Занимательная химия для детей и взрослых

Дочерние твердые продукты распадающегося радона прочно приклеиваются к поверхности листьев и проникают внутрь них. Радон живёт недолго, продукт его распада, 218Ро, – считанные минуты, поэтому довольно быстро образуется радиоактивный свинец-210. Постепенно его количество в листьях растущего табака увеличивается. При курении человек вдыхает с дымом мельчайшие твердые частицы, содержащие 210Pb, которые оседают в дыхательных путях, а затем переносятся в печень, селезенку и в костный мозг. Медленно распадаясь, 210Pb превращается в 210Ро, и это происходит в течение всего периода, когда человек курит. Постоянное облучение упомянутых органов и костного мозга увеличивает вероятность возникновения рака у курильщика. Конечно, чтобы такой механизм сработал, в удобрение должен попасть не сам уран, а радий. Возможность такого события сильно зависит от того, какие именно ископаемые были использованы для получения фосфатных удобрений и какова была технология их переработки.

Получение полония

Полоний (речь идет только о его изотопе 210Ро) можно получить из природных источников или синтезировать. Первый способ малопродуктивен, но когда-то он был единственным. При переработке урановых руд 90 % полония остается в отвалах, из которых его очень трудно извлечь. Поэтому используют другой метод: выделяют из руды предыдущие члены радиоактивного ряда и ждут, пока в них в результате распада накопится достаточно полония. Так, если выделить 210Pb, то из него периодически можно «выдаивать» 210Ро путем отгонки (в англоязычной литературе в этом контексте используется глагол to milk, буквально – «доить»). Когда-то применяли такой способ: выделяющийся из радия газообразный радон запаивали в стеклянные ампулы, и после полного его распада (на это требовалось чуть больше месяца) в них появлялся тот же 210Pb. Сейчас 210Ро синтезируют путем облучения нейтронами природного висмута в ядерных реакторах (промежуточно образуется βактивный изотоп висмута-210):

 . Чтобы получить полоний, нейтронный поток должен быть очень мощным. Так, если на 1 см2 каждую секунду будут попадать даже 500 млрд нейтронов, то через месяц облучения в 100 г висмута образуется лишь 2 мкг (две миллионные доли грамма) полония. Увеличение плотности нейтронного потока до 100 трлн в секунду даст в 100 г висмута за месяц 0,4 мг 210Ро; такое количество почти не видно невооруженным глазом. Далее полоний нужно отделить от большой массы висмута; это можно сделать отгонкой в ваку уме при нагревании – как это делала Мария Кюри. Чистый полоний получают гальваническим методом, осаждая его из раствора в азотной кислоте на катоде. Можно представить, насколько трудно получить граммовые и даже миллиграммовые количества полония! Первый образец чистого полония-210 был получен только в марте 1944 г. в США. В СССР под научным руководством З. В. Ершовой было создано экологически чистое производство полония, который использовали в качестве источника энергии для луноходов. Для получения более долгоживущих изотопов 208Ро и 209Ро можно использовать ядерные реакции 207Pb + α → 208Po + 3 n , 209Bi + + p → 208Po + 2 n , 209Bi + d → 208Po + 3 n , 209Bi + p → 209Po + n , 209Bi + d → 209Po + 2 n , где d – ускоренные дейтроны (ядра дейтерия), облучение проводят в циклотроне. Все эти методы позволяют получить лишь ничтожные количества 208Ро и 209Ро, достаточные только для изучения их радиоактивных свойств.

Свойства полония

Полоний – один из самых опасных радиоэлементов. Эксперименты с ним требуют соблюдения строжайших мер безопасности. Исследователь должен быть надежно защищен от попадания даже малейших следов этого элемента в дыхательные пути, в пищеварительный тракт. Недопустим также контакт полония или его химических соединений с кожей. Несмотря на все эти трудности, были изучены как физические, так и химические свойства полония и его соединений. Полоний – мягкий серебристо-серый металл, похожий на свинец, с температурой плавления 254 °С. Это тяжелый металл, его плотность близка к 9,5 г/см3 – почти как у серебра. Плотность полония подсчитана не непосредственным измерением, а путем рентгенографического определения параметров кристаллической решетки. Это – следствие высокой радиоактивности, которая не позволяет получать значительные количества компактного металла. Известно, что препараты радия (t1/2 = 1600 лет) у Марии Кюри светились в темноте. Что уж говорить о полонии-210! Он не только светится, но и очень сильно нагревается за счет поглощения собственных α-частиц, несущих огромную энергию. Ведь при равных массах полоний в тысячи раз активнее радия. Кусочек полония размером с наперсток выделяет около 2 кВт тепловой энергии.

Если получить весомые количества полония, от них необходимо непрерывно отводить теплоту. Если этого не делать, металлический полоний почти сразу расплавится, а затем испарится. Но даже если от образца эффективно отводить теплоту, с его поверхности будут выделяться микрочастицы металла. Поэтому металлический полоний способен легко образовывать в воздухе мельчайшие частицы аэрозоля, что резко увеличивает опасность работы с ним. Этот эффект типичен для сильно радиоактивных металлов и объясняется быстрым накоплением на них отрицательных зарядов при вылете в воздух положительно заряженных α-частиц. Кроме того, когда атомы полония оседают на мельчайших частицах пыли, то в результате механической отдачи при вылете α-частиц такие пылинки совершают «прыжки» и потому способны отрываться от поверхностей, на которые они осели.

Полоний кипит при сравнительно невысокой температуре – 949 °С, что определяет его летучесть (для сравнения: температура кипения свинца – 1710 °С, олова – 2360 °С). В парах полоний находится в виде молекул Ро2. Летучесть полония облегчает его очистку, а также перемещение микроколичеств металла из одной части аппаратуры в другую путем их нагрева и охлаждения. В то же время летучесть затрудняет работу с ощутимыми количествами полония. По химическим свойствам полоний несколько похож на висмут, а также на свой ближайший аналог – неметалл теллур и проявляет типичные для элемента VI группы степени окисления: –2, +2, +4, +6. На воздухе полоний медленно окисляется (быстро при нагревании) с образованием красного диоксида РоО2. Сероводород из растворов солей полония осаждает черный сульфид PoS – тот самый, который был в осадке у Марии Кюри.

В разбавленной соляной кислоте полоний медленно растворяется с образованием розовых растворов (цвет ионов Ро2+): Po + 2HCl = = PoCl2 + H2. Разбавленная азотная кислота пассивирует полоний, а концентрированная быстро его растворяет. С неметаллами VI группы полоний роднит реакция с водородом с образованием летучего гидрида РоН2 (он кипит при +35 °С и легко разлагается) и реакция с металлами (при нагревании) с образованием твердых полонидов черного цвета, например Na2Po. С галогенами полоний реагирует с образованием тетрагалогенидов. В растворах полоний существует в виде катионов Ро2+, Ро4+, анионов РоО32–, РоО42–, а также разнообразных комплексных ионов, например PoCl62.

Сильная радиоактивность полония отражается на свойствах его соединений, которые почти все очень быстро разлагаются. Так, практически невозможно получить полониевые соли органических кислот: они обугливаются уже в момент синтеза. Из водных растворов соединений полония медленно выделяются пузырьки газа, а в растворе образуется перекись водорода. И даже в стеклянной посуде с сухим соединением полония из-за α-облучения уже через несколько дней появляются заметные трещины – в тех местах, где вещество соприкасалось со стеклом. Такие стеклянные сосуды становятся очень хрупкими. Если соединение полония содержало воду, она разлагается на кислород и водород, которые в герметичной ампуле повышают давление. Оно повышается также из-за непрерывно образующегося гелия. В результате маленькая ампулка с полонием уже через неделю может взорваться.

Применение полония

Применение находит только 210Ро, его более долгоживущие изотопы практически недоступны. Удобное время жизни 210Ро позволяет использовать его в качестве источника энергии в атомных батареях космических кораблей. В этом отношении он превосходит другие компактные атомные источники энергии. Такой источник энергии работал, например, на «Луноходе-2», обогревая аппаратуру во время долгой лунной ночи, когда за бортом было минус 130 °С. Полоний может давать не только тепло, но и электроэнергию. Для этого в контейнер с полонием (как правило, используют не чистый металл, а его сплав со свинцом) помещают горячие спаи термопар, тогда как холодные спаи находятся снаружи. Мощность полониевых источников энергии со временем убывает – вдвое каждые 4,5 месяца.

Полоний применяют для исследования воздействия α-излучения на различные вещества. Сплав полония с бериллием используют как удобный источник нейтронов: 9Be + α→ 12C + n . Такие компактные источники нейтронов используют для определения состава различных материалов методом нейтронно-активационного анализа (нейтроны наводят в веществе радиоактивность, по которой можно судить о составе вещества).

Неожиданное применение нашел полоний-210 в криминалистике для обнаружения мастерски сделанных подделок картин старинных мастеров. Такая датировка основана на измерении радиоактивности свинцовых белил. Для художников свинцовые белила в течение многих столетий были одним из наиболее важных пигментов (в настоящее время из-за ядовитости соединений свинца используют цинковые и титановые белила). Белила получали из свинцовых руд, которые всегда содержат радиоактивный уран. Один из промежуточных продуктов распада – 210Pb.

Идея метода проста. Пока свинец входит в состав руды, происходит как распад 210Pb, так и его непрерывное образование. Поэтому в течение многих тысячелетий его содержание в руде остается практически постоянным. Но при переработке руды происходит отделение свинца от других элементов. С этого момента образование 210Pb уже не поддерживается предшествующими радиоактивными элементами, поэтому его содержание, а следовательно и радиоактивность, с годами снижаются. Это позволяет датировать время изготовления белил, вернее, время выделения свинца из руды. В этом смысле анализ по свинцу напоминает известный метод радиоуглеродной датировки древних объектов по углероду-14. Дело, однако, осложняется тем, что неизвестно, сколько было 210Pb в конкретной руде в момент ее переработки. Поэтому простое определение остаточного количества 210Pb в белилах мало что дает, и используется другая методика. Суть ее в следующем. В ходе химической переработки руды с целью извлечения из нее свинца значительная часть других элементов удаляется. Значительная – но не вся; например, радий очень трудно отделить от свинца полностью (с этим сталкивалась и Мария Кюри), и в свинце всегда остаются очень малые его количества. В любом случае после извлечения свинца из руды радиоактивное равновесие нарушается: радия в образце остается очень мало, поэтому скорость распада 210Pb значительно превышает скорость распада радия. Но по прошествии многих десятилетий баланс радий/свинец постепенно восстанавливается, так что лет через 150–200 скорость их распада снова будет одинаковой (хотя и значительно меньшей, чем в исходной руде). Этим фактом и можно воспользоваться, чтобы определить, давно ли был добыт свинец. Сделать это можно только с помощью очень чувствительных детекторов излучения, регистрирующих не только интенсивность, но и энергию частиц и, следовательно, позволяющих отличить одни радионуклиды от других. Однако по чисто техническим причинам вместо измерения активности 210Pb измеряют равную ему активность 210Po. Поэтому на практике измеряют соотношение активностей 226Ra и 210Po.

