Страница 25 из 38
Чистый бензол, высушенный обычным для лабораторной практики методом, поместили в специальный сосуд, в котором жидкость оказалась заключенной между двумя платиновыми электродами. Сосуд начали медленно нагревать до тех пор, пока не началось кипение бензола. Термометр показывал 80°. Иными словами, бензол вел себя так, как и полагается вести «нормальному» бензолу. Но вот к электродам подвели очень высокое напряжение. На первый взгляд, это было бессмысленной затеей: ведь бензол все равно не проводит ток. Но как только включили рубильник, кипение бензола сразу прекратилось. Пришлось нагреть жидкость еще на 8°, чтобы снова началось кипение. Бензол, помещенный между электродами, вел себя точно так, как сверхчистый бензол, подвергнутый многолетней сушке! Как только напряжение сняли, сразу температура кипения упала до нормальной. Снова подвели напряжение — снова 88°.
Почему же этот опыт подтверждает влияние воды на ассоциацию молекул бензола? В «обычном» бензоле находится сравнительно много воды: одну из 50–60 молекул его можно считать окруженной тончайшим слоем — в одну молекулу — воды. Эти молекулы воды очень похожи на магнитики.
Посмотрите на рисунок: маленькие и поэтому обладающие сильным электроположительным полем атомы водорода сосредоточены в одном конце молекулы, атом кислорода с двумя отрицательными зарядами — в другом. А рядом изображена молекула бензола. Стоит только посмотреть на нее, и сразу станет понятным, почему бензол не обладает дипольным моментом: шесть симметрично расположенных атомов углерода и столько же атомов водорода уравновешивают заряды друг друга.
Так вот, при подведении высокого напряжения «магнитики» воды отрываются от молекул бензола, водная оболочка разрушается и молекулы бензола приобретают способность к ассоциации. Вот почему сразу подскакивает температура кипения жидкости.
Итак, на вопрос: «Почему вода?» — мы ответили. Но тут же автор со вздохом должен сообщить, что, по правде говоря, этот вопрос был самым легким.
Ответить на него, как говорят, ничего не стоило. Хуже другое, что этот вопрос сразу вызывает еще несколько других. Однако роптать здесь не приходится. Таково свойство настоящей науки.
А вопросы эти следующие (у внимательного читателя они, очевидно, уже вертятся на языке). Вопрос первый: о какой это водной оболочке может идти речь, когда даже в «просто» чистом бензоле одна молекула воды приходится на 100–200 молекул основного вещества? Если же бензол подвергают специальной осушке, тем более многолетней, то это соотношение резко изменяется, причем не в пользу воды. Там уже одна молекула ее приходится приблизительно на один миллион молекул бензола.
Вопрос второй мы так и не выяснили: что же все-таки заставляет собираться в агрегаты бездипольные молекулы веществ, находящихся в сверхчистом состоянии?
Интересные вопросы? Безусловно, интересные. Тем более, что неизвестно, как на них отвечать. Сегодня, в 1963 году, физика и химия пока еще не могут дать ответы на эти вопросы. Вот оно — поле деятельности для тебя, сегодняшний школьник. Оказывается, и в химии можно найти немало таких уголков, исследование которых не менее интересно, трудно и важно, чем достижение полюса недоступности или открытие нового архипелага.
Но мы еще далеко не полностью исчерпали круг вопросов, ради которых я завел речь о самых замечательных свойствах сверхчистых веществ. О тех событиях, которые, собственно говоря, и заставили ученый мир вспомнить о рассказанной только что истории, речь еще впереди. Итак…
Кто позавидует человеку, который темной безлунной ночью обязательно должен найти в копне сена затерявшуюся иголку? Тут любой остановится и сокрушенно покачает головой? Ошибаетесь! Я знаю немало таких химиков, которые сказали бы, что этот, конечно, вымышленный мной чудак занимается игрой в бирюльки. А в ответ на ваше недоуменное пожатие плечами немедленно доказали бы свое утверждение ясным языком арифметики.
Сколько может весить копна сена? Килограммов 400. А иголка? Ну, скажем, одну десятую грамма, или 10-4 килограмма. Если 400 килограммов принять за 100 %, то сколько будет составлять 0,1 грамма?
4·102 — 100%
10-4 — x
x = ((10-4·100)/(4·102))·0,25·10-4 = 0,000025 %
Итак, иголка составляет 25 миллионных долей процента от веса копны. Химик сказал бы, что упомянутый нами гражданин оперирует в пределах пятого десятичного знака. А для химии определение таких количеств примесей, которые скрываются за пятым десятичным знаком, является давно пройденным этапом. Вот, скажем, шестой или седьмой десятичный — тут надо поработать. А пятый доступен при желании почти каждому и при сравнительно небольшой затрате труда.
Но если бы химия ограничилась только шестым или седьмым знаками!
«Как! — скажет читатель. — Неужели потребовались еще более точные определения? Неужели нужно было пойти еще дальше?»
Да! Гораздо дальше. И если бы только это, то дело не представлялось бы таким сложным.
Когда мы говорили о продвижении химии по крутым ступенькам десятичных знаков, мы имели в виду аналитическое определение примесей. К середине 50-х годов техника потребовала от химии не только определять количества примесей, но и отделять эти примеси. А это далеко не одно и то же. Одно дело знать, сколько примешано к данному основному веществу того или иного элемента, а совсем другое — освободиться от этих примесей, выделить их, да так, чтобы еще не внести новых загрязнений. И эта вторая задача много сложнее первой.
Но, если техника, промышленность говорят «надо», химия должна, обязана сказать «есть».
И началась работа…
Но сначала о том, зачем понадобились технике вещества такой сверхъестественной чистоты.
Большинство полупроводниковых материалов проявляет свои свойства только в состоянии очень высокой чистоты. Вот, например, один из самых распространенных полупроводников — металл германий. Современная полупроводниковая техника в ряде случаев требует для германия чистоту 99,9999999999 %. Это значит, что на один атом примеси приходится тысяча миллиардов атомов германия. Два атома примесей на это количество — и полупроводник уже не «работает».
Итак, перед химиками всей своей громадой выросла вершина десятого десятичного знака. И вот на этот Эверест современной химии, предстояло взойти не отдельным ученым. На «вершину» должен был подняться весь громадный коллектив химиков, работающих в области промышленности полупроводниковых материалов. Перед ними стояла задача получения не каких-нибудь уникальных двух-трех граммов вещества сверхвысокой чистоты. Надо было создать заводы, где эти вещества производились бы сотнями и тысячами килограммов.
Читатель помнит, какими трудностями сопровождалось завоевание «вершин» шестого и седьмого десятичных знаков. Теперь же предстояло взять десятый. А ведь подобно тому, как каждый метр на большой высоте дается альпинистам труднее, чем километр пути, пройденный по равнине, каждая последующая девятка в числе, выражающем чистоту препарата, достается химику со все возрастающим трудом.
Получение вещества со степенью чистоты 99,99 %, или, как говорят, вещества «четыре девятки», не представляет в настоящее время трудностей для экспериментатора даже в скромно оснащенной лаборатории. Но давно ли это так?
Вот три статьи, помещенные в различных химических журналах. В первой из них читаем: «Нам удалось получить чрезвычайно чистое вещество чистотой 99,99 %». Во второй статье написано: «Содержание основного вещества в продукте — 99,999 %. Значит, полученный продукт можно считать относительно чистым». В третьей статье говорится следующее: «Полученный образец был весьма грязным: содержание основного металла в нем составляет всего 99,9999 %».