Очень часто какое-либо химическое соединение получают путем так называемых обменных реакций. Если дан раствор ляписа — AgNO3, осадить из него серебро в виде хлорида можно, добавив соляной кислоты:
AgNO3 + HCl→HNO3 + AgCl.
Иногда в подобных процессах важно знать: весь ли осаждаемый металл выпадает в осадок. Тут опять на помощь приходят радиоактивные изотопы. Так, изотоп олова Sn113 позволил доказать, что при действии красной кровяной соли K3[Fe(CN)6] на растворы солей олова все олово выпадает в осадок. После удаления осадка в растворе не было обнаружено радиоактивности.
Многие химические реакции представляют собой сложные явления. Если определение конечных продуктов реакции часто не трудно, то механизм реакций удается точно выяснить далеко не всегда.
Например, процессы коррозии — ржавления металлов. Ученые и инженеры давно заняты разработкой эффективных методов борьбы с этим страшным бичом металлических конструкций и изделий.
Коррозия начинается с того, что металл покрывается пленкой окиси. Дальше процесс окисления может идти двумя путями: или кислород проникает через пленку к не окисленным еще слоям металла, или, наоборот, атомы металла выходят через пленку наружу.
Какой из этих двух процессов происходит в действительности, позволил выяснить радиоизотоп меди Cu64.
Медную пластинку покрыли тонким слоем меди, которая содержит радиоизотоп Cu64, и окислили при высокой температуре до CuO. Ученые рассуждали так: если окисление происходит путем проникновения атомов меди наружу через окисную пленку, то наружный слой окиси меди должен быть нерадиоактивным. В противном случае Cu64 останется на поверхности.
Опыт показал, что наружный слой нерадиоактивен.
Мы найдем немало примеров и в органической химии.
Вот процесс получения синтетического топлива (смеси углеводородов) из воды и окиси углерода. В странах, бедных нефтью, производство синтетического топлива имеет первостепенное значение.
Схема процесса очень проста: над нагретыми железными стружками пропускают смесь окиси углерода и водорода.
Предположили, что железо восстанавливает окись углерода до свободного углерода, который образует с железом карбид. На второй стадии реакции углерод карбида соединяется с водородом, давая углеводороды.
Но, быть может, железо не принимает участия в реакции, а только ускоряет ее?
Ответ был найден благодаря С14. «Меченую» окись углерода С14O пропустили над железом. Оказалось, что на поверхности металла действительно образуется радиоактивный карбид. Однако в углеводородах активности почти не наблюдалось. Следовательно, заключили ученые, происходит прямое взаимодействие окиси углерода и водорода на поверхности железа, которое играет роль катализатора. Карбид — лишь побочный продукт.
Или еще более жизненный пример.
Два известных в обиходе вещества — уксусная кислота CH3СООН и этиловый спирт С2Н5OH. Требуется выяснить, где — в молекуле спирта или в молекуле кислоты — углерод сильнее связан с кислородом. Формулируя вопрос по-другому, говорим: нужно разобраться в механизме следующей реакции:
CH3COOC2Н5 + HOH→CH3СООН + С2Н5OH.
На языке химии эта реакция носит название реакции омыления, или гидролиза, также хорошо известного уксусно-этилового эфира.
Куда переходит кислород из молекулы воды: в кислоту или в спирт? Если в спирт, то, значит, именно с ним кислород связан прочнее.
Для этого нужно «пометить» кислород воды!
К сожалению, радиоактивный изотоп кислорода О15 не подходит: у него слишком мал период полураспада (около 2 минут), и, прежде чем исследование будет проведено до конца, он распадется практически весь.
На сей раз выручает «тяжелый» кислород, О18. Им-то и «метят» воду.
Изучение продуктов гидролиза эфира показывает, что О18 концентрируется в спирте.
Можно взять, наконец, полимеры. Среди них выделяется своими качествами полистирол. В изучении процесса полимеризации стирола большую роль сыграли радиоизотопы. Дело в том, что многие реакции полимеризации для своего успешного протекания нуждаются в специальных «возбудителях» — своеобразных катализаторах. Стирол хорошо полимеризуется в присутствии персульфата аммония. Если к персульфату добавить радиоактивную серу S32, то удается определить длину цепи молекулы полимера. На основе же этих данных легче подобрать наилучшие условия для осуществления процесса.