Этот метод был применен в 1967 г. американским исследователем Бернардом Кейшем с сотрудниками. Измерения подтвердили, что в художественных свинцовых белилах, изготовленных в разных странах в ХХ веке, активность 210Ро (а следовательно, и 210Pb) была намного больше, чем радия. Когда удалось достать образцы белил, изготовленных в Англии, Франции и США в XIX веке, оказалось, что активность полония в них также превышает активность радия, хотя уже не так сильно. Наконец, для образцов из XVIII века активности обоих радионуклидов были примерно одинаковыми. Таким способом было доказано, что некоторые картины «старых мастеров», которые до этого считались подлинными, на самом деле – подделка.

Как их сосчитать?

В школьном учебнике по органической химии есть тема «Предельные (насыщенные) углеводороды», которые называются также алканами. В учебнике говорится, что начиная с бутана С4Н10 для каждого алкана существуют структурные изомеры с разветвленной цепью. Они имеют одинаковый состав, но разное строение. Примером могут служить бутан и изобутан (два изомера С4Н10), пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан (три изомера С5Н12) и т. д. Написав структурные формулы всех изомеров, нетрудно выяснить, что у гексана С6Н14 пять изомеров, а у гептана С7Н16– девять. Дальше дело пойдет труднее: с увеличением числа атомов углерода число изомеров растет очень быстро, достигая астрономических величин. Например, у октана С8Н18 изомеров уже 18, у нонана С9Н20– 35, у декана С10Н22 – 75, у эйкозана С20Н42  – 366 319, у триаконтана С30Н62 – 4 111 846 763, у тетраконтана С40Н82 – 62 481 801 147 341… Эти числа значительно возрастут, если рассматривать также зеркально-симметричные молекулы – стереоизомеры: с 9 до 11 для гептана, с 75 до 136 для декана, с 366 319 до 3 396 844 для эйкозана, с 5,921 · 1039 до 1,373 · 1046 для гектана С100 и т. д.

Понятно, что никто эти формулы на бумаге не выписывал и их число вручную не подсчитывал. Как же узнали, что у эйкозана 366 319 структурных изомеров, у триаконтана – 4 111 846 763 и т. д.? Интересно также, больше или меньше изомеров у алкенов – углеводородов с одной двойной связью?

Для начала рассмотрим названия алканов. Корни этих названий взяты из греческого языка. Разобраться со многими из них не очень сложно даже тем, кто не учил греческий язык в классической гимназии. Ведь в русском языке немало слов, ведущих происхождение от греческих числительных: Пентагон, пентаграмма (средневековый магический знак); гекзаметр (стихотворный размер – шестистопный дактиль), гектар (100 ар или 100 соток); гептахорд (звукоряд из 7 ступеней, а также семиструнная кифара у древних греков); октаэдр (многогранник с 8 вершинами), октант (старинный астрономический инструмент для измерения углов между небесными светилами), октаподы (отряд головоногих моллюсков с 8 щупальцами); декада (десятидневный промежуток времени), декан (в Древнем Риме – начальник 10 солдат, сейчас – руководитель факультета в вузе), декаподы (дословно «десятиногие») – моллюски с 10 щупальцами, к которым относятся каракатица, кальмары и др.; от латинского decem – десять происходят многие единицы измерения: дециметр, децибел, декалитр и др.); гектограф (печатный аппарат, позволявший получать до 100 копий с листа), гекатомба (жертвоприношение из 100 быков), гекатонхейры (мифические 100-рукие великаны), а также пентод, гексод и гептод (радиолампы с 5, 6 и 7 электродами)… Множество таких терминов в музыке: пентатоника (звуковая система из 5 нот в октаве, распространенная в Китае и ряде других стран), додекафония (метод музыкальной композиции, основанный на 12 тонах); октава, нона, децима и ундецима (музыкальные интервалы в 8, 9, 10 и 11 тонов), октет и нонет (ансамбли из 8 и 9 музыкантов) и др.

Мало кто задумывается о том, что похожие корни имеют и названия последних четырех месяцев года: сентябрь (в древнерусском «септябрь»), октябрь, ноябрь, декабрь (в соответствии с их латинскими и греческими корнями – седьмой, восьмой, девятый и десятый месяцы). Но ведь декабрь – не 10-й, а 12-й месяц года! А дело в том, что в Древнем Риме новый год начинался 1 марта, поэтому месяцы с сентября по декабрь имели номера с седьмого по десятый соответственно. На Руси так называемый церковный год тоже начинался когда-то 1 марта – в соответствии с указаниями Библии: у древних евреев первый месяц года (ниссан) был заповедан Моисею и первосвященнику Аарону: «Месяц сей да будет у вас началом месяцев; первым да будет он у вас между месяцами года» (Исх. 12 : 2). Гражданский год на Руси до XV века соответствовал церковному. Однако в 1492 г. Иван III своим указом перенес встречу Нового года на 1 сентября, что совпадало со сбором урожая. Петр I в 1699 г. в последний раз праздновал Новый год по древнему обычаю 1 сентября, а уже через 3,5 месяца, 20 декабря того же года, повелел перенести начало года на 1 января 1700 г. (7208 г. «от сотворения мира»).

Но вернемся к нашим алканам. Сложнее с названиями первых членов ряда: в них использованы не числительные, а другие греческие слова, причем иногда довольно хитро зашифрованные. Так, название метана происходит от метилового спирта, который раньше называли древесным: его получали сухой перегонкой древесины. Слово «метил» и происходит от греческих methy – «вино» и hile – «лес» (так сказать, «древесное вино»). Название этана, как это ни покажется на первый взгляд странным, этимологически родственно слову «эфир». Оба происходят от греческого aither – так древние греки называли некую небесную субстанцию, которая пронизывает космос. Когда алхимики в XIII веке из винного спирта и серной кислоты получили легко испаряющуюся («улетающую к небесам») жидкость, ее назвали сначала духом эфира, а потом просто эфиром. В XIX веке выяснили, что эфир (по-английски ether) содержит группировку из двух атомов углерода – такую же, как и этиловый спирт (этанол); ее назвали этилом (ethyl). Таким образом, «диэтиловый эфир» – по сути дела, тавтология, масло масляное… От «этила» произошло и название этана, а также этилового спирта – этанола. Кстати, другое название этанола – алкоголь – того же происхождения, что и слово «алкан». По-арабски «аль-кохль» – «порошок», «пудра», «пыль». От малейшего дуновения они поднимаются в воздух – как и винные пары при нагревании. Со временем термин «винные пары» («алкоголь вина») превратился просто в «алкоголь».

Одна из простейших жирных кислот была названа пропионовой – от греческих слово protos – «первый» и pion – «жир». Отсюда недалеко и до углеводорода пропана. Названия другой жирной кислоты – бутановой и соответствующего ей углеводорода бутана происходят от греческого butyron – «масло».

Перейдем, наконец, к числу изомеров алканов. Эта задача была решена математиками в XIX веке. Оказалось, что формулы, по которой можно сразу определить число изомеров для углеводорода С n H2 n +2, не существует. Подсчет возможен лишь с помощью формул, позволяющих найти число изомеров углеводорода с n атомами углерода, если уже известно число изомеров всех его гомологов – углеводородов с числом атомов углерода от 1 до n – 1. Поэтому расчеты для алканов с большими значениями n были получены сравнительно недавно с помощью компьютеров. Они доведены до тетрактана С400Н802, для которого, с учетом стереоизомеров, получено значение, трудно поддающееся воображению: 4,776 · 10199! Подсчитано, что начиная с С167Н336 число изомеров уже превышает число элементарных частиц в видимой части Вселенной, которое оценивается как 1080; так, для С200Н402 оно равно примерно 9,430 · 1083.

Для химиков подобные расчеты мало интересны, и вот почему. Даже для сравнительно простого алкана, содержащего всего полтора десятка атомов углерода, подавляющее число изомеров не получено и вряд ли будет когда-либо синтезировано. Так, в случае декана С10Н22 последние из 75 его изомеров были синтезированы лишь сравнительно недавно. И сделано это было лишь для того, чтобы иметь более полный набор стандартных соединений, по которым можно идентифицировать различные углеводороды, например те, что встречаются в нефти. Кстати, в нефти были обнаружены все 18 возможных изомеров октана.

Но самое интересное, что начиная с гептадекана С17Н36 сперва лишь некоторые изомеры, затем – многие из них, а потом практически все являются ярким примером «бумажной химии», т. е. не могут существовать в действительности! Дело в том, что по мере роста числа атомов углерода в молекулах разветвленных изомеров возникают серьезные проблемы пространственной упаковки при замене атомов водорода на метильные группы СН3 в ряду симметричных сферических молекул СН4 → C(CH3)4 → C[C(CH3)3]4 → C{C[C(CH3)3]3}4 и т. д., а также близких по структуре изомеров. Причина в том, что математики рассматривали атомы углерода и водорода как точки, тогда как на самом деле они имеют конечный радиус. Так, метановый «шарик» имеет на «поверхности» 4 атома водорода, которые свободно на ней размещаются. Следующий пентановый «шарик» C(CH3)4 имеет на «поверхности» уже 12 атомов водорода, расположенных значительно ближе друг к другу. Таким образом, при заполнении каждого следующего слоя число метильных групп СН3 на «поверхности» молекул углеводородов увеличивается втрое. Поэтому уже у следующего, после пентанового, гептадеканового «шарика» С17Н36 на «поверхности» становится мало места для размещения всех 36 атомов водорода в 12 метильных группах (это легко проверить, попробовав нарисовать плоское изображение подобных изомеров, соблюдая постоянство длин связей С–С и С–Н и всех углов между ними). С ростом n проблемы возникают и для атомов углерода: для них тоже становится все меньше места. В результате, несмотря на то что число возможных изомеров с ростом n увеличивается очень быстро, число «бумажных» изомеров растет значительно быстрее. Проведенная с помощью компьютеров оценка показала, что с ростом n отношение числа возможных изомеров к числу «бумажных» быстро стремится к нулю. Именно поэтому расчет точного числа изомеров предельных углеводородов для больших n, которое когда-то вызывало значительный интерес, в настоящее время не имеет для химиков никакого практического значения.

