Юный техник, 2004 № 09

Оглянитесь вокруг. Дома, автомобили, самолет в небе. По радио объявили о запуске нового космического корабля… Все это и многое, многое другое было б немыслимо, если бы люди не знали, из какого вещества что делать, не умели составлять сплавы с заранее заданными свойствами, не умели анализировать, что у них получается. Причем все чаще примеси в том или ином материале (скажем, в полупроводнике) нужно исчислять с точностью до молекулы. Но как определить, что это за молекула?

Обычно это делают по ее молекулярному весу. Взвешивать же молекулы научились далеко не сразу. История тут длинная. Вот некоторые ее фрагменты…

Чтобы взвесить, нужно… сжечь?

Даже если бы мы вдруг настолько уменьшились в росте, что могли бы оперировать отдельными молекулами, которые разглядеть можно далеко не во всякий микроскоп, взвесить эти частички вещества оказалось бы не просто. Прежде всего, молекулы мечутся в броуновском движении. Особенно это свойственно молекулам газа. И когда встала задача научиться их взвешивать, к ней долго не могли подступиться.

Вот как справился с этой задачей в 30-х годах XIX века известный немецкий химик Юстус Либих. Он по-своему интерпретировал совет литературного героя — Тартарена из Тараскона.

Если помните, этот литературный родственник барона Мюнхгаузена разработал такой способ ловли львов в африканской пустыне. «Нужно просеять песок, — советовал он. — Когда он весь высыпется, в остатке останется чистый лев».

Поскольку химику приходится иметь дело вовсе не с песком и львами, то Либиху пришлось поломать голову над тем, как осуществить совет Тартарена на практике. И установка для поимки молекул, в конце концов, приобрела такой вид (см. рис.).

В длинную трубку из огнеупорного стекла помещается платиновый тигель с исследуемым веществом и нагревается газовой горелкой. Чтобы вещество лучше горело, в атмосферу трубки добавляют окислитель (чистый кислород), а по соседству размещают катализатор — обычно это окись меди. Далее следует конденсатор или водяной холодильник, в котором вещество, превращенное на горелке в дым, снова становилось жидким или даже твердым. Ну а чтобы разделить и взвесить компоненты дыма, Либих использовал ряд ловушек с веществами-поглотителями.

Предположим, нам пришлось бы анализировать состав воздуха. Тогда воду или водяной пар можно поглотить прокаленным хлористым кальцием (это вещество и по сей день представляет собой самый ходовой в лабораторной практике осушитель). Кислород сгорит. Углекислый газ (двуокись углерода) будет поглощен натронной известью. А в трубке останется чистый азот.

Остается понять, сколько чего было изначально. Для этого Либих взвешивал тот или иной поглотитель до и после реакции на обычных лабораторных или аптекарских весах. И по разнице масс определял количество того или иного газа в смеси. Ничем же не поглощенный азот экспериментатор собирал в отдельной емкости и измерял объем собранного газа.

Схема прибора Свентославского. При кипении раствора в сосуде левый термометр орошается кипящей жидкостью, а правый измеряет температуру паров растворителя. Разность их показаний подставляют в специальную формулу, по которой и вычисляют молекулярную массу исходного вещества.

Говорят, он так поднаторел в своих опытах, что ухитрялся, взяв всего лишь 0,5 г исходного вещества, проводить анализ с точностью 0,3 %, или 0,0015 г.

Впрочем, хотя установку Либиха по сей день используют в лабораторной практике, до взвешивания отдельных молекул еще далеко. Несмотря даже на то, что впоследствии лауреат Нобелевской премии, австриец И. Прегль создал лабораторные микровесы точностью до 1 мг, а сам анализ проводится автоматически, и процентный состав той или иной смеси печатается на бумажной ленте или высвечивается на экране компьютерного дисплея. Тем не менее, первый шаг был сделан!

Не испарим, так заморозим!

Более точно удается определять молекулярную массу газов по ее объему. Это стало возможным после того, как в 1811 году итальянский химик А. Авогадро открыл закон, носящий его имя. Согласно ему, «грамм-молекула любого газа занимает при нормальных условиях объем в 22,4 литра».