Удивительная химия - Страница 7

Однако атомные массы некоторых элементов, например, меди (63,4) или хлора (35,5), настолько сильно отличались от целых чисел, что ошибками эксперимента объяснить это было невозможно. Более того, результаты экспериментов как бы в насмешку над гипотезой Праута свидетельствовали: чем точнее становились измерения, тем у большего числа элементов обнаруживались «отклонения». Так, в последний год жизни Д. И. Менделеева шведский ученый Иоганн Ридберг (1854–1919), чьим именем названа одна из физических констант, опубликовал таблицу элементов, в которой впервые каждому элементу был присвоен соответствующий порядковый номер. В этой таблице оказалось уже 69 элементов, из которых лишь у 21 атомная масса была выражена целым числом. Любопытно, что в современной таблице Менделеева нет ни одного (!) элемента со строго целочисленной атомной массой. Объясняется это разными причинами. Одна из них, очень важная, была обнаружена английским ученым Френсисом Уильямом Астоном (1877–1945) в 1919 г.

Раньше считалось, что атомы одного и того же химического элемента во всем одинаковы. Астон впервые доказал, что это не так. Они могут отличаться по массе, хотя с химической точки зрения ведут себя сходным образом. Другими словами, Астон открыл, что у элементов могут быть «близнецы-братья», но одни из них чуть полегче, другие потяжелее. Этих близнецов назвали изотопами, так как в таблице Менделеева им отвели одно и то же место (по гречески «изос» – «равный, одинаковый», «топос» – «место»). Из встречающихся в природе элементов (а их почти 90) только у 20 нет «родственников» – это элементы-одиночки. Другим же повезло больше, например у олова их целых 10! Есть изотопы и у самого легкого в природе элемента – водорода, и у самого тяжелого – урана.

После того как было доказано существование изотопов, стало понятно, почему элементы с целочисленной атомной массой встречаются гораздо реже, чем с дробной. Например, у меди было обнаружено два изотопа с атомными массами, очень близкими к 63 и 65. Легких атомов меди в природе больше – их 69 %, а тяжелых меньше – 31 %. Поскольку оба изотопа и в металлической меди, и во всех ее соединениях равномерно перемешаны, не удивительно, что измерения всегда давали усредненное значение атомной массы меди – примерно 63,5.

В XX веке, когда стало известно, из чего состоят атомы, появилось четкое и вполне определенное понятие химического элемента. Элемент – это совокупность атомов, которые устроены примерно одинаково. В центре атома – ядро, вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и потому несет положительный заряд. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов. Главное, что отличает один элемент от другого, – это заряд ядра: у всех атомов данного элемента этот заряд одинаковый (одинаковое число протонов). Например, у всех атомов золота в ядре 79 протонов, а у всех атомов свинца – 82. Атомы самого легкого элемента водорода состоят всего из одного протона и одного электрона. А в ядрах самого тяжелого на Земле элемента урана уже 92 протона. Число же нейтронов в ядрах атомов данного элемента может быть переменным. Например, у 99,3 % атомов урана в ядре 146 нейтронов, а у оставшихся 0,7 % – на три нейтрона меньше; если выделить в чистом виде несколько килограммов данного изотопа, то этого количества будет достаточно для осуществления ядерного взрыва! (Есть еще, правда, очень редкая разновидность атомов урана со 142 нейтронами в ядре, но таких атомов всего 0,0055 %.)

А теперь поговорим о том, как удалось установить процентный состав двух изотопов меди. Наглядно это можно показать на примере разновидностей монет одного достоинства, отличающихся массой. В 1993 году в России были выпущены 50-рублевые монеты из желтого медного сплава массой 6,1 г. Вскоре вместо них начали чеканить такие же с виду монеты, но более дешевые: их делали из стали и лишь сверху покрывали тонким слоем медного сплава. Стальные монеты были немного легче (5,3 г), но внешне они почти ничем не отличались от своих предшественниц (даже годом чеканки), как не отличаются по химическим свойствам два сорта атомов меди. Будем считать, что у нас было два «изотопа» 50-рублевых монет.

