Химический анализ… Солнца

В ожидании солнечного затмения 1868 года астрономы, как всегда, снаряжались солидно. На сей раз они не забыли взять с собой и спектроскоп, незадолго до этого позволивший открыть несколько новых элементов.

Прошло затмение, страсти успокоились. А 25 июля 1868 года Парижская академия наук получила сразу два письма: одно – с берегов далекой Индии от француза Жансена, а другое – из Англии, от англичанина Локьера. В обоих письмах почти слово в слово повторялось одно и то же: оба ученых извещали академию, что каждый из них открыл на Солнце с помощью спектрального анализа неизвестный на Земле элемент. В спектроскопе он дает желтую линию, по цвету схожую с линией натрия. Но к натрию эта линия никакого отношения не имеет.

Почтенное собрание ученых было крайне поражено. Мало того, что Жансену и Локьеру удалось «проанализировать» Солнце, они еще и утверждают, что обнаружили новый элемент!

А на Земле гелий (так был назван «солнечный элемент») открыли лишь в 1895 году, 27 лет спустя.

В честь такого события – открытия метода, позволяющего начать изучение тайн далеких космических светил, – Парижская академия приняла решение отчеканить специальную медаль. Этот метод действительно был достоин специальной медали. Ведь чтобы провести химический анализ любым другим методом, нужно иметь хотя бы самый ничтожный кусочек вещества. А спектральному анализу не страшны никакие расстояния.

После открытия «солнечного элемента» ученые не раз направляли спектрографы (регистрирующие спектроскопы) на Солнце, и оно послушно рассказывало им о себе.

Вслед за Солнцем пришла очередь других звезд – далеких и близких. Блеск звездных атмосфер достигал земных спектроскопов. А в тиши лабораторий ученые разбирались в запутанном частоколе всевозможных спектральных линий. Ученые открывали на небесных светилах элементы, уже известные на Земле.

Лишь спустя восемьдесят лет солнечный гелий передал эстафетную палочку научных неожиданностей элементу технецию. Тому, что занимает место номер 43 в менделеевской таблице. Призрак в земных рудах, технеций сначала был открыт в спектрах некоторых звезд, а затем ученые обнаружили ничтожные его следы на Земле. И в этих звездах технеций – отнюдь не редкий элемент. Он непрерывно образуется там в результате ядерных реакций.

Новых элементов ни на Солнце, ни в звездах уже больше открыть не удалось. Да, пожалуй, и не удастся. Ведь мир един: Земля, Солнце, планеты и звезды, вообще все небесные тела состоят из одних и тех же химических элементов.

Вот что оказалось любопытным: в небесах действует совершенно иная «бухгалтерия» химических элементов, чем на Земле. Не кислород и кремний главенствуют в космосе, а водород и гелий. Их, первых представителей периодической системы, во вселенной во много раз больше, чем всех остальных элементов, вместе взятых. Видите, к какому удивительному парадоксу привела химия звезд: наша Галактика – это в первую очередь царство водорода.

Волны и вещество

Цветовых оттенков в природе неисчислимое множество. Это знают и химики. И подчас сказочная гамма окрасок ставит их в тупик.

– Какого цвета, скажем, раствор нитрата ниодима?

– Розовый, – ответит химик.

– А в какой цвет окрасится раствор трехвалентного железа, если к нему прилить роданида калия?

– В красный.

– А какой будет окраска, если к фенолфталеину добавить раствора щелочи?

– Малиновый.

Так можно продолжать довольно долго: очень многие химические реакции идут в цветовом оформлении. Притом оформлении однотонном. Думается, что если мы назовем еще с десяток соединений, растворы которых имеют цвет, близкий к красному, то окончательно запутаемся. Правда, говорят, что художники и текстильщики, связанные с крашением тканей, различают около двух десятков оттенков красного цвета. Вот что значит наметанный глаз!

Для химиков же такое «интуитивное» различение цветов и оттенков мало подходит. Ведь даже раствор одного и того же вещества в зависимости от концентрации может иметь множество оттенков. Где уж тут их все запомнить!

Живут, оказывается, на Земле люди, что различают цвета с завязанными глазами. Кончиками пальцев. Медики говорят, что у этих людей чрезвычайно развито так называемое кожное зрение. Знаменитый Джонатан Свифт иронизировал по поводу «научной» тематики Лапутянской академии наук: там слепые смешивали различные краски.

Сарказм английского сатирика ныне стал неуместным. Сейчас химики могут сказать о цвете раствора, не видя его в глаза. Помогает в этом так называемая спектрофотометрия. Этот своеобразный метод анализа получил свое название от прибора – спектрофотометра. Прибор позволяет провести анализ окраски химического соединения или его раствора.

Еще Исаак Ньютон, пропуская тонкий солнечный луч через стеклянную призму, обнаружил, что белый цвет – сложный. Каждый, наверное, видел радугу. Все цвета радуги и являются составляющими белого цвета. Такую же радугу наблюдал и Ньютон, пропуская солнечный луч через призму. Эта радуга называется спектром.

Но что такое свет? Это электромагнитные колебания, волны. А каждая волна имеет определенную длину (ее обычно обозначают греческой буквой «лямбда»). С помощью длины волны можно точно характеризовать любой цвет или оттенок. Например, химики говорят: «Красный цвет с длиной волны, равной 620 миллимикронам», или: «Красный цвет с длиной волны, равной 637 миллимикронам». (Миллимикрон – одна тысячная микрона, или одна миллионная доля миллиметра.) Теперь уже не нужно присваивать отдельным оттенкам определенные названия – «малиновый», «красный», «бордовый», «кумачовый», «алый». Достаточно назвать длину волны, и всем ученым на свете станет ясно, о каком цвете, каком оттенке идет речь. Каждое соединение получило как бы своеобразный «паспорт», где в графе «цветность» записано: «Лямбда равна такой‑то величине». Поверьте, это весьма солидный документ.

Но это полдела. Ведь цвет соединения зависит от того, какие лучи, с какой длиной волны оно поглощает, а какие – пропускает. Например, если раствор соли никеля зеленый, значит, он поглощает все длины волн света, кроме тех, которые отвечают зеленому цвету. А, к примеру, желтый раствор хромовокислого калия прозрачен только для желтых лучей.

Спектрофотометр как раз и позволяет получить поток световых лучей вполне определенной длины волны и исследовать, как поглощаются они тем или иным веществом. Громадное количество соединений как органических, так и неорганических было исследовано с помощью спектрофотометров.

Кроме света видимого, есть свет невидимый. Тот, которого человеческий глаз не замечает. Эти «потусторонние света», расположенные за границами видимого светового спектра, называют ультрафиолетовым и инфракрасным излучением. Химики проникли и в эту область. Они изучили спектры различных химических веществ в ультрафиолетовой и в инфракрасной областях. Здесь‑то и обнаружилось очень интересное явление. Оказалось, что каждому химическому соединению (или иону) присущ свой собственный, характерный только для него спектр полосы поглощения. И здесь каждое вещество имеет свой «цветовой» (инфракрасный или ультрафиолетовый) «паспорт».

С помощью спектров поглощения можно проводить не только качественный, но и количественный анализ. И вот почему: во многих случаях интенсивность окраски тем глубже, чем больше концентрация химического соединения в растворе. Тем сильнее поглощается им свет определенной длины волны. Таким образом, определяя поглощение света раствором (как принято говорить, «определяя его оптическую плотность»), легко можно узнать количество интересующего нас элемента.