То же можно сказать и о числе изомеров непредельных соединений с одной двойной связью – алкенов C n H2 n . Для них можно конструировать изомеры не только изменяя углеродный скелет молекулы, но и путем перемещения двойной связи, а также различного расположения заместителей относительно двойной связи (так называемые цис-транс -изомеры); поэтому число изомеров алкенов N с увеличением числа атомов углерода n растет еще стремительнее, чем у алканов:

Понятно, что, как и в случае предельных углеводородов, такие расчеты представляют лишь теоретический интерес. Тем более что при больших n почти все эти изомеры окажутся «бумажными».

В заключение рассмотрим еще одну комбинаторную задачу, имеющую уже практическое значение. Сколько разных соединений получится, если в простейшем алкане – метане замещать атомы водорода на атомы галогенов? При этом получаются соединения, которые называются галогенметанами. Если начать считать методом перебора всех вариантов, легко сбиться. Как решить такую задачу? И все ли возможные метаны были синтезированы?

Будем рассматривать только четыре галогена – фтор, хлор, бром и йод (астат не учитываем: в природе этот элемент не встречается, а из искусственно полученных его изотопов самый долгоживущий, 211At, имеет период полураспада всего 7,2 часа).

В зависимости от того один, два, три или все четыре атома водорода замещены, различают моно-, ди-, три– и тетразамещенные метаны. Они могут быть газообразными (например, CH3Cl), жидкими (CCl4) или твердыми CBr4). Многие из этих производных хорошо известны. Например, дихлорметан (метиленхлорид, хлористый метилен) – растворитель, используемый для производства изделий из ацетата целлюлозы; дийодметан – жидкость с высокой плотностью (3,33 г/см3), ее применяют при исследовании горных пород для разделения минералов по их плотности; трихлорметан (хлороформ) раньше широко использовался для наркоза (а сейчас – только для наружного применения в растираниях); трийодметан (йодоформ) – сильный антисептик, хотя и с неприятным навязчивым запахом, который раньше использовали в хирургии при перевязке ран; тетрахлорметан (четыреххлористый углерод) – прекрасный растворитель жиров, смол, каучука, многих других органических соединений, но из-за ядовитости сейчас для этих целей почти не применяется; многие фторпроизводные (фреоны, они же хладоны) – низкокипящие жидкости или легко сжижающиеся газы, которые широко используются в качестве хладагентов в холодильных машинах.

Оказывается, различных галогензамещенных метанов теоретически существует намного больше, чем может показаться на первый взгляд, даже если не учитывать стереоизомеров – зеркально-симметричных форм (впрочем, стереоизомеры есть всего у пяти соединений, так как они возможны лишь в случае четырех разных заместителей у атома углерода; в этом легко убедиться, сделав модели молекул замещенных метанов из спичек и цветного пластилина). Попробуем подсчитать число различных замещенных метанов. Тетрагалогенметанов СХ4 с четырьмя одинаковыми заместителями может быть 5 (считая и сам метан). Соединений типа CX3Y (где X, Y – любой атом галогена или водород) может быть 20; соединений типа CX2Y2 существует 10; соединений CX2YZ – 30, и еще 5 соединений типа CXYZW, когда все заместители разные. Всего получаем 70 соединений. Это же значение можно получить методами комбинаторики; оно равно числу сочетаний из n = 5 заместителей (H, F, Cl, Br, I), взятых по k = 4 с повторениями, а именно ( n + k – 1)!/ k !( n – 1)! = 8!/4!4! = 70.

Число различных галогенметанов намного увеличится, если учитывать также изотопные разновидности элементов – хотя бы те, что встречаются в природе. Это стабильные 12С, 13С, 1H, 2Н (D, дейтерий), 19F, 35Cl, 37Cl, 79Br, 81Br, 127I и радиоактивные 3Н (T, тритий, период полураспада 12,3 года) и 14С (период полураспада 5730 лет). Подставляя в приведенную формулу n = 9, k = 4 и умно-жая полученное значение на 3 (три изотопа углерода), получим 3 · 12!/4!8! = 1350. И еще к ним надо добавить 126 · 3 = 378 оптических изомеров (126 – это число сочетаний из 9 элементов по 4 без повторений, которое дается формулой n !/ k !( n – k )!). Если же не брать в расчет радиоактивные соединения, то разных галогенметанов будет поменьше: при n = 7 и k = 4 получим 2 · 11!/4!7! = = 660 и еще 2 · 7!/4!3! = 70 стереоизомеров.

Сколько же из них уже синтезировано? В справочнике «Свойства органических соединений» (Л.: Химия, 1984), содержащем основные сведения о нескольких тысячах веществ, приводятся данные только о 47 соединениях. Это сам метан, а также CH3Br, CHBrI2, CHBrF2, CHBrCl2, CH2BrI, CBrF3, CBrCl3, CH2BrF, CHBrClF, CH2BrCl, CH2Br2, CBr2F2, CBr2Cl2, CHBr2I, CHBr2F, CHBr2Cl, CH2I2, CHFI2, CHClI2, CH2F2, CCl2F2, CHClF2, CH2Cl2, CH3I, CHF2I, CHCl2I, CCl3I, CH2FI, CH2ClI, CBr4, CI4, CF4, CCl4, CHBr3, CBr3F, CBr3Cl, CHI3, CHF3, CClF3, CHCl3, CDCl3, CH3F, CHCl2F, CCl3F, CH2ClF, CH3Cl.

Отметим, что в этом справочнике, в соответствии с правилами номенклатуры, все вещества приведены в алфавитном порядке названий на русском языке, тогда как сами формулы расположены в алфавитном порядке латинских букв (кроме водорода); дейтерохлороформ CDCl3 помещен в справочнике, так как это распространенный растворитель в спектроскопии протонного магнитного резонанса. Кстати, в англоязычном справочнике порядок расположения названий, в соответствии с теми же правилами, может быть несколько иным. Например, в русском языке буква «ф» в алфавите стоит перед «х», поэтому вещество CH2ClF называется фторхлорметаном. В латинском же алфавите буква «с» предшествует букве «f», поэтому то же вещество, фторхлорметан, по-английски называется chloroflouromethane.

Итак, из основного списка 70 галогенпроизводных (включая и сам метан) в указанном справочнике есть данные лишь о 46. Интересно, что синтезированный в 1893 г. бельгийским химиком Фредериком Свартсом бромфторхлорметан CHBrClF попал также в книгу «Мировые рекорды в химии» как самая маленькая хиральная молекула, в которой у атома углерода находятся четыре разных заместителя. Правда, полученное Свартсом соединение было оптически неактивным, так как представляло собой рацемическую смесь «правых» и «левых» молекул. Эту смесь сумели разделить методом газовой хроматографии только в 1996 г.

В справочнике Бейльштейна (4-е дополнение к 1-му тому, в котором рассмотрена литература по химии за 1950–1959 гг.) можно найти сведения еще о 12 производных: это CHBrClI, CHBrFI, CHClFI, CBrClF2, CBrCl2F, CBrI3, CBr2ClF, CBr3I, CClF2I, CCl2FI, CCl2I2 и CF3I.

Наконец, в справочнике Гмелина (том 14, раздел D, часть 2, издан в 1974 г.) приведены сведения о CF2I2 и CBrF2I. Первое соединение получено в 1963 г. при фотолизе смеси йода с дифтордиазирином – трехчленным циклом с двумя атомами азота. При облучении отщепляется молекула азота и образуется карбен CF2, который реагирует с йодом. О втором веществе сказано лишь, что оно, вероятно, могло образоваться при гамма-радиолизе смеси CF3Br и йода, и дана соответствующая ссылка на статью 1972 г. Как видим, многие галогенпроизводные метана синтезировать не так-то просто!

Для дальнейшего поиска были просмотрены формульные указатели издающегося в США реферативного журнала Chemical Abstracts. И хотя в этих указателях имеется несколько ссылок на все «недостающие» изомеры, знакомство с самими рефератами показало, что это, увы, – лишь теоретические расчеты физических, термодинамических и спектральных свойств соответствующих молекул. Дело в том, что спектральные характеристики галогенметанов (частоты колебаний и вращений в их молекулах) весьма интересны для теоретиков. Интересны и возможные применения подобных соединений в качестве хладагентов, что также отмечают авторы расчётов. Кстати, многие из подобных расчетов были выполнены отечественными химиками. В зарубежных же расчетных работах обращает на себя внимание звучная фамилия одного из авторов: С. К. Нг (химический факультет Национального университета Сингапура).

Из других казусов поиска можно отметить соединение CBrCl2I, упомянутое в указателе за вторую половину 1999 г. Ссылка дана на работу, написанную семью исследователями из Лаверна (Калифорния, США), специалистами по… технологии водоочистки. В своей статье они уверяют, что появляющийся иногда «медицинский» запах водопроводной воды обусловлен «бромдихлориодметанами». Это весьма странное заявление: во-первых, бромдихлориодметан – один-единственный, а во-вторых, его до сих пор никто не синтезировал… Еще одна странность: поисковая система Google неожиданно выдала для CFI3 более 3 тысяч ссылок. Оказалось, что большинство их – вовсе не на трийодфторметан, а на… аббревиатуру Chipped Finish Inspector, то есть на автоматическую систему отбраковки поврежденных контейнеров, из которых возможна утечка содержимого или его загрязнение. Некоторые другие формулы также оказались схожи сокращениями, не имеющими никакого отношения к галогензамещенным метанам…

И все же некоторые из «недостающих» веществ были с помощью Chemical Abstracts обнаружены. Уже упомянутый CBrF2I был синтезирован в университете штата Айова (США) в 1977 г. Там же в 1982 г. были получены еще два бромйодфторметана: CBrFI2 и CBr2FI. И это пока все. Из 70 галогенметанов до сих пор не описаны CBrClFI – единственный содержащий одновременно все четыре галогена, а также CBrClI2, CBrCl2I, CBr2ClI, CBr2I2, CClFI2, CClI3 и CFI3. Примечательно, что все они содержат атомы йода, и это не случайно. Связь C–I довольно слабая, в 2,5 раза слабее связи C–F; может быть, это одна из причин трудности синтеза таких соединений, поскольку органические йодиды легко разлагаются. Но кроме 70 «классических» галогенметанов, оказывается, были получены десятки изотопных производных, содержащих как стабильные, так и радиоактивные нуклиды. Из последних можно отметить такие экзотические соединения, как CDT3, CD2T2, CD3T, 11CH3I (а ведь период полураспада углерода-11 лишь немногим превышает 20 минут) и многие другие. Эти синтезы наглядно демонстрируют возможности, которыми обладают современные химики.

