Сто с небольшим химических элементов входят в перечень «строительных деталей», из которых воздвиг себя мир, живой и неживой.

Нам повезло: Земля не обделена. В доступной для наблюдения части вселенной не обнаружено ни одного элемента, какого нет в нашем распоряжении.

Земной шар — своего рода исполинская химическая лаборатория, действующая вот уже довольно продолжительное время. В нем возникали условия для протекания всевозможных реакций. Нужны были высокие давления — пожалуйста: в недрах вещество сжималось с силой в сотни тысяч, даже в миллионы атмосфер. Температуры? Шар кипел и бурлил огненным месивом. Время? Сколько угодно — дни, тысячелетия, сотни миллионов лет. Природа не считается с затратами.

В результате запутанных, бесконечных химических пертурбаций и сформировалась (да и сейчас потихоньку продолжает формироваться) наша планета.

Кто-то своими руками сотворил огонь. Кто-то из жесткой, грубой шкуры убитого зверя выделал кожу. Кому-то посчастливилось из руды получить железо. Человек искал впотьмах, на ощупь и натыкался иной раз на такие крупные удачи. Это было загадочно, необыкновенно, и потому искусство совершать какие бы то ни было химические превращения долгое время считалось священным. Оно попало в руки жрецов. Из стран Востока на заре нашей эры достижения прикладной химии перенеслись в Грецию. Ей наследовал Рим. А когда одряхлевшая империя рабовладельцев рухнула, лидерство в науках и ремеслах перешло к арабам. Прикладное и мистическое начала своеобразно переплелись в деятельности арабских химиков. С фанатичным упорством трудились они над тем, чтобы составить рецепт получения золота из других металлов, а также эликсира против всех болезней и даже самой смерти. Соединяя различные вещества, алхимики («ал» — приставка арабского происхождения) «между делом» синтезировали многие практически ценные соединения. Но хотя с помощью черной магии в соавторы привлекались всевозможные духи, главной цели своих трудов они не достигли.

Европейские преемники арабских магов на протяжении нескольких столетий — XII–XV веков — чадили и колдовали в своих тщательно засекреченных лабораториях, составляли умопомрачительные рецепты «философского камня», морочили головы коронованных невежд и, случалось, уличенные в надувательстве, кончали свои дни на виселице.

Все это наукой и не пахло. Алхимия скорее была нелепо поставленной и витиевато зашифрованной, слепой и спотыкающейся прикладной химией.

Люди уже знали множество химических соединений. Они освоили производство стекла, применяли порох, чеканили монету и отливали бронзовых богов, ковали великолепные клинки и получали краски, сохранявшие свежесть вопреки стараниям всеразрушающего времени.

Прикладная химия была уже немолодой и многоопытной, за ее плечами тянулась длинная вереница веков, когда родилась наука химия. Это случилось удивительно недавно — какие-нибудь две с половиной сотни лет назад.

В XVII веке природу уже изучают ботаника, зоология, минералогия. Сначала исследователи ограничивались лишь «инвентаризацией» окружающего мира. Они составляли списки всего, чем он богат. Следующий шаг — попытки разобраться в обширных наблюдениях, сделать обобщения, перейти от индивида к виду.

Такой же путь предстоял и химии. Но если сороконожку, антилопу гну, одуванчик, полевой шпат природа демонстрирует «в чистом виде», то химические индивиды, как правило, замаскированы ею в более или менее сложных обличьях.

Надо было научиться извлекать их. «Нужные и в химических трудах употребительные натуральные материи сперва со всяким старанием вычистить, чтобы в них никакого постороннего примесу не было, от которого в других действиях обман быть может», — наставлял химика Михайло Ломоносов, величайший основоположник научной химии, автор первого, отправного ее закона — закона сохранения вещества.

Разделять — вот главное устремление химиков XVIII века; определять вес и меру — вот главные средства для достижения этой цели. «Природа даже через посредство людей никогда не производит соединения иначе, как с весами в руках — по весу и по мере!» — восклицал французский химик Л. Пруст. Эпоха гаданий и домыслов отошла в прошлое, уступив место эпохе уверенной, целенаправленной, напряженной работы. Весы, внесенные в химическую лабораторию, изгнали из нее теорию флогистона и ряд других допущений, опровергнутых измерениями.

Однако опыты способны не только ниспровергать старое и открывать новое, но и порождать беспощадно сложные вопросы. Как доказать, что в пробирке химический индивид, а не группа их? Что представляют собой однородные тела, которых так много в природе, — химические соединения или просто смеси?

Усилия великих умов были сконцентрированы на решении задачек из учебника для начальной школы, составленного строгим учителем — природой. В ходе решения химики знакомились с членами скрытной семьи элементов, всякий раз добиваясь этой чести наблюдательностью, терпением и остроумием эксперимента. То была бурная, весенняя пора метода химического анализа. Он помогал опознавать химические индивиды, давать им точные количественные характеристики.

Вновь после продолжительного перерыва наука вернулась к вопросу, живо обсуждавшемуся философами античности: что представляет собой вещество? Теперь, в XIX веке, на этот философский и естественнонаучный вопрос должны были дать ответ естествоиспытатели, творцы молодой неорганической химии. Правда, его уже в XVIII веке дал Ломоносов в своей корпускулярной теории. Но отсутствие необходимых точных данных о количественном составе сложных веществ не позволяло в его время проверить гениальные предположения ученого. Теперь эти данные были.

Точно славный богатырь Илья Муромец, ставший на ноги в «тридцать лет и три года», химия наверстывала свой затянувшийся младенческий и алхимический период бурными темпами, сказочными деяниями. Она вскрывала гармонию в головоломном хаосе разнообразия, сотворенного природой. Группируя немые и слепые факты, устраивая «очные ставки» между ними, устанавливая причинные связи между явлениями, неорганическая химия заставляла мертвую материю выбалтывать строжайшие секреты мироздания, открывала поистине фундаментальные законы природы. Среди них ярчайшее проявление научной прозорливости — периодический закон, периодическая система элементов Д. И. Менделеева. На этих законах природы воздвигалась могучая, безграничных возможностей наука.

В значительной мере именно она, неорганическая химия, формировала убеждение в материальности и познаваемости мира, опрокидывала одно за другим вздорные, трусливые басни о неисповедимой деятельности некоего всевышнего творца. Неорганика становилась фактором, определяющим духовный и материально-технический облик эпохи, непременным элементом знаний каждого культурного человека.

Неорганика неотступно двигалась вперед. Для дальнейшего, более полного и разностороннего познания естества, установления новых закономерностей химия вынуждена была обратиться к физическим методам исследования.

«Химик, не являющийся в то же время физиком, представляет собой ничто», — заявил Бунзен, один из авторов способа спектрального анализа.

В середине XIX века от неорганической химии, проявляющей равный интерес ко всем «кирпичикам мироздания», отпочковалась химия органическая, избравшая своим объектом соединения одного элемента — углерода.

Нашу Землю можно назвать планетой торжествующего углерода. Ни один элемент не «создал» столько соединений на земном шаре, сколько углерод. Соединения углерода считаются носителями жизни; все остальные вещества, хотя и изменяются со временем, рассматриваются как представители мертвого мира — так они малоподвижны, когда предоставлены самим себе.

Органический мир, живой мир, мир растительных и животных продуктов не мог не вызвать к себе жгучего интереса химиков. Их захватывало безудержное разнообразие этого мира, их манила трудность получения органических соединений искусственным путем.

Вторая половина прошлого столетия ознаменовалась серией блестящих достижений органического синтеза. Как бы воскрешая трупы растений и животных далекого прошлого, возвращая к жизни их энергию, краски, аромат, целебные свойства, органики синтезировали искусственные органические красители, ценные лекарства, разнообразные душистые вещества. Они приготовили бездымный порох, искусственный шелк, целлулоид, высококалорийные виды топлива.

В середине XIX века на фоне пышного расцвета органической химии неорганика казалась многим отцветшим, навсегда переставшим плодоносить деревом знаний. Ее фундаментальные законы, классические схемы технологических процессов вошли в учебники, стали прописными школьными истинами.

Подобные периоды временного затишья, неустойчивого покоя проходит в своем развитии каждая наука. Совсем недавно, например, «воскресла» древняя акустика. Ее уже списали было в историко-научный архив, как «вдруг» в нашу жизнь ворвались ультразвуки, нашли применение инфразвуки…

Предстояло сказать новое слово и неорганике.

Она сказала это новое слово, и ему с благодарностью внемлют самые передовые, самые романтические отряды науки и техники наших дней.

В новой Программе Коммунистической партии Советского Союза записано: «…совершенствование существующих и изыскание новых, более эффективных методов разведки полезных ископаемых и комплексного использования природных богатств».

Каждый читает по-своему. Геологи встрепенулись, встретив слово «разведка», химикам бросилось в глаза «комплексное использование».

…На столы химических лабораторий без конца прибывают каменные посылки постоянного корреспондента — природы. Надо быстро «вскрыть» и точно определить их содержимое.

С этого начинается служба неорганической химии. Надо полно и безошибочно ответить на вопрос: «Что там?» Ведь решается судьба горы, приславшей «посылку», и характер промышленности, которой предстоит эту гору «переваривать», и будущее края, где найдено новое месторождение. Казалось бы, что тут сложного? Раз элементы открыты, их соединения большей частью известны. И все же задача эта не всегда решается просто. Например, особого внимания к себе требуют металлы платиновой группы, редкоземельные «близнецы», селен, теллур и некоторые другие. Они заставляют аналитиков изрядно покопаться в сырье.

Но вот содержимое «посылки» разложено по полочкам. Дана характеристика сырью «по валу» и «по номенклатуре» имеющихся в нем химических элементов. Надо далее указать, в какой форме, в каком содружестве каждый элемент присутствует в сырье. Это помогает решить вопрос, выгодно ли заниматься обогащением руды. Недаром химический анализ, готовящий ответы на такие вопросы, называется «рациональным».

Скрупулезно изучая свойства «кирпичиков мироздания», наука давно пришла к заключению, что бесполезных среди них нет. Практика подтверждает этот вывод: все меньше представителей таблицы Менделеева ожидают получения работы за воротами производства.

Комплексное использование природных богатств, как правило, задача исключительно сложная. Для ее решения обычно требуется немало времени и консолидация сил научно-исследовательских и проектных организаций.

История освоения апатито-нефелиновой «шкатулки», припрятанной природой на Кольском полуострове, началась более трех десятков лет назад, а не закончилась и поныне. «Шкатулку» нашли в Хибинах академик А. Е. Ферсман и А. Н. Лабунцов. Это крупнейшее месторождение было роскошным подарком науки народному хозяйству юной республики.

Вначале добываемая здесь порода проходила сравнительно короткий путь переработки: ее обогащали и выделяли апатитовый концентрат. Полупродукт поступал на предприятия, где по способу, разработанному под руководством академика С. И. Вольфковича, из него изготовляли удобрения — суперфосфат, аммофос, преципитат.

Это было большим событием в экономической жизни страны.

Но радость победы химикам отравлял сам виновник торжества — хибинский минерал. Они-то знали, что в нем прячется целый набор элементов и их соединений, что каждое из этих веществ требуется или в ближайшее время станет остронеобходимым народному хозяйству.

Самая яркая страница в эпопее освоения этого ископаемого богатства связана с получением алюминия. При переработке породы выделялся в форме концентратов нефелин. Он содержал сложное соединение Na₂O · Al₂O₃ · 2SiO₂. Алюминий и щелочь — в отходах! Примириться с этим действительно было трудно. Но разработать технологию нового процесса казалось еще труднее. Как и всякая сложная задача, эта породила и энтузиастов и скептиков. Спор между ними закончился в послевоенное время. В Институте прикладной химии был разработан, а на Волховском алюминиевом заводе внедрен способ промышленного получения щелочей и цемента из недавних отходов «крылатого металла». Как известно, руководитель этой работы Д. Л. Талмуд был удостоен Ленинской премии.

Но, как мы уже сказали, «шкатулка» еще не исчерпана до дна. Алюминию в нефелине сопутствуют галлий и некоторые другие редкие элементы. Возможности заманчивые.

Подобными «шкатулками» природа щедро одарила наши недра. Под боком у бурного Каспия лежит отделенный от него длинной песчаной косой тихий залив Кара-Богаз-Гол. Веками вливало море в эту плоскую тарелку свою густо-соленую воду. Южное солнце выпивало влагу, а соль оставалась. Это соль земли, собираемая реками, как дань, с территорий, по которым они протекают. Какие только породы не встречают на своем пути вечные странницы! И повсюду бегущий поток вымывает растворимые химические соединения.

Свою добычу реки отдают морю. Не удивительно, что в его водах собираются чуть ли не все элементы таблицы Менделеева. Кара-Богаз-Гол — место, где похищенные реками богатства море возвращает суше. Но если в земле эти вещества рассеяны на необозримых просторах, здесь они как на складе. Кара-Богаз готов отпустить потребителю несметные количества натрия, магния, калия, кальция в различных соединениях. Полагают, что при заводской переработке солей и рапы залива могут быть легко получены и такие лакомые для новейшей техники элементы, как литий, бор, а также бром, йод и другие. А для особо усердных искателей древний Кара-Богаз бережет на своем дне даже благородные металлы — золото и серебро.

Пока эта живая таблица Менделеева — в основном лишь потенциальное месторождение.

Кара-Богаз ждет своего часа. Ждет тех, чью волю и энергию он прославит, раскрыв народному хозяйству страны свои истомившиеся сокровища.

Да и не только Кара-Богаз. В прикаспийских степях, в Западной и Восточной Сибири, на Северном Кавказе и в Средней Азии, в Крыму и в Закарпатье белеют блюдца соляных отложений, сверкают соляные озера — малые и большие кара-богазы, скопившие впрок ценное сырье.

…Подобно чудаковатому голландцу Антони Левенгуку, который свои замечательно отполированные линзы нацеливал на самые неожиданные предметы — вплоть до мушиных мозгов — и открывал целые миры неведомых прежде микроскопических существ, химики, овладев методами анализа, организовали «погоню» за микроскопическими вкраплениями трудно изловимых элементов. Они анализировали даже то, что либо вовсе не считалось сырьем, либо уже перестало им быть. Они соскребали черную копоть с заводских труб, брали пробы сточных вод, шли на свалки промышленных отбросов. И делали удивительные находки. Отвалы пустой породы, оказалось, могут претендовать на роль месторождений. А дымы, что коптят небо и легкие человека, вылетают в трубу вместе с разными ценными элементами, к числу которых, в частности, относится «король полупроводников» германий.

Буровые воды — спутники «черного золота» на нефтяных месторождениях. Спутники докучливые. И вдруг оказывается, что воды эти — тоже «золотые». В них растворены бор, бром, йод, сода и другие вещества. Вот так новость — месторождение в месторождении!

Если б элементы обрели дар речи, то в их официальном доме, именуемом таблицей Менделеева, можно было бы услышать немало любопытного. Группа, носящая перед своими фамилиями аристократическую приставку «ДЕфицитных», обличала бы всех и вся за неуважение к их персонам.

— Нас — в отбросы! — негодовали бы селен, золото, германий, олово и другие. — И только потому, что мы живем в медных колчеданах, а медные колчеданы, видите ли, перерабатывают на серную кислоту. Какие же тогда мы дефицитные, дорогостоящие, если к нам такое отношение?

Цинк, галлий, индий, селен, теллур, золото, серебро, платиноиды, мышьяк и другие заявили бы протест по поводу того, что уральские заводы извлекают лишь 10 процентов компонентов, входящих в состав медно-колчеданных руд.

Но, может быть, потери неизбежны? Может быть, для этой «золотой рыбешки» «трал» создавать не стоит, так как он не будет достаточно эффективным?

В самом деле, представим себе, что по чьему-то указанию рыбы всех рек, озер, морей и океанов покинули свои косяки и более или менее равномерно распределились по всей водной территории земного шара. Согласитесь, это был бы трагический для мирового рыболовного промысла порядок. Сколько воды пришлось бы обшарить, чтоб в сетях было на что смотреть! Аналогичную неприятность доставляют некоторые элементы, рассеянные в земной коре и «вылавливаемые» в гомеопатических дозах.

И все же существуют промышленные способы добывания этих элементов. Правда, они менее эффективны, чем те, которые под большим секретом держит природа.

Мы уже отмечали, что морская вода — уникальное месторождение. Кое-кто из отдыхающих, допустим, на Рижском взморье был бы, возможно, польщен, узнав, что купается в растворе золота. По некоторым подсчетам, количество желтого металла в Мировом океане составляет примерно 7 000 000 000 тонн! Но на каждую тонну воды приходится лишь пять тысячных грамма золота. Современную технику не вдохновляет перспектива обогащения человечества путем добычи драгоценного металла из морской воды. Есть опасение, что так скорее разоришься, чем сколотишь капитал. Хотя высокоэффективные способы извлечения элементов, содержащихся даже в столь незначительных концентрациях, есть. Ими владеют, например, некоторые морские организмы.

В соревновании с природой химики одержали и еще одержат не одну блестящую победу. Но, по-видимому, так и не настанет время, когда им нечему будет учиться у своего великого учителя. Уроки, преподносимые природой, человек усваивает творчески. Он не копирует «технологию» естественных процессов, а разрабатывает свою, иногда менее, а порой и более совершенную, чем та, что могла служить образцом. При этом всегда руководствуется в первую очередь материальными запросами времени, требованиями экономики. Что касается неорганической химии нашей страны, то грандиозные планы развития народного хозяйства выдвигают перед ней в качестве неотложной задачи изучение химических систем и процессов, которые лягут в основу более совершенной технологии. Такой технологии, которая сделает возможным вчера еще невозможное, выгодным — вчера еще невыгодное. Эта технология сведет к минимуму обесценивание материи и превратит отходы в сырье.

К особо ощутимым экономическим последствиям приводит изменение технологии в производстве самых «массовых» полупродуктов. Это «три кита» основной химии: серная кислота, сода, минеральные удобрения.

Когда мы хотим подчеркнуть безусловную первоочередную и повседневную необходимость какого-либо продукта для промышленности, то сравниваем его с хлебом. Цемент — хлеб строительства. Металл — хлеб индустрии.

Так вот каждый из названных продуктов неорганики — тоже хлеб, и не одного, а огромного количества производств.

Проходят годы, меняется облик, характер производственных процессов, новые материалы завоевывают всеобщее признание. А серная кислота, сода, минеральные удобрения по-прежнему остаются повседневно и во все больших количествах необходимыми. И ничто, никакие заменители не заменят этих «фундаментальных» соединений неорганической химии. К ним смиренно обращается и всемогущий отпрыск неорганики — органическая химия. Ведь без древней H₂SO₄ невозможны ни нефтеперерабатывающая промышленность, ни изготовление взрывчатых веществ, лекарств, красок, пластмасс. Всего не перечислишь. Считают, что уровень производства и потребления серной кислоты характеризует уровень всей химической промышленности страны. А элемент, занимающий 16-ю клетку таблицы Менделеева, рассматривается мировой экономикой в первую очередь как сырье для получения серной кислоты.

Но наличные запасы элементарной серы далеко не всюду удовлетворяют нужды сернокислотной промышленности. Недостающую серу извлекают из различных, содержащих этот элемент минералов. Причем, как уже отмечалось, не всегда рационально. Серная кислота выпускается в миллионах тонн и никогда не затоваривается. Напротив, с каждым годом промышленность требует ее все больше. В связи с этим обостряется проблема получения достаточного количества серы.

Главный элемент сернокислотного производства является главным врагом черной металлургии. Серу изгоняют всеми возможными средствами на всех стадиях металлургического передела железной руды.

Например, аглофабрика крупного металлургического комбината в среднем выпускает ежегодно в воздух такое количество сернистого газа, которого хватило бы для производства нескольких сотен тысяч тонн серной кислоты. Но агломерация — это лишь начало непримиримой борьбы металлургов с вреднейшей примесью, ухудшающей свойства стали. Сера обильно удаляется с доменными шлаками. Чтобы вывести этот элемент из металлической ванны и прочно связать в соединение, которое не пустит серу назад в жидкую сталь, необходимо сильно повышать температуру плавки.

В общем возле черной металлургии сернокислотное производство может хорошо прокормиться. Народное хозяйство получит в результате многомиллионную экономию.

Сероводород — несчастье всего живого, что находится поблизости от нефтеперерабатывающих заводов, которые источают этот зловонный газ. В недалеком будущем и эти, выражаясь словами К. Маркса, «экскременты промышленности» войдут в число основных источников производства серной кислоты. Ведь количество выделяемого сероводорода чрезвычайно велико и будет возрастать вместе с ростом нефтеперерабатывающей промышленности.

Второй «кит» основной химии — сода. Старинные, традиционные потребители этого полупродукта делают жизнь человека в буквальном смысле слова светлей и чище. Имеется в виду стекловарение и производство различных моющих средств. Со временем круг потребителей соды расширился, и теперь она, так же как и серная кислота, выпускается ежегодно в миллионах тонн. Если сода благодаря выдающимся щелочным свойствам натрия обрела мировое признание, то и натрий как нигде более удачно «нашел себя» в этом соединении. В шутку можно сказать, что элемент № 11 был «создан», учитывая необходимость в соде.

Больное место содового производства — отходы. Ежесуточно содовый завод средней мощности сбрасывает тысячи кубометров дистиллерной жидкости.

С подлинно химической точки зрения, отходов нет. Есть сырье, не нашедшее пока хозяина, или есть хозяин, не умеющий использовать то, что в собственное оправдание он именует отходами.

Современные содовые заводы относятся к числу предприятий, имеющих, как говорят экономисты, высокий материальный индекс. Это значит, что они потребляют большое количество сырьевых ресурсов. Для производства тонны соды по существующей схеме расходуют полторы тонны поваренной соли и столько же известняка. По этой считающейся наилучшей технологии из поваренной соли NaCl используется 75 процентов натрия и ноль процентов хлора, а из известняка CaCO₃ — ноль процентов кальция и 44 процента углекислоты. Остающиеся «проценты» как раз и составляют бросовые, губительные дистиллерные «моря» и «реки». Поглощая горы сырья, содовое производство привязано к его источникам. Перевозка этих гор поездом сильно била по карману государства. Но, с другой стороны, размещение источников сырья не всегда устраивает промышленную географию. В ряде случаев было бы желательно оторвать содовые заводы от «кормушки».

Преобразования в содовом производстве — требование времени, экономики народного хозяйства, современной химии, которая стыдится отходов (особенно вредных) и борется за то, чтобы каждый элемент таблицы Менделеева находил себе работу в полную меру своих возможностей.

Наши специалисты разработали несколько вариантов преобразований содовой промышленности.

С дистиллерной жидкостью, где она неизбежна, предложено поступать двояко. На некоторых заводах (например, на донецких) ее намечено утилизировать, получая хлористый аммоний (удобрение) и хлористый кальций. Свойство насыщенных растворов хлористого кальция не замерзать при достаточно низких температурах делает эту соль отличным хладоагентом в холодильной промышленности и помощником строителей в зимнее время, когда без него растворы быстро загустевают, замерзают. Но хлористый аммоний не лучшее удобрение, а хлористого кальция требуется значительно меньше, чем могла бы предложить содовая промышленность. Спрос меньше предложения…

Что ж, не одному элементу, не одному химическому соединению, ныне «процветающему», когда-то отводилось скромное местечко на полках лабораторий. Время вызволило их на широкий простор, создало непредвиденный спрос. В 1825 году в Европу прибыл первый корабль с чилийской селитрой. Груз выбросили в море: не оказалось покупателей. Через 75 лет Европа купила два с лишним миллиона тонн заокеанской соли, оказавшейся великолепным удобрением.

Кардинальное решение проблемы состоит в том, что сода будет выпускаться не только без отходов, но сама станет продуктом переработки отходов другого производства. Химия — великий мастер на такие решения. Проект, который имеется здесь в виду, снова возвращает нас к волшебному минералу нефелину и сиениту. При переработке их в алюминиевой промышленности отходами служит щелок. Его-то и мобилизуют в качестве сырья для производства соды. Сейчас это уже делается.

Если раньше алюминиевая промышленность была лишь потребителем соды (ею обрабатывались бокситы), то теперь она станет и производить ее (когда исходным сырьем служат нефелин и сиенит). Новый способ получения соды сэкономит государству большие средства и расширит географию содового производства. А значит, за ним будущее.

К числу ведущих элементов химической промышленности относят серу, азот, углерод, кислород, водород, натрий, фосфор, калий, хлор. Трем из них — азоту, калию, фосфору — удалось попасть в этот почетный список главным образом благодаря трудам ученых-химиков, раскрывших тайны питания растений.

Интересно, что в списке таможенных ставок на ввоз сырья в 1924 году против фосфоритов значится «бесплатно». Своего сырья для производства минеральных удобрений нам тогда не хватало. Сейчас разведанные запасы фосфоритных руд в СССР оцениваются в 3 миллиарда тонн, а во всем остальном мире — 6 миллиардов. По запасам калийных солей мы также богаче всех других стран.

В плане химизации народного хозяйства нашей страны видное место отводится промышленности, выпускающей «соли плодородия». Намечена программа ускоренного строительства заводов минеральных удобрений. Это программа усиления роли химии в судьбах урожаев.

«…Осуществить рациональную и всестороннюю химизацию сельского хозяйства…» — записано в Программе КПСС.

Экономисты Министерства сельского хозяйства СССР подсчитали, что одни минеральные удобрения — без органических — могут при правильном их использовании дать прирост урожая: хлопка-сырца — 650 тысяч тонн, сахарной свеклы — 4,2 миллиона тонн, льноволокна — 80 тысяч тонн, зерна — 30 миллионов тонн, картофеля — 16 миллионов тонн, овощей — 13 миллионов тонн. Внутри обжитых районов страны как бы возникают новые — и не малые — посевные площади. Если взять средний урожай зерновых даже в 30 центнеров с гектара, то и тогда минеральные удобрения «подарят» стране 10 миллионов высокоурожайных гектаров! Лишись, например, Дания минеральных удобрений, ей, чтоб иметь нынешний урожай, пришлось бы где-нибудь «одолжить» площадь, чуть ли не вчетверо превышающую наличную, Франции — засеять вторую Францию и т. д.

