Метод меченых атомов позволяет исследовать распределение любого вещества в той или иной среде, решить, где находится то или иное вещество, например найти распределение фосфора между шлаком и сталью, установить распределение иода или другого элемента в животном или растительном организме, изучить распределение легирующих металлов в стали при ее выплавке и т. д.
Метод меченых атомов дает возможность изучить направление движения того или иного вещества; найти, откуда пришли в данную систему те или иные атомы и куда они направятся дальше, например проследить движение невидимого газа, не обладающего запахом, в вентиляционной системе; изучить перемещение различных элементов в живом организме, в частности вытеснение одних атомов в ней другими; исследовать процессы изнашивания деталей машин и пр.
Далее этот метод позволяет проследить превращение одних веществ в другие в химических лабораторных, производственных и биологических процессах.
Метод меченых атомов также помогает решать задачи, связанные с определением малых количеств вещества, например при процессах растворения малорастворимых веществ, испарения малолетучих веществ, в химическом анализе состава или при определении количественного содержания того или иного вещества и т. д.
Рассмотрим ряд примеров, характеризующих метод меченых атомов.
Химия — наука о превращении веществ. Превращение же веществ это — перемещение атомов. В связи с этим метод меченых атомов находит самое широкое применение в химии; он позволяет сделать тончайшие анализы состава вещества и содержания в нем тех или иных элементов, установить наличие едва заметных примесей, исследовать механизм течения химических реакций, определить строение молекул, найти растворимость вещества и решить многие другие задачи химии.
Рассмотрим примеры применения меченых атомов в химии.
Поведение атомов в растворах. Всыплем в стакан с водой ложку поваренной соли и размешаем. Соль растворится в воде; ее частицы равномерно распределятся между молекулами воды, образуя однородную жидкость.
Если мы прибавим к полученному раствору еще немного соли, то и она растворится. В 100 граммах воды при температуре 20° можно растворить 35,77 грамма поваренной соли. Но если к такому раствору прибавить еще соли, она уже не будет растворяться, как бы долго мы ее ни перемешивали. Раствор, который уже не может растворять новые порции вещества, называют насыщенным, а количество граммов вещества, которое содержится в 100 граммах насыщенного раствора, — растворимостью.
Одни вещества растворяются лучше, другие хуже. Сахар растворяется в воде очень хорошо, столовая соль хуже, а мел совсем плохо.
Происходят ли какие-нибудь изменения с кристаллами соли, если их бросить в насыщенный раствор? Представим себе, что к насыщенному раствору обычной столовой соли прибавлены кристаллы соли, содержащей в своем составе радиоактивный натрий. Через несколько минут мы обнаружим, что в растворе появились радиоактивные атомы натрия, которые можно легко обнаружить, отделив раствор и измерив его активность. Через несколько десятков минут радиоактивность раствора достигает наибольшего значения. Это явление можно объяснить только следующим образом. Молекулы хлористого натрия отрываются от поверхности кристалла и переходят в насыщенный раствор, на их место сейчас же становятся молекулы из раствора. Значит, в насыщенном растворе все время идет обновление кристаллов.
Если вещество растворяется в воде более или менее хорошо, то определить его растворимость нетрудно. Для этого получают насыщенный раствор, взвешивают небольшое его количество, а затем выпаривают из него воду и взвешивают сухие кристаллы. После этого рассчитывают, сколько вещества содержится в 100 граммах раствора.
А как быть, если вещество растворяется в воде очень плохо? На современных точных аналитических весах можно взвесить 100–200 граммов вещества с точностью до 0,0002 грамма, на микровесах несколько граммов с точностью до 0,000002 грамма, на специальных весах, представляющих собой кварцевую пружинку, можно взвешивать с точностью до 0,000000001 грамма, но не более 0,000000025 грамма, а для определения растворимости надо взвесить и вещество и сосуд, а сосуд всегда весит несколько граммов. Поэтому с помощью весов определить растворимость малорастворимых веществ нельзя. Здесь снова на помощь приходят меченые атомы.