Глава 2 Химия и нумизматика

Нумизматика – историческая наука, изучающая монеты; на латыни numisma и есть «монета». Слово же Moneta у римлян служило эпитетом богини Юноны (как у греков эпитет Паллада для богини Афины). Рядом с храмом Юноны в Риме находился монетный двор, на изделия которого со временем и перешло одно из имен богини. От него произошли и «портмоне», и английское слово money. С тех пор как появились монеты (а произошло это 27 веков назад), их изготовление неразрывно связано с искусством очистки и переработки металлов и сплавов, то есть с химией. Конечно, когда-то не было ни химии, ни химиков. Но мастера методом проб и ошибок находили способы очистки монетных металлов, проверки их качества, придания свойств, способствующих качественной чеканке. Со временем чеканка монет как дело исключительной государственной важности была поставлена на строгую научную основу. Достаточно сказать, что в течение многих лет смотрителем, а затем и директором английского Монетного двора был великий физик Исаак Ньютон. На некоторых современных монетах (как и на почтовых марках) можно увидеть и портреты химиков. Химические знания помогают также восстанавливать редкие монеты, найденные в кладах и представляющие интерес для историков. А некоторые химические особенности монет помогают учителям химии. Так что у нумизматики и у химии много общего.

Монетные металлы

Учитель: Я опускаю золотую монету в азотную кислоту – растворится ли она?

Ученик: Конечно нет, господин учитель! Ведь если бы она растворилась, вы бы ее ни за что туда не опустили!

Старый анекдот

Сегодняшний учитель химии редко имеет возможность продемонстрировать устойчивость золотой монеты к азотной кислоте: в последний раз такие монеты («николаевские десятки») выпускались в нашей стране в массовое обращение в 1911 г. Правда, в 1923 г. были отчеканены золотые червонцы (на них изображен крестьянин-сеятель), но их использовали в основном для расчета с заграницей. Копии таких монет (так называемые новоделы) чеканились у нас также в 1975–1981 гг. Это так называемые инвестиционные монеты – их цена близка к стоимости содержащегося в них золота (7,74 г), и они используются как способ вложения денег. Из драгоценных металлов сейчас чеканят в основном памятные и юбилейные монеты; они выпускаются для коллекционеров и не предназначены для обращения. Очень красивы, например, полированные монеты из серебра, золота и платины, впервые выпущенные у нас в 1977–1980 гг. и посвященные Олимпийским играм в Москве. Замечательно выглядят и монеты из палладия 999-й пробы; впервые их отчеканили у нас в 1988 г. к 1000-летию Крещения Руси.

Какие же металлы используются для изготовления монет? С древних времен для чеканки использовали золото, серебро и медь, которые на много веков стали основными монетными металлами. Золото образует самородки, иногда довольно крупные, имеет привлекательный внешний вид, так что неудивительно, что золото было первым металлом, с которым познакомился человек. Серебро также встречается в виде самородков; кроме того, этот благородный металл несложно выплавить из его руд. В природе встречается сплав золота и серебра, который греки называли электроном, а римляне – электрумом. Этот сплав содержит до 30 % серебра и имеет белый или светло-желтый цвет. Считают, что из этого сплава в Лидийском царстве (VII в. до н. э.) были отчеканены первые в истории монеты. Затем появились монеты из золота и серебра. Относительно дешевая медь стала третьим основным монетным металлом.

Золото и серебро химически инертны, не подвержены коррозии и могут сохраняться очень долго. Но в чистом виде эти металлы слишком мягки, легко истираются и потому не годятся ни для каких изделий, в том числе и для монет. Однако уже небольшие добавки других металлов (их называют лигатурными) придают изделиям из золота и серебра достаточную твердость. Чаще всего золото сплавляют с серебром и медью, а серебро – с медью. Такой сплав намного тверже чистого металла.

Содержание драгоценного металла в сплаве называется пробой. Пробы на золотых изделиях появились очень давно. Во Франции, например, – с 1275 г. В России они были введены указом Петра I в 1700 г.: проба выражалась числом долей чистого серебра или золота в 1 золотнике сплава (1 фунт = 96 золотников, 1 золотник = = 96 долям = 4,266 г, 1 доля = 0,04443 г).

В 1926 г. в СССР была принята метрическая проба. Ее выражают в граммах драгметалла в 1 кг сплава; например, старой пробе 56 отвечает современная проба (56/96)1000 = 583. Кстати, на современных золотых изделиях обычно стоит проба не 583, а 585. Но это вовсе не значит, что золота в них стало больше. Разница в пробах 583 и 585 слишком незначительна и укладывается в допустимую погрешность в содержании драгметалла (ремедиум).

Дореволюционные золотые монеты достоинством 7,5, 10 и 15 рублей с профилем Николая II имели необычную для нас пробу 86 2/5. Перевод на современную пробу дает (86,4/96)1000 = 900. То есть эти монеты (как и советские червонцы) содержат ровно 90 % чистого золота. Такая же проба и у советских полтинников и рублей, чеканившихся в 1920-х гг. Более высокая проба встречается редко и только у золотых монет, которые меньше подвергаются истиранию, так как не являются ходовыми. Например, заработная плата рабочего московской мануфактуры в середине XVIII века составляла в зависимости от квалификации 10–20 рублей в год. Понятно, что золотые монеты ему были ни к чему. В качестве примера высокопробных золотых монет можно привести 10-рублевые монеты, чеканившиеся при Елизавете Петровне и Екатерине II (старая проба 88, современная 917) и при Александре I (старая проба 94 2/3, современная 986).

В некоторых странах до сих пор используют так называемую каратную пробу, изобретенную в Англии примерно в 1300 г. Чистое золото соответствует 24 каратам (24 К).

Чтобы узнать содержание золота в сплаве, ювелиры используют пробирный камень – черный камень с отшлифованной матовой поверхностью. Изделием проводят по камню, а оставшийся штрих обрабатывают специальными растворами. Например, концентрированная азотная кислота полностью растворяет след от золотого сплава, если его проба меньше 333. Если штрих окрасился в коричневый цвет, проба золота – от 333 до 500, а если изменений не было – больше 500. Коричневый след – это мелкораздробленное золото, оставшееся после растворения других металлов (меди, серебра) в сплаве. С помощью смесей азотной и соляной кислот можно быстро определить приблизительное содержание золота в сплавах с пробой от 160 до 1000.

Для более точного определения пробы используют сравнение цвета штрихов, оставленных испытуемым изделием и специальной пробирной иглой. Таких игл существует множество, и отличаются они содержанием не только золота, но также меди и серебра. Дело в том, что даже при постоянной пробе (например, 585-й) золотые изделия могут сильно отличаться по цвету. Это зависит от вида и содержания лигатурного металла. Так, серебро в зависимости от его содержания придает сплаву белый, желтый или даже зеленоватый оттенок. Медь делает золото красноватым, а если меди в изделии 14,6 %, то оно будет ярко-красным. Сплав, содержащий 9 % серебра и 32,5 % меди, имеет оранжевый цвет. Реже применяются другие лигатуры. Например, кадмий придает золоту зеленоватый оттенок, цинк – белый, а никель – бледно-желтый. Платина при содержании всего 8,4 % делает золотой сплав совершенно белым. Белое золото можно сделать также, сплавляя золото с серебром и палладием или с медью, никелем и цинком. А сплав золота с медью, серебром и цинком может практически не отличаться по цвету от чистого золота.

А что такое червонное золото? Химически чистое золото имеет желтый цвет. Червонный (т. е. красный) цвет придает золоту, например, медь при определенном ее содержании в сплаве. Так, в ХХ томе изданной в 1905 г. энциклопедии под редакцией Ю. Н. Южакова сказано: «Червонное золото – сплав золота с медью в отношении 9 : 1, употребляется для чеканки монет». О том же говорит и словарь В. И. Даля: «Красное золото – с медным сплавом; белое золото – с серебряным сплавом».

Другие металлы, кроме золота, серебра и меди, использовались для чеканки монет редко. Однако был в истории России период (с 1828 по 1845 гг.), когда были выпущены для обращения платиновые монеты достоинством 3, 6 и 12 рублей, причем большими тиражами – всего было отчеканено почти 1,5 миллиона монет, что является уникальным явлением в мировой практике. Объясняется это добычей на уральских рудниках большого количества платины, которая не находила в те годы промышленного применения и потому стоила относительно недорого (известны случаи подделок золотых монет тяжелой платиной). Владельцы же рудников – Демидовы извлекали большую выгоду от продажи своей платины правительству. В 1845 г. по настоянию нового министра финансов чеканка платиновых монет была прекращена, а все монеты были срочно изъяты из обращения. Причины этой панической меры называют разные. По одной версии, боялись подделки этих монет за границей (где платина была якобы дешевле) и их тайный ввоз в Россию. Однако ни одной поддельной монеты среди изъятых из обращения не обнаружили. По другой версии, более правдоподобной, спрос на платину и ее цена в Европе выросли настолько, что металл в монетах стал дороже их номинала. Но тогда уже следовало бояться другого: тайного вывоза монет из России, их переплавки и продажу слитков… Интересно, что Майкл Фарадей на своей популярной лекции о платине, прочитанной в Лондоне 22 февраля 1861 г., показывал русские платиновые монеты. Проанализировав их состав, он нашел, что в монетах содержится 97 % платины. Фарадей отдал должное российским мастерам, сумевшим отчеканить монеты из недостаточно очищенной и потому довольно хрупкой платины.

Одна из наиболее редких российских монет из платины; цена подобной монеты на аукционах может превысить 100 тысяч долларов

Необычный металл может оказаться в монетах по разным причинам. Например, в XVIII веке некоторые мелкие российские монеты были бронзовыми – из сплава меди и олова. Эти монеты чеканились из старых, отслуживших свое бронзовых пушек. Похожая история случилась и в США во время Второй мировой войны, когда одноцентовые монеты чеканили из гильз артиллерийских снарядов. Только они были не бронзовые, а латунные.

В древности известны немногочисленные попытки использования для выделки монет других металлов помимо трех основных – золота, серебра и меди. Так, в древней Византии, а также в средневековых Китае и Японии употребляли железные монеты. В последние годы Римской республики, а также в Китае IX–X вв. встречались монеты из свинца, а на островах Сицилии, Яве, Борнео и Суматре – из олова. В древней Бактрии делали монеты из почти современного медно-никелевого сплава, содержащего 20 % никеля. Этот состав был получен, конечно, не в результате целенаправленных исследований, он просто соответствовал естественным рудным залежам.