В нашей стране вывоз на поля минеральных удобрений неуклонно растет. Но еще не достиг желаемых размеров. Профессор А. В. Соколов указывает, что пока мы возвращаем земле лишь ¹/₅–¹/₄ часть азота, ¹/₂–²/₃ части фосфора, ¹/₄–¹/₃ часть калия, выносимых урожаями.

Выход, казалось бы, напрашивается сам: надо увеличить производство удобрений. Но в действительности все не так просто. Как и всюду, решающее слово остается за экономикой. Рентабельность применения удобрений, говорят экономисты, определяется соотношением между стоимостями прироста урожая и затраченного удобрения. Последняя зависит от многих обстоятельств: условий добычи, обогащения, переработки сырья, транспортных условий, свойства почв, вида сельскохозяйственных культур и т. д.

Только по одной суперфосфатной промышленности работа железнодорожного транспорта за год отражена в гигантской цифре — 10,7 миллиарда тонна-километров. Если б суперфосфат требовался для подъема сельского хозяйства на Луне и туда была бы проложена железная дорога, то, проделав указанную работу, можно было бы перебросить по маршруту Земля — Луна несколько десятков тысяч тонн удобрения! Для оценки этой цифры земными масштабами укажем, что она составляет более 70 процентов грузооборота Италии!

А ведь железная дорога не доставляет этот груз к месту потребления. С платформ удобрения выгружают на базисный склад, оттуда — в кузова автомашин. И пылят грузовики по сельским дорогам. Разгрузили удобрение в колхозном складе — и снова перевозки, теперь к полю. Здесь опять выгрузка и опять погрузка — в высевающие механизмы.

Значит, к прежним цифрам надо приплюсовать еще стоимость автоперевозок, тары, хранения… Подсчитано, что перевозка и доставка в поле фосфоритной муки обошлась за год в 300 миллионов рублей на старые деньги. А стоимость доставки больше отпускной стоимости.

К концу семилетки выработка фосфорных удобрений достигнет 14 миллионов тонн. При существующей ныне дальности перевозок загрузка транспорта выразится в космической цифре — 33–40 миллиардов тонна-километров. К 1975 году производство минеральных туков возрастет еще вдвое-втрое…

Где же выход?

Нужны другие, более эффективные удобрения. Химики работают в этом направлении и уже создали ряд соединений, содержащих в два раза больше полезного вещества, чем удобрения, выпускавшиеся ранее. Они дадут значительную экономию средств. А в дальнейшем химикам, по-видимому, придется создавать минеральные удобрения еще более высоких концентраций, вплоть до таких, где вовсе не будет «балласта».

Обслуживая сельское хозяйство, химия особо должна быть чутка к вопросам экономики. Это диктуется масштабами потребности села в различных химических элементах и их соединениях. Вот почему так привлекательно выглядит идея получения аммиака — исходного продукта в производстве аммиачной селитры, ценнейшего азотного удобрения — на основе природного газа. Раньше для синтеза аммиака использовали коксовый газ. Это обходилось в полтора-два раза дороже, чем когда сырьем служит природный или попутный газ нефтедобычи.

…XX век войдет в историю науки и техники как век атомной энергии, радиоэлектроники, комплексной автоматизации, ракетной техники и других побед человеческого гения. Среди штурмовавших эти вершины химики-неорганики стояли не в последних рядах. Да и могло ли быть иначе? Ведь химия, как неорганическая, так и органическая, вершит судьбами элементов, сводя их и разъединяя. Владея этой сказочной силой, химия творит материалы и вещества, которых нет в природе, но которые совершенно необходимы в эпоху, когда взлетают ракеты, работают атомные котлы, существуют фотоэлементы, солнечные батареи и много иных удивительных вещей.

Недаром с такой настойчивостью Центральный Комитет нашей партии выдвигает на передовую линию народнохозяйственных проблем вопросы развития химической индустрии в нашей стране. После майского Пленума ЦК КПСС в 1958 году отечественная химия двинулась вперед ускоренными темпами. За годы, миновавшие после майского Пленума, на строительство химических предприятий было отпущено в 1,7 раза больше средств, чем за 13 предыдущих лет!

Но и эти темпы не удовлетворяли стремительно растущего спроса на синтетические материалы, удобрения и многое другое, без чего трудно обходиться, если не хочешь отстать. «Надо, наконец, покончить с поверхностным и близоруким подходом к развитию химической промышленности, проявить государственный размах и экономически грамотно оценить перспективность и огромную выгоду, которую получает народное хозяйство от развития химической индустрии», — говорил в своем докладе на ноябрьском Пленуме Н. С. Хрущев. Он посоветовал плановым органам снять «стальные шоры» и оценить по достоинству огромную народнохозяйственную эффективность, которую дает преимущественное развитие химической индустрии.

Вот одно из бесчисленных и особо ярких доказательств тому. Если в производстве турбогенераторов использовать кремнийорганическую изоляцию, то, будучи тех же размеров, они могут стать мощнее процентов на десять, а то и больше. За этот счет до конца семилетки добавочная мощность на тепловых электростанциях составила бы величину, примерно равную мощности Волжской ГЭС имени В. И. Ленина! А затраты на сооружение завода кремнийорганических лаков по сравнению со стоимостью такой гидроэлектростанции, как Волжская, в десятки раз меньше.

«Создать за короткие сроки материально-техническую базу коммунизма без развитой химической промышленности невозможно», — писал 15 марта 1963 года Н. С. Хрущев.

И, как всегда, крыльями для нового взлета химической промышленности явятся достижения науки. И, конечно, не только органики, хотя промышленности органического синтеза предстоит особенно быстрый рост. Зато «в ведении» неорганики многое из того, на чем держится наисовременнейшая техника.

Химия полупроводников… Еще не написаны монографии и учебники, очерчивающие границы нового государства на карте наук, а уже в нем бурлит жизнь, кипят страсти, ведутся дискуссии, налаживаются дружественные взаимоотношения с соседями: квантовой химией, кристаллохимией, физической химией…

Какие же задачи видит перед собой молодая наука? Она, естественно, стремится отыскать общие закономерности, способные проложить надежный мостик между внутренними особенностями материала и его полупроводниковыми свойствами. Только с капитанского мостика теории можно будет достаточно точно предсказывать поведение полупроводникового изделия, зная его химический состав и структуру. А значит, представится возможность синтезировать именно те полупроводниковые вещества, какие требует, например, привередливая радиотехника.

Это традиционная, глубинная теоретическая проблема химии. Она ведет в самые недра вещества, туда, где индивидуальность химического элемента видна не в его внешних проявлениях, а в самой «анатомии» атома.

Не так давно в солидных учебниках по химии можно было прочесть о германии: «В промышленном масштабе почти не добывается. Поэтому ограничимся лишь его краткой общей характеристикой… Соединения германия применяются при изготовлении светящихся экранов, а также высокопреломляющих сортов стекла…» О кремнии сказано больше, но тоже ни слова о его ценнейших полупроводниковых свойствах.

«В чем их польза?» — размышлял наш отдаленный предок, глядя на камни, в беспорядке разбросанные там и тут.

С тех давних пор каждая эпоха давала свои ответы на этот вопрос. Последняя глава в истории кремния и германия — свежий тому пример.

За несколько лет полупроводники проникли в самые разнообразные области техники, неся с собой качественно новые, исключительно интересные возможности. В частности, они отвечали трем тенденциям в развитии радиотехники: миниатюризации радиодеталей, повышению их долговечности и надежности. Другой областью применения полупроводников явилось создание термоэлектрических приборов и установок. Солнечные кремниевые батареи исправно работают в космосе, питая радиоаппаратуру в неземных автоматических лабораториях.

Получая из научных лабораторий что-то новое, техника обычно от восторгов очень скоро переходит к властным требованиям. Такие-то полупроводниковые материалы есть, но оказывается, что срочно нужны другие. Где они, когда будут?

Синтезируя новые, все более «чуткие» и надежные полупроводниковые вещества, ученые пока часто идут путем эмпирической разведки. Понятно, это не самый короткий и не самый результативный путь. Для выработки магистральных направлений необходимы достижения в решении теоретических проблем. Исключительно важна для химии полупроводников разработка новых химических и физико-химических методов получения полупроводниковых веществ сверхвысокой чистоты.

По привычке мы все еще говорим: чист, как роса; чистый, как слеза. Это поэтично, но и архаично. Ни то, ни другое не может в наше время служить эталоном чистоты. Во всяком случае, для химии полупроводников.

Оценивая степень необходимой чистоты, специалисты говорят: девять-десять девяток. Что это значит?

Для наглядности приводится такой пример. В стакане абсолютно чистой воды растворяем крупицу соли. Затем, зачерпнув наперсток этого раствора, выливаем его в сорокаведерную бочку. А из нее каплю жидкости переносим в другую сорокаведерную бочку. Вот там-то чистота воды будет приближаться к 99,999 999 999 процента, то есть к девяти девяткам (считая после запятой).

Повышенные требования к чистоте полупроводниковых веществ объясняются тем, что на работу транзистора оказывают влияние ничтожно малые примеси. Заданные рабочие характеристики его могут поломать даже считанные атомы-чужаки, не изгнанные из материала детали.

Попытки автоматизировать некоторые технологические операции встречают серьезные препятствия из-за того, что трудно, а порой и вовсе невозможно обеспечить сбор нужной информации о ходе процесса. Например, в металлургии затруднен замер температуры расплава. Существующие датчики боятся такого интенсивного нагрева, какой неизбежен при соприкосновении с жидким металлом, с раскаленным докрасна сводом сталеплавильной печи, с потоками горячих газов и т. д.

В этой связи актуальной задачей химии полупроводников стало изучение систем, включающих тугоплавкие полупроводниковые соединения, разработка методов их синтеза.

Вообще тугоплавкими соединениями живо интересуется современная техника. Нетрудно понять почему.

Техническому прогрессу свойственно неудержимое стремление повышать температурный уровень рабочих процессов. Но каждый шаг по ступенькам температурной шкалы к пышущим розовым маревом высям дается с большим трудом. Приходится вновь и вновь решать каверзную задачу: создавать новые виды топлива, способные выделять несметные количества тепла, и одновременно готовить материалы, способные выдержать невыносимую жару.

От успехов в освоении огневых процессов зависели авангардные отрасли современной техники: реактивная, ракетная, атомная и другие. А перед грозным лицом огня могут устоять лишь особые неорганические соединения. В двери неорганики и постучалась техника, встретив на пути своего развития тепловые барьеры.

Испокон веков люди получали тепло, сжигая дрова, уголь, а позднее — керосин, бензин, мазут, природный газ. В общем история топлива знала одни лишь углеводородные, органические вещества.

Но вот небо XX века стали обживать самолеты с дерзко выпяченным вперед фюзеляжем и заломленными назад крыльями. С бетонированных площадок, грохоча, уносились ввысь огненнохвостые ракеты.

Химики усиленно искали топливо для новых, еще более быстроходных реактивных самолетов, еще более мощных ракет. Их внимание привлекли водородные соединения бора. Теплотворная способность бороводородов, или, как их еще называют, боранов, была порядка 15 тысяч килокалорий на килограмм горючего — в полтора раза больше, чем давали углеводородные виды топлива. И сгорали бораны с молниеносной быстротой, что очень существенно для реактивных двигателей. И сырье, содержащее бор, не дефицитно. Оно хорошо известно фотолюбителям. Это обыкновенная бура.

Кто бы мог подумать? Еще вчера спросили бы нас: «В чем ее польза?» — мы, выходит, не сказали бы главного. А завтра главным признают какой-то новый, неведомый, неожиданный «талант» этого невзрачного, хорошо знакомого фотолюбителям химикалия.

Бор оказался удивительно разносторонним элементом. Бораны — перспективное топливо, бориды — отличные жаростойкие сплавы. В содружестве с титаном и молибденом, цирконием и хромом, хромом и никелем и другими подходящими напарниками бор образует материал, сохраняющий длительное время прочность при очень высоких температурах. Вот почему бориды нашли применение в газотурбостроении, в производстве деталей ракетных двигателей. К ним прибегают, когда конструируют тяжело нагруженные детали, работающие в опасных для всех других материалов температурах.

Высокая огнеупорность, тугоплавкость боридов открыли им доступ в самые разнообразные отрасли производства.

Современная техника требует с каждым днем все большее количество хорошо очищенных редких и цветных металлов. Но эти вещества в расплавленном виде чрезвычайно агрессивны. Обычные огнеупоры их не держат.

Развитие специальной энергетики требует труб, по которым продолжительное время струились бы такие грозные жидкости, как расплавленный натрий, свинец, олово, цинк, висмут и их сплавы.

И тут и там главными претендентами на замещение вакантных «должностей» являются бориды. Из них уже делают или ими облицовывают особо ответственные тигли, теплообменники. Огнеупоры на основе борида циркония стоят десятки и сотни часов, ополаскиваемые беспощадными жидкими металлами.

Отклоняясь в сторону от огневой темы, скажем о твердости, износостойкости боридов. В качестве резцов бориды в составе металлизированной керамики не хуже сплавов на основе знаменитого вольфрама, но дешевле.

Неорганика кует оружие против высоких температур не только путем создания богатырских соединений.

В Институте химии силикатов АН СССР можно увидеть такой экспонат. К белому листу картона ниткой прикреплен уголек. Если хотите, вам разрешат потрогать его рукой. Уголек хрупкий, крошится.

Это была сталь. Обыкновенная сталь-3. Ее подержали в условиях, в которых работают жаростойкие сплавы. Кислород воздуха и высокая температура сделали свое черное дело. Так выглядело бы многое современное промышленное оборудование, будь оно выполнено из сталей наших дедов.

Как раз в Институте химии силикатов борьбу с коррозией ведут по линии «закрывания ворот», или, как в шутку говорят, «поверхностными методами».

Рядом с упомянутым обугленным кусочком бывшей стали на листе картона помещен второй образец. Он не примечателен ничем, кроме того, что несколько сотен часов провел на воздухе при температуре 900 градусов и остался невредимым.

Это та же сталь-3, но покрытая невидимой для глаза тончайшей жаростойкой пленкой. Она позволяет во многих случаях заменять высоколегированную сталь низколегированной или даже вовсе не легированной. Для народного хозяйства страны последствия подобных замен могут выразиться в крупных суммах сэкономленных денег и ценнейших металлов.

Такие пленки на основе тугоплавких окислов различных металлов и синтезируют в институте.

Заказчики на жаростойкие покрытия год от года становятся нетерпеливее и капризнее. Они подвергают свои конструкции сокрушительным тепловым ударам, изнурительным температурным толчкам. Например, газовую турбину «забрасывают» в процессе эксплуатации с 300 градусов до тысячи с лишним, причем делают это достаточно быстро. Резкие смены температур вызывают столь же резкие изменения размеров металлической детали. Жаростойкий панцирь может оказаться то мал, то велик. Применявшиеся прежде эмали под воздействием чрезмерных внутренних напряжений, вызываемых лихорадочными «вздохами» металла, трескались и отскакивали. Надо было найти такие «композиции», которые бы давали пленки с линейным расширением, близким к линейному расширению защищаемого материала. Они и были найдены. Это металлизированные керамики. В основе их — силикатная связка и кермет. Первая берет на себя огнеупорные функции (кремнезем плавится при температуре выше 1700 градусов), а задача второй составляющей — «подгонять рубашку к телу».

Пленка должна еще обладать большой прочностью. Мало ли что и где придется испытать одетой в нее конструкции! Если прежние силикатные покрытия отскакивали от образца при ударе, не превышающем 0,03 килограммометра, то новые не разрушаются и после удара силой в 0,8 килограммометра.

Но было бы ошибкой сказать, что наукой одержаны победы в генеральных сражениях с коррозией. Жаростойкие покрытия пока далеко не решают этой проблемы. Да и существуют не на все случаи, когда в них есть потребность. Для каждого металла, для конкретных условий, где ему надлежит работать, приходится подыскивать новое, оригинальное защитное одеяние. И тут из-за сложности теории вопроса сплошь да рядом безраздельно господствует эмпирическая разведка.

Неизменно сопутствуют металлу на всех стадиях его добычи и обработки расплавленные соли. Шлаки, всевозможные флюсы, ванны электрические или для термообработки, защитные покрытия, жидкости для очищения поверхности — это все расплавленные соли. Они выступают и еще в одной весьма модной роли — в качестве аккумуляторов — переносчиков теплоты, когда температуры особенно велики. Наконец, химики расплавленными солями извлекают ценные составляющие из некоторых видов природного сырья. Пример: соединения лития из сподумена. Так вот, если говорить о крупных проблемах, стоящих ныне перед неорганической химией, то расплавленные соли — область повышенного спроса на теорию.

Еще очень мало известно о температуре кристаллизации, летучести солей, о верхних температурных пределах существования расплава. Еще не проложены даже тропинки, по которым можно было бы устанавливать связи между диаграммами различных свойств этих жидкостей.

В качестве далекой, прицельной темы выдвигается разработка способа управления коррозией, вызываемой расплавленными солями. Как известно, в большинстве случаев они разъедают омываемые металлические поверхности. Но можно найти вещества, которые придадут бывшему «яду» свойства «бальзама». Заманчивая перспектива!

Трудно предсказать масштабы и все направления того грандиозного наступления техники будущего, которое сейчас готовится на совсем еще недавно целинной почве неорганики — на почве редких элементов.

Взять хотя бы группу редкоземельных.

«В чем их польза?» — ломали голову химики-неорганики, с колоссальным трудом выделяя и разделяя редкоземельных близнецов. Практики пожимали плечами: «В стекловаренном деле, в керамическом производстве… А еще где их можно использовать, неизвестно. Так что, товарищи химики, не торопитесь пока с выпуском этой дорогой продукции».

Но не много требовалось времени, чтобы странные, неизвестно для чего «предназначенные» природой уникумы превратились в стратегическое сырье. Впрочем, подобными превращениями XX век не удивишь. Он свидетель триумфального шествия в производственную практику таких славных выдвиженцев неорганики, как ванадий, кобальт, молибден, уран, плутоний, торий, бериллий и другие.

Стратегическими редкие земли стали, как только приглянулись атомной технике. Ученые заявили, что в этой области церий, гадолиний, самарий, европий и особенно иттрий найдут самое разнообразное применение.

Эти металлы ведут себя неодинаково по отношению к так называемым тепловым нейтронам. Вспомним, что тепловые, медленные, нейтроны играют в ядерном реакторе роль инициаторов и продолжателей цепных реакций, то есть ведущую роль. Если их число недостаточно — ядерное топливо лишь займется и «погаснет». Если их больше нормы — дело плохо: цепная реакция наберет такие темпы, что ее не отличишь от взрыва. Так что тепловых нейтронов обязательно должно быть не больше и не меньше, чем нужно для стабильного рабочего процесса.

Ядерное горючее — уран, плутоний или торий — загружается в реактор в металлических оболочках. Есть и другие металлические конструкции, находящиеся в активной зоне реактора. Конструктивный материал должен не мешать медленным нейтронам совершать свою работу по раскалыванию ядер, то есть, как говорят специалисты, иметь небольшое сечение захвата тепловых нейтронов. Иттрий как раз имеет малое сечение захвата. Да к тому ж он легок и прочен. Все это выдвигает элемент № 39 в первый ряд конструкционных материалов для атомной техники.

А вот лантаноиды гадолиний и европий имеют большое сечение захвата тепловых нейтронов. Тоже ценно! Они позволяют решить более успешно проблему биологической защиты. Американские ученые считают, что вместо толстых плит можно будет делать тонкие, легкие. А ведь громоздкая, тяжелая биологическая защита — одно из серьезных препятствий на пути проникновения атомного двигателя в авиацию.

Но не только атомная техника признала редкие земли. Металлурги установили, что смесь этих элементов — так называемый мишметалл — оказывает благотворное влияние на нержавеющие стали: повышает их прокатываемость (больное место большинства марок) и коррозионную устойчивость.

Выяснилось, что, например, окиси празеодима, церия, лантана обладают высокой термоэлектродвижущей силой. При нагревании до температур 500–750 градусов они становятся электробатареями, дающими напряжение до 1,4 вольта.

Иттрий проявил себя как отличный геттер — поглотитель газов, выделяющихся в условиях глубокого вакуума. А глубокий вакуум, как и высокие давления, — это ультрасовременное, непрерывно совершенствуемое оружие науки и техники, волшебный ключ к разгадке многих тайн природы, созданию поразительных приборов, проведению необычайных процессов. В обеспечении сверхглубокого разрежения кровно заинтересованы исследователи высокотемпературной плазмы, термоядерных реакций. Нужен надежный вакуум и конструктору гироскопа — автоматического поводыря космических кораблей. И творцам электронных ламп, кинескопов. И синхрофазотрону…

Более скромны и земны возможные применения церия. Совместная работа Центрального научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института, Государственного института редких металлов и Горьковского автозавода показала, что этот элемент заметно улучшает чугун, из которого автозаводы льют коленчатые валы.

На совещании по применению редких элементов, которое состоялось в 1962 году в Свердловске, рассказывалось о том, что большой интерес проявляется сейчас машиностроением к цирконовым концентратам. Они оказались великолепным противопригарочным средством. Применение их позволяет вдвое сократить число обслуживающего персонала формовочных отделений литейных цехов. Отливки получаются с чистой поверхностью, и обрубочные операции сводятся к минимуму. Уже многие заводы Украины и Российской Федерации используют цирконовые концентраты для этих целей.

А что, если «одаренный природой» элемент бор соединить с редкоземельными? Эта счастливая мысль помогла химикам-неорганикам найти очень ценные для радиоэлектроники материалы. Бориды редкоземельных металлов, особенно гексаборид лантана, обладают способностью при нагреве выбрасывать чрезвычайно большое количество электронов, иначе говоря — высокими термоэмиссионными свойствами. Боридные катоды отлично работают в условиях низких давлений, могут эксплуатироваться при больших напряженностях поля; их свойства не ухудшаются от ионной бомбардировки.

Если сравнительно недавно практика вяло реагировала на предложения неорганики добывать редкоземельные элементы, то теперь она обвиняет химиков, что те вяло совершенствуют способы производства этих труднодоступных элементов, что редкие земли еще непростительно дороги, что их мало. Впрочем, спрос появился еще далеко не на все лантаноиды. Но со временем, когда станет более ясно, в чем их польза, спрос появится. Иначе быть не может. Неприменяемые ныне элементы — это двери в будущее, пока плотно закрытые. И нет на свете интереснее и важнее того, что за ними. А значит, кто-то уже настойчиво ищет соответствующие ключи.

Выступая в Праге на Международном симпозиуме по планированию науки, академик П. Л. Капица говорил, в частности, о том, что «нет еще количественной теории, которая бы связывала свойства вещества — например, механические, способность противостоять окислению в условиях высоких температур и другие — с его химическим составом и физической структурой, хотя природа сил между атомами хорошо известна.

Поэтому основной путь исканий здесь — эмпиризм. Но нетрудно показать, что даже эмпиризм не может полностью решить эту задачу. Нам известны около 100 элементов, которые образуют сплавы. Положим, что описание нужных свойств одного металла или сплава — его прочность, жаропрочность, упругость, электропроводность и так далее — занимает одну страницу. Для описания свойств самих элементов потребуется 100 страниц, для описания бинарных сплавов потребуется уже 10 тысяч страниц. Сплавы тройных систем уже займут миллион страниц. Легко видеть, что исследовать и систематически описать тройные сплавы является предельной возможностью… Но известно, что на практике уже используются сплавы из четырех компонентов и даже больше и такими сплавами уже были решены важные задачи.

Будет ли это всегда так? Я не думаю. Такие многокомпонентные сплавы, может быть, были найдены случайно, но вероятнее — интуитивным „нюхом“ талантливого ученого, который, как искусный повар, умеет готовить вкуснее других. Если есть интуиция, значит есть и закономерность. Задача науки — выявить эти закономерности, но метод решения таких сложных проблем до сих пор не найден, и это, несомненно, одна из проблем будущего».

Стоит ли задача синтезировать новые полупроводниковые вещества с заранее намеченными свойствами, ищут ли новые покрытия, предохраняющие металл от коррозии, составляют ли новые сплавы, способные удовлетворить последние требования техники, — исследователь на каждом шагу сталкивается с тем, что «нет еще количественной теории, которая бы связывала свойства вещества… с его химическим составом и физической структурой».

Создание такой теории на основе фактов, которые есть и которые будут добыты, не только спрямит извилистый и длинный путь эмпирических исканий, но и сделает возможным то, что сейчас лежит за порогом предвидимого. Уже сейчас органический синтез позволяет химикам «дозировать» свойства материала. Проникновение же к первопричинам реакционной способности вещества, более полное объяснение самой природы химической связи, разгадка тайны влияния одних веществ на другие неизмеримо усилят власть человека над природой.

В химии будущего почетную роль сыграет законченная, лишенная противоречий теория катализа. Явление это овеяно дымкой таинственности, окружено ореолом научной романтики.

Трудно, казалось, даже невозможно научно объяснить, как удается катализаторам уничтожать инертность, разжигать активность участников реакции, а самим будто оставаться в стороне — не изменяться ни химически, ни количественно. Это порождало чуть ли не мистические представления даже у некоторых крупных ученых. Катализаторам приписывали свойства всемогущего «философского камня», придуманного алхимиками.

Естественно, науку не устраивали объяснения с помощью необъяснимого. И вот химики вместе с физиками поставили перед собой цель — разгадать секреты катализа. Был достаточно достоверно истолкован механизм воздействия катализаторов на ход отдельных реакций. Было выдвинуто несколько теорий катализа. Но многое, очень многое в катализе осталось непонятым и по сей день.

Тем не менее именно этот процесс позволил химии широко «распростереть руки свои в дела человеческие». Без катализа мы не имели бы ни серной, ни азотной кислот, ни аммиака, ни синтетического каучука, ни множества других первостепенной важности соединений. Бывали периоды, когда катализ выручал целые народы от тяжелого положения, вызванного войной, нехваткой сырья.

