Измеряем плотность металла

Один из самых великих ученых древности Архимед был родственником царя Гиерона, который правил в городе Сиракузы на острове Сицилия. Как-то царь заказал своему ювелиру изготовить ритуальный золотой венец, который использовался во время жертвоприношений. Чистое золото слишком мягкое, поэтому в золотые изделия дня придания им твердости добавляют определенное количество меди или серебра. Гиерон, подозревая своего ювелира в обмане, поручил Архимеду доказать, что в корону подмешано больше меди, чем следовало. Архимед долго и безуспешно пытался решить эту задачу. Ведь никаких методов химического анализа в те времена еще не существовало. Единственный способ заключался в определении плотности металла, а для этого надо было взвесить корону (что не составляло труда) и определить ее объем — а вот это сделать для предмета неправильной формы не так-то просто! Предание гласит, что решение пришло неожиданно, во время приема ванны: ученый обратил внимание на то. что его тело выплеснуло из ванны часть воды на пол, а само стало весить намного меньше. Значит, об объеме веса тела (причем не обязательно Архимедова!) можно судить по тому, насколько оно потеряет в весе при погружении в воду. Архимед был настолько взволнован этим открытием, что выскочил из ванны и, забыв о том, что он голый, побежал по улицам Сиракуз с радостным криком: «Эврика!» (что в переводе означает «Нашел!»). Так это было или иначе — доподлинно неизвестно, несомненно лишь то, что именно Архимед открыл знаменитый закон, названный впоследствии его именем. После этого задача с короной была быстро решена: Архимед знал плотность чистого золота (по современным данным 19,3 г/см³ — это один из самых тяжелых металлов) и меди (8,96 г/см³). Возможно, при изготовлении короны золото было сплавлено не с чистой медью, а с бронзой — сплавом меди и олова; Архимед, конечно, знал и плотность бронзы. Измерив плотность короны, Архимед вычислил долю золота в сплаве.

Попробуем повторить опыт Архимеда. Конечно, мы возьмем не золотую корону, а что-нибудь попроще, например, старую серебряную ложку. А действительно ли она серебряная? Естественно, если сохранилось клеймо, на котором указана проба серебра, то никаких измерений не потребуется. А если оно не сохранилось или на нем ничего разобрать нельзя даже с помощью лупы? Тут-то и пригодится способ, придуманный Архимедом. Плотность — это отношение массы к объему. Массу ложки легко определить взвешиванием. А как найти ее объем? С помощью тонкой нитки привяжем ложку к одной из чашек весов и взвесим ее. Теперь повторим взвешивание, аккуратно опустив ложку в кастрюлю или большую банку с водой так, чтобы ложка не касалась стенок (подобные измерения плотности проводил еще Роберт Бойль, как это видно из рис. 1.1). В соответствии с законом Архимеда, ложка должна потерять в весе ровно столько, сколько весит вода, вытесненная ложкой. Плотность воды при комнатной температуре почти не отличается от 1,00 г/см³, поэтому разность двух взвешиваний ложки — в воздухе и в воде — как раз и равна объему ложки в кубических сантиметрах. Пусть, например, ложка весила в воздухе 89 г, а в воде — 78 г. Разность дает нам объем ложки — 11 см³. Плотность ложки получается равной 89 г/11 см³ = 8,1 г/см³ (с округлением первого знака после запятой из-за не очень точного взвешивания). Значит, ложка не серебряная (плотность серебра 10,50 г/см³), а скорее всего — стальная. Таким же способом можно отличить и многие другие металлы, например, свинец (плотность 11,3 см³) от олова (плотность 7,29 см³).

Если у кого-нибудь есть дома школьная медаль — «золотая» или «серебряная», можете попробовать таким же способом измерить ее плотность. После этого станет понятно, почему слова, обозначающие достоинства медали, взяты здесь в кавычки. Если таких «сувениров» не отыщется, вот результаты измерений автора.

Медаль № 1. «Золотая» медаль, выданная в 1962 году. Диаметр — 40 мм. На одной стороне — надпись «РСФСР» и соответствующий герб (сейчас уже мало кто помнит, в каком порядке в этой аббревиатуре следуют слова «социалистическая» и «советская»); на другой стороне изображена книга в лавровом венке и надпись «За отличные успехи в учении, труде и за примерное поведение» (ее острословы быстро переиначили: «За тихие успехи и громкое поведение»). Масса медали (взвешивание проводилось в домашних условиях на простых аптекарских весах, которые подвешиваются за колечко на гвоздик) равна 26,46 г в воздухе и 23,48 г — в воде. Отсюда объем медали — 2,98 см³, а плотность — 2,46 г/ 2,98 см³ = 8,88 г/см³ = 8,9 г/см³. Полученное значение очень близко к плотности меди — 8,96 г/см³. Напомним, что золото более чем вдвое тяжелее. Значит, медаль сделана из меди (или медного сплава, например, из латуни или бронзы — сплавов меди с цинком и оловом) и лишь позолочена с поверхности. Как сказали знающие люди, до 1960 года школьные медали действительно были золотыми, 375-й пробы, т. е. золота в них было 37,5 %; теперь же «золотые» медали делают из томпака (это сплав меди с цинком, близкий к латуни, но с меньшим содержанием цинка) и только снаружи покрывают позолотой.