Никель в качестве четвертого монетного металла появился только в XIX веке в США и Западной Европе. Этот металл был открыт в 1751 г., и 200-летие этого события было отмечено в Канаде выпуском никелевой пятицентовой монеты. Монеты из никеля красивы, блестят как серебряные, устойчивы к истиранию и коррозии. В 1863 г. в Брюсселе были отчеканены для России образцы двухкопеечных никелевых монет. Однако заказ на массовую чеканку таких монет в Бельгию так и не поступил. Несмотря на достоинства, есть у этого металла и недостатки. Никель дорог – в несколько раз дороже меди, плавится лишь при 1466 °С (медь – почти на 400 °С ниже). Со временем обнаружилась еще одна неприятная особенность этого металла: у людей, имеющих дело с большим количеством никелевой монеты, в частности у кассирш, нередко обнаруживалась повышенная чувствительность – никелевая аллергия, которая может проявляться, например, в виде кожного заболевания экземы. Интересно, что подвержены такой аллергии чаще всего женщины. Поэтому обычно для чеканки монет используют медно-никелевый сплав. Но до сих пор американцы называют свои блестящие пятицентовые монетки «никелями» (nickels), хотя никеля в них только 25 %, остальное – медь.

Очень легки, дешевы и хорошо смотрятся монеты из алюминия – пока они новые. Мягкий алюминий быстро истирается, и монеты становятся довольно неприглядными. Монеты из алюминия чеканили (а кое-где и сейчас чеканятся) в ГДР, Польше, Чехословакии, Албании, Венгрии, Монголии, Австрии, ряде других стран.

Из цинка чеканили монеты в Австрии, Швейцарии, Албании, Румынии, Бельгии. В сухом воздухе цинк устойчив, но во влажном плохо сопротивляется коррозии. В этом отношении значительно лучше сталь – сплав железа с небольшим количеством углерода. Из стали чеканили (и продолжают чеканить) монеты во многих странах. Стальные монеты стойки к истиранию, часто они содержат легирующие добавки хрома и никеля (нержавеющая сталь).

Монеты из алюминия: справа – не бывшая в обращении (Куба, 5 сентаво, 1971), слева – подвергшаяся коррозии (Франция, 2 франка, 1943)

 Так, итальянские монеты достоинством 50 и 100 лир содержали 18,25 % хрома. Столько же хрома было недавно в украинских копейках и пятачках. Хромом были покрыты одно время канадские пятицентовые монеты. Известно, что хромирование не только делает изделие привлекательным, но и предохраняет его от износа (технический хром – один из самых твердых металлов). Иногда чеканились монеты и из чистого железа, например в Люксембурге и Финляндии (в 1940–1953 гг.). В 1999 г. в Гибралтаре появилась первая в мире монета из титана.

Монета из железа. Финляндия, 1 марка, 1949

В 1982 г. в Италии придумали делать так называемые биметаллические монеты. Такие монеты в том же году начали чеканить в Ватикане и Сан-Марино. Прошло немного времени, и многие страны, в том числе и Россия, переняли это изобретение. А во Франции в 1992 г. выпустили триметаллическую монету! Внеш нее кольцо и центральный диск у нее были светлые, из медно-никелевого сплава, а внутреннее кольцо – бронзовое. Экзотический для монет металл ниобий был использован в Австрии для центральной части биметаллической монеты достоинством 25 евро. Если ниобий погрузить в раствор электролита и сделать анодом, то на нем образуется пленка оксида. В результате интерференции света эта пленка будет окрашена в разные цвета – в зависимости от ее толщины. Этот эффект и был использован для австрийской монеты. Широко используют для чеканки монет и сплавы меди с цинком (латунь и томпак), оловом или алюминием (бронзы), а также тройные сплавы Cu-Ni-Al, Cu-Ni-Zn (нейзильбер) и др.

Многие видели привезенные из стран Еврозоны новые монеты. Из чего они сделаны? Мелкие монеты достоинством 1, 2 и 5 центов отчеканены из стали, поэтому они притягиваются магнитом. Красный цвет им придает медь, которой плакированы монеты. Плакировка – способ покрытия одного металла тонким слоем другого путем прокатки двух– или трехслойного пакета, составленного из этих металлов. Массовая доля меди у них составляет примерно 5,5 %. Причин для выбора медного покрытия было несколько. Прежде всего, «медный» вид мелкой монеты привычен европейцам с античных времен, когда в Риме чеканилось множество медных монет разных номиналов. В США и Англии с давних пор наиболее популярные монетки – пенни – чеканились из меди. Медь – единственный металл (кроме золота), цвет которого отличается от обычного серого. Кроме того, медь – очень практичный для монет металл. Она достаточно тверда, легко прокатывается в тонкие листы, хорошо штампуется, что позволяет передавать на монетах самые тонкие детали, противостоит коррозии, имеет хороший внешний вид. Во время штамповки медные монеты приобретают дополнительную твердость, так что, по оценкам специалистов, они проживут лет тридцать. Так как медь не ржавеет, ее легко использовать вторично. Повторное использование меди и ее сплавов практиковалось еще в бронзовом веке. Полагают, что 80 % всей меди, выплавленной в течение многих веков, до сих пор находится в использовании. Так что в новых евромонетах, без сомнения, присутствует медь, побывавшая и в древнеримских монетах, и в монетах викингов, и в монетах германской и французской империй!

Электропроводность меди и некоторые другие ее свойства таковы, что этот металл оставляет свою уникальную «подпись» в торговых автоматах и машинах для подсчета и сортировки монет. Различные добавки в медных сплавах могут изменять электропроводность в широких пределах. Но для каждого сплава, используемого в монетах, эта электропроводность в точности известна, так что автомат легко на нее настроить.

Наконец, при выборе меди учли, что монеты, переходя тысячи раз из рук в руки, могут быть разносчиками болезнетворных бактерий. Медь же обладает антибактериальными свойствами; кроме того, она не вызывает аллергических реакций.

Для монет достоинством 10, 20 и 50 центов как альтернативу стандартному медно-никелевому было решено использовать сплав, названный скандинавским золотом (Nordic Gold). Новый сплав должен был удовлетворять нескольким требованиям: во-первых, быть похожим на золото и не темнеть со временем; во-вторых, быть ковким и пригодным для чеканки монет; в-третьих, быть устойчивым к истиранию при эксплуатации и, наконец, не вызывать аллергических реакций. Было перепробовано несколько различных сплавов; испытывали, насколько они устойчивы к разным материалам и веществам, включая пот. Наконец остановились на комбинации, которая удовлетворяла всем условиям. Действительно, монетки выглядят точь-в-точь как золотые и не теряют своего вида в течение долгого времени. И здесь меди отведена ведущая роль: ее в сплаве 89 %, остальное – алюминий и цинк (по 5 %) с добавкой олова (1 %).

Уже в первый год для выпуска в обращение 80 миллиардов евромонет потребовалось полторы тысячи тонн олова. А меди для них было заготовлено примерно 180 тысяч тонн – 2 % всего потребления этого металла в Европе. Неудивительно, что на ряде заводов была налажена переработка старых монет, изъятых из обращения.

Специалисты позаботились о том, чтобы евромонеты были не только красивыми, но и безопасными – как для здоровья, так и с точки зрения возможных подделок: ведь новые монеты должны ходить на очень обширной территории. До введения евро четверть всего монетного металла в Европе составлял никель, который может вызвать аллергию. Поэтому в новых монетах никеля сравнительно немного.

Технология производства монет в 1 и 2 евро должна была обезопасить их от подделки. Для этого их сделали биметаллическими, причем использовалась особая технология выплавки металлов и засекреченный способ соединения двух компонентов монет и их чеканки. У этих монет центральная часть никелевая: она слабо притягивается даже очень сильным магнитом. Но так как никель может вызвать на руках экзему, он плакирован сплавом, содержащим 75 % меди; остальное – никель (для монет в 1 евро) или 20 % цинка и 5 % никеля (для монет в 2 евро). Внешнее кольцо этих монет по составу «антисимметрично» внутреннему: 75 % меди, 20 % цинка, 5 % никеля для 1 евро, 75 % меди, 25 % никеля для 2 евро. Оба сплава немагнитные.

В заключение – несколько слов о современных российских монетах. Если советские новенькие «медяки» когда-то вполне заменяли химикам разновесы (1, 2, 3 и 5 копеек весили точно 1, 2, 3 и 5 г), то о современных монетах этого не скажешь. Впрочем, и они могут в определенных случаях принести пользу, если под рукой нет ничего кроме аптекарских весов. Так, 1 копейка (новая) весит 1,5 г, 5 копеек – 2,6 г, масса 10 и 50 копеек зависит от металла, 1 рубль – 3,25 г, 2 рубля – 5,1 г, 5 рублей – 6,45 г.

А из чего они сделаны? Копейки и пятачки притягиваются магнитом, т. е. они железные (вернее, из низкоуглеродистой стали). Но это – внутри. Снаружи же эти блестящие, как серебро, монетки покрыты (плакированы) медно-никелевым сплавом – мельхиором. Конечно, это дорого, зато хорошо предохраняет их от коррозии. Монеты достоинством 10 и 50 копеек – из медно-цинкового сплава (латуни), а с 2006 г. – стальные с покрытием медным сплавом. Рублевые и двухрублевые – из медно-никелевого сплава. А вот пятирублевики – медные, покрытые сверху мельхиором (это видно по красноватому цвету, «выглядывающему» на боковой части монеты – гурте). С 2009 г. и эти монеты станут стальными, с никелевым гальванопокрытием.

Сколько стоит монета?

Этот странный на первый взгляд вопрос когда-то не вызывал недоумения: монета стоила столько, сколько стоил металл, из которого она изготовлена. Так, если в золотой «царской» десятке с портретом Николая II, чеканившейся в 1898–1911 гг. и весившей 8,6 г, было 7,74 г чистого золота, то такое количество золота и стоило тогда 10 рублей. Соответственно серебряные монеты «вмещали» в себя меньше денег, медные – еще меньше. Поэтому из серебра 900-й пробы чеканили (с 1886 г.) только рубли, полтинники и полуполтинники (25 копеек), из низкопробного серебра 500-й пробы – монеты достоинством от 5 до 20 копеек (такие монеты из серебра 900-й пробы были бы слишком маленькими), а из меди – монеты достоинством 1/4, 1/2, 2, 3 и 5 копеек. И если положить рядом крошечный серебряный пятачок и огромный по сравнению с ней медный пятак (обе монеты чеканились с 1867 г.), сразу видна разница между стоимостью серебра и меди. Аналогично за небольшую золотую монету нужно было выложить 10 рублевых общей массой 200 г! Золото дороже серебра и потому, что его в земной коре намного меньше (в 16 раз), и потому, что добывать его, как правило, труднее. Интересно, что в Древней Месопотамии (VIII век до н. э.) золото ценилось дороже серебра в 13 раз. Примерно такое же соотношение было и в Древнем Египте и Греции. В Средние века это соотношение колебалось от 1 : 10 до 1 : 13, а в XVII веке увеличилось до 1 : 16 (после ввоза из Нового Света огромных количеств серебра оно относительно подешевело). Конечно, на это соотношение сильно влияли различные факторы, в основном – добыча этих металлов.

