в теплое место.