В 1947 году в речи на Всесоюзной конференции по катализу академик Н. Д. Зелинский рассказывал, как в грозные 1918–1920 годы советские химики нашли катализатор, обеспечивший получение горючего для наших самолетов. «За редкими исключениями, — пишет член-корреспондент АН СССР С. З. Рогинский, — важнейшие технологические и сырьевые достижения химии военного времени неразрывно связаны с успехами промышленного катализа. Катализаторы явились магическим жезлом, пользуясь которым химики воюющих стран выходили из затруднений с сырьем, заменяя импортные продукты новыми, искусственными веществами, превращая массовое дешевое сырье в ценные материалы… Вторая мировая война показала, что бурная романтическая юность промышленного катализа не закончилась и он таит в себе неисчерпаемые новые возможности».

С калейдоскопической быстротой меняется набор веществ, применяемых для ускорения и регулирования реакций. Платина и палладий лишились своего привилегированного положения в мире контактов (катализаторов). Выдвинулись более «демократические» элементы: ванадий, железо, никель, соединения хрома, алюминия. Но для каждой конкретной реакции приходится искать свой катализатор. Причем здесь аналогии не действуют, химически родственные вещества не могут подменять друг друга в сугубо специфичной роли контакта.

Напротив, весьма далекие по типу соединения оказываются союзниками по каталитическому воздействию на ход реакции. И это затрудняет путь к обобщениям, выводам. Едва ли не каждый элемент втайне действует как катализатор. Но найти, для какой реакции и как действует, все равно что отыскать в большом городе владельца пуговицы, валяющейся на полу автобуса.

Рано или поздно в ходе изучения этой крупнейшей научной проблемы современности должен был родиться термин «электронификация теории катализа». И он родился. Сравнительно недавно. Он означал, что рассмотрение вопросов переносится «на уровень» кристаллических решеток, атомных ядер и электронных орбит. Ну, а здесь успешно действовали физики. Встреча с ними открыла химикам глаза на одно важное и интересное обстоятельство.

«Значительная часть твердых тел и смесей, применяемых в катализе, — окислы железа, ванадия, цинка, меди, марганца, сульфиды вольфрама, молибдена, алюмосиликаты — полупроводники, о чем долгое время большинство химиков не подозревало, подобно герою известной комедии Мольера, который до весьма зрелого возраста не подозревал, что он говорит прозой», — шутливо обличал себя и своих коллег С. З. Рогинский.

«Электронификация теории катализа» идет полным ходом. Союз химиков с физиками — это сила, перед которой не устоит ни одна тайна природы, даже если она зашифрована так тщательно, как явление катализа. Открытие и обоснование строгих количественных законов, которые охватят явление катализа в целом, произведут переворот во всей промышленности, а значит, и в культурной жизни общества.

Что же даст законченная, лишенная противоречий теория катализа?

Во-первых, руководствуясь ею, химики смогут подбирать катализаторы для наивыгоднейшего течения реакций, уже известных производству. Но если сейчас, допустим, приходится прибегать к давлениям в сотни и тысячи атмосфер, к температурам в сотни градусов, чтобы процесс шел в нужном направлении и обеспечивал приемлемую производительность, то тогда те же реакции отличнейшим образом будут совершаться в нормальных условиях — без дорогостоящего оборудования, без потребления огромного количества энергии.

В общем удастся, наконец, делать то, что давным-давно умеет делать природа. Как известно, в нашем организме не создаются сверхвысокие давления, не поднимается, как правило, выше 36,6 градуса температура, а реакции идут очень сложные и достаточно быстро. Это потому, что великий химик — природа подобрала соответствующие катализаторы. Мы их называем ферментами.

Но главное — неизмеримо расширится круг доступных химических превращений. Найдут спрос вещества, от которых ныне не знают, как избавиться. Наступит пора полного химического господства над веществом. Люди позабудут само слово «отбросы». Так же как в природе существует круговорот азота, воды, во «второй природе» будет круговорот веществ, бесконечно перерабатываемых и никогда не выбрасываемых. Людям станут доступны любые месторождения. Перед ними откроет свои богатства океан. Из морской воды с помощью специально подобранных групповых и специфически действующих катализаторов химики начнут выкачивать все содержащиеся там элементы и их соединения.

А может быть, этого и не понадобится. Владея в совершенстве теорией строения вещества, имея строгие количественные характеристики различных типов химических связей, используя законы катализа, да еще призвав на помощь могучие силы ядерной бомбардировки, человек будет творить химические соединения и даже элементы. Химико-физики и физико-химики будут кроить материю уверенной рукой, созидая то, что трудно отыскать и невыгодно добывать в недрах земли.

А какие материалы появятся в результате этих вполне предвидимых и реальных достижений науки, предсказать трудно. Ведь даже то, что синтезировано в настоящее время, сильно исчерпывает человеческую фантазию.

Предсказать трудно. Но если не отмахиваться от того, что сегодня кажется фантастичным, то все удивительные достижения неорганической химии представляются лишь как предыстория к свершениям будущего.

Мы говорили о привилегированных условиях, созданных на Земле стихийными силами природы для одного элемента — углерода и его соединений. Окружающий мир всем своим великолепием демонстрирует, на что способен один лишь «кирпичик» вселенной, когда попадает в родную ему среду. Он строит. Без устали, самозабвенно, совершенствуя свое мастерство, накапливая опыт.

Но ведь «кирпичиков» больше сотни. Среди них есть близкие к углероду по своей структуре и внешним проявлениям. Ничто не мешает предположить принципиальную возможность искусственно создать условия, в которых не углерод, а другой какой-то элемент, другие какие-то соединения окажутся в соответствующих привилегированных условиях. Допустим, кремний, германий, олово или сера… Или алюминий, бор, фтор… И тогда дух захватывает от одной лишь мысли: оживет мертвый мир, мир неорганики. Быть может, это сделает человек не на Земле, а на каких-то других планетах. Быть может, таким путем станут создаваться и сами небесные тела. Наконец, не исключено, что необходимые условия для «оживления» того или иного представителя таблицы Менделеева человек обнаружит, вступив на неведомую планету вселенной, где иные, чем на Земле, атмосфера, почва, иные растения и животные.

Нет пределов человеческому дерзанию. И неорганическая химия — благодарная для дерзаний почва.

В строгом порядке по периодам и группам, по рядам и подгруппам расположились обитатели этой «страны». Семь периодов, десять рядов, девять групп. Колонки латинских букв — символов элементов. Золото, серебро, платина, уран, радий… Настоящий «остров сокровищ»!

Перед нами периодическая система элементов Дмитрия Ивановича Менделеева — карта великой Страны элементов.

Право называть ее картой дает та громадная роль, которую играет периодическая система в науке вообще и особенно в химии. Современная химия немыслима без нее, потому что таблица элементов — итог накопленных знаний и план на будущее, повседневное руководство к действию и компас, указывающий единственно верное направление на всем пути развития химии. Нет, только с картой можно сравнить ее. Но карта точно укажет, куда идти, и ничего не скажет, например, о характере жителей страны. Всю глубину периодической системы нельзя передать никаким сравнением. Если это и карта, то «говорящая». Она и компас и путеводитель, вместе взятые!

Первое знакомство с картой

Подобно тому как на географической карте мы прочитаем множество имен первооткрывателей, так и в периодической системе увековечены в названиях элементов имена величайших ученых, без открытий которых немыслим прогресс современной науки. Это Пьер и Мария Кюри, Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми и Дмитрий Менделеев. Имя великого русского ученого занимает особо почетное место в этом ряду корифеев науки. Его имя носит не только 101-й элемент, но и вся периодическая система, создателем которой он был. Именно этому человеку обязаны мы тем, что наше путешествие в Страну элементов не будет путешествием с завязанными глазами. И можно быть уверенным: периодическая система никогда не подведет нас, ибо она покоится на крепком фундаменте. В ее основании лежит открытый Менделеевым великий закон природы.

Но какая же разница между периодическим законом и периодической системой Менделеева? Та же, что и между земным шаром со всем многообразием его рельефа, флоры и фауны, с одной стороны, и отражением всего этого на глобусе, в атласе или на карте — с другой. Ясно, что глобус — очень приблизительная модель земного шара.

Так и периодическая система. Она может более или менее точно выражать сущность периодического закона. Она может меняться по форме. Элементы можно располагать веером и по спирали, концентрическими кругами или «волнами», можно придумать массу вариантов периодической системы, но нельзя изменить ее основы — периодического закона.

Итак, перед нами периодическая система. Любой химик уверенно ориентируется в Стране элементов, глядя на ее карту. Вся левая и вся нижняя часть таблицы — это металлы, причем стоящий в левом нижнем углу франций — «самый металличный», самый активный из них. В правом верхнем углу расположился фтор — царь неметаллов, а царство их — правая верхняя часть таблицы. Сразу видно, что металлов значительно больше. Есть в системе и элементы, сочетающие в себе свойства как металлов, так и неметаллов. Они расположены в середине таблицы.

Глубокий смысл имеет номер группы: он указывает высшую возможную валентность для элементов каждой группы. Самые легкие, имеющие низкий удельный вес металлы — литий, натрий и их ближайшие соседи; самый тяжелый металл — осмий, расположенный в противоположном углу таблицы. Наиболее схожи между собой элементы, расположенные в одной группе и особенно в одной подгруппе. Например, помещающиеся в одной подгруппе второй группы периодической системы щелочноземельные металлы кальций, стронций, барий и радий настолько похожи друг на друга, что можно без особого труда охарактеризовать любой из них, хорошо зная химические свойства какого-нибудь одного и умея пользоваться периодической системой.

Но это, разумеется, не означает, что умение пользоваться периодической системой избавляет нас от детального изучения каждого элемента. Нет, конечно. Ведь любой из них обладает множеством свойств, характерных только для него одного.

Каждый школьник знает, что с помощью периодической системы можно охарактеризовать любой элемент. Однако не всегда это легко сделать.

Как рассказать о свойствах элемента, если, например, водород занимает в таблице два места (его можно поставить и в группу щелочных металлов и в группу галогенов) и, наоборот, сразу 14 элементов-лантаноидов теснятся в одной-единственной клеточке лантана? Чем объяснить необычный вид восьмой группы? А с другой стороны, какое «волшебство» позволяет химикам предсказать, что будет особенно трудно отделить цирконий от гафния, а ниобий от тантала?

На все эти и множество других вопросов нельзя ответить до тех пор, пока не ясно, на чем основан столь строгий порядок в мире элементов, отражением которого является периодическая система. Другими словами, нам необходимо выяснить, в чем причина периодичности изменения свойств элементов. На этот вопрос мы и постараемся ответить.

Рождение великого закона природы

Представим себе, что должен был чувствовать химик первой половины XIX века, оказавшись лицом к лицу с морем научных фактов. Естественно прежде всего попытаться привести эти факты в систему. В противном случае заниматься химией было бы так же трудно, как, скажем, пользоваться огромным словарем, в котором слова расположены не по алфавиту, а в полном беспорядке.

Если мы заглянем в старые книги по химии, то увидим, что каждый ученый строил такую систему, как хотел. Одному казалось правильным брать за основу некоторые физические свойства элементов (теплопроводность, удельный вес, твердость). Другие пытались расположить элементы в один непрерывный ряд, руководствуясь при этом величиной и знаком заряда, обнаруживаемого при электрохимических опытах. И так далее. Короче говоря, каждый старался найти то единственное свойство, опираясь на которое можно было бы привести в порядок накопленные знания. Но химия не желала вмещаться в прокрустово ложе бесчисленных искусственных систем, так как ни одна из них не могла охватить всего многообразия взаимоотношений между элементами.

Менделеев и поставил перед собой задачу найти, наконец, то свойство элемента, которое бы теснейшим образом было связано со всеми остальными и тем самым могло послужить основой естественной системы элементов.

Долгие годы, предшествовавшие открытию периодического закона, ученый занимался этим вопросом и, наконец, пришел к выводу: свойства химических элементов должны определяться их массой, атомным весом. Но как? Какому закону должна подчиняться эта зависимость? Ведь сказать, например, что объем и давление газов — величины взаимосвязанные, значит сказать очень мало. Другое дело, если мы скажем, что они связаны (по закону Бойля — Мариотта) обратной зависимостью. Мало утверждать, что зависимость существует. Важно найти, по какому закону химические свойства связаны с атомным весом.

Менделеев прежде всего сгруппировал элементы по признаку их химического сходства. Получилось 19 групп. Некоторые из этих групп состояли только из 2 элементов, другие — из 3 и 4. В группе щелочных металлов оказалось 5 элементов.

Затем группы были помещены рядом друг с другом, и в каждой из них элементы расположены в порядке возрастания атомных весов. Получившаяся картина была не новой. Сходные по химическим свойствам группы элементов были известны давно. Теперь задача заключалась в том, чтобы найти связь между несходными группами. И вот тут-то, меняя местами уже целые группы, размещая их так, чтобы рядом оказывались несходные элементы с близкими атомными весами, Менделеев, наконец, нашел, что искал. Получилась та самая картина, которую мы видим на цветной вклейке.

Отсюда ясно: свойства элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов, повторяются через определенные интервалы, периоды.

«Свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов», — так сформулировал Менделеев вновь открытый закон природы. Днем рождения периодического закона мы считаем 1 марта 1869 года.

Однако может возникнуть вопрос: неужели до Менделеева никто не заметил, что существует связь между атомным весом и химическими свойствами? В том-то и дело, что замечали. И даже многие. Доберейнер — в Германии, де Шанкуртуа — во Франции, Ньюлендс — в Англии… Известно более трехсот попыток создания классификации химических элементов, основанной на этом принципе. Ближе всех к цели был немецкий ученый Лотар Мейер. Почти одновременно с Менделеевым он построил таблицу, в общем сходную с периодической системой. Правда, опубликовать ее он решился несколько позже. Но Мейер в своих работах повторил ошибку ученых, работы которых предшествовали открытию периодического закона. В найденной закономерности Мейер не разглядел глубокого закона природы, он считал свою таблицу лишь удобным учебным пособием и не отважился делать из нее далеко идущие выводы. Понадобился гений Менделеева, чтобы увидеть за недостаточно ясной еще закономерностью великий закон природы. И не только увидеть, но и сразу же поставить его на службу науке.

Найдите в таблице элемент бериллий, Be. Именно с этим металлом связано первое практическое применение периодического закона, первая трудность и первый триумф.

До 1869 года бериллий считался трехвалентным, и для этого были все основания. Ведь он по своим химическим свойствам во многом похож на алюминий. Как и алюминий, он не реагирует с концентрированной азотной кислотой, но легко растворяется в щелочах с выделением водорода. Гидроокись бериллия, так же как и Al(OH)₃, амфотерна (проявляет и щелочные и кислые свойства), а потому для нее характерны соли типа алюминатов — бериллаты и т. д.

Но если бериллий трехвалентен, то атомный вес его должен быть 13,5, так как эквивалент Be равен 4,5 (атомный вес равен эквиваленту, умноженному на валентность). Вот тут-то и начались трудности. Имея такой атомный вес, Be «не хотел» размещаться в периодической системе.

Помещенный между углеродом и азотом (как того требовал его атомный вес), бериллий сразу же нарушал закономерное изменение свойств элементов, опровергая тем самым периодический закон.

Но Менделеев думал иначе. Он был уверен, что найденная закономерность не может быть случайностью. Открыт закон природы, и, следовательно, факты должны обязательно подтвердить его. Что же касается бериллия, то тут Менделеев был уверен: атомный вес этого элемента определен неверно.

В одной полузабытой работе русского химика Авдеева Менделеев находит упоминание о том, что окись глициния (так раньше называли бериллий) похожа по своим свойствам на окись магния.

Основываясь на этом, Менделеев придает окиси бериллия формулу BeO и помещает его во вторую группу, вместе с двухвалентными щелочноземельными металлами, соответственно исправив его атомный вес. Он получает его равным 9 (4,5×2=9).

Многие ученые высказались против такого, как им казалось, «произвольного» изменения многократно проверенной величины, но прошло несколько лет, и главный противник Менделеева Нильсон получил неопровержимое доказательство того, что атомный вес бериллия действительно 9.

Так было положено начало уточнению свойств элементов на основе периодического закона.

Вслед за атомным весом бериллия Менделеев исправляет атомные веса урана, тория, индия, иттрия, лантана, церия, эрбия и дидима (впоследствии оказавшегося смесью празеодима и неодима).

Непрерывно совершенствуя свою систему, Менделеев уже в 1871 году дал форму таблицы, близкую к нашей современной. И в том же 1871 году появилась статья Менделеева, в которой он подробнейшим образом описывал свойства трех еще не открытых элементов. Он назвал их экасилицием (то есть «подобный кремнию»), экабором и экаалюминием.

«Решаюсь сделать это ради того, — писал ученый, — чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых мною тел, иметь возможность окончательно увериться самому и уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы».

Когда Л. Мейер прочел эту статью, он воскликнул: «Das ist schon zu viel! (Это уж слишком!) Периодическая законность недостаточно ясна и доказана, чтобы я решился на нечто подобное».

Но время показало, что прав был русский химик. Прошло четыре года. И вот в 1875 году пришло известие из Франции. Молодой ученый-спектроскопист Лекок де Буабодран открыл новый элемент, в котором весь мир сразу же узнал предсказанный Менделеевым экаалюминий. «Новорожденному» дали имя галлий. Все свойства галлия в точности совпадали со свойствами экаалюминия. Впрочем, нет, не все. Удельный вес галлия был равен 4,7, в то время как предсказывалось 5,9. Но Менделеев настаивает на своем и просит повторить опыты. Весь научный мир с огромным вниманием следит за этим невероятным спором. Де Буабодран повторяет опыты и объявляет, что прав русский ученый, никогда не видевший галлия в глаза!

А пророчества продолжали сбываться. В 1879 году шведским ученым Л. Нильсоном был открыт скандий (экабор). И в 1886 году немецкий химик Клеменс Винклер получает экасилиций — германий.

Вот как описывает сотрудник Менделеева, известный русский химик В. Е. Тищенко, момент, когда известие об этом открытии дошло до Петербурга:

«Как-то утром Д. И. приходит к нам в Бутлеровскую лабораторию с новой книгой „Berichte“^[1] в руках, взволнованный, радостный, и говорит, что „Кл. Винклер открыл новый элемент, германий, и помещает его в пятую группу, потому что он образует сульфосоль. Только нет, он ошибается, германию место не в пятой, а в четвертой группе, это экасилиций. Я сейчас буду писать Винклеру“». И Винклер признал свою ошибку.

О Менделееве заговорил весь мир. Никто не смел теперь сомневаться в справедливости периодического закона. И Менделеев дает ему окончательную формулировку: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Но природа никогда не открывает человеку своих законов в чистом виде. Нужна большая ясность ума, огромная вера, чтобы не дать сбить себя кажущимися противоречиями. Нужно суметь отличить существенное от второстепенного и не растеряться в потоке новых открытий, каждое из которых, кажется, начисто опровергает все сделанное раньше.

Именно эти качества скоро потребовались от Дмитрия Ивановича Менделеева, когда на периодический закон обрушились великие испытания.

«Подводные камни» периодической системы

Началось с того, что в 1894 году английскими учеными Рэлеем и Рамзаем был открыт новый элемент с настолько необычными свойствами, что химики вначале даже отказывались признавать его. Это был газ, совершенно неспособный к каким-либо химическим реакциям. Новый элемент назвали аргоном («недеятельным», «ленивым»).

Противники периодического закона (а их все еще было довольно много, и среди них такой крупный химик, как Оствальд) воспрянули духом. И не без оснований. Периодический закон, казалось, не давал возможности предвидеть существование элементов со столь необычными свойствами. Аргону не находилось места в периодической системе. Сам Менделеев склонен был считать аргон модификацией азота, N₃ (подобно кислороду и озону). Но положение осложнилось еще более, когда через год открыли второй инертный газ — гелий.

Теперь уже стало трудно сомневаться в том, что столь необычные элементы действительно существуют в природе. Нужно было признать их и тем самым отвергнуть периодический закон, поскольку он пришел в противоречие с фактами.

А так ли это? Действительно ли периодический закон не давал оснований предполагать существование инертных газов?

Задолго до открытия Рэлея и Рамзая два человека были твердо уверены, что в периодической системе должна быть еще одна, особая, нулевая группа элементов. Эти двое были узники Алексеевского равелина Шлиссельбургской крепости, революционеры-народовольцы Морозов и Лукашевич. Еще в 1883 году, рассматривая периодичность в строении и свойствах органических соединений, они по аналогии с системой Менделеева построили периодическую систему углеводородных радикалов и пришли к выводу, что подобно тому, как каждый ряд углеводородных радикалов заканчивается нейтральной молекулой типа метана, этана, пропана и т. д., так и каждый период системы Менделеева должен заканчиваться недеятельным элементом. Догадка поистине гениальная, но мир узнал о ней лишь много лет спустя, после того как проблема инертных газов была решена. И решил ее Рамзай при помощи и на основе периодического закона.

Рамзай, открытие которого поколебало веру в периодический закон, сам нисколько не сомневался в его правильности. Более того, «по примеру… учителя Менделеева» Рамзай заявил: «Между гелием и аргоном существует элемент с атомным весом 20, недеятельный, как эти два газа: новый элемент должен иметь характерный спектр и менее легко сгущаться, чем аргон. Можно было бы также предсказать существование двух аналогичных газообразных элементов, имеющих атомные веса 82 и 129».

И когда предсказанные газы были вскоре открыты (криптон, неон и ксенон), сразу стало ясно, что место для них в системе есть. Рамзай предложил Менделееву образовать из вновь открытых элементов отдельную группу, и Менделеев сразу согласился, так как это не только не противоречило периодическому закону, а, наоборот, явилось логическим завершением системы и подтверждением правильности закона.

Так открытие инертных газов, вместо того чтобы поколебать закон, стало одним из главных доказательств его справедливости. Дополненная новой (нулевой) группой, периодическая система приобрела еще большую стройность.

Казалось, что дни потрясений для периодического закона безвозвратно миновали. Осталось лишь ждать открытия новых элементов, появление которых вряд ли могло затронуть стройность периодической системы и суть периодического закона.

И действительно, открытия не заставили себя ждать, но… странное дело! «Пришельцы» не желали занимать свободные места, которых в таблице было еще вполне достаточно, а упорно претендовали на уже занятые, потому что вновь открытые элементы как две капли воды были похожи по своим свойствам друг на друга и на уже известные так называемые редкоземельные металлы: лантан, иттрий, церий, эрбий.

С проблемой редких земель Менделеев столкнулся еще в 1869 году, когда составлял первый вариант периодической системы. В то время химики не сомневались в том, что лантан, церий, иттрий, эрбий и дидим являются двухвалентными металлами; кроме того, атомные веса их были очень занижены. Твердо уверенный в справедливости периодического закона, Менделеев предположил трехвалентность иттрия, лантана и эрбия и поместил их в третью группу, соответственно изменив атомные веса. Церий был помещен в четвертую группу, поскольку проявлял в некоторых соединениях валентность 4+. Дидим Менделеев поместил в пятую группу и, не уверенный в законности этого, поставил рядом знак вопроса. Так разместились в системе пять элементов. До поры до времени это не встречало особых возражений.

Но затем число вновь открытых редких земель стало катастрофически увеличиваться. Из разных стран начали поступать сведения об открытиях все новых и новых редкоземельных элементов. О том, чтобы разместить все их в периодической системе, не могло быть и речи: за период 1879–1906 годов их появилось около ста! Правда, потом выяснилось, что большинство этих открытий ложно, но все же к 1906 году ученые твердо установили, что 13 редкоземельных элементов действительно существуют. Это подтверждалось многократными, тщательными и беспристрастными исследованиями. Но никто не мог с уверенностью сказать, сколько же должно быть этих элементов-близнецов и как найти им место в периодической системе. А поскольку периодический закон не мог ответить на эти вопросы, то вновь возникло сомнение в его справедливости.

Менделеев ждал решения загадки от своего друга, чешского ученого Богуслава Браунера, который давно уже работал над этой проблемой.

Браунер был одним из тех ученых, кто сразу и до конца поверил в периодический закон. Всю свою жизнь он посвятил химии редких земель, и потому не удивительно, что именно он ближе всех подошел к разгадке тайны редкоземельных элементов, когда предлагал выделить их в совершенно отдельную группу и поместить в одной большой клеточке периодической системы. Но это была только догадка, не подтвержденная никакими фактами. Кризис продолжался. И даже углубился после того, как к списку проблем, еще не решенных периодическим законом, добавилась загадка радиоактивных элементов.

Было время, когда непонятное явление — радиоактивность — казалось легким облачком, омрачавшим ясный небосвод химии и физики, добившихся к концу XIX — началу XX века выдающихся успехов. Но время шло, и облачко превратилось в огромную тучу, закрывшую все небо. И только тут стало ясно, что человек коснулся одной из самых сокровенных тайн природы, загадка которой разрушит все прежние представления о строении вещества и в то же время даст основу для истинно научного знания. Итак, что же это за новая загадка?

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году, когда обнаружилось, что уран, самый тяжелый из всех известных в то время элементов, обладает удивительной способностью испускать особые, невидимые лучи. Несколько позже выяснилось, что точно таким же свойством обладают вновь открытый элемент актиний и давно известный торий. Затем в 1898 году из урановой руды были выделены два элемента, радиоактивность которых была во много раз сильнее, чем у урана. Это были радий и полоний. Однако потом число радиоактивных элементов выросло настолько, что некоторые из них стали называть просто буквами латинского алфавита с прибавлением названия элемента, из которого они были получены. Например, радий A, торий B, уран Z, актиний X и т. п.

Число вновь открытых радиоактивных элементов продолжало расти, а места для них, как и для редкоземельных элементов, в периодической системе не было. А тут еще выяснилось, что многие из них по своим химическим свойствам совершенно аналогичны уже известным элементам. Так, радиоактивные уран-икс-первый (UX1), ионий, радиоторий, уран-игрек (UY) и радиоактиний обладали теми же свойствами, что и торий. Следовательно, они все имели полное право находиться в одной клеточке периодической системы. Мезоторий-первый (MsTh1), торий-икс (ThX) и актиний-икс (AcX) претендовали на «жилплощадь» радия. Причем если редкоземельные элементы удавалось все же отделить друг от друга, то отделить, например, торий-икс от радия или торий от иония при помощи химических операций было невозможно.

