Удивительная химия - Илья Леенсон

«Red and Orange,

Green and Blue,

Shiny yellow,

Purple too.

All the colors that we know

Live up in the rainbow».

Что в переводе означает:

«Красный и Оранжевый,

Зеленый и Синий,

Ярко-желтый,

А также Фиолетовый.

Все цвета, которые мы знаем,

Живут в радуге».

Вообще понятие «семь цветов радуги» и «деление» видимого спектра на семь цветов — достаточно условное. Реально в радуге редко можно увидеть больше четырех цветов. Вероятно, Ньютон, который экспериментировал с разложением света с помощью призмы и подсчитывал число получавшихся цветных полосок, достаточно произвольно выбрал «магическое число» 7, хотя, с другой стороны, для человека, всерьез интересовавшегося алхимией, этот выбор мог быть отнюдь не случайным. Число 7 с древности считалось особенным: число дней недели равно семи; звуки музыкальной гаммы состоят из семи ступеней (но если брать полутона, то в хроматической гамме получится не 7, а 12 тонов, а кроме того, известны и другие способы деления звукового ряда: пентагоника, додекафония…); во времена Ньютона были известны семь планет (Меркурий, Венера, Земля. Луна, Марс, Юпитер, Сатурн); это число упоминается в старой алхимической поговорке «семь металлов создал свет по числу семи планет» (в древности были широко известны именно семь металлов — золото, серебро, медь, железо, свинец, олово, ртуть), а также во многих других пословицах и поговорках («семь пядей во лбу», «семеро с ложкой, один с сошкой» и т. д.). Кстати, вот еще один повод устроить соревнование: кто за определенное время вспомнит больше таких пословиц и поговорок.

Но вернемся к химии… Не счесть химических реакций, в результате которых образуются или исчезают окрашенные вещества. Недаром некоторые из них в старину называли хамелеонами: подобно этим животным, они изменяли свой цвет в зависимости от условий опыта. Некоторые химические элементы обязаны своим названием окраске, которая характерна для них или для их соединений. Например, название хлора произошло от греческого слова, означающего «желто-зеленый»; хром на том же языке — «краска» (из яркоокрашенных соединений хрома можно получать хорошие краски); название металла рубидия и камня рубина произошло от латинского ruber — «красный» (соединения рубидия окрашивают пламя в темно-красный цвет); раствор металла родия в царской водке окрашен в розовый цвет (по-гречески «родон» — «роза»); соединения индия окрашивают пламя в синий цвет, напоминающий цвет синей краски индиго; «иодес» по-гречески — «фиолетовый», такой цвет имеют пары иода; «ирис» по-гречески — «радуга»: соединения металла иридия окрашены в различные цвета; соединения металла цезия окрашивают пламя в голубой цвет, cesius на латыни — «небесно-голубой».

Вы, конечно, знаете, что без света нет и цвета; недаром говорят, что в темноте все кошки серы. Химия цвета, точнее, химия красителей — большая отдельная область науки, ей посвящено много книг, в том числе и популярных. Здесь же мы поговорим о том, без чего нет цвета, т. е. о свете, вернее, об источниках света. Испокон веков свет и тепло были неразрывно связаны. Сколько люди помнили себя, они знали только два источника света и тепла — огонь на земле и солнце на небе. Они догадывались, что без солнечного света и тепла жизнь невозможна, поэтому не удивительно, что у многих древних народов солнце было одним из главных богов. В древнеегипетской мифологии солнце — вселенский царь, который сотворил всех существ, в том числе и людей, а земной царь — солнечный сын. Но избыток огня так же губителен, как и его отсутствие; люди видели, что бывает в жаркие засушливые годы, слишком хорошо знали они и разрушительную силу пожаров. Вы, наверное, слышали древнегреческий миф о Гелиосе — боге солнца: греки рассказывали, как ежедневно на четверке коней, в золотой колеснице, выезжает солнечный бог на небо. Он старается не подниматься слишком высоко, чтобы не сжечь небо, и не опускаться слишком низко, чтобы не спалить землю. Но однажды заведенный в мире порядок был нарушен, и вместо солнечного бога в колесницу сел его смертный сын Фаэтон. Напрасно отговаривал Гелиос сына m этой затеи. Слишком хотелось юному и горячему Фаэтону доказан, всем вокруг, что он сын бога солнца. Не справился юноша с конями, и они понесли, не разбирая дороги, и чуть не погубили землю. Погиб и дерзкий Фаэтон.

Менее известен древнекитайский миф об искусном стрелке, которого звали И: когда на небе появилось сразу десять солнц, И избавил людей от засухи, поразив из лука девять из них. Об уничтожении героем-лучником «лишних» солнц можно прочитать и в мифах народов нижнего Амура и Сахалина.

В противоположность солнечному теплу и свету, ночью землю освещал «холодный» свет луны и звезд. Происхождение всех этих природных источников света было неведомо людям вплоть до новейших времен. Еще в 1620 году английский философ Фрэнсис Бэкон, систематизировав известные данные о тепле и холоде, отнес к теплым, или положительным, инстанциям «солнечные лучи, преимущественно летние и полуденные», а к холодным, или отрицательным, инстанциям — «лучи луны, звезд и комет».

