Цезий - Две голубые незнакомки

С.И. Венецкий

История - "разборчивая невеста": добиться ее благосклонности - попасть на самые почетные страницы - удается далеко не каждому. В мире химических элементов (как, пожалуй, и в жизни) такой чести удостаиваются лишь те счастливцы, которые сумели в чем-либо превзойти или опередить конкурентов. Что ж, в этом есть своя логика. Разве не вправе рассчитывать на особое место в истории, например, технеций - первый искусственно созданный элемент, или гелий - единственный обитатель периодической таблицы, сначала обнаруженный на Солнце, а уж потом найденный на Земле?

К числу баловней судьбы с полным основанием можно отнести цезий, который голубыми буквами вписал свое имя в историю спектрального анализа. Впрочем, истина требует точности: вписал не цезий, а сделали это немецкие ученые Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф. Что же касается цвета букв, то они неспроста названы голубыми - в этом вы вскоре убедитесь.

В начале 50-х годов прошлого века профессор химии Гейдельбергского университета Р. Бунзен обратил внимание на малозначительное, казалось бы, для науки явление: если в пламя газовой горелки вводили соли металлов, оно окрашивалось в разные цвета. Возможно, это обстоятельство было подмечено кем-нибудь и раньше, но только Бунзен заинтересовался им всерьез. Ученый подносил к горелке крупицы различных веществ и всякий раз язычок пламени, словно хамелеон, менял свою окраску, становясь то желтым, то фиолетовым, то розовым. В этих экспериментах отчетливо выявлялись две закономерности: во-первых, каждый из "подопытных" металлов придавал пламени определенный цвет, а во-вторых, этот цвет не зависел от того, в каком виде металл "приговаривался к сожжению". Так, все соединения бария делали пламя зеленоватым, а кальций, попадая в огонь, заставлял его краснеть как бы в отместку за свои муки.

Напрашивалась мысль: нельзя ли воспользоваться подмеченными закономерностями, чтобы просто и быстро устанавливать, какие элементы присутствуют в исследуемом веществе? Такое открытие означало бы поистине революционный переворот в химическом анализе. К сожалению, заманчивую на первый взгляд идею трудно было претворить в жизнь. Дело в том, что любое вещество содержит, как правило, несколько компонентов, не говоря уже о примесях, которые обычно не желают оставаться незамеченными. И вот, когда вся эта "компания" оказывается в огне, попробуй различить в "хоре" цветов отдельные голоса: ярко-желтый "бас" натрия, например, без труда забьет довольно слабенький розовато-лиловый "тенорок" калия. Один цвет смешивается с другим, оттенки и полутона теряются на фоне более сочных красок - в таких условиях не приходится рассчитывать на успешный анализ.

Так что же: идея, едва успев появиться на свет, должна была бесславно кануть в Лету? В сказках при безвыходных ситуациях обычно появляется добрый принц - события принимают нужный оборот и неизбежно наступает счастливый конец. Нечто подобное произошло и в стенах Гейдельбергского университета: в роли принца выступил друг и коллега Р. Бунзена профессор физики Г. Кирхгоф, который уже был известен своими работами, в частности в области оптики. В тот период Кирхгофа более всего интересовало изучение спектров раскаленных твердых и жидких тел.

Он-то и сумел оживить идею Бунзена, предложив рассматривать не само пламя горелки, а его спектр, поскольку в нем все цвета и оттенки видны гораздо отчетливее. Из двух подзорных труб, стеклянных призм и ящика из-под сигар Кирхгоф соорудил спектроскоп - прибор, позволявший как бы разлагать пламя на составные части. Если раньше информация о пламени воспринималась невооруженным глазом ученого, то теперь луч света от горелки проходил через несколько линз и призму, превращаясь в красочную полоску с многочисленными вертикальными линиями.

Когда Бунзен поместил в пламя кристаллик поваренной соли, Кирхгоф, смотревший в прибор, увидел на фоне черной полосы две яркие желтые линии. Были "преданы огню" другие соединения натрия - сода, селитра, сульфат натрия, но всегда в одном и том же месте спектра возникала неразлучная ярко-желтая пара. Сомнений не было: такова "визитная карточка" натрия. Другой металл "рисовал" линии другого цвета, в другом месте спектра.

Дни складывались в недели, недели - в месяцы. Постепенно огонь, призму и подзорные трубы прошли сотни различных веществ, и ученые уже были убеждены в том, что каждому элементу присущи свои спектральные линии, по которым его всегда можно найти, как преступника по отпечаткам пальцев. От взора ученого, вооруженного спектроскопом, не могли ускользнуть самые крохотные примеси любого элемента. Волшебное око прибора способно было заметить в веществе тот или иной компонент, даже если его количество измерялось миллионными долями миллиграмма.

Бунзен и Кирхгоф тщательно изучили спектры всех известных тогда науке химических элементов и каждому из них дали точную спектральную характеристику. Это ознаменовало рождение нового метода анализа - спектрального. С помощью его можно не только обнаружить элемент, но и определить по интенсивности линий его количество. Однако возможности спектрального анализа этим не исчерпывались.

Однажды, а точнее в 1860 году, в лабораторию Бунзена пришла посылка с минеральной водой из знаменитых шварцвальдских источников. Врачи, приславшие воду, просили выяснить ее состав: им хотелось узнать, чему она обязана своими целебными свойствами. Почему не удовлетворить их любопытство? Бунзен выпарил воду, получил сгущенный раствор и внес каплю его в пламя газовой горелки. Глядя в окуляр спектроскопа, он наметанным глазом заметил линии натрия, калия, кальция, стронция, лития...