Чтобы медь стала полноценным монетным металлом, ее стоимость в монете когда-то тоже должна была соответствовать номиналу монеты. Так появились огромные медные пластины (их называют также платами); например, в Швеции при королеве Кристине (1632–1654) плата, соответствующая 10-далеровой серебряной монете, весила 19,5 кг! Российские платы были поменьше; так, медный рубль 1725–1726 гг. весил 1,64 кг (1/10 пуда), полтина – 0,82 кг, полуполтина – 0,41 кг и т. д. Это были специальные выпуски, отчеканенные в очень небольшом количестве экземпляров. Однако выпускавшиеся с 1758 по 1810 гг. огромными тиражами пятаки тоже весили немало – более 50 г! Большой вес медных денег приводил к значительным неудобствам. Вот яркий пример. В конце 1747 г. М. В. Ломоносов написал свою самую знаменитую оду, посвященную шестилетию восшествия на престол Елизаветы Петровны. Часто цитируют ее строки о том, что «может собственных Платонов и быстрых разумом Невтонов Российская земля рождать». Безудержные славословия Елизавете (впрочем, соответствующие жанру оды) настолько понравились императрице, что она повелела выдать автору 2000 рублей – огромную по тому времени сумму. Однако в казне в тот момент серебра не оказалось, а ассигнации появились только при Екатерине II; пришлось выдать царский дар медью: Ломоносову доставили две подводы медных денег. Нетрудно подсчитать их вес. По именному указу 1730 г. из 1 пуда меди чеканили монет (деньги и полушки) на 10 рублей. Значит, 2000 «медных» рублей весили 200 пудов, или 3,2 тонны! Если бы Ломоносов жил лет на 150 позже, его награда весила бы «всего» 640 кг, так как с 1867 г. из пуда меди медных монет чеканили уже на 50 рублей.

А вот еще один любопытный факт, касающийся медных монет и успехов химиков XVIII века. Чтобы не возить по российским просторам огромные массы денег, Екатерина II в 1763 г. приказала чеканить медные монеты для Сибири из местной меди, добываемой на Колывано-Воскресенском руднике. Там же располагался медеплавильный завод. Как показали химические анализы, медь из этого рудника содержала естественную примесь серебра (0,81 %) и золота (0,036 %). Их выделение из меди было в те времена малорентабельным, и правительство решило зачислить стоимость золота и серебра в стоимость сибирских медных денег.

Полуполтины 1726 г .

В результате из одного пуда колыванской меди чеканили «сибирских» монет на 25 рублей, тогда как общероссийские медные монеты чеканили в то время из расчета 16 рублей из пуда. Поэтому обычный российский пятак тех времен весит 51,19 г, а сибирский – «только» 32,76 г – разница существенная! Поскольку у большинства правителей всегда были проблемы с деньгами, они нередко выпускали в обращение монеты, номинал которых был выше истинной стоимости металла в них. Примеры злоупотребления таким способом поправки государственных финансов можно найти уже в Древней Греции. Самый простой способ порчи монеты (кстати, это вполне официальный термин) – ее обрезание. Он особенно практиковался в древности, когда монеты были неправильной формы, а их вес мог существенно различаться. В Афинах достиг совершенства еще один метод: железные, медные или свинцовые кружки обтягивали тонким серебряным или золотым листком. Но чаще всего применяли наиболее простой способ: к драгоценному металлу подмешивали менее ценный. В Риме порча монеты достигла крайних масштабов в III в. н. э., когда «золотые» монеты содержали 82,7 % меди, 16 % серебра и лишь 1,3 % золота. Сильнейшие злоупотребления в монетном деле совершались во многих европейских странах в Средние века. Итог известен – полное расстройство монетной системы. В России попытка насильственно приравнять по стоимости медные деньги к серебряным вылилась в московский Медный бунт 1662 г.

Когда металл дороже денег

Сейчас номинал монеты (то, что на ней написано) не связан напрямую с ценой металла. Хотя если цена металла превышает номинал, становится невыгодной их чеканка. Понятно, что все страны стараются, чтобы металл, из которого чеканят монеты для обращения, был по возможности дешевле. Ведь монеты сейчас чеканят миллионами и даже миллиардами. Например, юбилейная американская 25-центовая монета, посвященная вхождению в США Виргинии (она отчеканена в 2000 году), имела тираж более полутора миллиардов! Конечно, стремление использовать для монет как можно более дешевые металлы не относится к юбилейным и памятным монетам, которые предназначены для коллекционеров, а не для хождения по магазинам. Так, рыночная цена современных серебряных монет номиналом 1, 2 и 3 рубля может превышать этот номинал во много сотен раз.

В старые времена цена металла (и в первую очередь – золота и серебра) в монете должна была соответствовать номиналу. Правители часто не выполняли этого требования, снижая содержание золота или серебра в монете, и таким образом поправляли (хотя и ненадолго) свои финансовые дела. Нередки в истории и прямо противоположные случаи, когда стоимость металла превышала номинал монеты. Как правило, это связано с инфляцией и неповоротливостью чиновников, не прекращающих своевременно чеканить монеты, как говорится, себе в убыток. Так, в Италии в 70-х гг. ХХ века началась паника – из обращения почти исчезли мелкие монеты из алюминиево-магниевого сплава достоинством 1, 2 и 5 лир. Расследование показало, что некоторые фирмы скупали эти дешевые монеты, металл которых стоил больше их номинала, и использовали их не по назначению – например, в качестве основы для пуговиц. Это было дешевле, чем штамповать пуговицы даже из недорогого алюминия. Диаметр этих монет тоже был подходящий: 17,2 мм (1 лира), 18,3 мм (2 лиры), 20,3 мм (5 лир), 23,3 мм (10 лир) – на любой вкус! В результате были приняты срочные меры по массовой чеканке монет. Так, если в 1970 г. пятилировых монет было отчеканено 3,1 млн, то в 1972 г. – 16,4 млн, а в 1973 г. – 28,8 млн! И хотя еще в 1976 г. лира соответствовала всего 0,0012 доллара США, т. е. на нее ничего нельзя было купить, массовая чеканка мелких монет продолжалась вплоть до 1993 г. – факт удивительный! Как бы в насмешку, на монете достоинством 1 лира был изображен рог изобилия.

Из таких алюминиевых монет делали пуговицы, потому что еще задолго до прекращения их чеканки в 1993 г. на них уже ничего нельзя было купить

В нашей стране выгодное добывание «изюма из булок» случалось по крайней мере трижды. После Отечественной войны 1812 года резко выросла цена серебра и меди: за рубль серебром давали четыре рубля ассигнациями, а за пуд меди можно было получить от 40 до 50 рублей. В то же время, согласно Манифесту от 29 августа 1810 г., из одного пуда меди вплоть до 1831 г. чеканили монеты всех номиналов (деньга, одна и две копейки) на сумму 24 рубля. Этот вопиющий дисбаланс приводил к ежегодной переплавке на металл нескольких тысяч тонн медных монет!

Второй раз такая «утечка капиталов» произошла в конце XIX в., когда основным источником меди для монет стали уральские руды, содержащие примесь золота и серебра. В результате предприниматели стали вывозить из России медную монету для переработки металла на чистую (рафинированную) медь с одновременным получением золота и серебра в количествах, окупающих все расходы. Последний подобный случай памятен многим. В результате гиперинфляции в начале 1990-х годов советские деньги очень быстро обесценились. Соответственно цена металлов, из которых были отчеканены монеты, стала существенно выше их номинала. Продавцы в магазинах собирали мелочь и продавали их дельцам на вес. А в рекордном экспорте цветных металлов Эстонией наряду с другими изделиями участвовала и советская монета. Да и сейчас себестоимость наших самых мелких монет заметно превышает их номинал.

С обесцениванием монет связаны и забавные случаи. В Абу-Даби, столице Объединенных Арабских Эмиратов, денежной единицей является дирхам (это арабское слово происходит от греческой монеты драхмы). Дирхам теоретически состоит из 100 филсов, но монета достоинством 1 филс последний раз была отчеканена в 1975 г. и давно вышла из употребления. На этом решило сыграть рекламное агентство, которое во время перерыва в футбольном матче на местном стадионе выкатило на поле новенький «мерседес» и пообещало отдать его каждому, кто немедленно выложит три монеты по одному филсу. Такого среди тысяч болельщиков, естественно, не нашлось. Любопытно, что точно такой же прием был использован и во время футбольного матча в Бразилии. Только вместо старых монеток за автомобиль попросили предъявить фотографию… тещи! И в этом случае рекламная фирма внакладе не осталась.

В периоды гиперинфляции монеты обычно не выпускались: никакой монетный двор не поспел бы за ростом цен, а число нулей просто не уместилось бы на небольшом металлическом кружке. Так было после Первой мировой войны в Германии, России, других странах. Рекорд по темпам инфляции был поставлен в Венгрии. В 1925–1946 гг. денежной единицей страны был пенгё (по-венгерски – «звонкая монета»). До 1939 г. монета в 1 пенгё чеканились из серебра 640-й пробы, затем – из алюминия. После войны в течение считанных месяцев пенгё обесценился в триллионы (!) раз. На бумажных венгерских купюрах того времени (они выставлены в витрине нумизматического магазина в Будапеште) проставлен не только год, но и месяц и день выпуска! Печатание таких банкнот, вероятно, стоило дороже, чем их номинал. С 1 августа 1946 г. в стране была введена новая денежная единица – форинт (от венгерского названия итальянского флорина), которая в ходу и в настоящее время – до введения евро.

Соотношение в стоимости этих венгерских монет (1 пенгё, 1941, и 1 форинт, 1949) после войны выражалось числом с 12 нулями

В нумизматике существует термин «военные деньги» – монеты военного времени, отличающиеся от соответствующих монет мирного времени более низкой пробой драгоценного металла или полной заменой одного металла другим. Вот типичный пример: во время Второй мировой войны в США резко увеличилась потребность в меди для производства ружейных патронов и артиллерийских снарядов. В результате одноцентовые монеты в 1943 г. чеканились не из меди, а из стали и покрывались тонким слоем цинка. Такие монеты притягиваются магнитом. Внешне они, конечно, сильно отличаются от монет других годов выпуска.

«Железный» цент США, отчеканенный в 1943 г.

