С развитием науки и техники требования к химическому анализу повышались довольно быстро. Вот почему спустя сто лет после работы Ломоносова ученые располагали приборами, с помощью которых можно было производить взвешивание с точностью до одной тысячной грамма.
А еще через каких-нибудь 40–50 лет в любой химической лаборатории, где проводились химические анализы, стояли весы, чувствительность которых составляла две десятитысячные грамма.
Две десятитысячные? Эту крупинку даже не во всякий микроскоп разглядишь. Зачем же понадобилась такая точность взвешивания химикам?
Расчет здесь простой. Для того чтобы результаты анализа были достоверны, необходимо определять процентное содержание элементов в соединении с точностью до одной сотой доли процента. Иначе о составе соединения уверенно судить невозможно. Если для исследования состава соединения брать количества вещества в один грамм, то нетрудно подсчитать, что десятитысячные доли грамма как раз будут составлять те сотые доли процента, которые так нужны химику.
Взвешивание на «четырехзначных» весах — так их прозвали химики — дело, требующее особой сноровки и осторожности. Забудешь прикрыть дверцы стеклянного ящика, которым накрывают такие весы, вот и нарушилось равновесие. На одну из чашек упали две-три пылинки. Они и глазом-то невооруженным не видны. А стрелка весов сигнализирует: на чашки попало что-то постороннее.
Теперь изволь смахивать пыль замшевой тряпочкой, да осторожнее, чтобы не повредить нежные детали!
Такие весы теперь имеются буквально в каждой химической лаборатории. Студенты, например, начинают знакомство с химией с работы на таких весах.
Но «четырехзначные» весы — далеко не предел. Уже несколько десятилетий назад появились приборы, на которых взвешивали вещество с точностью до одной стотысячной доли грамма. Дело в том, что те количества, которые химики брали для проведения анализа, — один грамм — скоро показались им чрезмерно большими. Особенно были недовольны «органики» — специалисты в области органической химии. Действительно, при приготовлении какого-либо вещества приходится часто вести синтез продолжительно, нередко по две-три недели, а то и дольше. При этом получаешь всего 2–3 грамма продукта, и изволь почти половину этого количества пустить на анализы. А ведь при анализе вещество пропадает безвозвратно: его разлагают на составные части. Нет, это слишком расточительно! На проведение анализа исследователи могли отпустить самое большее одну десятую грамма. Но тогда надо в десять раз повысить чувствительность весов.
Так в химию вошел пятый десятичный знак…
Весы, на которых можно производить взвешивание с такой точностью, тоже не редкость в исследовательских химических лабораториях. Но они заметно отличаются от своих «четырехзначных» собратьев. Начать с того, что им воздаются гораздо более высокие «почести», чем их менее чувствительным коллегам. Стоят они обычно в отдельной комнате, на специальной подставке, укрепленной в стене. Температура в помещении должна быть всегда постоянной, за перемещением стрелки весов наблюдают в специальное оптическое приспособление. Всего один лишний десятичный знак — а сколько дополнительных хлопот!
Дальше темпы усовершенствования весов несколько убавились. Не потому, что в усовершенствовании не было необходимости. Жизнь требовала от ученых все более точных определений. Но различные хитроумные приспособления делали весы слишком громоздкими и капризными. Работать с такими весами в каждой лаборатории было уже невозможно.
Но это не значит, что химики прекратили наступление на десятичные знаки. На помощь взвешиванию пришли другие методы анализа.
Весы? Нет, лучше…
У каждого в доме, вероятно, есть маленькие темные кристаллики в стандартной аптечной упаковке, которые мы называем марганцовкой. Марганцовка применяется для дезинфекции, растворами ее полощут горло при некоторых заболеваниях. Марганцовка — это марганцовокислый калий, соединение, которое очень легко отдает свой кислород и поэтому губительно действует на различные болезнетворные микроорганизмы. Но нас сейчас интересуют другие свойства марганцовокислого калия.
Возьмем маленький кристаллик этого вещества и бросим в стакан воды. Вода через некоторое время окрасится в густо-фиолетовый цвет. Это уже само по себе интересно: кристаллик очень маленький, а окраска получилась такая, что, поставь стакан против лампы — и на просвет ничего не увидишь.