В клеточках периодической системы становилось тесновато. Ну, положим, поместить их в одну клеточку можно, но как же быть с атомными весами? Выходит, тогда нужно примириться с фактом, что некоторые элементы с разными атомными весами попадут в одну клеточку, а с одинаковыми атомными весами — в разные. Это ли не опровержение периодического закона?

Вспомнилось, кстати, несоответствие между атомным весом и положением в периодической системе таких элементов, как калий К, и аргон Ar; кобальт Co, и никель Ni; йод J, и теллур Te. Обратите внимание: в периодической системе более тяжелые Ar, Co и Te предшествуют легким К, Ni и J, когда, казалось бы, должно быть наоборот. И если раньше можно было думать, что атомные веса этих элементов определены неверно, то теперь на это не приходилось рассчитывать. К 1906 году многочисленными исследованиями было твердо установлено, что K легче Ar, Ni легче Co, a J легче Te.

Так снова, как прежде, встал вопрос: верен ли периодический закон, и если все-таки да, то что является основой периодического изменения свойств элементов?

Ясно было одно — атомный вес больше не может служить строго научной основой естественной системы элементов. И именно тогда, когда казалось, что периодический закон увяз в неразрешимых противоречиях, последовала цепь блестящих открытий, которые не только подтвердили его правильность, но и сделали неизмеримо большее — вскрыли истинную причину периодичности, повторяемости свойств химических элементов. Но это случилось далеко не сразу, не вдруг…

Цепь великих открытий

В 1910 году английский ученый Содди пришел к выводу, что радиоактивные элементы, которые отличаются друг от друга по физическим свойствам, но абсолютно похожи по химическим, — это разновидности одного элемента. Содди назвал их изотопами («изо» — «одинаковый», «топос» — «место»). А когда оказалось, что изотопия характерна не только для радиоактивных, но вообще для большинства элементов периодической системы, многое сразу встало на свое место.

Прежде всего стало ясно, почему атомный вес элементов, как правило, выражается не целым числом, а дробным. Ведь в таком случае атомный вес элемента есть среднее между весами составляющих элемент изотопов, и, значит, вполне вероятно, что в некоторых случаях этот средний атомный вес может быть у предыдущего элемента больше, чем у последующего. Так оно и произошло в случае йода и теллура, калия и аргона, кобальта и никеля.

«Предыдущий», «последующий». А какое, собственно, мы имеем право употреблять теперь эти слова? Ведь мы только что узнали, что атомный вес (а ведь мы располагали элементы в порядке возрастания атомного веса, вспомните!) становится довольно ненадежным критерием в решении вопроса, какой же элемент «предыдущий», а какой «последующий».

Что же в таком случае брать за основу при пользовании периодической системой? Не порядковый же номер элемента!

Оказалось, именно порядковый номер!

Вот теперь мы вплотную подошли к тому, как физика помогла расшифровать самую большую тайну Страны элементов — причину периодичности их свойств.

Вскоре после открытия явления радиоактивности ученые установили, что радиоактивное излучение неоднородно. Оно состоит из трех различных типов лучей, которые получили название альфа-, бета- и гамма-лучей. Нас сейчас будут интересовать только альфа-лучи, ибо именно им принадлежит решающая роль в той увлекательной истории, о которой пойдет речь.

Альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц. В 1912 году замечательный английский физик Э. Резерфорд, изучая их свойства, обнаружил любопытное явление. Если направить пучок лучей на тонкую металлическую фольгу, скажем алюминиевую или медную, и следить за поведением альфа-частиц по свечению экрана из сернистого цинка, то можно заметить, что при прохождении через фольгу они изменяют направление движения. А некоторые даже отбрасываются назад. Размышляя над тем, какая сила действует на частицы, Резерфорд пришел к следующему выводу.

По-видимому, атом химического элемента устроен так, что в центре его находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Поскольку атом в целом электронейтрален, то число отрицательных зарядов (число электронов) должно быть численно равно заряду ядра. Для альфа-частицы такой атом должен быть совершенно «прозрачен», и только положительно заряженное ядро должно действовать на пролетающую мимо альфа-частицу. В отдельных, очень редких случаях, когда она попадает прямо в ядро, она отскакивает назад (одноименные заряды отталкиваются по закону Кулона).

Основываясь на этой гипотезе, Резерфорд теоретически рассчитал величину отклонения альфа-частицы в зависимости от заряда ядра атома. Но если выведенная им формула верна, то возможно решение и обратной задачи: зная отклонение, можно вычислить заряд ядра.

За проверку формулы взялись соотечественники Резерфорда Гейгер и Марсден. Опытным путем они установили, что формула справедлива, и, пользуясь ею, вычислили заряды ядер атомов меди, серебра и платины. Эти заряды оказались равными соответственно 29, 47 и 78 элементарным единицам заряда.

А теперь посмотрите на систему Менделеева, обратите внимание на порядковые номера меди, серебра и платины. Что это? Совпадение? Те же самые числа: 29, 47 и 78!

Нет, это не могло быть случайностью. И голландский ученый Ван-ден-Брук первый высказывает следующее предположение: величина заряда ядра атома каждого химического элемента, измеренная в элементарных единицах заряда, равна атомному номеру, то есть порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Наконец-то открыта истинная основа периодического закона. Не атомный вес, а заряд ядра — вот что должно указать место элемента в периодической системе.

Оставалось теперь измерить заряды ядер атомов всех известных элементов, чтобы этот вывод стал бесспорной истиной. Гипотезу нужно было превратить в теорию.

Эту работу Резерфорд поручил своему молодому сотруднику Генри Мозли, и тот блестяще справился со своей задачей. Короткая жизнь талантливого ученого (через год Мозли погиб) увенчалась исключительным по своей важности открытием.

Если на пути летящих электронов поместить преграду из какого-нибудь металла (она называется «антикатод»), то возникает рентгеновское излучение, в спектре которого, кроме многих других, будут и линии, характерные только для вещества антикатода. Это так называемые «характеристические» линии. Вот к систематическому изучению этих характеристических линий и приступил Мозли, после того как им были изготовлены антикатоды из большинства элементов.

От этих опытов ждали многого. Ведь если «планетарная» модель атома Резерфорда верна, то при переходе от элемента к элементу должна последовательно меняться и длина волны характеристического рентгеновского излучения. А раз так, то, зная эту длину волны, можно определить порядковый номер элемента в системе Менделеева!

Как ни смелы были предположения, а результаты превзошли даже самые смелые ожидания. Найденная закономерность оказалась столь ясно выраженной, соотношение между длиной волны и порядковым номером элемента настолько простым, что сомнений больше не оставалось: получен самый надежный метод определения места элемента в системе Менделеева.

И сразу начал рассеиваться туман, который долгие годы скрывал от ученых тайну редкоземельных элементов.

Прежде всего стало ясно, какие из редкоземельных элементов существуют в природе реально, а какие — плод фантазии или результат ошибки опытов. Только 13 таких элементов получили «права гражданства». Кроме того, Мозли уверенно заявил, что в руках исследователей нет элементов с порядковыми номерами 61 и 72 и, следовательно, их нужно искать!

Но где искать? Что касается 61-го элемента, то тут, казалось, особых затруднений ждать не приходилось. Это будет 14-й лантаноид. Датский физик Ю. Томсен еще в 1895 году, Б. Браунер в 1902 году предсказывали, что между неодимом и самарием должен находиться неизвестный редкоземельный элемент. Значит, и искать его надо в тех же минералах, в которых были найдены неодим и самарий^[2].

А где же искать элемент № 72?

Лютеций — № 71 — типичный редкоземельный элемент, № 73 — тантал — уже нет. Но каким элементом заканчивается группа лантаноидов? Лютецием или неизвестным № 72?

Ответить на этот вопрос смог великий датский ученый, физик-теоретик Нильс Бор. Выдвинутая им теория составила целую эпоху в науке о веществе.

Бор начал, казалось бы, с незначительной поправки к планетарной модели атома Резерфорда. Он предположил, что электроны вращаются не по любым, а по строго определенным орбитам и на каждой орбите может находиться только вполне определенное число электронов. Электрон может переходить с одной орбиты на другую, но при этом он либо выделяет, либо поглощает строго определенную порцию (квант) энергии. Поэтому спектр возбужденного атома, сфотографированный в специальном приборе — спектроскопе, имеет не сплошной, а «полосатый» вид.

Дав объяснение таким спектрам с помощью своей теории, Бор пришел к выводу, что на первой от ядра орбите могут находиться не более 2 электронов, на второй — 8, на третьей — 18, на четвертой — 32, на пятой — 50 и т. д. Вообще 2n² электронов, где n — порядковый номер орбиты (в физике число n носит название «главного квантового числа»).

Теперь давайте посчитаем число элементов в каждом периоде системы Менделеева. В первом периоде — 2 элемента (водород и гелий), во втором и третьем — 8, в четвертом и пятом — по 18, в шестом периоде — 32 элемента. Мы получили тот же ряд чисел! Ясно, что это не случайность. Число элементов в периоде отражает последовательность заполнения электронных орбит. А раз так, то, по-видимому, становится совершенно необходимым, необычайно важным знать, как, в какой последовательности оно происходит. На этом пути мы неизбежно должны прийти к очень важным выводам.

Итак, с точки зрения теории Бора, у элементов первого периода периодической системы идет заполнение первой орбиты. Поскольку на ней могут расположиться только 2 электрона, то и элементов в первом периоде может быть только два. Во втором периоде (n=2, идет заполнение второй орбиты) могут быть 8 элементов. Так оно и есть. Последний элемент второго периода, неон, имеет порядковый номер 10, и, значит, число электронов у него равно десяти: 2 на первой орбите и 8 на второй. Далее, в третьем периоде должно быть уже 18 электронов, но их всего 8, то есть третья орбита вместо 18 возможных вместила только 8 электронов. Так происходит потому, что 8-электронная структура обладает наибольшей устойчивостью, и поэтому третья орбита заполняется максимально возможным для нее количеством электронов (18) только в четвертом периоде, то есть когда она стала, если можно так выразиться, «глубоким тылом». Это явление — заполнение оболочек «с опозданием» — будет повторяться и дальше, причем во всех случаях это будет происходить только «под защитой» внешней оболочки, которая, в свою очередь, никогда не имеет больше восьми электронов.

Нам осталось рассмотреть пятый и шестой периоды, (седьмой период не закончен). Расположение электронов по орбитам у инертных газов, заканчивающих эти периоды, таково:

Ксенон — 2, 8, 18, 18, 8.

Радон — 2, 8, 18, 32, 18, 8.

В шестом периоде электроны как бы «вспоминают», что на четвертой орбите есть 14 «вакантных» мест, и начинают их заполнять. Так образовалось семейство лантаноидов. 14 электронов — 14 элементов. Но ведь это значит, что элемент № 71 — лютеций — последний редкоземельный элемент и, следовательно, неизвестный элемент № 72 должен быть аналогичен уже цирконию и титану, расположенным в соседней четвертой группе. Значит, и искать его нужно в циркониевых и титановых рудах, а не среди редких земель.

В 1923 году Костер и Хевеши обнаружили элемент № 72. Найден он был в норвежской циркониевой руде и назван гафнием. Теория Бора блестяще подтвердилась. Тучи над периодическим законом развеялись. Причина периодического изменения свойств стала очевидной.

Более подробное знакомство с картой

Давайте теперь еще раз вернемся к периодической системе, но вернемся вооруженные проверенной теорией и глубоко убежденные в правильности периодического закона.

Итак, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, заряд которого равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Их число равно заряду ядра (а следовательно, порядковому номеру). Электроны расположены на орбитах, причем на каждой максимально может находиться только строго определенное число электронов. Вот эти числа: 2, 8, 18, 32 и т. д.

По-видимому, структуры из такого числа электронов являются наиболее устойчивыми и особенно 2- и 8-электронные. И это действительно так. Ведь у инертных газов на внешней орбите такое количество электронов: у гелия — 2, а у всех остальных — по 8.

А теперь выясним, как связаны химические свойства элементов со строением их атомов. В первом периоде находятся два элемента: водород и гелий. У первого элемента, водорода — заряд ядра — единица и на единственной орбите — один электрон. У гелия появляется еще один электрон, и на этом период заканчивается.

У первого элемента второго периода, лития — порядковый номер три, и три его электрона расположены на двух орбитах: два на первой и один на второй. У бериллия появляется четвертый электрон. Но поскольку первая орбита занята полностью, то новый электрон поместится на второй орбите. У бора на второй орбите будут уже три электрона, у углерода — четыре, у азота — пять и так до неона, у которого вторая орбита уже заполнена — на ней восемь электронов. Поэтому новый электрон, который появляется у следующего за неоном натрия, должен поместиться на следующей, третьей орбите.

Начинается новый период. И в нем картина полностью повторяется. У магния, похожего по химическим свойствам на бериллий, будет два электрона на внешней орбите. У аналогов бора и алюминия, углерода и кремния, азота и фосфора, кислорода и серы, фтора и хлора — у всех на внешней орбите по одинаковому числу электронов (например, у фтора и хлора — по семи). Так вот, оказывается, в чем причина повторяемости свойств химических элементов! Она в сходстве строения внешних электронных орбит.

Так, у щелочных металлов лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция — у всех на внешней орбите по одному электрону, а это значит, что, вступая в химическую реакцию, их атомы могут «оперировать» только одним электроном, а именно: отдавать его, стремясь приобрести такую же устойчивую электронную оболочку, как у инертных газов.

Во вторую группу попадают щелочноземельные металлы. У них по два электрона на внешней орбите, и, следовательно, отдавая их, они могут проявлять валентность 2+ (то есть два положительных заряда у них не скомпенсированы) и т. д. В общем оказывается, что номер группы периодической системы указывает высшую возможную валентность элементов, стоящих в этой группе. Так, элементы седьмой группы могут проявлять валентность, равную 7+.

Но почему мы все время говорим только об отдаче электронов? Ведь точно такую же устойчивую структуру, подобную структуре инертного газа, элементы приобретут, если присоединят к себе недостающие до 8-электронной структуры электроны. Правильно. Они так и делают, но только там, где это «выгодно». Конечно, магнию, например, легче отдать свои два электрона, чем присоединить шесть, а хлору, у которого на внешней орбите семь электронов, достаточно приобрести один электрон, и орбита «достроена».

По этой же причине стоящему в середине азоту практически «все равно», отдавать или принимать электроны. Ему одинаково выгодно и то и другое.

Так мы выяснили разницу между металлами и неметаллами с точки зрения строения атома.

Металлы могут только отдавать свои валентные электроны; неметаллы, как правило, принимают их. Из сказанного само собой напрашивается вывод, что количество металлов и неметаллов в периодической системе должно быть приблизительно одинаково. Но не тут-то было! Оказывается, неметаллов в периодической системе очень мало. Они занимают только несколько клеточек в правом верхнем углу системы, а все остальные заполнены типичными металлами!

Все обстояло благополучно, пока мы не выходили за рамки первых трех периодов таблицы Менделеева. Но вот началось заполнение четвертого периода. Калий — один электрон на внешней, четвертой орбите, кальций — два электрона, скандий — два электрона. Титан и ванадий — опять по два. В чем дело? Почему, как только на внешней орбите размещаются два электрона, последующее заполнение четвертой орбиты прекращается, а каждый новый электрон размещается на внутренней, третьей орбите? Почему вообще с таким опозданием начинает заполняться третья орбита максимально возможным для нее числом электронов?

По-видимому, мешало сильное взаимное отталкивание одноименно заряженных электронов. Это привело к тому, что они начали образовывать новую орбиту дальше от ядра, вместо того чтобы «достраивать» старую. Но вот на новой орбите разместилась чрезвычайно устойчивая конфигурация из двух электронов. Настолько устойчивая, что вновь появляющимся электронам стало энергетически выгоднее «достраивать» внутреннюю, третью орбиту, тем более что такой «застройке» стал помогать увеличившийся положительный заряд ядра атома.

Впрочем, электроны внешней орбиты не совсем игнорируют пришельцев. Титан, например, несмотря на то, что имеет на внешней орбите всего два электрона, в химических реакциях проявляет валентность 4+ (как этого и требует номер группы). Недостающие два электрона он просто берет «взаймы» с третьей орбиты. Ванадию, поскольку он расположен в пятой группе, приходится «занимать» уже три электрона и т. д. Подобная картина наблюдается во всех четных рядах. У всех элементов четных рядов на внешней орбите имеется по два электрона, а это, как мы видели, признак металличности.

Но что же происходит после того, как внутренняя орбита полностью заполнена? В четвертом периоде это наступает у меди и цинка. Ну, тут уж делать нечего, и нашим двум электронам приходится потесниться. У следующего за цинком металла галлия на внешней орбите три электрона, у германия — четыре. А расположенные за германием мышьяк, селен и бром уже оказываются типичными неметаллами, то есть появляется закономерность изменения свойств такая же, как и в предыдущих (малых) периодах. Так образовался первый большой период. В дальнейшем, при заполнении следующих больших периодов, картина будет повторяться. С той лишь разницей, что в шестом периоде, после того как у бария появятся два электрона на внешней орбите, дальнейшее заполнение пойдет следующим образом. У лантана один электрон разместится на предыдущей, пятой орбите, а у лантаноидов начнется заполнение глубоко лежащей четвертой орбиты.

Вот, оказывается, в чем причина поразительного сходства этих элементов. В самом деле, единственный электрон с пятой орбиты «взять взаймы» нетрудно, но попробуйте добраться до четвертой орбиты! Поэтому и приходится ждать, пока она не будет заполнена целиком, а до тех пор довольствоваться лишь тремя электронами. Вот так и случилось, что целых четырнадцать элементов проявляют одну валентность 3+ и потому похожи друг на друга по своим химическим свойствам, как близнецы.

Но химическое сходство или различие элементов зависит не только от строения электронных орбит, но и от их числа. Ведь с каждой новой орбитой, с каждым новым периодом атом увеличивается в размерах. В результате электроны последних орбит уже так далеко расположены от притягивающего их ядра, что им ничего не стоит покинуть атом при самом незначительном воздействии. Вот почему самые металличные металлы, цезий и франций, расположены в левом нижнем углу периодической системы, а самый неметалличный неметалл, фтор, — наоборот, в правом верхнем. Лантаноиды еще и потому так похожи друг на друга, что заполнение электронами глубоко лежащей внутренней орбиты сопровождается не увеличением размеров атомов, а незначительным уменьшением за счет возросшего положительного заряда ядра. Более того, в результате такого «лантаноидного сжатия» следующие за ними элементы гафний и тантал имеют в точности такие же размеры атомов, как и их аналоги цирконий и ниобий, и потому цирконий особенно похож по своим свойствам на гафний, а ниобий — на тантал.

И, наконец, несколько слов о положении в системе водорода. Помещая водород в первую группу, мы должны отчетливо представлять себе, что делаем это лишь по единственному признаку — один электрон на орбите. Но ведь водород может проявлять валентность и 1–, то есть, подобно галогенам, он может принимать на свою орбиту один электрон, становясь отрицательно заряженным. Известен целый класс подобных соединений. Они называются гидридами. Например, гидрид кальция CaH₂, гидрид лития LiH. По этому признаку водород с полным правом можно поместить и в седьмую группу.

А что же дальше?

Можем ли мы сказать, что в наши дни периодическая система целиком и полностью безупречна? Пожалуй, все-таки нет. Взять хотя бы те же лантаноиды. То, что их помещают всего лишь в одну клетку лантана, оправдано с точки зрения теории строения электронных оболочек. Но тем самым в «короткую» форму таблицы Менделеева (которая изображена и на нашей цветной вкладке) вносится некоторый элемент искусственности. Далеко не все ясно и с положением трансурановых элементов. Этот вопрос сейчас вызывает очень много споров. Одни ученые полагают, что в седьмом периоде нужно выделить семейство актиноидов, аналогичное лантаноидам, и поместить торий, протактиний, уран и 11 трансурановых элементов (общим числом 14, как в случае лантаноидов) в клетку актиния (это показано на вкладке). Другие исследователи считают разумным выделить семейства уранидов и кюридов, оставив торий, протактиний и уран на прежних местах. Словом, ясности пока маловато. Ее внесет будущее.

Безусловно, многое еще ожидает впереди периодическую систему. Трудно гадать, какие еще дополнения и уточнения будут в нее внесены. Нельзя лишь сомневаться в том, что «будущее не разрушение периодическому закону, а развитие и расширение обещает». Так говорил Менделеев. Его слова многократно подтверждались и будут подтверждаться в ходе развития науки.

Можно ли металл резать ножом? И даже костяным, которым обычно разрезают страницы книг? Мять пальцами, как воск? Расплавить теплом руки? И, наконец, может ли металл плавать в воде?

С первого взгляда вопросы эти кажутся несколько странными: в повседневной жизни мы привыкли иметь дело с твердыми, тугоплавкими металлами… И тем не менее существуют металлы мягкие, как воск, не тонущие в воде, плавящиеся от тепла руки. И более того, с точки зрения химических свойств они являются типичными: очень легко образуют катионы. При взаимодействии с водой они дают сильные щелочи; потому-то их и называют щелочными. Это литий, натрий, калий, рубидий и цезий.

Если вынуть кусочек щелочного металла из банки с керосином, где их обычно хранят, и разрезать ножом, то можно увидеть, что срез имеет серебристо-белый оттенок. Но стоит кусочку совсем немного побыть на воздухе, как срез темнеет и теряет свой блеск: металл взаимодействует с влагой воздуха — образуется пленка гидроокиси. Она поглощает углекислый газ воздуха и превращается в карбонат. Щелочные металлы очень активны. Потому их хранят в керосине. Если же бросить в воду маленький кусочек, например, натрия, он превратится в сверкающий шарик и, как паук-серебрянка, забегает по поверхности воды с потрескиванием и вспышками, подталкиваемый пузырьками образующегося водорода. Выделяется много тепла. Большее количество металла может вызвать воспламенение водорода и даже взрыв.

Необычная активность щелочных металлов объясняется слабой связью единственного внешнего электрона с атомом.

Три щелочных элемента — литий, натрий и калий — не тонут в воде. Удельный вес лития равен 0,534, он почти в два раза легче воды и в 40 раз легче осмия — самого тяжелого металла.

Пар межпланетных кораблей

Космический корабль преодолел земное притяжение. Мощные двигатели уже не нужны. Они требуют слишком много горючего. Что же заменит их в космосе? Ионный двигатель. Он очень прост. Вот его схема. Мощные солнечные батареи раскаляют пластины вольфрама. На них подается самый легкоплавкий и самый активный щелочной металл цезий.

Под действием тепла, излучаемого вольфрамом, цезий ионизируется. Образовавшееся ионное облако разгоняется в электростатическом поле при напряжении порядка 10 100 вольт. Со скоростью 12 миллионов сантиметров в секунду ионы цезия вылетают из сопла ракеты. Образуется необычайно мощная удельная тяга в 12 000 кг·сек/кг^[3], но масса ионного луча очень мала, общая тяга двигателя, сообщают американцы, не превышает одного килограмма.

Однако в космосе и такой двигатель сообщит современному планетолету высокую скорость. Отметим: в ионном двигателе цезий не топливо, он лишь переносчик энергии солнца, подобно пару, переносчику энергии сжигаемого угля.

Ионный пар окажет огромную услугу людям и на Земле. В будущем плазменные генераторы вытеснят современные паровые котлы, турбины, генераторы и конденсаторы, такие привычные и вместе с тем, что греха таить, очень неудобные, громоздкие и неэкономичные переводчики тепла в электричество.

Принцип работы плазменных генераторов сравнительно прост. Из сопла газовой турбины со сверхзвуковой скоростью, с оглушающим ревом вырывается нагретый до 3000 °C поток ионизированного газа. По выходе из сопла его стережет сильное магнитное поле. Но, как известно, газы очень слабо ионизируются даже при такой высокой температуре. Их электропроводность несравнима с электропроводностью металла. Чтобы значительно повысить электропроводность газа, необходимо ввести в поток заряженные частицы.

И снова на помощь приходят активные, легкоионизирующиеся щелочные металлы. Цезий (рубидий, калий) впрыскивают в газовый поток.

Для получения электрического тока надо пересечь магнитное поле металлическим проводником: здесь роль металла выполняет электропроводящий газовый поток.

В плазменном генераторе тепло нагретого газа непосредственно переходит в электричество. Его коэффициент полезного действия равен 50–60 процентам, то есть в два раза больше, чем у обыкновенных генераторов тока: паровых котлов, турбин, электрогенераторов и т. д.

Трассы космических кораблей

Щелочные металлы связали свою судьбу с космосом. В этом 2 января 1959 года убедилось все человечество.

В морозную зимнюю ночь в назначенное время от невидимой ракеты, мчащейся к Луне, отделилось желтое пятнышко — облако паров атомарного натрия. Во вселенной появилась первая искусственная комета. С ее помощью определили точные координаты ракеты в момент выброса натриевого облака. Образованное на расстоянии 113 тысяч километров от Земли, оно обладало яркостью звезды шестой величины, звезды, заметной невооруженному человеческому глазу.

Для создания искусственных комет можно использовать все щелочные металлы. Все они легко испаряются и ярко светятся. Каждый элемент таблицы Менделеева светится по-своему, обладает своим, только ему присущим спектром.

Натрий окрашивает пламя в ярко-желтый цвет: киньте щепотку поваренной соли на пламя газовой горелки, и вы в этом легко убедитесь.

В космосе атомы натрия рассеивают желтую часть солнечного спектра, поглощая все остальные. Получается желтая комета, очень яркая. Общее количество света от кометы, на образование которой потребовался один килограмм натрия, такое же, как от электрического прожектора мощностью в 70 тысяч киловатт.