Ещё один пример. Пятицентовые монетки («никели») до и после войны чеканились (и сейчас чеканятся) из медно-никелевого сплава. Но в декабре 1941 г. США вступили в войну, и американским военным потребовался также никель. Поэтому в 1942– 1945 гг. никель в этих монетах заменили (в это трудно поверить) на серебро! И состав у них необычный: 56 % меди, 35 % серебра и 9 % марганца.

Деньги из «военных» металлов чеканились во время мировых войн во многих странах – Австрии, Бельгии, Болгарии, Венгрии, Германии, Голландии, Дании, Канаде, Норвегии, Румынии, Швейцарии, Швеции… Сравнительно дорогие (и необходимые для военных нужд) медь, никель и их сплавы заменяли на более дешевые: железо, цинк, алюминий. Военные деньги, как правило, были плохого качества: железные монеты легко ржавели, цинковые были недостаточно твердыми и также корродировали.

Однако и в мирное время существует чёткая тенденция удешевлять монеты, по возможности не меняя их внешний облик. Причина одна: из-за инфляции стоимость металла начинает превышать номинал этих монет. В результате приходится отказываться от традиционных монетных металлов и искать им замену.

Происходит это даже в такой богатой стране, как США. Там с 1965 г. стали чеканить 10-центовые монеты – «даймы» с профилем Рузвельта не из высокопробного (90 %) серебра, а из медноникелевого сплава, очень похожего на серебро, так что внешний вид монеты практически не изменился. Прошло немного времени, и появилась необходимость экономии и на меди: чеканка самой мелкой медной монеты США (1 цент, или «пенни» с изображением Линкольна) стала нерентабельной. В результате с осени 1982 г. металл этих монет изменился. И на этот раз подмена была сделана так искусно, что простые люди это даже не заметили. Но заметили химики!

В 1983 г. американский химик Дж. М. Миллер из г. Мадисона (штат Нью-Джерси) развлекался тем, что с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра анализировал состав разных монет. Этот метод позволяет проводить качественный и количественный анализ металлов и их сплавов без разрушения образца. Анализ показал, что центы, выпущенные до 1982 г., изготовлены из меди с добавкой 5 % цинка. Каково же было удивление Миллера, когда, взяв новенькую монетку 1982 г., он обнаружил, что прибор показывает наличие практически чистой меди, хотя медь дороже цинка. Миллер навел справки и выяснил, что монетный двор США вовсе не работал себе в убыток. Как раз наоборот: новые центы только снаружи покрыты медью, внутри же они цинковые, а цинк дешевле меди. Внешне они не отличаются от старых, только немного легче. В результате общее содержание меди в центах снижено с 95 до 2,5 % – солидная экономия для такого массового производства. Для определения содержания меди Миллер снимал медь с монеты электрохимически. Интересно, что в 1982 г. выпускались монеты обоих типов, а с 1983 г. – только цинковые с медным покрытием.

Прошло не так уж много времени, и чеканка даже цинковых монет стала нерентабельной – стоимость металла в них, хоть и ненамного, превысила номинал. А себестоимость пятицентовых монет достигла 7 центов. Опасаясь массовой переплавки монет на металл с целью извлечения выгоды, правительство США издало закон, карающий подобную деятельность большим штрафом и тюремным заключением. Правда, пока таких «умельцев» не обнаружено. Во многих странах для экономии дорогой меди чеканят монеты из намного более дешевой стали и только сверху покрывают тонким слоем меди или медного сплава. Это позволяет использовать такие монеты для интересного химического эксперимента.

Монеты на уроках химии

Монеты, как старые, вышедшие из употребления, так и находящиеся в обращении, могут служить прекрасной иллюстрацией законов химии. Можно провести такой забавный опыт: слегка соскоблить надфилем краешек современного американского цента и положить его в разбавленную соляную или серную кислоту. В течение нескольких дней кислота будет все дальше и дальше проникать в монету, постепенно выедая ее цинковое нутро и не затрагивая оболочку, пока не останется легкий медный чехольчик. Точное взвешивание поможет определить толщину медного по крытия (конечно, для этого нужно измерить его площадь, что не так сложно).

А можно ли поступить наоборот – снять с этих монет тонкий наружный слой меди, оставив нетронутым цинковую начинку? Казалось бы, это невозможно: цинк намного активнее меди, так что любая кислота, растворяющая медь, намного быстрее будет реагировать с цинком. И как только в каком-то месте монеты обнажится цинк, дальше будет растворяться только он. Правда, если взять монету пинцетом, погрузить ее (в вытяжном шкафу!) в концентрированную азотную кислоту и немедленно промыть водой, немного меди растворится: Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O. Операцию нужно повторить несколько раз, пока не пока жется цинк, после чего хорошо промыть монету водой и слегка отполировать ее (подойдет зубная паста). Найти реагент, избирательно действующий в этих условиях только на медь, непросто. Известно, что одновалентная медь, в отличие от цинка, образует довольно прочные комплексные йодиды, а также нерастворимый йодид. Эксперимент показал, что этим свойством меди можно воспользоваться. Для этого нужно смешать концентрированные растворы йодида калия и сульфата меди (медного купороса). Образующийся в реакции 2KI + CuSO4 = CuI2 + K2SO4 йодид меди(II) неустойчив и тут же распадается: 2CuI2 = 2CuI + I2. Белый йодид меди(I) растворяется в избытке йодида калия: CuI + 2KI = K2CuI3, а свободный йод с йодидом калия образует комплексный трийодид KI3 бурого цвета. Если каплю полученного раствора нанести равномерно на поверхность монеты, она сразу же покроется тонким белым налетом CuI, а бурый раствор обесцветится – это металлическая медь прореагировала с трийодидом калия в растворе. Монету теперь нужно промыть, протереть чистой тряпочкой и повторить весь процесс несколько раз, пока не будет снята с поверхности почти вся медь. Так как цинк тоже частично реагирует с KI3, лучше не доводить процесс до снятия всей меди.

Эти одноцентовые монеты сделаны из цинка и покрыты тонким слоем меди. На левой монете медное покрытие частично удалено химическим способом

Намного проще снять медь или медный сплав со стальных монет. Такие монеты выпускали (и сейчас продолжают выпускать) во многих странах. Покрытие наносят либо путем электролиза, либо плакированием – прокаткой стального листа между двумя тонкими листами из меди или ее сплава. Стальные монеты с латунным покрытием достоинством 1 рубль, 5 и 50 рублей чеканили в нашей стране в начале 1990-х годов (они сохранились во многих семьях). А в 2006 г. стальными стали и наши современные 10– и 50-копеечные монеты. С помощью магнита легко убедиться в том, что все эти монеты имеют стальную основу; видна сталь также на боковом ребре монеты – гурте. Это позволяет провести с такими монетами эффектный опыт: снять с них медный сплав, обнажив стальное нутро.

Положим монеты на несколько дней в плотно закрывающуюся баночку, зальем их водным раствором аммиака и добавим немного окислителя; лучше всего подходят соли пероксодисерной (надсерной) кислоты – надсульфат калия K2S2O8 или аммония (NH4)2S2O8 (перекись водорода не годится, так как в присутствии соединений меди она подвергается быстрому каталитическому разложению: 2Н2О2 = 2Н2О + О2). Довольно быстро раствор начнет окрашиваться в голубой, а потом – в красивый темно-синий цвет, что свидетельствует о растворении медного сплава: медь в присутствии окислителя и аммиака образует комплексные аммиакаты [Cu(NH3)4]2+, тогда как на сталь аммиачный раствор не действует. Когда все покрытие растворится, останутся «железные» монеты довольно необычного вида, как это видно на фотографии; на ней рядом с обработанными химически расположены монеты в их первоначальном виде. Если аммиака в растворе недостаточно, а надсульфата, наоборот, – избыток, поверхность монеты покрывается чёрным слоем оксида меди.

Реакция может идти и без надсульфатов, но для этого необходимо присутствие в качестве окислителя кислорода воздуха: 2Cu + 8NH4OH + O2 = 2[Cu(NH3)4](OH)2 + 6H2O. Правда, такая реакция идет медленнее, да и аммиак из открытой посуды постепенно улетучивается. Кстати, эту реакцию иногда используют для очистки газов от примеси кислорода.

На этой фотографии – монеты разных стран в их исходном виде и после химического удаления покрытия из меди или ее сплава

Для этого медные стружки заливают раствором аммиака и пропускают через него газ. Кислород окисляет медь, а оксид меди немедленно растворяется, так что поверхность стружек остается чистой и реагирует с новыми порциями кислорода. Соединение [Cu(NH3)4](OH)2 образуется и при растворении в аммиаке гидроксида меди; темно-синий раствор называется реактивом Швейцера и используется для растворения целлюлозы и нитроцеллюлозы.

Вообще факт растворения меди в водном аммиаке известен очень давно. Реакцию изучали многие химики, среди них и именитые, в их числе Марселен Бертло и его ученик Пеан де Сен Жиль во Франции, Христиан Шёнбейн в Германии и др. Они установили, в частности, что в ходе реакции окисляется не только медь, но и аммиак, на его окисление расходуется треть поглощенного кислорода; при этом аммиак превращается в газообразный азот или соли азотистой и азотной кислот. Реакция ускоряется с повышением температуры, в присутствии солей аммония, и особенно сильно – при контакте меди с более благородными металлами.

Если стальная монета покрыта не чистой медью, а ее сплавом с цинком (латунь), с оловом или с алюминием (бронза), в ходе опыта идут реакции и с этими металлами. Так, цинк образует аммиакат [Zn(NH3)6](OH)2, стабильность которого лишь немногим уступает аналогичному соединению меди. Алюминий переходит в гидроксид, нерастворимый в избытке аммиака; белые хлопья этого соединения хорошо видны при обработке российских монет. Если же в сплаве присутствует олово, оно в условиях реакции окисляется до оксида олова(IV).

Если взвесить с достаточной точностью монеты до и после снятия покрытия, можно определить его толщину. Для этого необходимо знать плотность сплава (например, для латуни – около 8,8 г/см3), а также площадь монеты (ее легко определить с помощью штангенциркуля). Вот какие результаты получились с определением толщины покрытия для разных монет (как видно, многие страны экономят на металле, выпуская стальные монеты, покрытые медью или медным сплавом).