Свет, не связанный с нагреванием тел, т. е. «холодный свет», поражал воображение людей в не меньшей степени, что свет «горячий». Упоминание о «холодном свете» встречается в легендах, сказках и песнях разных народов; этот свет связывали с чудесами и волшебством. В сказке поэта и просветителя Петра Павловича Ершова (1815–1869) «Конек-горбунок» есть строки, посвященные «чудесному огню»:

Огонек горит светлее,

Горбунок бежит скорее.

Вот уж он перед огнем.

Светит в поле словно днем.

Чудный свет кругом струится,

Но не греет, не дымится.

Диву дался тут Иван.

«Что, — сказал он, — за шайтан!

Шапок пять найдется свету,

А тепла и дыма нету.

Эко чудо-огонек!»

Сейчас «холодным светом» никого не удивишь: вечером на улицах можно видеть рекламные огни, которые «светят, но не греют»; светятся экраны телевизоров и компьютеров, таблички «ВЫХОД» — в залах театров и кинотеатров, светятся цифры и стрелки на некоторых часах, светятся ночью волны в океане и светлячки в лесу — всего не перечне-лишь. Что же вызывает свечение тел? Происходят ли при этом химические реакции?

Мы расскажем о нескольких естественных и искусственных источниках света. Их излучение — следствие физических, химических и биологических процессов. Соответственно в исследованиях, изобретениях, технических разработках этих источников принимали участие ученые разных специальностей.

Самый «универсальный» способ заставить тело испускать свет-сильно нагреть его. Так излучают свет сильно нагретый металлический пруток, спираль электроплитки, электрическая лампочка, Солнце и звезды, свечка, факел и другие горящие вещества. Чем выше температура, тем более энергично движутся атомы в веществе. При достаточно сильном нагреве атомы любого вещества, сталкиваясь друг с другом, способны возбуждаться, при этом находящиеся в них электроны приобретают дополнительную энергию. Чем выше температура, тем с большей силой сталкиваются атомы, тем больше энергии способны запасти электроны. Однако долго «излишек» энергии они удержать не могут: через очень короткое время (а практически — мгновенно) электроны теряют запасенную энергию, возвращая ее в виде фотона — «частицы» света (по-гречески «фотос» — родительный падеж слова «фос» — «свет»). Разные электроны разных атомов при нагреве запасают (а затем испускают) разную энергию. Поэтому нагретое тело излучает фотоны разного цвета. Чем меньше энергия фотона, тем «краснее» свет, а чем энергия выше, тем свет «голубее». При очень слабом нагреве вещества фотоны имеют такую низкую энергию, что глаз их не воспринимает: они «греют», но не светят. Свет, состоящий из таких фотонов, называется инфракрасным, потому что он находится за пределами красной области спектра и невидим (на латыни infra — «под», инфракрасный свет как бы находится «под» видимым светом). Много инфракрасных лучей испускает, например, хорошо протопленная печка.

Если постепенно повышать температуру тела, оно начинает светиться, и по цвету его свечения опытный металлург может определить температуру раскаленного металла. При +500… +600 °C появляется темно-красный цвет, чуть заметный в темноте, при +600… +800 °C цвет становится вишнево-красным, при +800… +1000 °C — ярко-красным, при +1000… +1100 °C — желтым, а если вещество нагреть еще сильнее, оно начнет испускать белый свет (недаром говорят: «довести до белого каления»). Конечно, сильно раскалить можно далеко не все тела. Даже многие металлы сгорят на воздухе намного раньше. И тем более это не получится с деревом или пластмассой. Возьмем, например, спираль от электроплитки (она сделана из тугоплавкого сплава) и начнем пропускать через нее все более сильный электрический ток. Сначала спираль остается темной, хотя и горячей, а потом начинает светиться. Сперва свет будет чуть заметен в темноте («красное каление»). Затем, с повышением температуры, цвет станет ярко-красным, потом желтым, а когда вещество будет нагрето «до белого каления» (как угли электрической дуги), в его излучении появятся все цвета радуги. Правда, спираль плитки до белого каления нагреть не удастся — сплав никеля и хрома (нихром), из которого она сделана, еше раньше расплавится или сгорит на воздухе. А вот тугоплавкую и химически стойкую платину можно нагреть очень сильно; на расплавленную платину (+1770 °C) невозможно даже смотреть с близкого расстояния — настолько яркий свет она испускает. Еще сильнее — до многих тысяч градусов можно нагреть вещества в газообразном состоянии. Сильно раскаленное тело, кроме инфракрасных и видимых лучей, испускает также ультрафиолетовые лучи (они находятся за пределами фиолетовой части спектра; на латыни ultra — «сверх»). Чем выше температура тела, тем оно ярче светит и тем больше испускает ультрафиолетовых лучей. Так светятся все нагретые тела, в том числе наше Солнце и звезды; по цвету звезды астрономы могут определить ее температуру (вероятно, вам не надо говорить, что Луна и планеты сами не светятся, а лишь отражают солнечный свет).