Если вещество окрашено, химики для его
анализа часто используют оптические свойства раствора: чем выше
концентрация растворенного вещества, тем сильнее раствор этого вещества
поглощает свет. Так, стакан со слабо заваренным чаем, оставаясь
прозрачным, будет слабо поглощать свет, а стакан с крепким чаем, делаясь
непрозрачным, будет очень сильно поглощать свет. Эту простую
зависимость степени поглощения света от концентрации растворенного
вещества можно выразить формулой
D = εсl,
где D — оптическое поглощение (оно измеряется специальным прибором — фотометром);
ε — (читается «эпсилон») коэффициент поглощения (для каждого вещества он свой);
l — длина пути (в сантиметрах), которую прошел свет в растворе;
с — концентрация вещества (в молях на I литр раствора).
Фотометр — прибор сложный, он есть
только в лабораториях. Но, оказывается, для приблизительной оценки
концентрации вещества иногда можно обойтись и без фотометра, проводя
измерения, как говорится, «на глазок». Неужели это возможно?
Вот какая история произошла с моими
знакомыми в турпоходе. Путешественники остановились на привал в лесу, у
самой реки. Пора было готовить еду, но речная вода не внушала доверия —
она явно пахла чем-то «керосиновым». К счастью, неподалеку оказался
родник. Однако и с ним не все было в порядке: камни вокруг были какие-то
ржавые, да и сама вода пахла «железом», как будто она долго текла по
старой водопроводной трубе. Впрочем, многие слышали, что железо полезно
для организма и есть особо богатые им минеральные воды (недаром
известный курорт, расположенный недалеко от Пятигорска, называется
Железноводском). Однако один из туристов — врач по профессии — заявил,
что в минеральных водах железа обычно немного, редко больше 10 мг в
литре. Если железа в воде намного больше, то она, безусловно, вредна и
лучше не рисковать. Поскольку простого способа «убрать» из воды железо
не существует, врач предложил вскипятить речную воду, заодно обработав
ее марганцовкой — на случай, если в воде есть еще и микробы. Однако
энтузиазма это предложение не вызвало. Вот если бы поточнее узнать,
сколько железа в родниковой воде… Но как это сделать?
И тогда другой турист, который был
химиком, вспомнил об анализе соединений железа, который ему часто
приходилось выполнять в лаборатории. Там он добавлял к анализируемому
раствору специальные реагенты, которые при взаимодействии с железом
давали яркую окраску, а потом с помощью фотометра измерял поглощение
света этим раствором в стеклянной кювете. Но ведь здесь не было ни
химических реагентов, ни прозрачных кювет, ни фотометра. Зато были дубы!
И химик рассказал товарищам, что он собирается сделать.
На нижней стороне дубовых листьев,
обычно к концу лета, часто появляются красивые круглые орешки-галлы.
Иногда их бывает так много, что листья буквально провисают под их
тяжестью. Сначала галлы зеленые, потом они краснеют и выглядят как
маленькие яблочки, прилипшие к листу. Самому дубу галлы ни к чему — они
образуются на листьях дуба от укуса крохотной мушки — орехотворки. Самка
мушки, откладывая яйца, ранит дубовый лист, вызывая образование на нем
патологических наростов. Развивающиеся личинки надежно защищены под
кожицей этих наростов. Когда орешки-галлы созревают, из них выводятся
маленькие крылатые насекомые с четырьмя прозрачными крылышками. Галлы
интересны тем, что содержат много танина — смеси дубильных веществ
(танин содержится и в дубовой коре, но там его в 2–3 раза меньше).
Еще в древности орешки-галлы применяли в
медицинской практике, да и сейчас раствор танина используют как
прекрасное средство от ожогов: на «задубленной» им обожженной коже не
образуются пузыри. Применяли галлы и для выделки кож, называя их
«дубильными орешками». Но самое известное их применение было связано с
изготовлением чернил; отсюда другое название галлов — «чернильные
орешки». Для получения чернил к соку из галлов добавляли железный
купорос или другие соли железа. На воздухе полученный раствор приобретал
глубокий фиолетово-черный цвет. Реакция эта очень чувствительная:
окрашивание происходит даже с очень малым количеством железа. Еще в XVII
веке Роберт Бойль установил, что «одна крупинка купороса, растворенная в
таком количестве воды, которое в шесть тысяч раз превышает ее вес,
способна дать с дубильным орешком пурпурную настойку». Добавление к
чернилам камеди — густого сока некоторых деревьев, например, вишни —
придавало чернилам красивый блеск. Вот один из старинных рецептов
приготовления черных чернил: камеди — 3 части, железного купороса — 2
части, чернильных орешков — 3 части, воды — 30 частей. Чернила эти очень
устойчивы: сохранились, например, написанные ими средневековые
рукописи.
Химик снял с листьев несколько орешков и
выжал из них сок в кружку, наполненную родниковой водой. Каково же было
удивление окружающих, когда вода сразу стали фиолетово-черной! Значит, в
воде действительно много железа. Опыт произвел впечатление, но о том,
что в воде есть железо, туристы догадывались и раньше. А вот как
определить без приборов его концентрацию? Химик знал, что для окрашенных
соединений, которые танин образует с солями железа, коэффициент е в
приведенной выше формуле равен примерно 4000. Знал он также, что глаз
человека способен увидеть окраску раствора в том случае, если его
оптическое поглощение D не меньше примерно 0,1. Поскольку анализ был приблизительным, большей точности не требовалось.
Сначала с помощью тех же галлов химик
проверил, что в речной воде, как и следовало ожидать, железа нет. После
этого он начал разбавлять «чернильный» раствор речной водой. Сначала
раствор был разбавлен вдвое, потом еще вдвое, но он оставался почти
таким же темным — его оптическое поглощение было все еще слишком велико.
Но затем содержимое кружки стало быстро светлеть, вот уже отчетливо
стал и видны царапинки на се белом эмалированном дне и, наконец, после
шестого разбавления раствор приобрел едва заметный лиловый оттенок.
Опыт был закончен. Оставалось провести
некоторые простые расчеты. Когда окраска в кружке едва заметна,
оптическое поглощение раствора примерно равно 0,1. Высота жидкости в
кружке — около 10 см, но так как свет проходит слой жидкости дважды —
сначала вниз, а потом, отразившись от дна, — вверх, то длина его пути
составляет 20 см. Теперь, подставляя числа в формулу:
с = D/εl,
можно рассчитать концентрацию (в моль/л):
с = 0,1/(4000 x 20)= 1,25 x 10-6.
Поскольку раствор был разбавлен вдвое
последовательно 6 раз, исходная концентрация железа была в 64 раза
больше (2= 64), т. е. железа было 8 х 105 моль/л. Один моль железа — это 56 г, следовательно, в литре родниковой воды было 56 г/моль х 8 х 10-5 моль/л = 4,5 x 10-3
моль/л, или, после округления (анализ-то неточный), примерно 5 мг
железа. Это, конечно, немало, однако, как заметил врач, в минеральной
воде железа бывает и больше, поэтому пара стаканов такой воды никакого
вреда человеку не принесет.
Химик выполнил свою задачу, обеспечив
туристов водой. Врач же рассказал им еще много интересного о железе и
его роли в жизни человека. Но это уже совсем другая история… |