Конечно, площадь поверхности монет и их масса определяется не очень точно (потому что даже новые монеты могут несколько различаться по массе), однако несколько измерений с монетами каждого вида показали, что толщина покрытия может быть определена с точностью до нескольких микрометров. Об этом же свидетельствуют очень близкие результаты, полученные для однотипных монет (1 и 5 рублей, 10 и 50 копеек, 2 и 5 пфеннигов). Вышедшие из употребления или испорченные монеты можно использовать в качестве образцов для качественного (а иногда и количественного) анализа на занятиях химических кружков, на олимпиадах по химии. Именно так поступили на экспериментальном туре Российской химической олимпиады 1996 г., которая проходила в Самаре. Каждому участнику олимпиады, выполнявшему задания для 11-го класса, была выдана точная навеска кусочка «серебряных» монет (10, 15, 20 копеек), которые были в обращении в СССР с 1961 по 1991 гг. Требовалось определить, какие металлы входят в состав сплава (их два) и установить количественное содержание каждого компонента.

Работа предполагала растворение кусочка монеты в азотной кислоте (концентрация около 30 %) при нагревании (естественно, в вытяжном шкафу). Избыток азотной и азотистой кислот (последняя образуется в ходе реакции 2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3) удаляли добавлением 0,2 г мочевины с последующим кипячением до прекращения выделения газов. (Известно, что мочевина в этих условиях полностью окисляется, например: CO(NH2)2 + 2HNO2 = 2N2 + CO2 + 3H2O.) В оставшемся голубом растворе медь легко определить качественно по ее выделению на обезжиренном гвозде. Присутствие никеля доказывают с помощью диметилглиоксима (реактив Чугаева), который дает с ионами Ni2+ розово-красный осадок; реакцию удобно проводить на полоске фильтровальной бумаги. Для количественного определения меди участники олимпиады использовали реакцию ее ионов с избытком йодида калия. В ходе реакции ионы меди окисляют йодид до йода (при избытке ионов I– образуется трийодид: I2 + I– = I3–), а сами восстанавливаются: 2Cu2+ + 5I– = 2CuI + I3–. Выделившийся йод титровали раствором тиосульфата: I3– + 2S2O32– = S4O62– + 3I–.

На уроках химии монеты нашли и совершенно неожиданное применение. Уже упоминавшийся любознательный Миллер, конечно, обратил внимание на то, что масса новых центов существенно уменьшилась – примерно с 3,1 до 2,5 г. Этот факт навел американских преподавателей химии на мысль ввести в план школьных занятий интересный эксперимент. Практическая неотличимость на вид новых и старых центов делает их уникальным учебным пособием для демонстрации явления изотопии в химии и изотопного анализа. Действительно, старые (медные) и новые (цинковые) центы можно рассматривать как отличающиеся массой изотопные разновидности одного и того же «элемента». В таком случае путем взвешивания кучи нерассортированных монет можно определить содержание в ней каждого «изотопа», если известно общее число монет и масса каждой разновидности.

Наши монетные дворы – Московский и Санкт-Петербургский тоже, оказывается, чеканят время от времени разные «изотопные разновидности» монет. Причина та же – подорожание металла. Так, в 1992 г. были выпущены медно-никелевые монеты достоинством 10 и 20 рублей, но уже скоро из-за инфляции их выпуск стал слишком накладным (металл стал стоить дороже денег), и в 1993 г. эти монеты стали стальными. Причем они настолько похожи на прежние, что отличить их можно разве с помощью магнита.

А с 50-рублевыми монетами смена металла произошла в течение одного 1993 г. – вместо медного сплава они стали стальными с тонким латунным покрытием. Последние «изотопные» разновидности отчеканили совсем недавно. В 2006 г. 10– и 50-копеечные монеты, которые с 1997 г. делали из медно-цинкового сплава, стали чеканить из стали, покрытой томпаком – медно-алюминиевым сплавом (из томпака чеканили и «медные» советские монеты с 1926 по 1957 гг.).

Посмотрим, как на примере монет можно продемонстрировать принцип изотопного анализа в химии. Для сравнения те же выкладки проведены для двух природных изотопов хлора: 35Cl и 37Cl.

* Эту формулу можно записать и как a(M – b) / M(a – b), если окажется, что b > a

С теорией мы разобрались и теперь понятно, как химики определили из эксперимента долю каждого из изотопов хлора в их смеси. Точно такие же выкладки применимы и к монетам. Различие в массах «изотопных» разновидностей гривенников и полтинников 2006 г. (1,9 и 1,85 г для 10 коп. и 2,9 и 2,75 г для 50 коп.) невелико – всего 2,7 и 5,5 % (у хлора разница составляет 5,4 %, а у американских центов – целых 19,3 %). Тем не менее точное взвешивание нерассортированной кучи монет дает возможность рассчитать, сколько в них монет каждого сорта – по массе, либо по числу монет, если подсчитано общее число монет. Если монеты рассортировать по годам (это легко сделать с помощью магнита), можно проверить правильность проведенных выкладок. С хлором, увы, такой фокус с магнитом не проходит, и для разделения изотопов используются сложные и дорогостоящие методы (правда, некоторые из них могут использовать разное отклонение тяжелых и легких ионов хлора в магнитном поле).

А вот еще один очень красивый опыт с американскими центами (впервые его предложили канадские преподаватели химии). На уроках химии учащимся раздают по три одноцентовые монетки и специальный картонный конвертик с отверстиями по диаметру монет, заклеенными с двух сторон целлофаном. Первую монету сразу кладут в конверт – она служит образцом. Две другие монеты кладут в фарфоровую чашечку с концентрированным раствором щелочи и порошком или мелкими гранулами цинка на дне и осторожно нагревают на водяной бане (использование защитных очков на уроках химии в американских школах является абсолютно обязательным!). Довольно скоро медные монеты становятся «серебряными» – они покрываются тонким блестящим слоем цинка. С помощью щипцов монеты осторожно вынимают из чашечки и промывают водой. Одну из них высушивают и кладут в конверт, а вторую, держа за гурт (ребро монеты) щипцами, вносят на несколько секунд в верхнюю часть пламени газовой горелки. Происходит настоящее чудо: «серебряная» монета мгновенно превращается в «золотую»! Не такой ли опыт показывали средневековые шарлатаны, превращавшие на глазах у изумленной публики «серебряные» монеты в «золотые»? (Правда, им проще было амальгамировать золотую монету, то есть покрыть ее тонким слоем ртути, а затем сильно нагреть: при высокой температуре ртуть быстро испаряется.) Полученную «золотую» монету сразу же охлаждают водой, чтобы предотвратить окисление ее поверхности. И третья монета занимает оставшееся место в конверте, который заклеивается и остается у учащегося, чтобы он мог рассказать дома, какие у них в школе замечательные уроки химии.

Почему монета из «серебряной» становится «золотой», объяснить просто: при высокой температуре атомы цинка движутся (диффундируют) внутрь поверхности меди, образуя сплав меди с цинком – латунь, по цвету очень напоминающий золото. Следует только учесть, что цинк при высокой температуре летуч, и если монету перегреть, он начнет испаряться с поверхности, а латунь будет окисляться, так что опыт не получится. А вот объяснить, почему цинк в щелочной среде осаждается на меди, намного сложнее. Даже сотрудник Центральной технической школы в Торонто (Канада) А. Т. Натан, описавший этот эксперимент с центами, не знал ответа. Чтобы объяснить это необычное явление, группа американских химиков из Буффало (штат Нью-Йорк) провела специальное научное исследование, объяснение которого далеко выходит за рамки школьной программы.

Опыт одинаково хорошо получается с центами, выпущенными как до, так и после 1992 г. С нашими «медяками» (алюминиевая бронза до 1961 г. или медно-цинковый сплав для монет 1961–1991 гг.) опыт тоже получается, хотя и не так хорошо, в отличие от медных монет царской чеканки или выпусков 1924–1925 гг. Можно, конечно, взять просто кусочки чистой меди, но это не так интересно. С образовавшимся латунным слоем, а также с любыми другими латунными изделиями можно провести и такой опыт: протравить поверхность смесью концентрированной азотной кислоты (30 %) и пероксида водорода (70 %) – под микроскопом будут видны красивые кристаллы. Большие кристаллы цинка часто видны и на оцинкованной жести.

Химия и химики на монетах и марках

Химия и химики, к сожалению, очень редко попадают на моне

ты – в отличие, например, от почтовых марок: их на химическую тематику выпущено много сотен, и изданы специальные альбомы и книги, посвященные химии в филателии. Непосредственно химии посвящена единственная в мире монета, отчеканенная в Сан-Марино (500 лир, 1998 г.) – уникальный случай в нумизматике. На ней изображен традиционный символ химии – реторта (хотя химики уже давно ретортами не пользуются). Необычен также показанный на монете способ подогрева реторты открытым пламенем – видимо, с помощью невидимой зажигалки.

* * *

Вот еще несколько монет, так или иначе связанных с химической тематикой. Одновременно показаны также некоторые почтовые марки той же тематики, что и монеты.

Австрия, 25 шиллингов, 1958. Монета посвящена 100-летию со дня рождения австрийского химика Карла Ауэра фон Вельсбаха (1858–1929). Ауэр открыл редкоземельные элементы празеодим, неодим и лютеций, изобрел газокалильную сетку (газовыми горелками с «ауэровскими» колпачками в течение многих лет освещались улицы городов), предложил использовать в лампах накаливания вместо угольной нити металлическую – из тугоплавкого осмия.

* * *

Польша, 10 злотых, 1967. Монета посвящена 100-летию со дня рождения Марии Склодовской-Кюри (1867–1934). Эта уникальная женщина была дважды удостоена высшей для ученого награды – Нобелевской премии: по физике за 1903 год (совместно со своим мужем Пьером Кюри и Анри Беккерелем) – за изучение явления радиоактивности, и по химии за 1911 год – за открытие полония и радия и изучение их свойств. Монеты с изображением Марии Кюри были отчеканены также в Польше в 1974 г. (100 злотых); во Франции (100 франков, 1984, и 20 евро, 2006).

В Польше была выпущена также монета (3 злотых, 1998), посвященная 100-летию открытия супругами Кюри радиоактивных элементов полония и радия.

Той же теме посвящена французская монета (100 франков, 1997) с символом радия и его атомной массой.

Супруги Кюри изображены также на монете, выпущенной в Сан-Марино (50 лир, 1984).

Им посвящено множество почтовых марок разных стран мира.

* * *

Греция, 10 драхм, 1976. Монета посвящена древнегреческому философу Демокриту (ок. 460–370 до н. э.). Демокрит – знаменитый ученик Левкиппа, последователь его атомистического учения. Демокрит впервые в явном виде сформулировал связь предполагаемых свойств невидимых атомов со свойствами веществ, что является основой современной науки, в том числе и химии. На другой стороне монеты – стилизованное современное изображение атома. Это же изображение – на двух почтовых марках, выпущенных в Греции в 1961 и 1983 гг. На марке 1983 г. на изображение атома наложен символ пацифистского движения; этим художник хотел подчеркнуть, что атом должен быть только мирным.