Но можно создать еще более яркую комету, воспользовавшись литием. Во-первых, атомы лития сильно рассеивают определенную часть солнечного спектра; во-вторых, в одном килограмме их в три раза больше, чем атомов натрия. Литиевая комета, образованная одним килограммом металла, будет светиться в 40 раз ярче натриевой. Только она окажется не желтой, а карминово-красной. Калиевая комета будет розово-фиолетовой. При помощи щелочного металла можно сделать путь космического корабля трассирующим: для этого надо выбрасывать литиевые облачка через определенные промежутки времени.

Реагируют со светом

В 1888 году известный русский физик А. Г. Столетов обнаружил, что свет электрической дуги выбивает электроны из цинковой пластинки. Это явление было названо фотоэлектрическим эффектом. Его величина зависит от подвижности электронов в металле, от того, насколько легко вырвать их из атома, ионизировать его. Напряжение поля, в котором внешний электрон атома покидает свою орбиту, называется ионизационным потенциалом.

Для щелочных металлов ионизационные потенциалы малы по сравнению с другими металлами. Для цезия, например, всего лишь 3,9 вольта. Не удивительно, что калий, натрий, а особенно рубидий и цезий очень чувствительны к свету. Немалое количество двух последних идет на производство фотоэлементов.

Что такое фотоэлемент?

Это небольшой, наполненный разреженным инертным газом баллончик, часть внутренней оболочки которого покрыта тончайшим слоем цезия или рубидия. Напротив этой серебристой части баллончика, похожей на отличное зеркало, впаяно кольцо или сетка.

Серебристая часть баллончика — катод, кольцо или сетка — анод. Когда освещается катод, кванты света выбивают электроны. Они движутся к аноду — в цепи возникает ток.

Фотоэлементом можно измерить яркость звезды, еле видимой человеческим глазом.

Фотоэлементы с кислородно-серебряно-цезиевыми катодами «видят» в темноте: они чутко отзываются на инфракрасные и фиолетовые лучи.

Фотоэлемент дал язык Великому Немому (кино), без него невозможно было бы телевидение. Он неотъемлемая часть множества современных установок для автоматизации производственных процессов.

Щелочные металлы и атомный реактор

Ученые расковали атомное ядро, добрались до неисчерпаемого клада энергии и… тут же столкнулись с серьезной проблемой.

Урановый реактор надо охлаждать, отводить непрерывно выделяемое им тепло. Возникла необходимость в веществе, которое бы эффективно и быстро отбирало тепло, легко проходило по трубам охлаждающей системы и было жидким при температуре в несколько сот градусов. Такова температура охлаждаемых частей реактора.

Вода — старый, испытанный теплоноситель. Теплоемкость у нее отличная, очень неплохая теплопроводность, в трубах не застрянет, но… но уже при 100 °C превращается в пар. На воде успешно работают многие реакторы, но ее низкая температура кипения требует сооружения систем высокого давления. К тому же при высоких температурах вода вступает в химическое взаимодействие с материалами конструкции.

Использование щелочных металлов в качестве теплоносителя позволяет упростить установку. Натрий, например, быстро и эффективно отбирает тепло. Он плавится при 97,8 °C, а кипит при 890 °C. Следовательно, он жидкость на протяжении почти 800 градусов. А это свойство далеко не маловажное: натрий применяют при высоких температурах и низких давлениях. К тому же он химически не взаимодействует с материалом системы охлаждения. Литий обладает диапазоном жидкого состояния в 1150 °C. Он также употребляется в качестве теплоносителя. Правда, щелочные металлы — гораздо более слабые замедлители нейтронов, чем вода; к тому же их наведенная радиоактивность выше, чем у воды.

В природе и в организме

Земная кора содержит одинаковое количество калия и натрия, примерно 2,5 процента по весу. На суше встречаются мощные залежи солей того и другого элемента, но в океане натрия в 40 раз больше, чем калия. В чем же здесь дело? Обратимся к радиусам ионов щелочных металлов. Вот что для них характерно. Чем больше атомный вес, тем большим ионным радиусом обладает металл, следовательно, тем легче он поддается влиянию со стороны всякого рода заряженных частиц. Такие частицы всегда есть в почве, они притягивают легко деформирующиеся ионы, каковыми являются катионы калия, рубидия и цезия.

С другой стороны, каждый ион является источником электрического поля и оказывает деформирующее действие на заряженные частицы внешней среды, причем тем сильнее, чем меньше ионный радиус. Из щелочных металлов наиболее сильным деформирующим действием обладает катион лития, у которого наименьший ионный радиус (0,78Å). Таким образом, можно сказать, что калий, рубидий и цезий задерживает почва, а литий сам в ней задерживается. У натрия же оптимальный размер иона (0,98Å), он слабо деформируется и слабо деформирует, а поэтому легко вымывается водами из почвы.

То, что калий удерживает почва, очень важно; ведь он один из трех китов плодородия. (Два других — фосфор и азот.) Ежегодный мировой урожай уносит из почвы более 30 миллионов тонн калия. Особенно много потребляют его свекла, картофель и табак.

При недостатке калия растения теряют способность синтезировать углеводы, в сахарной свекле понижается содержание сахара, в картофеле — крахмала. Особенно нужен калий молодому растению, где деление клеток идет более энергично. При недостатке этого элемента растение задерживается в росте, не плодоносит и в конце концов заболевает.

Главными калийными удобрениями служат хлористый калий и калийные соли, приготовляемые из сильвинита — горной породы, состоящей из смеси хлористого калия и хлористого натрия. Хлористый калий, идущий на удобрение, — это белый мелкокристаллический порошок. В нем более 50 процентов калия.

Сульфат калия содержит до 52 процентов калия, он эффективен для всех почв и особенно хорош для культур, чувствительных к хлору, таких, как картофель, лен, конопля, табак.

Непосредственно в качестве удобрения применяется и молотый сильвинит; в среднем он содержит до 15 процентов калия.

Долгое время крупнейшим месторождением калийных солей в мире было Страссфуртское в Германии. До революции Россия ежегодно закупала в Германии 4–5 миллионов пудов калийных солей.

Русские ученые настойчиво искали отечественные залежи калия, и в 1912 году в верховьях Камы на глубине 100 метров был найден желтоватый минерал, который оказался сильвинитом — хлористым калием. После революции Соликамское месторождение было исследовано под руководством академика Н. С. Курнакова. Оно оказалось калийным месторождением мирового значения.

В 1927 году в Соликамске заложили шахту, которая в 1930 году выдала первую партию сильвинита.

Совсем недавно начались разработки богатейшего месторождения калийных солей в Белоруссии. Запасы минерального сырья здесь велики: при самой интенсивной эксплуатации его хватит на сотни лет. В 1961 году Солигорский комбинат дал сырую калийную соль.

Лития в земной коре в 400 раз меньше натрия. Свое название он получил в знак того, что был найден в минерале, а не в золе растений, из которой в то время добывался его сородич калий. «Литеос» в переводе с греческого означает «камень». Впрочем, и некоторые растения содержат литий в сравнительно больших количествах. Так, в лютике, татарнике, василистнике его во много раз больше, чем в других растениях.

В земной коре цезия столько же, сколько и ртути (7·10^–4%); рубидия в десять раз больше, чем цезия. Они содержатся во многих горных породах, в залежах калийных солей, в морской воде, в растениях и животных организмах. Их добывают из собственных минералов: лепидолитов и поллуцитов. Рубидий накапливают морские организмы; его много в хвое деревьев, в красном вине. Он концентрируется в красных кровяных тельцах — эритроцитах. Цезий накапливается в мышечных тканях.

Натрий и калий в относительно больших количествах содержатся в живом организме и играют в нем немаловажную, хотя и различную, роль.

В организме человека — всего около 175 граммов калия, причем во внеклеточной жидкости (плазме крови, лимфе, спинномозговой жидкости) его лишь 2 с небольшим грамма.

Натрий же, напротив, концентрируется во внеклеточной жидкости, где его количество в 28 раз больше калия; в тканях натрия в пять раз меньше, чем калия.

Взрослые животные организмы содержат калия несколько больше, чем натрия, а в тканях зародышей натрия больше; соотношение этих элементов в них приближается к соотношению в морской воде. Некоторые ученые рассматривают этот факт как непосредственное доказательство возникновения жизни в море. Калий участвует в синтезе гликогена и белка. При недостатке этого элемента в организме человек испытывает общую слабость, нарушается нормальная сердечная деятельность. Натрий, в свою очередь, необходим для регулирования кислотно-щелочного равновесия, для работы скелетной мускулатуры и нормальной пульсации сердца.

Любопытные профессии

Вспомните, как задыхались герои Жюля Верна в герметически закупоренном «Наутилусе», который оказался в ледяной ловушке. Сумей они убрать из воздуха лодки лишний углекислый газ и добавить кислорода, этого не случилось бы. В наше время проблема регенерации воздуха решена с помощью перекисных соединений натрия и калия. Смесь перекиси натрия с надперекисью калия, поглощая углекислый газ, с легкостью выделяет эквивалентное количество кислорода.

Na₂O₂ + K₂O₄ + 2CO₂ = Na₂CO₃ + K₂CO₃ + 2O₂.

Таким образом, воздух, выдыхаемый человеком, полностью регенерируется.

Оба эти вещества получают, сжигая металл в токе сухого кислорода. Продажный препарат перекиси натрия имеет желтоватую окраску, но очень чистый реактив бесцветен. Надперекись калия при обычных условиях — ярко-желтый пушистый кристаллический порошок. Оба соединения — очень сильные окислители. В прошлом перекись натрия была одним из сильнейших отбеливающих средств. Ее и сейчас добавляют в белильные и стиральные порошки.

Перекиси щелочных металлов употребляются в качестве твердых заменителей перекиси водорода для получения некоторых красителей, гидролиза крахмала, производства пороха, отбелки древесной массы на бумажных фабриках.

Производство перекисей является одним из крупных потребителей натрия и калия. Не уступает ему в этом отношении производство цианидов щелочных элементов.

Цианистые соли обладают способностью образовывать комплексные растворимые соединения золота и серебра. В 1844 году русский ученый П. Р. Багратион предложил использовать цианистый натрий для извлечения золота и серебра из их руд. На воздухе в растворе цианистого натрия эта реакция протекает так:

4Au + 8NaCN + 2H₂O + O₂ = 4NaAu(CN)₂ + 4NaOH.

Цианистые соли очень ядовиты; их используют для борьбы с вредителями сельского хозяйства. Цианистый натрий применяется также для поверхностной закалки сталей и в производстве пластических масс, искусственных смол, лаков и красок. Обычно цианистый натрий получают обработкой расплавленного натрия сухим газообразным аммиаком при 300 °C с последующим действием угля при 800 °C. Суммарная реакция процесса такова:

2Na + 2NH₃ + 2C = 2NaCN + 3H₂.

В последнее время возрастает доля натрия в производстве стиральных порошков и синтетических моющих средств.

Немалое количество натрия идет на производство каучука. Основой каучука является дивинил, но он полимеризуется в каучук только при действии катализатора, а лучший из них — металлический натрий. Реакция идет тем быстрее, чем большей поверхностью обладает натрий, чем большие массы дивинила с ним соприкасаются. Поэтому тонкий слой натрия наносят на поверхность железного прута. Обычно на тонну каучука расходуется 3 килограмма натрия.

Но львиную долю металлического натрия забирает сейчас производство тетраэтилсвинца — отличного антидетонатора.

Самые важные соединения

Речь идет о гидроокисях щелочных металлов, или едких щелочах. Едкими их назвали потому, что они разрушают, разъедают живую ткань. Это сильные щелочи, они отнимают влагу у животной ткани и вступают в соединение с белком. Ткань набухает, а при длительном действии возникает ожог. Едкий натр в расплавленном состоянии разъедает стеклянную и фарфоровую посуду, а при доступе воздуха — даже платиновую. Все гидраты окисей щелочных металлов отлично растворяются в воде.

На практике едкий натр получают электролизом раствора поваренной соли; едкое кали — электролизом хлористого калия. В мире производят несколько миллионов тонн едкого натра. Он применяется во многих отраслях химической промышленности. Действием разбавленного раствора едкого натрия при 140 °C выделяют из растительных материалов целлюлозу — важнейшее сырье различных отраслей промышленности.

Большое количество щелочи потребляет мыловаренная промышленность. Мыло — это натриевые и калиевые соли жирных кислот.

Высшие сорта жидкого туалетного мыла, а также специальные жидкие медицинские мыла получают, используя едкое кали.

В больших количествах едкие щелочи употребляются в промышленности органических красителей, в текстильном производстве, для очистки минеральных масел и т. д.

О соде и стекле

Еще 5 тысяч лет тому назад египтяне выделывали стекло сплавлением чистого белого песка с содой и мелом. Соду древние египтяне добывали из содовых озер. В природе она образуется там, где есть залежи мирабилита Na₂SO₄. Особые виды бактерий восстанавливают мирабилит до сульфида натрия Na₂S. При действии углекислого газа и воды последний превращается в соду. На дне содовых озер и на берегу образуется минерал соды — трона Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O.

До конца XVIII века стекольные и мыловаренные заводы, текстильная промышленность Западной Европы работали на природной соде. Широко использовалась сода, добывавшаяся на средиземноморском побережье Испании сжиганием щелочьсодержащих растений.

В России XVIII века в больших количествах вырабатывался поташ K₂CO₃, который и применялся в стеклоделии. Для того чтобы получить пуд поташа, сжигали лес на площади 120 квадратных метров. В Москву доставляли также астраханскую и испанскую соду.

Техника получения растительной соды была в конце XVIII века весьма примитивна, и даже лучший сорт ее — испанская «барилла» — содержал всего 25–30 процентов основного продукта.

В середине XVIII века стеклоделам, мыловарам и текстильщикам стало не хватать соды…

В 1775 году Парижская академия наук объявила конкурс на способ производства соды из поваренной соли. Через 15 лет парижский нотариус получил конверт, в котором находилось описание производства искусственной соды из глауберовой соли Na₂SO₄. Автором патента оказался химик-любитель Леблан, домашний врач герцога Орлеанского. По его способу глауберова соль, получаемая действием серной кислоты на поваренную соль, сплавлялась с углем и углекислым кальцием при 1000 °C.

Сплав соды с сульфидом кальция выщелачивали, то есть действовали на него водой. Сода переходила в раствор.

По способу Леблана соду получали до семидесятых годов XIX века. Упали вполовину цены на ткани, оконные стекла и мыло. До Леблана оконные стекла во Франции считались роскошью. Но способ был далеко не идеальным: получалось много отходов, он требовал большого расхода топлива, аппаратура была слишком громоздкой, реакции шли в основном с твердыми веществами.

В 1861 году бельгийский промышленник Сольвэ предложил аммиачный способ получения соды. Он более дешев и прост, не страдает недостатками леблановского способа: в раствор поваренной соли вводятся аммиак и избыток углекислого газа. Образующийся бикарбонат аммония в результате обмена переходит в бикарбонат натрия:

NH₄HCO₃ + NaCl ↔ NaHCO₃ + NH₄Cl.

При нагревании бикарбонат натрия легко переходит в карбонат, соду.

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂.

Na₂CO₃ поступает в продажу в виде безводной, так называемой кальцинированной соды.

В настоящее время соду по способу Сольвэ получают в огромных количествах. В мире ежегодно производится несколько миллионов тонн этого продукта.

Аммиачный способ хорош, но и он не без недостатков. В нем не полностью используется хлористый натрий, происходят потери углекислого газа, аммиака и извести. В 1939 году советский ученый А. П. Белопольский разработал способ производства соды на базе мирабилита. Этот способ предусматривает комплексное использование сырья. В его основе лежит реакция:

Na₂SO₄ + 2NH₃ + 2CO₂ + 2H₂O = 2NaHCO₃ + (NH₄)₂SO₄.

Получаются сразу два ценных продукта — сода и сернокислый аммоний. Способ Белопольского не нашел пока промышленного применения.

Пятая часть всей соды перерабатывается в едкий натр, около трети используется в производстве алюминия. Содой обрабатывают исходное сырье для получения окиси алюминия — бокситы.

Промежуточный продукт содового процесса — бикарбонат натрия — применяется в медицине и пищевой промышленности. Питьевая сода — так называют в быту это вещество — должна быть очень чистой, не содержать ядовитых примесей (мышьяка и др.).

Более трети всей получаемой соды потребляется стекольной промышленностью.

Металлический кальций и его аналоги — стронций и барий — были получены впервые около 150 лет тому назад, но соединения кальция служат человеку с глубочайшей древности.

Гораздо меньшее значение по сравнению с кальцием имели, да и сейчас имеют стронций и барий и их соединения. К группе щелочноземельных элементов, о которых сейчас идет речь, принадлежит по своим химическим свойствам и радий. Однако не химические свойства, а радиоактивность сделала этот элемент провозвестником новой эпохи в науке.

Земли или элементы?

Название «щелочноземельные элементы» сохранилось за кальцием, стронцием и барием с тех времен, когда соединения, которые мы с вами теперь называем окислами, именовались «землями». Эти вещества не изменялись при нагревании, слабо растворялись в воде, давая щелочные растворы, что по тогдашним представлениям соответствовало понятию «земли».

«Известковую землю» — окись кальция — люди знали с давних времен. За способность соединяться с углекислым газом, связывать его, а также давать нерастворимые соли со многими кислотами окись кальция называли еще «связывающей землей». Соединения же бария и стронция попали в руки химиков сравнительно недавно — около 190 лет назад. В 1774 году Шееле исследовал природную двуокись марганца — пиролюзит — и обнаружил в ней неизвестное до того времени вещество большого удельного веса, которое получило название тяжелого шпата, или барита. Последнее название происходит от греческого слова «барюс» — тяжелый, тяжесть. А через тринадцать лет в Шотландии, вблизи селения Строншен, было найдено другое, похожее вещество — стронцианит. Впоследствии было установлено, что ученые имели дело с сульфатами бария и стронция, а название этого последнего имеет, как видите, географическое происхождение.

Методы, которыми пользовалась наука до конца XVIII века, не позволяли разложить «земли» на более простые вещества, поэтому Антуан Лавуазье в 1789 году в своем «Элементарном курсе химии» относил CaO, SrO и BaO к числу элементов. Однако там же он высказывал предположение, что эта точка зрения должна будет измениться и что наука найдет способ разложить упрямые «земли». Лавуазье оказался прав.

Применение новых методов исследования всегда приводит к революционным сдвигам в науке. Так было и тогда, когда английский ученый Г. Дэви в 1808 году впервые использовал электрический ток для воздействия на химические вещества. Атака на «земли», в которой принимал участие и другой знаменитый ученый — Берцелиус, привела к замечательной победе: один за другим из «земель» были выделены чистые металлы — барий, стронций и кальций (его назвали так от французского слова «кальк» — «известь»).

Понятно, почему чистые щелочноземельные элементы в природе не встречаются и с трудом даются в руки людям: они настолько активны, что соединяются буквально со всеми составными частями воздуха (кроме инертных газов), даже с азотом.

В нашем сознании представление о металле часто связано прежде всего с прочным, твердым, устойчивым конструкционным материалом. Но в обширной семье металлов встречаются представители и очень активные и совершенно инертные, более легкие, чем вода, и более тяжелые, чем ртуть. «Спектр» свойств металлов поистине неисчерпаем…

Кальций в земной коре

Кальций, стронций и барий — близкие родственники, однако кальций во многих отношениях выделяется из этого «семейства». И прежде всего своей чрезвычайной распространенностью в природе.

Кальций — непременная составная часть силикатных пород — самой большой группы минералов земной коры. Сравнительно меньше он встречается в виде карбоната CaCo₃ или сульфата CaSO₄. Еще меньше — в виде фосфата Ca₃(PO₄)₂. Но об этих соединениях кальция стоит рассказать подробнее.

Природный карбонат кальция — соединение чрезвычайно многоликое. Прежде всего в зависимости от строения кристаллов карбонат кальция образует два минерала — кальцит и арагонит.

Последний, в частности, является «строительным материалом» сталактитов и сталагмитов, замечательных по красоте произведений природы, которыми порой так богаты естественные пещеры.

Кальцит встречается в нескольких разновидностях. Многим из вас приходилось видеть настоящие горы мела на берегах Волги и других наших рек. Мел состоит из микроскопических раковин, а некоторые скопления известняков иногда состоят из более крупных раковин, видимых простым глазом. Мел и известняки — самые распространенные формы кальцита. Мрамор по химическому составу — тоже карбонат кальция, а по строению кристаллов — кальцит. Но из-за иных, чем для известняка и мела, условий образования в природе он и по внешнему виду и по свойствам отличается от других форм кальцита. Многоликое соединение имеет и еще одну форму — так называемый исландский шпат. Кристаллы его прозрачны и обладают интересным свойством, известным в физике как двойное лучепреломление.

В общей сложности на поверхности суши залежи известняков занимают площадь около 40 миллионов квадратных километров. Представьте себе поверхность, равную двум территориям нашей страны, — вот что значит эта цифра!

Страницы геологической истории кальция

По представлениям немецкого геохимика Гольдшмидта, земную кору можно уподобить слою шлаков, покрывающих расплавленное железо в доменной печи. Хотя, конечно, эта аналогия не может быть полной, однако и земная кора и доменные шлаки состоят из относительно легких соединений кальция, натрия и калия с кремнием, алюминием и кислородом — из алюмосиликатов и силикатов. Недаром наружный слой Земли называют иногда «сиаль», подчеркивая тем самым преобладание здесь кремния Si и алюминия Al. В этих же соединениях содержится магний, барий, стронций.

Если бы мы могли перенестись во времена ранней молодости нашей планеты, то мы не обнаружили бы в ее коре привычных нам карбонатных пород — известняков и т. п.; дело в том, что эти породы много моложе алюмосиликатов.

Бурная вулканическая деятельность прежних геологических эпох приводила к насыщению атмосферы углекислым газом. Теплая и влажная атмосфера, богатая углекислым газом, горячие потоки воды, проникающие в каждую щель гранитных массивов, в течение миллиардов лет делали свою разрушительную работу, «вырывая» кальций и другие металлы из плена, превращая огромные количества силикатов и алюмосиликатов в нерастворимые соединения — глину и песок — и унося кальций и его спутников в виде сравнительно хорошо растворимых соединений — карбонатов или сульфатов. Конечно, разрушение алюмосиликатов — процесс далеко не мгновенный. Только в сказках можно превратить гору в песок, сказав ей: «Рассыпься!» Но сотни миллионов лет, помноженные на эту — пусть даже небольшую — скорость разрушения, сделали свое дело.

С появлением жизни на Земле в истории кальция выдающуюся роль стали играть живые организмы.

Мы уже сказали, что движение кальция из алюмосиликатов в карбонаты и сульфаты — это процесс очень и очень медленный. Но есть еще один, сравнительно быстрый процесс в природе, в котором участвует кальций и который принято называть «круговоротом» кальция в природе.

Круг или не круг?

Невозможно найти такой водоем, в котором не были бы растворены соли кальция. Особенно много этих солей в водах лиманов и минеральных источников. В морях на долю солей кальция приходится 1,6 процента и самыми частыми спутниками его являются углерод и сера (в виде ионов CO₃^2– и SO₄^2–).

Чтобы разобраться в особенностях «путешествия» кальция, рассмотрим равновесие, существующее в водных растворах карбоната кальция:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ↔ Ca(HCO₃)₂.

Когда через известняк сочится вода, насыщенная углекислым газом, равновесие нашей реакции смещается вправо, в сторону образования растворимого бикарбоната кальция. Это означает, что малорастворимый CaCO₃ превращается в растворимую соль и уносится водой. Эта-то соль (которую никто никогда не держал в руках, потому что она существует лишь в растворах) и является важнейшим звеном в цепи путешествия кальция в природе.

Может показаться, что наши рассуждения слишком теоретичны: да много ли углекислого газа растворяется в воде? Сколько кальция уносит вода? Но недаром говорится, что капля камень точит: ежегодно реки уносят в моря и океаны до 600 миллионов тонн кальция!

В теплой воде океана растворимость углекислого газа уменьшается, часть его улетучивается. Чтобы восстановить нарушенное равновесие, бикарбонат отдает «лишнюю» молекулу углекислого газа и, превращаясь в нерастворимый средний карбонат CaCO₃, выпадает в осадок (стрелка в нашем уравнении «поворачивает» влево). Таким путем на дне океанов вырастают мощные пласты известняка.

Ясно, почему известняк относят к осадочным породам, а поскольку осаждение происходит химическим путем, то говорят, что такие породы имеют хемогенное происхождение. Если вместе с кальцием осаждается магний, образуются залежи доломита CaCO₃·MgCO₃.

Однако бикарбонат может превращаться в известняк и биогенным путем, с участием живых организмов. Многочисленные морские организмы используют карбонат кальция для постройки раковин, разлагая содержащийся в воде бикарбонат. После отмирания таких организмов раковины оседают на дно. Такое «строительство» продолжается миллионы лет, давая залежи ракушечника и мела.

Горообразовательные процессы поднимают их над поверхностью моря. Попадая в условия высоких температур и давлений, известняки уплотняются, меняют свою структуру и превращаются в мрамор. Это уже метаморфическая порода («метаморфоза» означает «превращение»). Поднятые над морем массивы известняков снова подвергаются атаке воды, углекислого газа, тепла — начинается новый цикл бесконечного путешествия кальция. Вот почему иногда говорят о круговороте кальция в природе.

Но вспомним, что путешествие кальция началось с разрушения алюмосиликатов, причем кальций не возвращается снова в такие соединения. А это значит, процесс идет необратимо, и то, что мы называем циклом, кругом, круговоротом, — достояние лишь определенного геологического периода.

Кальций, кроме того, играет огромную роль в круговороте углерода: 99,82 процента углерода земной коры содержится в осадочных породах, то есть в значительной степени связано именно с кальцием.

Представим себе, что жизнедеятельность растений и животных, горение и другие процессы не возобновляли бы в атмосфере запасы углекислого газа. Тогда потребовалось бы всего 1800 лет, чтобы весь наличный CO₂ был бы связан кальцием и другими металлами.

Ну, а что же «бедные родственники» кальция — барий и стронций? Их судьба похожа на судьбу кальция. Эти элементы тоже в виде сульфатов и карбонатов попадают в воду и затем в осадочные породы. В общих чертах они путешествуют по тем же «маршрутам», что и их вездесущий родственник.