Примерно к 1996 году оба «сорта» монет, находившихся в обращении, равномерно перемешались, так что доля легких и тяжелых монет стала постоянной. Один нумизмат решил выяснить, какова же доля монет каждого типа. Он собрал у знакомых целый мешочек 50-рублевых монет, взвесил их и разделил общую массу на число монет; получилась «средняя» масса одной монеты – 5,54 г. Можно ли теперь узнать долю легких и тяжелых монет?

Будем рассуждать так: пусть у нас имеется 100 монет, среди которых есть и легкие, и тяжелые (по условию их соотношение не зависит от числа монет). Общая масса всех 100 монет равна 554 г. Если бы все эти монеты были «тяжелой разновидности», то их общая масса была бы равна 610 г, что на 56 г (610–554) больше действительной. Почему так? Потому что не все монеты тяжелые: есть среди них и легкие. Замена одной тяжелой монеты на одну легкую приводит к уменьшению общей массы на 0,8 г (6,1–5,3). Нам же надо уменьшить массу на 56 г. Следовательно, имеется 70 легких монет (56:0,8). Это и есть ответ: 70 % легких монет, 30 % тяжелых.

Точно так же мы можем рассуждать и в случае изотопов меди: известна средняя атомная масса меди (ее определили химики, анализируя различные соединения меди), а также массы легкого и тяжелого изотопов меди (эти массы определили физики, используя свои, физические, методы).

Интересно, что точно такая же история с монетами произошла несколько раньше в США. В 1964 году из-за подорожания серебра 10-центовые монеты («даймы»), которые прежде чеканились из серебряного сплава, стали делать из медно-никелевого (причем их внешний вид практически не изменился).

Но дорожает не только серебро. Самая мелкая медная монета США – 1 цент («пенни») с изображением Линкольна тоже претерпела изменения в октябре 1982 года. Монетки, выпущенные ранее, изготовлялись из меди с добавлением 5 % цинка. А новые центы только снаружи покрыты медью, внутри же они цинковые. Можно провести такой забавный опыт: слегка соскоблить надфилем краешек монеты и положить ее в разбавленную соляную или серную кислоту. В течение нескольких дней кислота будет все глубже и глубже проникать в монету, постепенно выедая ее цинковое нутро и не затрагивая оболочку, пока не останется легкий медный чехольчик. Точное взвешивание покажет, что в новых монетах общее содержание меди снижено с 95 до 2,5 % – солидная экономия для такого массового производства. Так как цинк не только дешевле, но и легче меди, масса центов существенно уменьшилась – примерно с 3,1 до 2,5 г. Этот эксперимент описывается в американском учебнике по химии и проводится на уроках во многих американских школах. Практическая неотличимость на вид новых и старых центов делает их уникальным учебным пособием для демонстрации на уроках: цинковые и медные центы можно рассматривать как отличающиеся массой изотопные разновидности одного и того же «элемента», причем путем взвешивания кучи нерассортированных монет можно определить содержание в ней каждого «изотопа», если известно общее число монет.

Интересно, что очень похожая задача (только не с изотопами и монетами, а с двумя сортами сукна) приведена в рассказе А. П. Чехова «Репетитор». Вот эта задача.

«Купец купил 138 аршин черного и синего сукна за 540 рублей. Спрашивается, сколько аршин купил он того и другого, если синее сукно стоило 5 рублей за аршин, а черное – 3 рубля?» Фактически это та же самая задача, что и в случае разновидностей монет или изотопов меди. Так что вы теперь сами легко ее решите.

Всего в природе найдено 90 различных элементов, и еще более 20 получено искусственным путем. Из этих нескольких десятков «кирпичиков» и состоят все окружающие нас тела – воздух, которым мы дышим; бумага, на которой напечатана эта книга, и красители в рисунках и самих буквах; глаза, которые читают этот текст, и клетки мозга, которые анализируют, хорошо ли он написан… На самом деле живые организмы состоят из еще меньшего числа элементов, чем объекты неживой природы. В книге американского ученого Глена Сиборга (он участвовал в создании многих искусственных элементов, а один из элементов даже назван его именем) есть забавная картинка. На фотографии изображен мужчина средних лет в белой рубашке и в галстуке, а на столе перед ним – куча баночек и несколько сосудов с газами. Подпись же гласит: «Здесь изображен известный химик Бернард Харви в двух различных вариантах – в одном случае он в своем нормальном состоянии, в другом – расщеплен на составные элементы».