Медаль № 2. «Серебряная» медаль, выданная в 1968 году. Внешне она отличается от предыдущей только цветом. Масса — 24.96 г в воздухе и 22,06 г в воде, объем — 2,90 см³, плотность — 8,61 = 8,6 г/см³. Видимо, это тоже медный сплав; такую плотность имеет, например, сплав, очень близкий к мельхиору: 75 % меди, 20 % никеля и 5 % цинка, а также бронза состава 67 % меди, 33 % олова. А довольно сильное потемнение медали за несколько десятков лет говорит о том, что она, скорее всего, посеребрена (серебро темнеет на воздухе, если в нем есть хотя бы малейшие следы сероводорода, который может выделяться из резины, при варке яиц и т. п.). О серебряном покрытии непосредственно свидетельствует и проба, применяемая ювелирами. Когда на очищенную боковую поверхность медали капнули раствором дихромата калия («хромпика») в серной кислоте, под каплей сразу же появилось характерное красное пятно (легко потом счищаемое) — осадок дихромата серебра красного цвета.

Медаль № 3. «Серебряная» медаль, выданная в 1998 году. Размер у нее такой же, но рисунок другой: на одной стороне — силуэт женщины в лучах солнца, на другой — герб Российской Федерации на символической «сургучной» печати и две надписи: «Россия» и «За особые успехи в учении». Ну а каковы «особые успехи» в составе сплава? Масса медали — 26,50 г в воздухе, 23,50 г в воде, объем — 3,00 см³, плотность -8,83 = 8,8 г/см³. Видно, что за 30 лет медаль немного потяжелела, приблизившись по плотности к «золотой». Но она, конечно, не серебряная, во всяком случае, не из чистого серебра (напомним, что его плотность 10,5 г/см³). И даже не из «монетного сплава», содержащего 90 % серебра и 10 % меди (его плотность 10,3 г/см³). Плотность 8,8 г/см³ имеют, например, сплавы 65 % меди, 18 % никеля и 17 % цинка, или 90 % меди и 10 % олова (бронза), или 96 % меди и 5 % марганца, а также некоторые другие. Проба с тем же раствором не дала с первой попытки положительного результата, только после зачистки небольшого участка на ребре медали на нем под действием реактива появилось красное пятно. Видимо, современные медали после серебрения покрывают каким-то защитным слоем — недаром они не темнеют со временем!

В заключение — краткие сведения о пробах, которые ставятся на изделиях из драгоценных металлов: золота, серебра, платины, палладия. Иногда, чтобы разглядеть пробу на старом изделии, нужно увеличительное стекло. Проба указывает содержание в сплаве драгметалла. Пробы бывают разные. Так, старая российская золотниковая проба, введенная указом Петра в 1700 году, обозначала количество золотников чистого металла в одном фунте сплава. Современная метрическая проба (в нашей стране она принята в 1926 году) показывает массу драгметалла в граммах в 1000 г сплава. Поэтому, например, старой пробе 84 соответствует современная (84:96) х 1000 = 875. Например, с 1886 года проба российских монет достоинством 1 рубль, 50 и 25 копеек была равна 86 х 2/5 (что соответствует современной 900-й пробе), а проба монет достоинством 20, 15,10 копеек и маленьких серебряных «пятачков» массой всего 0,9 г. которые чеканились с 1867 по 1915 год (в отличие от громадных медных пятаков массой 16,38 г), была равна 48 (по-современному — 500). Советские рубли и полтинники имели 900-ю пробу, а более мелкие серебряные монеты 1921–1931 годов содержали только 50 % серебра (500-я проба). Современные серебряные изделия могут иметь пробу 960, 925 (так называемое «стерлинговое» серебро — название происходит от серебряной английской монеты, которая чеканилась в XII–XV веках; 240 таких монет по весу составляли «фунт стерлингов»), 916, 875, 800 и 750.

На золотых украшениях часто стоит 583-я проба. Это означает, что сплав содержит 58,3 % золота. Сейчас часто можно встретить на золотых изделиях 585-ю пробу. Это не значит, что золота в них больше. Проба 583 — это пересчет на метрическую старой 56-й пробы: (56:96) х 1000 = 583,3. Допустимое отклонение в содержании драгметалла укладывается в эту разницу, поэтому пробы 583-я и 585-я — это фактически одно и то же.

В некоторых странах (Англия. Швейцария) до сих пор используют каратную пробу, по которой чистое золото имеет пробу 24 карата; таким образом, пробе «14 карат» соответствует метрическая 583-я проба.

Для приблизительного определения пробы используют химический метод. След, оставленный изделием на пробирном камне (черный камень с отшлифованной матовой поверхностью), обрабатывают специальными растворами. Так, концентрированная 72 %-ная азотная кислота полностью растворяет след от золотого сплава, если его проба меньше 333-й. Если штрих окрасился в коричневый цвет, проба золота — от 333-й до 500-й. а если изменений не было — больше 500-й. Коричневый след — это мелкораздробленное золото, оставшееся после растворения других металлов (меди, серебра) в сплаве. Используя смесь азотной и соляной кислот, можно быстро определить приблизительное содержание золота в сплавах с пробой от 160-й до 1000-й (чистое золото). Для более точного определения пробы цвет штриха от изделия сравнивают с цветом штрихов от эталонных сплавов известной пробы. Таких сплавов (в виде специальных игл) существует множество, и отличаются они содержанием не только золота, но также меди и серебра. Дело в том. что даже при одной и той же пробе золотые изделия могут сильно отличаться по цвету. Это зависит от вида и содержания металла, с которым сплавлено золото (такой металл называют лигатурным). Так, серебро, сплавляемое с золотом в разных соотношениях, придает сплаву белый, желтый или даже зеленый оттенок. Медь делает золото красноватым, сплав, содержащий 9 % серебра и 32,5 % меди, имеет оранжевый цвет, а сплав с 20 % палладия дает так называемое «белое золото».

Реже применяются другие лигатуры. Например, кадмий придает золоту зеленоватый оттенок, цинк — белый, никель — бледно-желтый.

Дата добавления: 2015-08-21