Элемент-строитель

Когда человек, не довольствуясь уже готовыми дарами природы, начал строить каменные жилища сам, по-видимому, в качестве строительного материала он использовал прежде всего известняк. Ведь его много, он достаточно прочен и в то же время легче поддается обработке, чем другие твердые породы.

Из известняковых плит сложены знаменитые египетские пирамиды. Наши южные города — такие, как Одесса, Евпатория, — строились из известняка. А Москва — ведь она потому и называлась белокаменной, что стены ее слагались из подмосковных известняков!

Сооружения древних времен возводились без применения каких-либо веществ, скрепляющих, «склеивающих» камни друг с другом. Прочность кладки обеспечивалась идеальной подгонкой, пришлифовкой камней. Трудно себе даже представить, какую титаническую работу приходилось при этом проделывать. Готовить вяжущие материалы люди научились гораздо позже. И в этом им снова пришел на помощь кальций.

Если природный гипс CaSO₄·2H₂O нагреть до 150 градусов, то часть его кристаллизационной воды удаляется. Получившийся гидрат с меньшим содержанием воды 2CaSO₄·2H₂O может «возвратить» себе потерянную воду. Практически такой «жженый», как его называют, гипс, или алебастр, размешивают с водой и полученную массу используют в качестве вяжущего материала для штукатурных работ и т. д. По мере того как вода «возвращается» в молекулу кристаллогидрата, происходит затвердевание массы.

Если нагреть гипс выше 500 градусов, он полностью обезвоживается и теряет способность присоединять воду обратно. За это его и называют «мертвым» гипсом. Если же продолжать нагревание, доводя температуру до 1000 градусов и более, то получается новый вяжущий материал — так называемый гидравлический гипс. Это уже более сложное вещество: прокаливание при такой высокой температуре ведет не только к полной потере воды, но и к частичной потере серного ангидрида, который был связан в молекуле гораздо прочнее, чем кристаллизационная вода. Теперь образуется соль, в которой количество основного окисла CaO превышает количество кислотного окисла SO₃. Нормальная соль CaSO₄ превратилась в основную, состав которой выражается приближенной формулой xCaSO₄·yCaO.

Если добавить воду к гидравлическому гипсу, она присоединяется к основной соли, получающиеся кристаллы переплетаются друг с другом, давая очень прочную массу, устойчивую к действию воды (недаром же гипс гидравлический!) и колебаниям температуры. Этот вяжущий материал был известен людям очень давно: в Египте он применялся уже 4 тысячи лет назад.

С древних времен используется людьми в качестве вяжущего вещества и известь. В наше время ежегодно расходуют десятки миллионов тонн извести. Для приготовления извести обжигают известняк в больших печах при температурах около 900 градусов. Чтобы превратить известь в вяжущий материал, ее «гасят» водой:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Если воду взять в избытке, образуется «известковое молоко». К нему добавляют еще песок и полученную массу (строители называют ее «раствором») используют для скрепления камней или кирпичей в строительстве.

Как происходит схватывание, затвердевание такой массы? Главную роль при этом играет поглощение углекислого газа из воздуха:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O.

Частично также образуются силикаты за счет песка, имеющегося в массе:

Ca(OH)₂ + SiO₂ = CaSiO₃ + H₂O.

Легко понять, почему отвердение известкового раствора происходит медленно: углекислого газа в воздухе не так уж много, а главное — при схватывании выделяется вода, на просыхание которой необходимо значительное время. Да и прочность извести после затвердевания сравнительно невысока.

Этих недостатков лишен самый важный вяжущий материал нашего времени — цемент. Это в основном смесь силикатов или алюминатов. Сырьем для получения цемента служит известняк (источник CaO) и глина (источник кислотных окислов SiO₂ и Al₂O₃). Сырье тщательно измельчают и постепенно вводят в слегка наклоненную вращающуюся печь, в которую с противоположной стороны — противотоком — поступает топливо: угольная пыль или газ. Печи эти имеют довольно внушительные размеры — 150 метров в длину и 3,6 метра в диаметре. Такие печи могут давать до 23 тонн цемента в час.

При сгорании топлива в печи развивается температура до 1500 градусов, исходная смесь медленно перемещается и обжигается. Известняк разлагается, давая CaO. Окись кальция реагирует с составными частями глины, образуя силикаты и алюминаты кальция. Комковатый продукт — клинкер — охлаждают и размалывают, после чего получается зеленовато-серая пудра цемента. Приготовленный таким способом силикатный цемент содержит CaO (около 60 процентов), SiO₂ (25 процентов), Al₂O₃ (около 10 процентов) и Fe₂O₃ (около 5 процентов).

Иногда в качестве исходного вещества берут не известняк, а гипс, добавляя к нему еще уголь и, как обычно, глину. При обжиге такой смеси тоже получается цемент, но отходящие газы содержат сернистый газ, образовавшийся из гипса и используемый для одновременного получения серной кислоты.

Современное строительство предъявляет к цементу высокие требования. Во-первых, он должен хорошо схватываться после смешивания с водой. Но это схватывание не должно быть и «молниеносным», — ведь нужно успеть доставить раствор к рабочему месту и уложить его. Технические условия предусматривают, что затвердевание цемента должно начинаться через 45–60 минут после приготовления раствора. Нельзя допустить также, чтобы процесс затягивался. Нормальным считается, если схватывание происходит в течение 12 часов. В дальнейшем прочность массы возрастает.

Чтобы оценить качество цемента, его марку, через четыре недели массу испытывают на сжатие. Лучшие марки силикатного цемента выдерживают нагрузку до 600 кг/см².

Процесс затвердевания цементных растворов похож на тот, что обусловливает схватывание алебастра: силикаты кальция присоединяют воду, давая твердые кристаллогидраты. Здесь происходят также и другие, более сложные химические и физико-химические изменения. Важно отметить, что для затвердевания цемента (его еще называют «портландцемент») необходима не слишком низкая температура. Поэтому в зимнее время приходится принимать специальные меры для обогрева строящихся сооружений.

Если взять в обжиг глину с малым содержанием SiO₂, то получается глиноземистый цемент, состав которого уже другой: CaO (около 40 процентов), Al₂O₃ (около 40 процентов), Fe₂O₃ (10–15 процентов) и только 5–10 процентов SiO₂. В этом цементе главной составной частью является не силикат, а алюминат кальция. Если глина, используемая в качестве исходного сырья, содержит слишком много SiO₂, то в шихту добавляют железную руду, благодаря чему SiO₂ удаляется, связавшись с железом в силикат.

Очень существенная особенность глиноземистого цемента — его быстрое схватывание. Кроме того, присоединение воды к алюминату кальция CaO·Al₂O₃ сопровождается выделением тепла. А это очень важное обстоятельство; в зимнее время применение такого цемента не требует специальных мер по утеплению. Уже через сутки после приготовления раствора прочность затвердевшего цемента достигает 500–600 кг/см².

В наше время значение цемента не ограничивается использованием его для скрепления кирпичей или камней в кладке. При добавлении в цементное тесто щебня, гравия, шлака получается самостоятельный строительный материал — бетон. Смеси, приготовленной в специальных приспособлениях — бетономешалках, можно придать любую форму. На бетонных заводах так изготовляют плиты, крупные блоки, детали сложного профиля. Использование железного скелета — арматуры — позволяет резко улучшить механические свойства бетонных изделий. Сейчас изделия из железобетона в больших количествах производятся нашей промышленностью строительных материалов.

Мы уже говорили, что глиноземистый цемент выделяет тепло при схватывании. Это полезное свойство иногда становится большим недостатком. Одно дело, когда раствор кладут тонким слоем. Тогда тепло легко и равномерно отводится в окружающее пространство. А представьте себе, например, строительство большой гидроэлектростанции. Здесь в тело будущей плотины укладываются за небольшое время огромные массы бетона. Понятно, что отвод тепла затруднен и внутри бетонного массива температура может повыситься до 80 и более градусов. В этих условиях присоединение воды происходит так, что образуются очень крупные кристаллы гидратированного алюмината, а это в три-четыре раза снижает прочность конструкции. Как же быть?

Вспомним, что при высокотемпературном обжиге природного гипса образуется «мертвый» гипс. Но «мертвый» лишь по отношению к воде. Если 25–30 процентов такого гипса (его называют «ангидрит») добавить к глиноземистому цементу, он взаимодействует с алюминатом кальция в присутствии воды, давая соединение приблизительного состава 3CaO· Al₂O₃·3CaSO₄·H₂O. Эта реакция требует повышенной температуры, которая как раз и развивается при твердении глиноземистого цемента. Таким образом, тепло, которое могло бы повредить прочности сооружения, используется внутри самого массива бетона. Кроме того, ангидрито-глиноземистый цемент приобретает и еще одно важное свойство — устойчивость к морской воде, богатой различными солями и потому особенно агрессивно действующей на различные портовые сооружения.

Чтобы бетонные сооружения были прочными, недостаточно только приготовить бетон из высококачественного цемента, его еще нужно уложить в нужное место и уплотнить. Еще не так давно такое уплотнение бетона производилось исключительно вручную — с помощью трамбовок. Сейчас для этой цели применяют специальные вибраторы, передающие свои колебания массе бетона, заставляя ее уплотниться, оседать.

Современные требования к изделиям из бетона очень разнообразны. Для жилищного строительства у нас недавно начал применяться пенобетон, при изготовлении которого специально добиваются максимальной пористости массы. Плиты из такого материала плохо проводят тепло и звук. Цемент в сочетании с волокнистым силикатом магния — асбестом позволяет получать тонкие плиты шифера, ценного кровельного материала. Из такого асбоцемента делают и различные трубы По производству асбоцементных изделий наша страна сейчас занимает первое место в мире. И по производству цемента всех видов СССР быстро догоняет наиболее передовые капиталистические страны.

Кальций в живом организме

В жизни разных животных «элемент-строитель» играет важнейшую роль.

Если для многих низших животных самым «ходовым» материалом для постройки твердых раковин является карбонат кальция, то высшие животные для постройки твердого скелета используют фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂. В организме человека доля этого вещества составляет около 3 процентов по весу.

Может быть, это не так уж много? Но представьте себе человека… без костей, этакую медузу вместо высшего произведения природы, — вот что значит «всего 3 процента»! Впрочем, и медузу обижать не стоит: ведь она самый близкий родственник тех самых полипов, которые воздвигают в морях и океанах грозу мореплавателей — коралловые рифы…

При недостатке кальция прочность скелета снижается, появляется опасность переломов, куры несут яйца без скорлупы. Поэтому животные с кормом должны получать достаточное количество минеральных солей, содержащих кальций. В качестве подкормки в животноводстве применяют молотый мел или костяную муку, содержащую фосфат кальция в готовом виде.

Роль кальция в организме далеко не ограничивается постройкой скелета. Ионы кальция содержатся в крови и играют важную роль в возбуждении сердечной деятельности: лишение крови ионов кальция немедленно ведет к остановке сердца.

Кровь, не содержащая кальция, полностью теряет способность свертываться на воздухе. Деятельность центральной нервной системы также нарушается при недостатке кальция. Особенно нуждается в кальции растущий организм. Не удивительно поэтому, что молоко содержит кальциевые соли в большом количестве.

Известно, что некоторые моллюски отлагают карбонат кальция не только при постройке раковин, но и вокруг инородных тел (например, песчинок), случайно попавших внутрь створок, в виде жемчуга. Любопытно, что и в организме человека может происходить процесс, внешне похожий на образование отложений карбоната у жемчужниц. Так, при туберкулезе происходит обызвествление очага заболевания. При некоторых заболеваниях сердца окружающие его ткани также могут обызвествляться, заключая сердце в плотный панцирь.

Другие специальности кальция

Кальций не только строитель. Трудно назвать такую отрасль промышленности и народного хозяйства в целом, где на службе у человека не стояли бы соединения кальция. Например, при накаливании смеси окиси кальция с углем в электрических печах получается важный технический продукт — карбид кальция: CaO + 3C = CaC₂ + CO. Если подействовать на него водой, выделяется ацетилен:

CaC₂ + 2H₂O = Ca(ОН)₂ + C₂H₂.

Раньше ацетиленом пользовались лишь в качестве горючего для освещения. Когда для сжигания ацетилена применили не воздух, а чистый кислород, отчего температуру пламени удалось довести до 3 тысяч градусов, ацетиленовые горелки стали использовать для резки и сварки металлов. В результате работ знаменитого русского химика А. Е. Фаворского ацетилену была открыта широкая дорога в химическую промышленность.

Интересно, что действие на карбид кальция водяного пара при высокой температуре приводит к образованию не ацетилена, а водорода:

CaC₂ + 5H₂O = CaCO₃ + CO₂ + 5H₂.

Таким методом можно получать водород для технических целей.

Карбид кальция, соединяясь с азотом воздуха, образует цианамид:

CaC₂ + N₂ = CaCN₂ + C.

Это соединение также имеет широкое применение. Прежде всего образование цианамида было одним из первых способов связывания азота воздуха: при действии водяного пара на цианамид его азот освобождается уже в форме аммиака. Медленно этот процесс идет и при внесении цианамида в почву: CaCN₂ + 3H₂O = CaCO₃ + 2NH₃. Это позволяет использовать цианамид непосредственно в качестве удобрения. Из цианамида можно получить и еще более ценное вещество — мочевину, которая используется в промышленности пластмасс, а также в качестве удобрения и белкового корма в животноводстве. Цианамид имеет и еще одно любопытное применение в сельском хозяйстве. Если обработать этим веществом поля хлопчатника, растения сбрасывают листья. Это позволяет убирать хлопок машинами.

Широко используется в промышленности известь. Она нужна при получении соды, хлорной извести, бертолетовой соли, ядохимикатов для борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений.

Многие соли кальция присоединяют воду с образованием кристаллогидратов. Ярко выражено это свойство у хлорида кальция, который может присоединить шесть молекул воды. Поэтому хлорид кальция очень гигроскопичен, жадно поглощает влагу, содержащуюся в воздухе или органических растворителях, что позволяет использовать его в качестве осушителя. Важной областью применения этой соли является приготовление холодильных смесей. Раствор, содержащий 32,5 процента хлористого кальция, замерзает только при минус 51 градусе. Деревянные предметы, пропитанные этой солью, становятся несгораемыми. Хлористый кальций — важный медикамент.

Кальций входит в состав почти всех сортов стекла. Однако обычное стекло пропускает лишь более или менее ограниченный спектр лучей. Ультрафиолетовых лучей оно почти не пропускает. Кварцевое стекло лишено этого недостатка, но оно задерживает лучи инфракрасной части спектра. Замечательным материалом для оптических приборов являются прозрачные образцы минерала флюорита — фтористого кальция. Он пропускает как ультрафиолетовые, так и инфракрасные лучи.

Мы не случайно до сих пор ничего не сказали о металлическом кальции. Хотя прошло полтора века с того момента, как ученые впервые получили этот мягкий блестящий металл в чистом виде, но и сегодня он используется в основном в виде соединений. Получают металлический кальций электролизом безводного хлористого кальция. Он находит некоторое применение в металлургии. Благодаря своей высокой активности кальций при добавлении в расплавы металлов энергично соединяется с примесями, в том числе с газами, и тем самым улучшает качество металла.

Трудовой вклад собратьев

Соединения стронция, бария и кальция применяются в пиротехнике: стронций придает пламени красный, барий — зеленый, кальций — красно-оранжевый цвет. Это же свойство можно использовать и для открытия этих элементов при химическом анализе.

Если добавить к раствору, содержащему серную кислоту или ее соли, хлористый барий, немедленно выпадает белый осадок нерастворимого сульфата бария, взвешиванием которого можно определить количество сульфат-ионов в исходном растворе.

Сульфат бария используется как белая краска, а также в рентгенотехнике и медицине в качестве контрастного вещества. При исследовании желудка, например, пациент принимает кашицу из сульфата бария. А поскольку барий частично поглощает рентгеновское излучение, стенки желудка становятся видимыми. Важно отметить, что эта соль безвредна для организма, в то время как растворимые соли бария чрезвычайно ядовиты (так, хлористый барий, например, применяют для борьбы с вредителями растений).

Полезным свойством бария является его способность образовывать, кроме нормального окисла BaO, еще и перекись BaO₂. В технике это соединение получают при нагревании окиси бария до 600 градусов в токе воздуха:

2BaO + O₂ = 2BaO₂.

При действии воды на перекись бария выделяется перекись водорода:

BaO₂ + 2H₂O = Ва(OH)₂ + H₂O₂.

При нагревании же выше 600 градусов перекись бария разлагается, отдавая кислород:

2BaO₂ = 2BaO + O₂.

Сульфиды щелочноземельных элементов входят в состав фосфоресцирующих веществ. Соединения с серой, в которых на один атом металла приходится не один, а несколько атомов серы (полисульфиды), находят применение в кожевенной промышленности для удаления волос со шкур.

Кальций в космосе

Мы с вами видели, что кальций является одним из самых важных элементов Земли. Изучение упавших на Землю метеоритов позволяет убедиться в том, что наша планета не исключение, что кальций есть и на других небесных телах. Анализ каменных метеоритов показал, что в них содержатся значительные количества кальция (в среднем 1,8 процента).

Кальций обнаруживает свое присутствие во вселенной и при спектральном изучении звездных миров. Атомы кальция есть в протуберанцах Солнца и на многих звездах. Они вместе с атомами других легких элементов заполняют межзвездное пространство. Это обстоятельство дало в руки астрономам средство для оценки расстояний до далеких звезд.

Всякое раскаленное тело дает спектр излучения, в котором выделяются яркие линии составляющих его элементов. Однако, если между источником излучения — звездой — и спектроскопом находится один из тех же элементов в «холодном» состоянии, он начинает поглощать свет как раз той длины волны, которую излучает в нагретом состоянии. На месте яркой полосы спектра излучения появляется темная полоса поглощения. Чем больше число «холодных» атомов элемента встречает световой поток, тем темнее полоса поглощения. Если предположить, что атомы кальция распределены в межзвездном пространстве в среднем равномерно, тогда линия поглощения будет тем темнее, чем больше расстояние от звезды до наблюдателя.

Так кальций сослужил еще раз хорошую службу науке.

Нет сомнения, что чем дальше, тем больше люди будут узнавать о кальции, являющемся, по словам А. Е. Ферсмана, «одним из самых энергичных и подвижных атомов мироздания». Наверняка, кальций еще не раз послужит и астрономии. Но, наверно — и астрономы в этом согласятся с нами, — самую большую и полезную службу он, как и раньше, будет служить нам в нашем доме. Недаром же кальций — элемент, благодаря которому человек прочно стоит на земле.

Когда-нибудь ученые напишут «Всеобщую историю углерода» — элемента, без которого немыслима жизнь на Земле, а быть может, и на других планетах. Но один факт его «биографии» вряд ли удастся установить с достоверностью. Никто не ответит, сколько тысячелетий назад первобытный человек впервые познакомился с углеродом. Вероятно, когда вырвал у природы тайну получения огня. Химический элемент предстал перед ним в виде пламенеющих угольков первого костра.

В глубокой древности теряются и следы кремния — ближайшего «собрата» углерода. В свободном состоянии он был получен немногим меньше полутораста лет назад. Но с его соединениями люди познакомились в ту бесконечно далекую от нас эпоху, когда взяли в руки кремневые топоры.

Если углерод «создал» на Земле органическую жизнь, то кремний — основа неорганической: земных руд и минералов. Одним словом, он основной цемент «земной тверди».

По странной прихоти природы, углерод и кремний оказались на одном «меридиане» карты Страны элементов: оба они представители четвертой группы периодической системы Менделеева.

Главный элемент жизни

Как это ни парадоксально на первый взгляд, содержание углерода в земной коре по сравнению с другими элементами невелико — всего 0,14 процента. Его гораздо меньше, чем кислорода, кремния, алюминия, натрия, магния или железа. Но легко представить, как выглядела бы наша планета, если бы с нее исчез весь углерод: исчезло бы все живое, целые горные хребты и плоскогорья, сложенные из известняков, Земля превратилась бы в мертвую пустыню. Не было бы угля, нефти, даже климат стал бы гораздо суровее.

«Один в трех лицах…»

Углерод встречается на поверхности Земли и в виде соединений и в свободном виде. Свободный углерод образует три так называемые аллотропические модификации.

Аллотропия довольно часто встречается у элементов периодической системы, как металлов, так и неметаллов. Атомы одного и того же элемента могут по-разному располагаться в кристаллических решетках; тогда говорят о различных аллотропических модификациях элемента.

У углерода их три: алмаз, графит и аморфный углерод (то есть сажа или древесный уголь).

Самая редкая, но и самая своеобразная из этих форм — алмаз. Чистый алмаз прозрачен, бесцветен, обладает сильным блеском. Примеси часто придают ему различную окраску; встречается даже черный алмаз. Он сильно засорен графитом — другой аллотропической модификацией углерода. Большая твердость алмаза была известна уже несколько тысяч лет назад, и нет в природе веществ более твердых, чем он.

Алмаз в четыре-пять раз тверже всех известных минералов и твердых сплавов, применяемых для его замены, кроме боразона. Алмазный резец служит без заточки в тысячи раз дольше, чем резец из самого твердого сплава. Поэтому алмазные резцы незаменимы во многих отраслях техники. Если бурильщикам встречается на пути твердая порода, то на помощь им приходит алмаз. На бур надевают алмазную коронку. Коронка, конечно, стальная, но в ее нижнюю, режущую поверхность вделаны специально заточенные обломки кристаллов алмаза. Недавно советские ученые и инженеры приняли решение о бурении сверхглубоких скважин. Они достигнут глубины в 15–18 километров и выведают у земной коры ее новые тайны. Алмазный бур поможет преодолеть самые твердые породы на пути буровых скважин.

Во многих областях техники алмаз пока незаменим. И только в своем самом старом применении — в качестве украшения (бриллианты) — он уже давно вытесняется другими, более дешевыми драгоценными камнями и даже стеклом. Ведь для украшений огромная твердость алмаза не играет никакой роли, а обыкновенное стекло и отшлифовать гораздо легче, чем природный алмаз, и окрасить можно в самые разнообразные цвета.

Правда, алмаз гораздо сильнее преломляет свет, разлагая его на различные цвета, и сильнее блестит, но есть камни, которые в этом отношении ничуть не уступают алмазу. Поэтому будущее принадлежит не алмазу-вельможе, ограненному и отшлифованному так, что от его природного веса остается одна треть, а алмазу-труженику, неважно какому — черному, желтому или прозрачному, как вода, но всегда прочному и побеждающему пока все другие материалы.

Алмаз, как и многие другие полезные ископаемые, встречается в основных и россыпных, так называемых вторичных, месторождениях. Он образуется на большой глубине под действием огромных температур и давлений. Иногда глубинная магма прорывается наверх и застывает в виде узкой, расширяющейся кверху кимберлитовой трубки. Такие выходы издавна были известны в Африке и Бразилии. Несколько лет назад и у нас в Якутии обнаружены кимберлитовые трубки, содержащие богатейшие запасы алмазов. Однако содержание алмазов в кимберлите — не более одного грамма на тонну, а дробление твердой породы и отделение алмазов — трудная задача. Поэтому часто алмазы добывают из вторичных россыпных месторождений. Они образуются тогда, когда верхняя часть основного месторождения разрушается и вымывается водой.

Много усилий потратили ученые, пытаясь получить искусственные алмазы.

Первые опыты ставились еще в конце прошлого века. Они не имели успеха. В лабораториях нужно было создать такие условия, какие существуют в глубинах Земли: высокие температуры и огромные давления. Это позволила сделать лишь новая техника. В 1956 году английским ученым удалось синтезировать алмаз. Они использовали давление свыше 100 тысяч атмосфер в сочетании с температурой около 3 тысяч градусов. В 1961 году советские ученые, научные сотрудники Института синтетических сверхтвердых материалов в Киеве изготовили в подарок XXII съезду КПСС 2 тысячи каратов искусственных алмазов (1 карат = 0,2 грамма).

В чем же причина огромной прочности алмаза? Связь атомов углерода между собой отличается огромной устойчивостью. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими, причем образуется симметричная фигура тетраэдра. Чтобы оторвать хотя бы один атом углерода с поверхности алмаза, нужно разорвать не менее двух углерод-углеродных связей. Такая прочная химическая связь и взаимное расположение атомов придают кристаллам алмаза их удивительную твердость.

Но стоит лишь «перестроить» кристаллическую решетку алмаза, как исчезает его твердость, и вместо прекрасного блестящего кристалла мы получаем мягкий минерал. Это графит.

В кристаллической решетке графита каждый атом углерода тоже соединен с четырьмя другими, но в противоположность алмазу все эти атомы лежат в одной плоскости. Последние связаны между собой слабо, поэтому графит легко расслаивается на чешуйки, отдельные его плоскости скользят друг вдоль друга. Это свойство позволяет применять его в качестве твердой смазки.

Графит имеет серый цвет и абсолютно непрозрачен. Он хорошо проводит электрический ток.

В природе графит образует целые месторождения. Его можно получить и искусственно: надо нагревать чистый уголь до нескольких тысяч градусов без доступа воздуха. Если в аналогичные условия (при температуре около 2000 °C) поместить алмаз, он переходит в графит. Это свидетельствует, что графит — наиболее устойчивая при обычных условиях форма углерода.

Сейчас графит находит большое применение в промышленности. Из него делают различные трущиеся контакты, электроды для электропечей, угли для прожекторов, тигли для плавки металлов, наконец, стержни самых обычных карандашей. Но больше всего чистого графита (десятки тысяч тонн) используется в атомных реакторах.

Ученые обнаружили, что чистый графит почти не поглощает нейтроны, образующиеся при делении урана, и в то же время очень хорошо замедляет их. Кроме того, графит дешев, легко обрабатывается, не боится высокой температуры и излучений реактора. Все эти качества сделали его незаменимым материалом в атомной промышленности.

Третья аллотропическая форма углерода встречается в природе в виде обычной сажи, а также каменного и древесного угля. Правда, каменный уголь — это не совсем чистый углерод. Лучшие его сорта — антрациты — содержат не более 95 процентов углерода, остальное приходится на примеси: соединения углерода с водородом, серу и негорючие вещества (различные соединения кремния), дающие при сгорании золу и шлак.

Уголь широко используется в металлургии для выплавки чугуна. Чем выше качество угля, тем чище получается чугун. Поэтому уголь вначале стараются очистить от примесей, перерабатывая его в кокс. Для приготовления кокса уголь сильно нагревают без доступа воздуха; летучие органические вещества и часть серы испаряются, давая коксовый газ, который сам по себе является ценным сырьем. Оставшийся после прокаливания каменноугольный кокс идет на металлургические заводы.

Издавна для выплавки чугуна и стали применяли и древесный уголь. Раньше, когда не умели приготовлять из каменного угля кокс, весь чугун выплавляли с помощью древесного угля. Почти все леса Англии были сведены на уголь для металлургической промышленности.

Древесный уголь снискал себе славу и как великолепный поглотитель газов. Этой способностью обладают многие вещества, но древесный (особенно березовый) уголь оказывается вне конкуренции. Один объем древесного угля способен поглотить при комнатной температуре до 200 объемов воздуха и еще большее количество ядовитых газов: хлора, фосгена и других — так велика его пористость. Поэтому древесный уголь с успехом используется в противогазах, заменяя сложные химические фильтры.

Если уголь охладить жидким воздухом, его поглотительная способность возрастает примерно в десять раз. Этим пользуются в лабораториях для создания вакуума. Охлажденные кусочки угля помещают в сосуд, откуда выкачивают воздух, и каждый кусочек «впитывает» в себя влагу и газы, которые надо удалить. Вакуум в сосуде резко повышается.

Между прочим, углерод является одним из самых тугоплавких веществ. Он плавится при температуре около 3700 градусов.

С химической стороны углерод оказывается малоактивным элементом. Однако он «инертен» лишь при обычных условиях. Достаточно высокие температуры заставляют его вступать в реакции со многими элементами — металлами и неметаллами.

Из трех аллотропических форм самой реакционноспособной оказывается аморфный углерод. При небольшом нагревании на воздухе он энергично соединяется с кислородом, образуя двуокись углерода — углекислый газ CO₂. Если горение происходит при недостатке кислорода, получается угарный газ — окись углерода CO. С серой углерод образует очень важное соединение — сероуглерод, прекраснейший растворитель жиров, масел и смол. К химическим свойствам углерода мы еще вернемся.

Самое важное соединение углерода

Оно не только самое важное, но и самое вездесущее. Углекислый газ содержится в атмосфере (0,03 процента), растворен в воде рек и морей, выделяется в огромных количествах при извержениях вулканов и, следовательно, содержится в недрах Земли. Любопытно, что на Венере его несравненно больше, чем в земной атмосфере.

Углекислый газ непрерывно перерабатывается растениями в органические вещества, растения поедаются животными, которые выдыхают углекислый газ, и углерод вновь, таким образом, попадает в атмосферу. Так происходит круговорот углерода в природе. Однако этот цикл имеет и разветвления. Значительные количества углекислого газа поступают в атмосферу Земли при извержениях вулканов. В то же время много углекислого газа, растворенного в воде океанов в форме карбонатов, используется морскими животными для построения скелетов и раковин.

В древние периоды истории Земли огромные количества углерода были выведены из круговорота жизни и погребены под толщей осадочных пород в виде залежей кальцита, каменного угля и нефти.

В течение последнего столетия человек, добывая и сжигая большие количества полезных ископаемых, увеличил поступление углекислого газа в атмосферу. Содержание его в атмосфере сейчас медленно нарастает. Но не только пищей растений служит углекислый газ, он еще и «одеяло» Земли. Он легко пропускает солнечные лучи, нагревающие земную поверхность, но задерживает инфракрасные лучи, которые Земля излучает в мировое пространство. Если бы в атмосфере отсутствовал углекислый газ, климат нашей планеты был бы намного холоднее и суше. Поэтому деятельность человека, постепенно увеличивающего содержание CO₂ в атмосфере Земли, должна со временем привести к потеплению и увлажнению климата.

Углекислый газ не так безвреден для организма человека, как может показаться на первый взгляд. Когда его в воздухе больше 3 процентов, это ведет к серьезным нарушениям работы организма. При 10-процентной концентрации наступает почти мгновенная смерть вследствие остановки дыхания.

В повседневной практике CO₂ широко применяется в виде так называемого сухого льда — твердого углекислого газа. Он используется для охлаждения, а также при проведении взрывных работ. С этой целью его помещают поверх заряда взрывчатого вещества. При высокой температуре сухой лед мгновенно испаряется с образованием большого объема CO₂, что значительно увеличивает силу взрыва.

Основа «черного золота»

Нефть — сложная смесь различных соединений углерода, встречающихся в природе. Это черная маслянистая жидкость с характерным запахом, в состав которой входят углеводороды и более сложные органические соединения. Нефть перерабатывается на химических заводах. Сначала отгоняют из нее самые легкие молекулы — бензин, затем более тяжелые — керосин и, наконец, смазочные масла. Оставшаяся смесь называется мазутом и используется в качестве топлива при варке стали в мартеновских печах, в топках пароходов и электростанций. Продукты, содержащиеся в мазуте, применяются для производства взрывчатых, красящих и лекарственных веществ.

Часто полагают, что нефть образует под землей целые «озера» и даже «моря». Действительно, нередко бывает, что после проходки скважины нефть бьет фонтаном. Один такой фонтан может дать от 100 до 1000 тонн нефти в сутки. Однако она отнюдь не собирается под землей в естественных нефтехранилищах, а пропитывает, как губку, рыхлые, пористые породы и изливается на поверхность лишь благодаря давлению верхних слоев Земли и растворенных газов. Если же давление нефти в пласте недостаточно, ее приходится выкачивать насосами. Тогда для поддержания необходимого пластового давления, то есть давления, под которым в пласте породы находится нефть, туда закачивают воду.

Если происхождение каменного угля из древних растений не вызывает у ученых сомнений, то в вопросе о происхождении нефти до сих пор еще нет единого мнения. Некоторые исследователи, в том числе Менделеев, считали, что нефть образовалась из минеральных веществ — карбидов металлов, излившихся из земных глубин, и воды. Если это так, то месторождения нефти должны располагаться в основном около трещин земной коры, у мест вулканической деятельности. Но из 10 тысяч месторождений нефти, известных на Земле, только 30 расположены вблизи трещин земной коры, а остальные залегают в осадочных породах, никогда не соприкасавшихся с магмой.

Поэтому большинство ученых в настоящее время придерживается иного мнения. По-видимому, нефть образовалась из остатков древних животных и растений. Если такие остатки попадают в среду, содержащую кислород, они при разложении дают каменный уголь. Но если среда, в которой захоронены органические остатки, бедна кислородом, образуется нефть. При этом уголь так и остается на месте захоронения, а нефть перемещается под землей и может рассеяться, если не встретит благоприятных условий для накопления — выпуклых «линз» из глинистых грунтов.

Когда вышележащие слои породы непроницаемы и для газов, то самые легкие из образующихся углеводородов — метан, этан и другие — тоже накапливаются под землей и образуют месторождения природного газа. Природный газ — самое дешевое и прекрасное химическое сырье.

Углерод в неорганической химии

По многообразию и численности своих соединений углерод оставляет позади все остальные элементы таблицы Менделеева, вместе взятые.

В сочетании с водородом, кислородом, азотом, серой и фосфором он образует почти все органические вещества, существующие в природе и синтезированные в лаборатории. Их известно более двух миллионов и теоретически возможно бесконечное множество. По образному выражению академика Несмеянова, язык органической химии — это язык, алфавит которого состоит всего из шести букв, а словарный запас непрерывно растет и уже сейчас с трудом умещается в сотне объемистых томов.

Многообразие углеродистых соединений обусловлено уникальной способностью атомов углерода образовывать чрезвычайно прочные связи друг с другом. Цепи из углеродных атомов могут достигать очень большой длины и вполне устойчивы. В то же время даже короткие цепи из атомов других элементов в подавляющем большинстве случаев непрочны. Так, например, для кислорода максимальная длина цепи состоит из двух атомов; соединения, содержащие такие цепи, малоустойчивы. Для углерода получено вполне устойчивое соединение, содержащее цепочку из 70 углеродных атомов.

Но и в неорганической химии углерод занимает видное место. Особо нужно отметить углекислый газ и его производные.

Растворяясь в воде, углекислый газ соединяется с ее молекулами и образует слабую угольную кислоту H₂CO₃.

В чистом виде эту кислоту получить невозможно, потому что она очень неустойчива. Напротив, соли угольной кислоты — карбонаты и бикарбонаты — соединения устойчивые. Самое важное из них — карбонат натрия Na₂CO₃, или сода, — находит огромное применение в промышленности и хозяйстве. Аналогичное соединение калия (K₂CO₃) называется поташом. Как и все соли калия, это очень ценное удобрение. Если металл заместил в молекуле угольной кислоты только один атом водорода, получается бикарбонат. Наиболее известный бикарбонат — двууглекислая, или питьевая, сода NaHCO₃.

Другое важное соединение углерода с кислородом — его окись CO.

Как мы уже говорили, окись углерода образуется при горении угля, если количество кислорода недостаточно для его полного сгорания. При нехватке воздуха в нижней части печи, где кислород еще есть, идет обычное горение с образованием углекислого газа: C + O₂ = CO₂, а в верхней ее части раскаленный уголь омывается уже не воздухом, а CO₂, уголь отнимает кислород у углекислого газа и образуется окись углерода: C + CO₂ = 2CO.

Окись углерода иногда называют угарным газом, потому что она очень ядовита. Отравление ею (угар) часто происходит при преждевременном закрывании дымохода в печи. При отравлении окисью углерода человеческая кровь теряет способность поглощать и передавать тканям организма кислород воздуха. Это может привести к смерти.

Взамен недостающего (до устойчивого соединения CO₂) кислорода окись углерода охотно присоединяет другие атомы или группы атомов. Химики в таких случаях говорят о склонности к реакциям присоединения. Например, при температуре около 500 °C или просто на свету окись углерода «захватывает» два атома хлора: CO + Cl₂ = COCl₂. Образуется известное отравляющее вещество — фосген. Фосген — очень ценный реактив для получения многих сложных органических соединений. При повышенной температуре и большом давлении окись углерода соединяется с металлами; таким путем удается получить, в частности, летучее соединение железа — карбонил железа Fe(CO)₅.

При сгорании окиси углерода выделяется большое количество тепла, поэтому ее получают в различных газогенераторных установках и используют как горючий газ.

При подземной газификации уголь в значительной степени превращается в окись углерода, которая затем выводится по трубам на поверхность и используется.

С помощью окиси углерода может быть получена синильная, или цианистоводородная, кислота HCN, например, при взаимодействии с аммиаком: СО + NH₃ = HCN + H₂O.

Синильная кислота — один из самых сильных ядов.

При высоких температурах углерод соединяется со многими металлами, образуя карбиды. Наиболее известны карбиды вольфрама WC и W₂C. Они незаменимы при изготовлении сверхтвердых сплавов, по твердости приближающихся к алмазу.

Самым простым соединением углерода с водородом, находящимся на условной границе органических и неорганических соединений, является газ метан CH₄. Он получается при высокой температуре прямо из углерода и водорода. В природе он образуется при разложении органических веществ без доступа воздуха. Метан — главная часть природных горючих газов.

Атомы водорода в метане могут полностью или частично заместиться на атомы галоидов. При замещении трех атомов водорода атомами хлора образуется хлороформ CHCl₃, широко применяемый в медицине, а если все четыре атома водорода замещены хлором, получается четыреххлористый углерод CCl4 — очень хороший негорючий растворитель. Различные смеси таких галоидных соединений углерода, как CCl₂F₂, CClF₃ и т. д., носят техническое наименование фреонов и используются в холодильной технике.

Во всяком случае, и по многообразию своих неорганических соединений углерод занимает одно из ведущих мест среди всех элементов периодической системы.

Кремний — «бог» неорганической природы

Кремний — замечательный химический элемент, атомы которого широко распространены на Земле. Хотя оболочка нашей планеты слагается из огромного количества не похожих друг на друга минералов, кремний занимает видное место в большинстве из них. На долю кремния приходится около 30 процентов веса земной коры. Кремний содержится во всех растениях. Особенно много его в хвоще и бамбуке.

В небольших количествах кремний входит также в состав живых организмов, а некоторые микроорганизмы используют растворенную в океане кремниевую кислоту для постройки своих крошечных скелетов. В организме человека кремния менее 0,1 процента, и его биологическая роль пока неясна.

Атом кремния так же, как и атом углерода, четырехвалентен. Это значит, что он может присоединить четыре одновалентных атома, например водорода или фтора.

Сравнительно большая химическая активность кремния приводит к тому, что элемент не может находиться в природе в свободном состоянии.

Наиболее удачно сочетаются электронные оболочки атома кремния и двух атомов кислорода, образуя двуокись кремния. Это очень тугоплавкое, твердое, химически малоактивное вещество. Двуокись кремния встречается в природе в различных видах. Чаще всего это белые кварцевые жилы, прорезающие более мягкие минералы, или продукт выветривания горных пород — белый кварцевый песок.

Реже встречаются различные красиво окрашенные примесями разновидности кварца: яшма, агат, халцедон, тридимит, кристобалит.

Обычно кварц состоит из множества сросшихся между собой белых полупрозрачных кристалликов. Он очень прочен — прочнее многих других минералов. При выветривании горных пород кварц разрушается последним, образуя «останцы» кварцевых жил; продукт их разрушения — кварцевый песок — часто содержит золото (золотой песок и даже самородки весом до нескольких килограммов). Особенно прочны натечные формы кварца — яшма и агат. Из яшмы и агата изготовляют красивые украшения и некоторые технические детали: химические ступки, призмы для точных весов, камни для часов и измерительных приборов.

Довольно часто встречаются в природе большие прозрачные кристаллы кварца — горный хрусталь. Один из найденных на Мадагаскаре имел в длину 8 метров.

Раньше горный хрусталь служил лишь украшением, но сейчас ученые раскрыли многие замечательные свойства этого красивого минерала, и применение его в науке и технике очень широко. Если изгибать пластинку, вырезанную из кристалла горного хрусталя в определенном направлении, на ее плоскостях появляются электрические заряды. Благодаря этому свойству кристаллы хрусталя называют пьезоэлектрическими. Такими же свойствами обладает не только кварц, но и другие вещества, например сегнетова соль. Но в кварце они очень удачно сочетаются с исключительными механическими свойствами. Он очень прочен и упруг. Если изготовить из кварца камертон и поместить в вакуум, он может колебаться часами. Температура на кварц почти не действует, его коэффициент расширения ничтожно мал.

Если к плоскостям кварцевой пластинки, покрытым слоем металла, подвести переменный ток, она придет в колебательное движение. Колебания усилятся, когда наступит резонанс, частота электрического поля сравняется с частотой ее свободных колебаний. Кварцевые пьезоэлектрические пластинки очень широко применяются в технике. С их помощью стабилизируется длина волны радиостанций, получается ультразвук. Пьезокварцевые пластинки используются для создания сверхточных «кварцевых» часов, для измерения огромных давлений, возникающих, например, в стволе орудия.

Ученые установили, что кварц прозрачен не только для видимых лучей, но хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи. Поэтому из кристаллов горного хрусталя изготовляют детали точнейших оптических приборов — линзы и призмы.

Двуокись кремния — простейшее, но не самое распространенное в природе его соединение. Гораздо большее количество кремния входит в состав минералов, составляющих основу земной коры: базальта, гранита, гнейса и других.

Многие содержащие кремний минералы широко используются человеком. Совершенно незаменимы по своим свойствам слюда и асбест. Кристаллы слюды легко расщепляются на тонкие пластинки. Ее применяют для изготовления различных нагревательных элементов, высококачественных электрических конденсаторов, тончайших окошек счетчиков заряженных частиц, применяемых в атомной физике. В древности, когда люди еще не умели делать оконное стекло, в окна вставляли пластинки слюды.

Асбест — белый волокнистый минерал, прекрасный тепловой и электрический изолятор, выдерживающий температуры выше 1000 градусов. Из асбеста изготовляют огнеупорный картон и несгораемую ткань, смесь асбеста с цементом — асбоцемент — прекрасный строительный материал, сочетающий прочность цемента и эластичность асбеста.

Свойства кремния

Долгое время ученым не удавалось получить достаточно чистый кремний и исследовать его свойства. Сейчас с помощью перегонки в вакууме и другими методами получают кремний чистотой до 99,999 процента и выше. Чистый кремний образует твердые кристаллы серо-стального цвета, расположение атомов в которых такое же, как и у алмаза. Но алмаз — хороший изолятор, а кремний — полупроводник. Сверхчистый кремний незаменим для изготовления солнечных фотоэлементов, имеющих высокий коэффициент полезного действия.

Кремниевый солнечный фотоэлемент — это металлическая пластинка, покрытая тончайшим, полупрозрачным слоем кремния. Солнечный свет выбивает из атомов кремния электроны, которые создают электрический ток. «Солнечные» батареи кремниевых фотоэлементов снабжают электроэнергией космические корабли.

Из кремния изготовляют полупроводниковые диоды и триоды. Они применяются в радиотехнике для приемников, усилителей, радиолокаторов и различных приборов.

При обычной температуре кремний — инертное вещество. При нагревании же он соединяется почти со всеми элементами. Наиболее важны его природные соединения — минералы, о которых мы рассказали, и многочисленные соли кремниевой кислоты H₂SiO₃. Эта очень слабая кислота образует в воде не обычный, а так называемый коллоидный раствор. Коллоидный раствор — это очень тонкая взвесь: на свет он выглядит мутным, но не оседает, потому что частички растворенного вещества очень малы. Почти все соли кремниевой кислоты нерастворимы в воде. Некоторые из них — полевые шпаты — широко распространены в природе. Хорошо растворяется только натриевая соль кремниевой кислоты Na₂SiO₃. Ее раствор в воде называют жидким стеклом и используют для изготовления клея и как огнезащитный состав для пропитки тканей и дерева.

Стекло

Не будь кремния — не было бы и стекла. Теперь известно много различных сортов стекол.

Обычное стекло (оконное, бутылочное) — сложная соль кремниевой кислоты Na₂CaSi₆O₁₄ или Na₂O·CaO·6SiO₂. Его изготовляют в огромных печах, сплавляя песок SiO₂, известняк CaCO₃ и соду Na₂CO₃. Примеси железа часто окрашивают такое стекло в желто-зеленый цвет. Если необходимо получить окрашенное стекло, то добавляют в расплав различные примеси — кобальта для синего цвета, хрома для зеленого и т. д. Для получения декоративного стекла с сильным блеском («хрустального») добавляют к составу соли свинца.

Обычное стекло имеет один большой недостаток: оно легко бьется при ударах и трескается при неравномерном нагревании. Наша промышленность выпускает для автомобилей специальное закаленное небьющееся стекло. За счет закалки наружный слой этого стекла сильно сжат, а внутренний — растянут. Поэтому оно прочнее обычного стекла, а если все-таки разбивается, осколки получаются тупыми.

Для изготовления химической посуды используют термостойкий сорт стекла «пирекс», а для работы при особо высокой температуре — кварцевое (чистый SiO₂). Оно почти не расширяется при нагревании, поэтому его можно раскалить докрасна и опустить в холодную воду — оно не треснет. В некоторые сорта стекла легко впаиваются металлические проволочки — его используют для изготовления электроламп и радиоламп.

Особо тщательно — строго по специальным рецептам — «варится» оптическое стекло. Объектив телескопа или фотоаппарата дает хорошее изображение лишь в том случае, когда налицо абсолютная прозрачность оптического стекла. Чтобы изделия из оптического стекла не изменяли свою форму при шлифовке, заготовки изделий тщательно отжигают — очень медленно охлаждают. Самые лучшие результаты дают объективы, линзы которых изогнуты из двух сортов стекла: кронгласа и флинтгласа. Из легкого кронгласа делаются выпуклые, а из тяжелого флинтгласа — вогнутые линзы. Такое сочетание линз помогает объективу собирать лучи всех цветов в одну точку, не давая цветных полос по краям изображения.

Керамика

Керамические изделия с незапамятных времен вошли в жизнь человека. Самый древний пример керамического изделия — кирпич. Кирпичи изготовляют из влажной смеси глины и песка, сушат и затем обжигают. Обожженная смесь спекается и перестает пропускать и поглощать воду.

Давно известно людям гончарное ремесло — изготовление глиняной посуды. Гончар бросает комок глиняного теста на медленно вращающийся круг и ловкими движениями пальцев вытягивает из бесформенной глины стенки горшка, тарелки, кринки. Готовый сосуд покрывается узорами, подрезается тонкой ниткой и ставится на просушку. Обязательной операцией при изготовлении любого керамического изделия является обжиг. Чем выше температура, при которой обжигается изделие, тем лучше его качество.

Фарфоровую и фаянсовую посуду делают из одного и того же сорта белой глины — каолина (Al₂O₃·2SiO₂·H₂O), но фарфоровая обжигается при более высокой температуре и поэтому получается полупрозрачной. Фарфоровую и фаянсовую посуду покрывают сверху легкоплавкими сортами стекла — глазурью.

Керамические изделия играют огромную роль в современной технике. Они широко применяются в электро- и радиопромышленности. Разработаны специальные сорта радиофарфора, содержащие, кроме чистого каолина, многие другие химические вещества и обладающие высокими изоляционными свойствами.

Чем еще интересен кремний?

Кроме стекла и керамики, кремний образует много других важных и полезных соединений. Соединение кремния с углеродом — карборунд SiC получают прокаливанием смеси SiO₂ и угля; он уступает по твердости лишь алмазу и является одним из основных материалов для изготовления наждачных и шлифовальных кругов, которые могут обработать самую твердую сталь.

Кремний, как и углерод, может образовывать цепи из своих атомов. Известны соединения кремния SiH₄ — силан, Si₂H₆ и вплоть до Si₆H₁₄, но они гораздо менее прочны, чем углеводороды, и способны самовоспламеняться на воздухе. Здесь, как и всюду, сказывается стремление кремния образовывать свое самое устойчивое соединение SiO₂. На примере карборунда видно, что связь атомов кремния и углерода Si — С очень прочна. Ученые воспользовались этим и ввели в состав молекул масел, лаков и других веществ атомы кремния вместо некоторых атомов углерода. Получились прочные смешанные углеродно-кремниевые цепочки. Такие соединения назвали кремний-органическими, они очень устойчивы, не боятся высокой температуры. Сейчас кремний-органические соединения используются для приготовления теплостойких масел, лаков и эмалей. Электромотор, обмотка которого сделана проводом в кремнийорганической изоляции, имеет вдвое большую мощность, чем такой же мотор с обычной обмоткой.

Неустойчивость связи атомов кремния друг с другом говорит о том, что не может быть жизни без соединений углерода. Атомы кремния никогда и ни при каких условиях не образуют без атомов углерода таких огромных и сложных цепей, как это делают углеродные атомы. Поэтому научные фантазии, что на «других мирах» может быть совсем другая жизнь, на основе соединений кремния, имеют мало оснований.

Роль соединений кремния в жизни человека быстро возрастает. Камень, цемент и керамика вытесняют недолговечный металл, все шире используются стекло, эмали, проводятся успешные опыты по изучению «настоящего» каменного литья, чистый кремний становится незаменимым материалом в радиотехнике, входят в жизнь теплостойкие кремнийорганические соединения.

Азот был открыт английским естествоиспытателем Даниэлем Резерфордом в 1772 году. Ученый исследовал воздух изолированного от атмосферы колокола, в котором, прожив немного, погибла мышь. «Дыхание животных, — пишет он, — не только превращает здоровый воздух в фиксируемый воздух (углекислый газ), но после того, как фиксируемая порция поглощена раствором едкого кали, остающаяся часть хоть и не вызывает осадка с раствором гашеной извести (в отличие от CO₂) — гасит пламя и губит жизнь».

Самая первая характеристика дана азоту с чисто негативной стороны.

Вряд ли какому элементу «не повезло» с названием так, как азоту. «Азотикон» по-гречески означает «безжизненный». Немцы назвали его еще категоричней — «удушающее вещество» (Stickstoff).

Безжизненный, удушающий… А между тем жизнь и азот неразделимы.

«Жизнь — это способ существования белковых тел», — сказал Энгельс, а ведь без азота белка нет.

Вся колоссальная масса растений и живых организмов на Земле состоит в основном из четырех элементов, о которых можно сказать четверостишием Шиллера:

Эти четыре элемента — углерод, водород, кислород и азот. Химическая инертность — вот чему обязан азот своим названием. При комнатной температуре он соединяется только с литием: молекула азота состоит из двух атомов, которые связаны очень прочно. Чтобы из ста молекул азота пять одновременно распались на атомы, необходима температура в 3500 градусов, а чтобы в сорока молекулах разорвать связь атомов, нужна колоссальная температура в 8000 °C. Понятно, что при обычных условиях азот не вступит в связь с кислородом и водородом.

При повышении температуры и при малом содержании кислорода азот становится гораздо активнее. Он доставляет много хлопот металлургам, которые удаляют его из сплава в шлак, добавляя титан, жадно соединяющийся с азотом.

В земной коре, атмосфере, на далеких планетах

Основная масса азота содержится в атмосфере. На каждый квадратный метр земной поверхности приходится 8 тонн атмосферного азота; такое количество в состоянии обеспечить питание растений более чем на миллион лет.

В земной коре его количество едва достигает 0,4 процента по весу. И это не удивительно. Ведь азот инертен. Удивительно другое: откуда он взялся в связанном состоянии? На этот счет существует много теорий. По одной из них, азот реагировал с другими элементами в далекую геологическую эпоху, когда Земля была расплавленной вязкой массой, покрытой тонкой твердой корочкой, которую то тут, то там прорывали мощные фонтаны паров и газов. Расплавленные металлы реагировали с азотом, образуя нитриды.

