Но та же наука утверждает, что не бывает двух атомов одного и того же элемента, которые хоть чем-нибудь да отличались друг от друга.
Возьмем, к примеру, два вещества: сернистый цинк (сульфид цинка) ZnS и сернокислый цинк (сульфат цинка) ZnSO4. Атом серы в одном веществе, атом серы — в другом. Два атома серы, похожих, как близ… Да нет же, два атома серы, похожих друг на друга, как два атома серы (за исключением, разумеется, валентности).
А теперь поставлю вопрос: если смешать эти два вещества, то может случиться такое, что атом серы из одного соединения переходил в другое, а на его место приходил атом серы из другого соединения? Иными словами, будет ли происходить обмен атомами серы между этими двумя соединениями?
— Схоластика, типичная химическая схоластика! — сердито сказал бы, услышав такую постановку вопроса, химик первых трех десятилетий нашего века. И был бы совершенно прав в гневе своем. Потому что подобный обмен («так на так») не привел бы ни к малейшему изменению свойств смеси этих двух веществ.
Да, разумеется, ни один из изощреннейших методов физического или химического эксперимента здесь не поможет. Не поможет, если только атомы серы в одном из этих соединений, скажем в ZnS, не пометить изотопной меткой, не сделать этот атом серы радиоактивным.
Теперь ответ на вопрос, сама постановка которого несколько десятилетий назад казалась крамольной (чтобы не сказать — бессмысленной), может быть получен за полчаса не очень напряженной работы. Всего только и надо, что смешать сульфид цинка с радиоактивной серой и сульфат цинка с обычной (нерадиоактивной) серой. А потом разделить эту смесь (например, растворив в воде сернокислую соль). Если радиоактивность перейдет в сульфат цинка, обмен атомами серы между этими соединениями идет, если же вся радиоактивность, как была, так и осталась в сульфиде, — обмена нет.
Опыты, подобные описанному, открыли перед химиками картину, о существовании которой они могли разве только догадываться. Оказывается, в молекулах даже не реагирующих друг с другом соединений атомы не закреплены «намертво», а могут сновать между этими соединениями, перемещаться от одного соединения к другому. А ведь такое перемещение — не что иное, как химическая реакция. Удивительная реакция — без изменения состава реагирующих веществ, без изменения свойств. Подобные реакции обмена — еще одна и, надо сказать, очень выразительная иллюстрация краеугольного положения материалистического естествознания о непрерывных изменениях и превращениях в окружающем нас мире.
Изотопы — меченые атомы — открыли для химиков новый обширный мир обменных реакций. О существовании этого мира химики раньше могли лишь догадываться. Но пути в него не было и быть, как теперь понятно, не могло. Зато разработка методов получения искусственных радиоактивных изотопов стала отлично вымощенной дорогой в мир обменных реакций — дорогой, на которой путника ожидают комфорт и радушие, а главное, неожиданные и всегда важные открытия.
Меченые атомы позволили по-новому взглянуть не только на химические, но и на ряд физических процессов. Как, к примеру, это произошло с явлением диффузии.
Слово «диффузия» звучит достаточно академично. Но явление это в практике, в быту встречается на каждом шагу. Открыли в одном углу комнаты флакон духов, а через несколько секунд их запах ощущается в противоположном углу — это диффузия: молекулы душистого вещества сами собой просочились через молекулы воздуха и достигли вашего носа.
Пустите в воду каплю чернил. Спустя некоторое время даже без перемешивания вода станет одинаково синей. Вследствие диффузии молекулы красителя равномерно распределились по всему объему воды.
Плотно прижмите друг к другу два металлических слитка — скажем, из золота и серебра. Если полгода спустя исследовать поверхности, которыми эти слитки соприкасались, то окажется, что в серебро проникли атомы золота, а в слиток золота — атомы серебра. Это тоже диффузия.
Не будем сейчас говорить о том, легко или трудно изучать диффузию. Во всяком случае, современная аналитическая химия позволяет без труда установить, появилась ли в золоте примесь серебра, которой там прежде не было, и проникли ли в серебро частицы золота.
Но если поставить вопрос таким образом: происходит ли диффузия какого-либо вещества «в самого себя»? Не фокус обнаружить диффузию золота в серебро или серебра в золото. А вот если приставить друг к другу два золотых слитка, то будут ли атомы золота из слитка № 1 проникать в слиток № 2, а из слитка № 2 — в № 1?
Вопрос совсем не праздный. Существует ли явление самодиффузии? Ответ на этот вопрос интересовал многих физиков и химиков. Но так же, как и в случае обменных реакций, прежде не существовало никаких, абсолютно никаких методов, с помощью которых можно было доказать или опровергнуть существование самодиффузии.
Не буду рассказывать о спорах вокруг этой проблемы. Читатель уже привык к тому, что ни один ответ на научный вопрос не рождается легко. Были споры и здесь. И очень ожесточенные. Одна сторона утверждала, что самодиффузия должна происходить, потому что, дескать, какая разница: сращиваем мы поверхности двух одинаковых металлов или разных. И тут, и там атомы движутся. А раз так — самодиффузия должна протекать. Убедительно? Убедительно.
Но оппоненты не менее резонно возражали им: если вы соедините два сосуда с одинаковым уровнем жидкости, будет перетекать жидкость из одного сосуда в другой? Нет. Если вы соедините два заряженных тела с одинаковыми потенциалами, возникнет ли в такой цепи ток? Нет. Так почему же должны переходить атомы из одного объема какого-либо вещества в другой объем этого же вещества?
Поверьте, что споры велись с куда более обстоятельной аргументацией, в которой фигурировали многоэтажные формулы и такие замысловатые термины, смысл которых я не взялся бы здесь расшифровывать. Но обилие терминологии и научных платформ ни на сантиметр не подвинуло ученых к истине. И не приходится сомневаться, что дискуссия продолжалась бы по сегодняшний день, что морями чернил были бы исписаны Эльбрусы бумаги, но вопрос так бы и остался вопросом во всей своей нагой первозданности: а существует ли вообще она, самодиффузия? Да, это было бы именно так, не появись возможность использовать радиоактивные изотопы.
Эксперимент был совсем несложным. Взяли два бруска, изготовленных из одного и того же металла: один обычный, а второй — с примесью радиоактивного изотопа. Спустя некоторое время в нерадиоактивном бруске были обнаружены радиоактивные атомы. Все. Больше ничего не надо для решения вопроса о самодиффузии. Есть вопросы?.. Нет? Ну, так пошли дальше.
— Погодите! — не согласятся иные читатели. — Вопросы есть. Вы пространно рассказывали о спорах, которые велись вокруг проблемы самодиффузии, а как дошло до сути дела, до того, как именно была решена эта проблема, то отвели рассказу об этом две-три строки — и все!
Но больше и не требуется. В том и преимущество метода меченых атомов, что он позволяет за несколько часов решить ту проблему, разгадку которой искали порой десятилетиями.
Метод меченых атомов вошел в химию примерно тогда же, когда в наш быт вошли пассажирская авиация, транзисторные приемники, телевидение. И так же, как все мы не представляем сегодня наш быт без этих атрибутов цивилизации, так и химики не представляют сегодня свою науку без метода меченых атомов.
Растворимость в воде относится к важнейшим характеристикам каждого химического соединения. Не случайно на последней странице обложек школьных тетрадей печатают таблицу умножения — для младших школьников, и таблицу растворимости — для тех, кто постарше и уже начал изучать химию.
Правда, в школе не особенно углубляются в проблемы растворимости. Стоит в таблице «+», — значит, все в порядке, вещество растворяется; проставлен «―» — вещество не растворяется.