Разбавим содержимое стакана вдвое, вчетверо… Окраска будет постепенно ослабевать, но все же не исчезнет. Еще очень много раз нам придется приливать воду, прежде чем окраска раствора уже не будет заметна.
Возьмем такой раствор, окраску которого можно еще различить невооруженным глазом. Сколько вещества содержится в таком растворе, или, как говорят химики, какова концентрация этого раствора? Это установлено с большой точностью. В двухстах миллилитрах[1] такого раствора, то есть в объеме стакана воды, его всего одна десятитысячная доля грамма. Если выражать концентрацию этого раствора в процентах, то получим число 0,0005 % — пять десятитысячных.
Нетрудно составить зависимость между содержанием окрашенного вещества в растворе и окраской этого раствора. После этого определение концентрации раствора будет совсем простым делом: понятно, что чем интенсивнее окраска раствора, тем больше окрашенного вещества содержится в нем.
Этот метод анализа был назван колориметрическим (от слова «колор» — цвет). Нетрудно убедиться, что в смысле чувствительности колориметрические методы обладают большим преимуществом перед весовыми. Чтобы определить концентрацию раствора того же марганцовокислого калия колориметрическим методом, необходим очень простой прибор — колориметр, десять миллилитров вещества и три минуты времени.
Теперь посмотрим, сколько операций потребовалось произвести для того, чтобы проанализировать раствор с помощью весов. Концентрация нашего раствора 0,0005 %. Это значит, что в миллилитре его содержится всего пять миллионных долей грамма вещества. Если мы выпарим раствор досуха и попытаемся взвесить сухой остаток, то весы ничего не зафиксируют: как мы помним, аналитические весы реагируют лишь на количества, не меньшие чем одна-две десятитысячные доли грамма. Вот почему придется упаривать не меньше двух литров раствора, чтобы получить тот ничтожный осадок, который все же может быть зафиксирован весами.
Многим известна краска «берлинская лазурь» красивого синего цвета. Эта краска образуется, если к раствору какой-либо соли железа прилить раствор желтой кровяной соли. Оказывается, окраска возникает даже в том случае, если содержание железа в растворе не превышает трех сотых долей грамма в одном литре, или трех стотысячных долей грамма в одном миллилитре. А 0,00003 грамма — это уже обычным аналитическим весам не «под силу». Желтую кровяную соль поэтому называют реактивом на соединения железа. Как видим, это очень чувствительный реактив.
Однако чувствительность желтой кровяной соли — ничто по сравнению с действием другого определителя железа, органического вещества фенантролина. С помощью этого реактива можно обнаружить в одном миллилитре раствора две десятимиллионные доли грамма железа: 0,0000002, или 2·10-7.
Органические реактивы найдены почти на все элементы. Каждый из этих реактивов позволяет обнаружить с помощью соответствующей окраски от стотысячных до десятимиллионных долей грамма элемента в одном миллилитре раствора. Очевидно, что никакие весы не могут сравниться по чувствительности с колориметрическими реакциями.
Кстати, определение содержания золота в ртути в опытах Литте проводилось реактивом, обладающим весьма длинным и звучным названием: паратетраметилдиаминодифенилметан. Этот реактив позволяет обнаружить миллионные доли грамма золота.
Если учесть, что в каждом грамме обычной ртути содержатся вдесятеро большие количества золота, то становится понятным, что Литте и его сотрудники открыли лишь то, что было в ртути с самого начала (внеся, впрочем, дополнительные количества золота из очков, запонок, колец и других золотых предметов).
С помощью органических реактивов научились не только вызывать появление окраски, которая «выдает» нам присутствие того или иного элемента в растворе, но также и переводить эти элементы в не растворимые в воде соединения. Можно назвать здесь в качестве примера органический реактив диметилглиоксим. Этот реактив был открыт известным русским химиком Л. А. Чугаевым в начале нашего столетия. Если в растворе, к которому прибавлен диметилглиоксим, имеются хотя бы ничтожные количества металла никеля, то сейчас же образуется осадок. Взвешивая осадок, можно судить, сколько металла было в исследуемом растворе. С помощью диметилглиоксима можно определить содержание никеля в растворе, даже если оно не превышает одной стомиллионной грамма (10-8) в одном миллилитре.