Но что это за две голубые незнакомки? Стронций? Нет, он сигнализирует о себе одной линией. Снова и снова ученый рассматривает спектр и сравнивает его с известными эталонами, но среди них нет ничего похожего. В этом же убеждается и Кирхгоф. Значит, открыт новый химический элемент, а называться он будет цезием: ведь в переводе с латинского это - "небесно-голубой".

Итак, цезий стал первым элементом, открытым не химическим путем, как десятки его старших "братьев" и "сестер", а методом спектрального анализа. Пройдут годы, радужные картины спектроскопа познакомят науку с рубидием, таллием, индием, галлием, самарием, но пальма первенства среди "рожденных спектром" всегда будет принадлежать цезию.

Спустя несколько лет цезий сумел пролить свет на довольно темную историю. Речь идет о пропаже, которая долгие годы не давала покоя химикам, хотя вряд ли заинтересовала бы Шерлока Холмса или комиссара Мэгре.

Еще в 1846 году немецкий ученый К. Платтнер занялся исследованием полуцита-минерала, найденного на острове Эльба. Выполнить полный химический анализ минерала было делом не хитрым, но вот загвоздка: как ни складывал Платтнер полученные им результаты, сумма всех составляющих оказывалась равной 93%. Куда же могли подеваться остальные 7%?

Почти два десятка лет никто не мог ответить на этот вопрос. И лишь в 1864 году итальянец Пизани представил неопровержимые доказательства того, что виновником "недовеса" был цезий, ошибочно принятый Платтнером за калий - эти элементы состоят в довольно близком химическом родстве, однако цезий в два с лишним раза тяжелее.

Цезий - один из редчайших элементов, но все же следы его можно найти во многих горных породах, в морской воде, а его "связи" с минеральной водой вам уже известны (правда, чтобы получить несколько граммов цезиевых солей, Бунзену пришлось выпарить "всего-навсего" 40 тонн целебного напитка). Любопытно, что "крохи" цезия обнаружены в сахарной свекле, зернах кофе, чайных листьях. Знаком с ним и каждый курильщик: об этом свидетельствуют две голубые линии в спектре табачного пепла.

Если бы металлы, подобно спортсменам, могли рассчитывать на приз "За активность", то судейская коллегия из самых авторитетных химиков без колебаний присудила бы его цезию. И дело не только в том, что этот элемент занимает самое "металлическое" место в периодической системе (если не считать франция, которого практически нет в природе), но и в том, что он полностью оправдывает свое "особое положение".

Действительно, чистый цезий чрезвычайно активный металл. Оказавшись на воздухе, он немедленно воспламеняется и сгорает. Попадая в компанию с серой или фосфором (не говоря уже об "идейных противниках" всех металлов-галогенах), он тут же начинает бурно "возмущаться", и это всегда приводит к взрыву. Общение цезия с водой также чревато конфликтной ситуацией, сопровождающейся взрывом и пожаром - горит выделяющийся в ходе реакции водород.

Даже скромный и смирный (в химическом отношении) лед, который весьма индифферентен к окружающей действительности, не выдерживает нападок цезия и вступает с ним в шумную "перепалку", причем разнять их не может и лютый холод (до -116 °С) - известный "укротитель" химических реакций.

Немудрено, что при таком буйном нраве цезия получить его в чистом виде очень сложно. Впервые эту задачу сумел решить электролитическим путем шведский химик К. Сеттерберг в 1882 году. Сейчас для этой цели используют обычно способ, предложенный еще в 1911 году французским химиком А. Акспилем: цезий вытесняется из его хлорида металлическим кальцием в вакууме при температуре около 700 °С (как видно, кальций - не из робкого десятка).

Но вот чистый цезий получен. А как его хранить? Вопрос этот, как вы понимаете, далеко не праздный, а ответ на него - просто парадоксален: чистый цезий нужно... загрязнить, т. е. сплавить с другими металлами. Сплавы цезия не столь "задиристы", как он сам, и хранятся тихо и спокойно, сколько требуется. Выделить же из них цезий помогает отгонка в вакууме.

"Свежеприготовленный" цезий - блестящий светлый металл с бледно-золотистым оттенком; он мягкий, как воск, и легкий, как магний или бериллий. Всем известно, что самый легкоплавкий металл - ртуть; в этом отношении у нее нет соперников. Но из всех прочих металлов наиболее "покладист" цезий: он легко переходит в жидкое состояние, так как температура плавления его всего 28,5 °С.

Чтобы он растаял, достаточно теплоты человеческих ладоней (надеемся, что помня об опасном характере этого металла, вы не будете проводить такой эксперимент, поскольку он может иметь печальные последствия).

Само собой разумеется, изготовлять из цезия детали или изделия, которые должны подвергаться механическим нагрузкам, работать в жарких условиях или находиться в контакте с химическими "агрессорами", занятие, мягко выражаясь, неблагодарное. Так, может быть, этот недотрога "голубых кровей" вообще ни на что не пригоден и представляет интерес лишь сугубо с научной точки зрения? Железу, титану, алюминию он и впрямь не конкурент, зато у него есть такие свойства, какими, кроме него, не обладает ни один металл. А чтобы стало понятно, о чем идет речь, снова совершим небольшой экскурс в прошлый век.

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки