Страница 24 из 38
Вздохнуть химикам с некоторым облегчением (но не полной грудью!) позволило очередное исследование в области «эффекта высушивания».
Была определена плотность пара веществ, подвергнувшихся длительной осушке. А зная плотность пара, каждый девятиклассник может в две минуты вычислить молекулярный вес вещества в парообразном состоянии. Эти измерения показали, что молекулярные веса сверхчистых жидкостей во всех случаях превышают рассчитанные. Так, молекулярный вес диэтилового эфира (C2H5)2O оказался равным 170. Если же сложить атомные веса всех атомов, входящих в молекулу диэтилового эфира, то получится величина 12 · 4 + 10 +16 = 74. Выходит, что молекулы эфира собираются в какие-то агрегаты, состоящие из двух-трех молекул.
Похожие результаты получились и для других веществ: молекулярный вес метилового спирта превышал рассчитанный почти втрое, молекулярные веса брома, бензола и четыреххлористого углерода были завышены в полтора раза, гексана — вдвое, сероуглерода — в 2,7 раза и т. д.
Итак, все высушенные и очень чистые вещества находятся в парах в виде агрегатов молекул, или, как говорят, в ассоциированном[4] состоянии. В жидком состоянии, естественно, величина этих агрегатов должна быть еще больше.
Стало понятно, почему температура кипения этих жидкостей так отличается от температуры кипения жидкостей обыкновенных. Естественно, что энергия, необходимая для отрыва молекулы с малым молекулярным весом, должна быть меньше, чем для молекулы с большим молекулярным весом. А отсюда — и повышение температуры кипения.
Казалось бы, все стало на свои места; вот он, ключ ко всем вопросительным знакам: молекулы очень чистых веществ собираются в агрегаты и это единственное, что отличает их от веществ просто чистых. Всё остальное — следствие этого.
Но на самом деле только сейчас и начались непонятные вещи. Явление ассоциации весьма распространено. Химикам известно громадное количество веществ, которые в жидком и газообразном состоянии находятся в ассоциированном виде. Если мы определим молекулярный вес паров уксусной кислоты, например, то найдем, что он равен 120, в то время как теоретический молекулярный вес этого вещества — CH3COOH — равен 60. Следовательно, в парах молекулы уксусной кислоты находятся попарно.
Все вещества, способные к ассоциации, обладают одним общим свойством: положительный заряд их молекулы сосредоточен в одной части, а отрицательный — в другой. Стоит только посмотреть на рисунок, и сразу станет понятно, почему молекулы уксусной кислоты стремятся объединиться друг с другом. Положительный полюс одной молекулы притягивает отрицательный полюс другой. В жидком состоянии, когда расстояния между молекулами значительно сокращаются по сравнению с парообразным состоянием, агрегаты молекул могут быть значительно больше: они объединяются по четверо, по шестеро, а зачастую и больше.
Насколько ясна причина ассоциации веществ, молекулы которых имеют разделенный электрический заряд, или, как говорят ученые, молекулы которых обладают дипольным моментом[5], настолько же должно быть очевидно, что вещества, не обладающие дипольным моментом, не могут ассоциироваться.
Итак, само по себе явление ассоциации не является чем-нибудь удивительным и очень легко объяснимо. Обращаю только внимание на то, что способностью ассоциироваться обладают лишь те молекулы, которые имеют разделенный электрический заряд — дипольный момент.
Но то, что было понятным в отношении к «обычным» веществам, в области сверхчистых жидкостей только запутало и без того неясные перспективы решения загадки. Дело в том, что большинство из изученных на «эффект высушивания» жидкостей (мы помним, что всего их было 11) не имеет дипольного момента. Но даже те два соединения, молекулы которых имеют дипольный момент, — спирт и эфир — в «обычно» чистом состоянии имеют обычную плотность паров, соответствующую нормальному молекулярному весу.
Так на место одного решенного вопроса пришли по крайней мере два. Первый: почему именно вода обладает такими свойствами, что исчезающе малое количество ее способно оказывать громадное влияние на свойства веществ? Второй: что заставляет молекулы веществ, не обладающих дипольным моментом, ассоциироваться вопреки всем известным законам физики и химии?
Такова уж судьба ученых. Никогда не достигнуть им той точки, после которой можно было бы сказать: «Все, больше в этой области изучать нечего». Один решенный вопрос влечет за собой десятки других, которые еще требуют своих решений.
Этот вопрос, в то время когда впервые исследовались свойства сверхчистых жидкостей, действовал на исследователей удручающе. Пугала полная неизвестность: с какой стороны следует «прицепиться» к воде, с тем чтобы нащупать разгадку.
Очевидно, что в чем-то, в каком-то свойстве вода резко отличается от других жидкостей. Но какое это свойство? Тут уже приходилось гадать. Иногда, за неимением других способов решить ту или иную научную проблему, гадание тоже может послужить методом исследования.
Итак, какое же свойство? Быть может, вязкость или плотность? Нет, сотни веществ имеют величины этих свойств такие же или почти такие же, как и вода. Поверхностное натяжение? Показатель преломления? Температура кипения? Температура плавления? Нет, и эти свойства у воды ничем не примечательны в сравнении со свойствами других жидкостей. Может быть, электропроводность? Нет. Дипольный момент? Нет. Теплота плавления? Тоже нет! Диэлектрическая постоянная? Стоп! Кажется, нашли!
Действительно, диэлектрическая постоянная[6] воды сильно отличается от диэлектрической постоянной других жидкостей. Для бензола, например, диэлектрическая постоянная равна 2,3. для гексана 1,9, для эфира 4,4, и так для многих других жидкостей. Для воды же эта величина равна 79. Ни одно вещество не может в этом отношении сравниться с водой. Ближе всего к воде подходит муравьиная кислота, но у нее диэлектрическая постоянная раза в полтора меньше, чем у «рекордсмена» — воды.
Но указать на диэлектрическую постоянную — это еще не значит объяснить наблюдаемые явления. И это объяснение не замедлило появиться.
Предположим, рассуждали исследователи, что молекулы всех веществ, даже тех, молекулы которых имеют дипольный момент, равный нулю, притягиваются друг к другу какими-то силами, природа которых нам еще неизвестна. Впрочем, каковы бы ни были эти силы, они, конечно, должны быть электрическими и, следовательно, должны подчиняться законам электростатического притяжения.
Если имеется какое-то чистое вещество, то что находится между какими-либо двумя молекулами этого вещества? Ничто, пустота. Следовательно, силы электрического притяжения в данном случае, в пустоте, будут наибольшими. Что же произойдет, если между двумя этими молекулами внедряется молекула какого-либо постороннего вещества? Конечно, сила взаимодействия между молекулами основного вещества значительно ослабеет. А если эта посторонняя молекула к тому же — молекула такого вещества, как вода, которая имеет наибольшую диэлектрическую постоянную, то есть в среде которой силы электростатического взаимодействия ослабляются больше всего, то легко представить, что никакого притяжения между молекулами основного вещества уже не будет.
Однако даже самые пространные рассуждения останутся рассуждениями, если не будут подкреплены экспериментами. И снова, в который раз, теоретические положения стали воплощаться в лабораторных установках.
4
Ассоциация в химии — образование групп из молекул одного рода.
5
Дипольный момент — произведение величины зарядов на расстояние между ними; очевидно, что дипольным моментом могут обладать лишь такие молекулы, у которых в одной части сосредоточен положительный заряд, а в другой — отрицательный.
6
Диэлектрической постоянной называют величину, которая показывает, во сколько раз ослабляется электрическое взаимодействие в данной среде по сравнению с пустотой.