Возможно, азот фиксировался несколько позже, когда поверхность Земли скрывалась под жаркой и влажной атмосферой, в которой сверкали одновременно тысячи молний необыкновенной силы. Они и соединяли азот с кислородом, а мощные ливни приносили на Землю азотную кислоту, которая, просачиваясь, реагировала с металлами и образовывала азотнокислые соли.

Азот содержится и за пределами земной атмосферы в виде соединений. Английские ученые Бернал и Месси предполагают, что если не на Земле, то на крупных планетах солнечной системы — Уране и Юпитере, в атмосфере которых есть аммиак, может встречаться металлический аммоний, образующий «рудные жилы» в толще планет. В обычных условиях свободный аммоний — аналог калия и натрия по химическим свойствам — не удается получить, он немедленно разлагается на аммиак и водород.

Ученые подсчитали, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, и давлении около 250 тысяч атмосфер металлический аммоний устойчив и равновесие 2NH₃ + Н₂ ↔ 2NH₄ сдвигается вправо. Такие условия существуют на далеких и холодных планетах солнечной системы.

Солнечная атмосфера содержит азот в форме нейтральных и ионизированных атомов; спектральные линии азота обнаружены в кометах и туманностях.

Живые организмы содержат этот элемент в довольно большом количестве: 1–10 процентов от общего веса сухого вещества.

Болезнь глубины

В комнатных условиях азот — бесцветный газ, несколько легче воздуха, без вкуса и запаха.

Мы его не чувствуем, он нам не мешает, но стоит изменить условия, как безобидный газ начинает «показывать зубы».

Водолаз спускается в море, по шлангу ему подают обычный воздух. Уже на глубине нескольких десятков метров он начинает испытывать нечто похожее на легкое опьянение. Во рту ощущается металлический привкус сжатого азота, обуревает беспричинное веселье. Это азотный наркоз, состояние, часто называемое «болезнью глубины». Те, кто смотрел чудесный фильм «В мире безмолвия», помнят, наверное, какое большое самообладание нужно, чтобы не потерять самоконтроля, не ринуться в глубину без оглядки…

Причина здесь такова: давление увеличивает концентрацию азота, растворенного в крови, в жировых и белковых тканях организма.

При медленном подъеме избыток растворенного азота удаляется. Очень важно, чтобы он ушел из организма через легкие, как и попал туда. Но если подъем происходит быстро, азот выделяется в крови в виде пузырьков, не успевая дойти до легких. Эти пузырьки закупоривают капилляры. Тогда организму угрожают сильные боли и даже смерть. В упомянутом фильме показано, как слишком быстро поднявшегося из глубины аквалангиста помещают в герметическую камеру с повышенным давлением внутри на довольно продолжительный срок. Во избежание закупорки сосудов подъем ведется медленно, а обычный воздух заменяют гелиево-кислородной смесью. Гелий — легкий, подвижный газ, он быстро покидает организм.

Азот сам по себе

Если азот охладить до температуры –195,8 °C, он превращается в жидкость, а при –210,5 °C — твердеет. Его получают перегонкой жидкого воздуха.

Жидкий азот используют для замораживания продуктов питания. Продукту делают укол иглой, через которую вливается жидкий азот. Он фильтруется через материал продукта и испаряется, вытесняя весь воздух из контейнера. После этого контейнер герметически закрывают. Его можно доставить любым способом в любую точку земного шара без дополнительного охлаждения. Такой контейнер перевезли из Нью-Йорка на Цейлон: продукты прибыли на место назначения через шесть недель после замораживания в отличном состоянии.

Азот употребляется там, где нужны нейтральный наполнитель или нейтральная среда. Им наполняют электрические лампочки.

Где бензин, всегда возможен пожар. Во избежание взрыва азот используют при перекачке бензина.

В музее ценные картины хранят в цилиндрах, наполненных азотом: воздух может повредить краскам. Известно свидетельство современника о том, что картина Репина «Не ждали» в свое время поражала необыкновенной яркостью и свежестью красок. Время и воздух заставили их потускнеть.

Но это всего лишь несколько примеров употребления азота, и причем не главных. Основная масса добываемого азота идет на получение аммиака.

Великий Эн-аш-три

Кто не знает так называемого нашатырного спирта, жидкости с едким, быстро приводящим в себя запахом? Это не что иное, как раствор аммиака в воде.

Аммиак — водородное соединение азота NH₃. Атом азота здесь добирает три недостающих электрона к пяти собственным на внешней электронной оболочке и приобретает структуру инертного газа.

В комнатных условиях аммиак — легкий газ с весьма острым запахом. Он хорошо растворяется в воде; перед нами случай наиболее высокой растворимости одного вещества в другом: 1 кубик ледяной воды поглощает 1176 кубиков аммиака. Вода фонтаном врывается в колбу, наполненную аммиаком. Необыкновенная растворимость аммиака в воде долгое время не позволяла получить этот газ. Только в XVIII веке Пристли выделил аммиак, применив ртутную ванну.

В воздухе всегда есть незначительное количество аммиака: органические вещества, сгнивая, выделяют свой азот в виде аммиака.

В лаборатории аммиак получается действием щелочей на аммонийные соли, а в промышленности — прямым соединением азота и водорода:

N₂ + 3Н₂ ↔ 2NH₃.

Это типично обратимый процесс; ни при каких обстоятельствах он не идет до конца.

В начале столетия химики пытались соединить азот с водородом при помощи высокого давления. Сосуд со смесью этих газов погружали в глубины океана. В 1901 году французский ученый Ле Шателье сконструировал двигатель, в котором азотно-водородная смесь подвергалась давлению до 100 атмосфер. Ученый рассчитывал, что сжатая смесь будет взрываться от электрической искры, обращаясь в аммиак. Опыт не удался: в цилиндр проник воздух, и образовавшаяся гремучая смесь взорвала конструкцию.

Потребовались годы для изучения этой, казалось бы, простой химической реакции.

В 1910 году стало ясно, что успех невозможен без привлечения двух могущественных факторов: температуры и давления. Ученые рассчитали, что максимальный выход аммиака получается при наиболее высоком давлении и наиболее низкой температуре процесса.

Давление можно увеличить до очень больших значений, но температура… Если вести процесс при высокой температуре, выход аммиака ничтожно мал, а если ее снизить до предела, скорость реакции оказывается очень небольшой.

Таким образом, ученые и технологи оказались между Сциллой и Харибдой. Своеобразным голубем, позволившим преодолеть эти препятствия, оказался катализатор — третий мощный фактор.

Что же такое катализатор?

Это вещество, изменяющее скорость химической реакции. Катализатор участвует в реакции, но по ее окончании восстанавливается в первоначальном виде. Большинство химических реакций в природе, в лаборатории, в цехах идет с участием катализатора. Все многообразие каталитических процессов можно свести к двум случаям: катализа гомогенного и гетерогенного. Гомогенный, иначе однородный, катализ имеет место, когда и реагирующие вещества и катализатор находятся в одном и том же физическом состоянии, то есть все они являются или газами, или находятся в растворе. Гетерогенный катализ наблюдается, когда в реакции участвуют неоднородные вещества, скажем газ и твердое тело. Примером такого катализа может служить синтез аммиака.

В чем заключается действие катализатора?

Не просто ответить на этот вопрос. Явление катализа изучено еще далеко не полностью. У исследователей есть различные точки зрения. Здесь мы изложим самую простую и общепринятую. Но прежде чем говорить об изменении скорости химической реакции, надо сказать о том, что же это такое.

Скорость химической реакции характеризуется изменением концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Например, попробуйте поджечь обыкновенное стальное перо на воздухе. Это не так просто сделать, даже используя газовую горелку. В крайнем случае вам удастся раскалить его докрасна. А стоит только опустить нагретое перо в банку с кислородом, как оно загорится, разбрасывая искры. Концентрация кислорода в банке в пять раз выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому и скорость взаимодействия железа с кислородом резко возрастает.

Ученые нашли закон о влиянии концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции. Он называется законом действующих масс и звучит так: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции А + В = С этот закон выразится в следующей формуле: V = К[А][В], где V — скорость реакции, K — константа скорости, [А] и [В] — концентрации веществ А и В.

Для реакции синтеза аммиака N₂ + 3Н₂ ↔ 2NH₃ выражение скорости будет следующим: V = К[N₂][H₂]³.

Какова же роль катализатора в ускорении химической реакции?

При гетерогенном катализе на поверхности катализатора адсорбируются реагирующие вещества. Каждая молекула обладает внешним силовым полем. Если она находится внутри вещества, ее поле скомпенсировано подобными же полями других молекул. У молекулы на поверхности вещества поле с внешней стороны не компенсировано. За счет свободного поля к поверхности тела могут притягиваться частицы из внешней среды. Произойдет адсорбция, поглощение газов, паров и растворенных веществ на поверхности адсорбента.

Итак, в первую очередь катализатор адсорбирует реагирующие вещества на своей поверхности, увеличивает их концентрацию, а тем самым и скорость реакции.

Помимо того, катализатор активизирует адсорбированные молекулы. Они становятся гораздо более энергичными, чем молекулы неадсорбированные, чаще сталкиваются и чаще реагируют. А в общем скорость реакции сильно возрастает.

Надо сказать, что катализатор действует очень избирательно. Он капризен: одну реакцию может сильно ускорять, а на скорость другой не влиять вообще. Подбор определенных катализаторов для реакций — дело сложное. Четко разработанной теории здесь нет.

А между тем трудно переоценить значение катализаторов в химической промышленности. Важность правильного подбора и приготовления катализатора видна на примере синтеза аммиака. Здесь хорошим и дешевым катализатором оказалось железо, обработанное особым способом. Примесь окиси алюминия во много раз увеличивает каталитическую силу железа. Но и при таком мощном ускорителе синтез аммиака — процесс сложный. Он ведется в контактном аппарате: толстостенном цилиндре из высококачественной стали, способном выдержать температуру в 500 градусов и давление 250–300 атмосфер. Снизу в аппарат подается смесь азота с водородом в отношении один к трем. Газы проходят сквозь полочки с катализаторами, расположенными внутри аппарата. На катализаторе они и реагируют, образуя аммиак.

Само собой разумеется, что производительность такого контактного аппарата оставляет желать много лучшего. Химики ищут пути ее увеличения главным образом за счет повышения эффективности катализатора. Советские инженеры-химики разработали метод использования так называемого псевдоожиженного слоя катализатора. Этот способ еще не применялся для реакций, идущих под большим давлением, каковой является реакция синтеза аммиака.

Псевдоожиженный слой — особое состояние мелких твердых частиц, как бы кипящих в токе подаваемого снизу газа. Катализатор не лежит на полках, а «кипит» в токе газа, идущего под большим давлением. Ясно, что азот и водород реагируют гораздо полнее здесь, так как, во-первых, в аппарате помещается гораздо больше катализатора; во-вторых, его поверхность значительнее. Ведь он мелко раздроблен, находится в беспрерывном движении, и подход газов к его поверхности сильно облегчен.

Служба холода

В жаркий летний день приятно пить холодное молоко и ледяную фруктовую воду, не думать о том, что масло, колбаса и свежая рыба могут испортиться. А для этого нужен только холодильник, который зачастую работает за счет жидкого аммиака.

В основе действия холодильной машины лежит тот факт, что сжатие газа в ограниченном пространстве ведет к его нагреванию. Охлаждение сжатого газа с последующим расширением дает в результате сильное охлаждение. В качестве хладоагента аммиак применяется потому, что он, как и вода, обладает высокой скрытой теплотой испарения. В холодильной установке аммиак непрерывно нагнетается компрессором в охлаждаемый водой змеевик. Здесь вода отбирает тепло аммиака, выделившееся при сжатии. Он ожижается и через узкое отверстие поступает в другой змеевик, погруженный в крепкий раствор хлористого кальция. Здесь аммиак испаряется, поглощая столько тепла, что вода в сосудах, помещенных в раствор хлористого кальция, обращается в лед.

Зарождение жизни на Земле и аммиак

В свое время физические условия на Земле были иными, чем сейчас; большинство современных ученых склонно думать, что на ранней стадии развития Земля обладала не окислительной, как сейчас, а восстановительной атмосферой, содержащей метан, аммиак, водород и воду. Аммиак сыграл, по всей вероятности, не последнюю роль в возникновении жизни.

Земная атмосфера того времени подвергалась действию сильнейших электрических разрядов, высокой температуры, мощного ультрафиолетового излучения. Все это вместе взятое и привело к образованию органических веществ.

В наше время ученый С. Миллер осуществил подобный синтез в лабораторных условиях. Через смесь паров воды, водорода, метана и аммиака он пропускал искровый разряд в течение недели, после чего в сосуде была обнаружена смесь аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновая кислота), являющихся составной частью белка.

С появлением растений восстановительная атмосфера Земли стала постепенно превращаться в окислительную. Зеленая масса растений под действием солнечных лучей в течение многих миллионов лет связывает углекислый газ, выделяя кислород.

«Нитрозный сок жизни»

Еще в середине века ученые догадывались о том, что плодородие почвы связано с «нитрозными соками жизни».

Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал: «Азот более драгоценен с общебиологической точки зрения, чем самые редкие из благородных металлов». С этим нельзя не согласиться. Ведь азот в конечном счете — хлеб, мясо, молоко, масло.

Ежегодный мировой урожай уносит из почв 25 миллионов тонн соединений азота. Чтобы собрать следующий урожай, который был бы не хуже прежнего, необходимо возвратить почвам изъятый азот.

В 1898 году известный английский физик Крукс предсказывал человечеству смерть от азотного голода. Земля истощается, говорил он; чтобы повысить ее урожайность, необходимо связать азот атмосферы, так как единственные запасы его на Земле в виде чилийской селитры катастрофически уменьшаются с каждым годом.

В том же году по поводу речи Крукса выступил К. А. Тимирязев; он напомнил об опытах Кэвендиша 1783 года, когда тот, пропуская электрические искры через атмосферный воздух, получил двуокись азота.

В начале XX столетия началось интенсивное изучение реакции взаимодействия азота с кислородом.

Эта реакция обратима; ее оптимальные условия — наивысшая температура и обычное атмосферное давление. Казалось бы, просто — раздувай мехи, поддавай жару!

И здесь ученые столкнулись со значительным «но». Оказалось, что окислы азота при медленном охлаждении распадаются на составные части. Равновесие сдвигается влево. Перед инженерами встала задача — быстро охладить окись азота до температуры ниже 1000 °C.

На помощь пришла электрическая дуга. Она создает очень высокую температуру в ограниченной зоне, к которой прилегают слои воздуха с резко пониженной температурой. Образовавшиеся окислы при выходе из зоны электрической искры быстро охлаждаются, не успев распасться на составные элементы.

В 1908 году ученый Биркеланд и инженер Эйде сумели получить при помощи электрической дуги от 4 до 7 процентов выхода окислов азота.

Впрочем, Биркеланду и Эйде сама природа подсказала способ фиксации атмосферного азота. После каждого зигзага молнии дождь приносит на землю около полутора тонн окиси азота. За год молнии образуют до 600 килограммов окиси азота на каждый квадратный километр земной поверхности. Советский ученый Н. А. Зубарев предложил упорядочить работу молнии — направить ее удар на нужное место. Он советует выпустить в предгрозовое небо небольшой резиновый шар на металлической проволочке диаметром в сотую долю миллиметра. Молния мгновенно превратит ее в пар, но все же в землю уйдет направленно по ионизированным молекулам, предварительно соединив азот с кислородом.

Аммиак для растений и животных

Перед первой мировой войной фиксация азота электродуговым способом была в значительной степени вытеснена более экономичным аммиачным методом. Этот метод, разработанный Ф. Габером в 1908 году, описан выше.

Основная масса получаемого аммиака перерабатывается на азотную кислоту и аммонийные соли, из которых, в свою очередь, получают минеральные удобрения.

Но аммиак и сам по себе находит применение в сельском хозяйстве, особенно в последнее время. По своему действию на плодородие почв он не уступает аммиачной селитре, например, но гораздо дешевле ее. Однако аммиак — газ, и вносить его в почву неудобно, поэтому он применяется в виде жидких азотных удобрений, для получения которых существуют три способа. Первый — превращение аммиака-газа в аммиак-жидкость. Второй — растворение в жидком аммиаке аммиачной селитры или мочевины. Такие растворы называются аммиакатами. И третий — употребление в качестве удобрения нашатырного спирта — раствора аммиака в воде.

Жидкий аммиак — самое концентрированное азотное удобрение; оно содержит 82,3 процента азота. Его использование значительно осложняет низкая температура кипения.

Аммиакаты содержат до 30–50 процентов азота, но их трудно перевозить: они вызывают ржавление черных металлов. К тому же их можно использовать только в теплое время года, при температуре ниже 10 °C соли выпадают в осадок.

Наиболее широкое применение в сельском хозяйстве нашей страны нашел водный аммиак. Его удобно и легко хранить, он не замерзает при значительных морозах и содержит до 20 процентов азота.

В 1959 году 240 тысяч гектаров полей колхозов и совхозов были удобрены жидкими азотными удобрениями, в основном водным аммиаком, что втрое сократило затраты труда. Водный аммиак дал 8 центнеров прибавки зерна с 1 гектара и до 25 центнеров картофеля.

Аммиак служит исходным продуктом для получения очень ценного вещества вообще и удобрения в частности — мочевины:

2NH₃ + CO₂ = NH₂CONH₂ + Н₂O.

Мочевина — первое органическое вещество, полученное синтетически. В 1824 году Велер, выпаривая водный раствор циановокислого аммония, получил мочевину. До этого многие ученые считали, что человек не в состоянии искусственно получать органические вещества, которые, по их мнению, может вырабатывать только живой организм под действием особой, таинственной «жизненной силы». Синтез мочевины из неорганических продуктов нанес первый удар по теории «жизненной силы».

Мочевина — высококонцентрированное удобрение; в нем 46,7 процента азота. По содержанию азота 100 килограммов мочевины эквивалентны 300 килограммам натриевой селитры или 225 килограммам сульфата аммония. Азот мочевины очень легко усваивается растениями. Удобрение пригодно для всех почв и под все сельскохозяйственные культуры. В почве мочевина разлагается на углекислый газ и аммиак, который окисляется затем в азотную кислоту. Растения обеспечиваются легкоусваиваемой азотной пищей. Мочевиной также подкармливают скот. К концу семилетки для животноводства нашей страны будет выпущено около 800 тысяч тонн синтетической мочевины.

«Вода» Джабира

Одновременно с разработкой метода получения аммиака ученые и инженеры изучали способы его окисления в азотную кислоту.

В 1917 году по проекту инженеров И. И. Андреева и Н. М. Кулепетова был построен впервые в России азотный завод в Юзовке для контактного способа окисления аммиака.

Процесс окисления делится на несколько этапов.

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6Н₂O.

Эта реакция происходит на поверхности катализатора, когда аммиачно-воздушная смесь (1:9) проходит через платиновую сетку, нагретую до 600 °C.

Окись азота легко окисляется до двуокиси. Затем нитрозные газы поступают в адсорбционную башню снизу. Навстречу подается распыленная вода. Полученная разбавленная кислота концентрируется в присутствии крепкой серной кислоты. Последняя поглощает воду. Из смеси двух кислот затем отгоняется азотная. Концентрированная азотная кислота может быть получена также при взаимодействии воды или разбавленной кислоты с жидкой N₂O₄ и кислородом под давлением в 50 атмосфер.

Азотная кислота известна с древности; ее первое описание встречается в книге легендарного арабского алхимика XII века Джабира. Он описывает HNO₃ как воду и считает ее великой силой в руках человека.

И действительно, азотная кислота — одно из важнейших химических соединений.

В чистом виде это бесцветная жидкость, в полтора раза тяжелее воды.

Крепкая азотная кислота — сильный растворитель, она растворяет все металлы, за исключением благородных. Она разрушающе действует на органические вещества.

Смесь одного объема крепкой азотной кислоты с тремя объемами соляной получила еще в средние века название «царской водки». Эта смесь растворяет платину и золото, что алхимики отобразили в символе «Лев пожирает Солнце». Растворение благородных металлов в «царской водке» происходит за счет образующегося свободного хлора…

Соли азотной кислоты — аммиачная, натриевая, калиевая и кальциевая селитры — отличные удобрения. Аммиачная селитра NH₄NO₃ — кристаллическая соль различных цветов, от белого до голубоватого. Она очень гигроскопична, нагревания до 200 °C не выдерживает — распадается на закись азота и воду. При более высокой температуре аммиачная селитра взрывается. В 1921 году на немецком заводе в Оппау произошел взрыв 3200 тонн смеси сульфата аммония с аммиачной селитрой. Были разрушены все промышленные и жилые постройки в радиусе 4 километров.

Аммиачная селитра содержит 35 процентов азота, хорошо растворяется в воде; она широко используется в качестве минерального удобрения. В ней отсутствуют вредные и балластные примеси; соль легко усваивается растениями. Аммиачную селитру используют в смеси с другими минеральными удобрениями — суперфосфатом и калийными солями.

Натриевая селитра NaNO₃ по внешнему виду похожа на поваренную соль, так же как и аммиачная селитра. При хранении она отсыревает и огнеопасна при сильном нагревании. Натриевая селитра содержит всего лишь 15 процентов азота, но для условий нечерноземной полосы является лучшим азотным удобрением, особенно для сахарной свеклы.

Калиевая селитра успешно применяется в нечерноземной полосе; она, как и натриевая селитра, уменьшает кислотность почвы.

«Укрощение» азота продолжается

Химики отвели костлявую руку «азотного голода», решили проблему фиксации атмосферного азота. Но это не значит вовсе, что она решена окончательно.

Ученые всего мира изыскивают новые, более дешевые и эффективные способы фиксации азота. Исследуют по двум направлениям: биологическому и техническому. «Биологический» азот — это азот клевера, люцерны, бобовых культур, вернее — азот азотфиксирующих бактерий.

По самым скромным подсчетам, многомиллионные армии бактерий связывают в год более 400 миллионов тонн азота.

В последнее время советский ученый И. И. Оробинский выделил новый вид азотобактера. Размножаясь на клубнях картофеля, он за несколько часов увеличивает содержание азота в них в восемь раз. Этот картофель охотно поедают домашние животные. Поросята, питавшиеся им, повысили среднесуточный привес на 70–80 процентов.

Таким образом, новый вид азотобактера обладает заманчивыми свойствами: во-первых, он развивается в искусственных средах, то есть его можно получать в лабораториях; во-вторых, продукты его жизнедеятельности усваиваются животными непосредственно.

Усовершенствование способов получения «технического» (в отличие от «биологического») азота ведется пока в лабораториях. Ученые обратились к прямому окислению азота в электрическом разряде, к способу Биркеланда. Аммиачный способ хорош, но основан на сжигании большого количества водорода, производство которого дорого. Метод Биркеланда берет много электроэнергии. Но физика и техника высокочастотного разряда в наше время достигли большого успеха, электроэнергия с каждым годом становится дешевле, азота в воздухе — хоть отбавляй, оборудование заводов прямого окисления азота просто, к тому же завод можно поместить рядом с местом потребления азотных удобрений. Уже сейчас в лаборатории на один киловатт-час энергии получают более двух молей NO электродуговым способом.

При выходе в 3–4 моля метод прямого окисления сравняется в энергетическом отношении с аммиачным. Несомненно, будущее за прямым окислением азота в высокочастотном разряде…

Семья окислов

«Как отличен веселящий газ (закись азота N₂O) от азотного ангидрида (пятиокиси азота N₂O₅)! Первый — это газ, второй при обыкновенной температуре — твердое кристаллическое тело. А между тем все отличие между ними по составу заключается в том, что во втором теле в пять раз больше кислорода, чем в первом, и между обоими расположены еще три других окисла азота… которые все отличаются качественно от них обоих и друг от друга», — так писал об окислах азота Энгельс в «Диалектике природы».

Окислов азота пять:

Перед нами наглядная иллюстрация диалектического закона о переходе количества в качество.

N₂O — низший окисел азота — был описан впервые Пристли в конце XVIII века. Этот газ очень удивил английского химика: о одной стороны, он был ядовит для всего живого, с другой — поддерживал горение, подобно обыкновенному воздуху.

Ведь Пристли да и все ученые того времени не отделяли дыхания от горения.

В лаборатории закись азота получается нагреванием аммонийной селитры до 200 °C.

NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O.

Это соединение непрочно, и водород, уголь, керосин горят в нем так же хорошо, как в чистом кислороде.

Характернейшей особенностью закиси, свойством, взволновавшим в конце XVIII века весь ученый, и не только ученый, мир, является его физиологическое действие, открытое Дэви в 1798 году. Вдыхание закиси азота — «веселящего газа» — приводит человека в состояние сильного возбуждения, опьяняет.

По свидетельству современника, присутствовавшего на одном из сеансов наркоза закисью азота, «одни джентльмены прыгали по столам и стульям, у других развязался язык, третьи обнаружили чрезвычайную склонность к потасовке».

Дэви первый высказал мысль о возможном употреблении открытого газа для наркоза. В 1844 году американский врач Уэльс вырвал себе зуб под наркозом закиси азота. Закись азота как быстродействующее анестезирующее средство применяется хирургами и сейчас.

Окись азота еще до открытия азота Гейле собрал под водой. Он первый наблюдал взаимодействие этого газа с воздухом, он же первым описал его.

Поглощение «нитрозным газом» кислорода воздуха дало возможность количественного определения «добротности» воздуха, то есть содержания в нем кислорода. В XVIII веке был изобретен эвдиометр, специальный прибор для такого определения, способствовавший во многом становлению научной химии.

Бросив медную монету в разбавленную азотную кислоту, мы получим окись азота. На воздухе она приобретает ядовито-бурую окраску двуокиси азота.

8HNO₃ + 3Cu = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

2NO + O₂ = 2NO₂.

Азотистый ангидрид N₂O₃ — жидкость синего цвета — получают при охлаждении смеси равных количеств NO и NO₂.

Иногда над корпусами химического завода можно видеть бурые тяжелые клубы, стелющиеся над землей. Это двуокись азота, которую рабочие называют «лисьим хвостом». Этот крайне ядовитый бурый газ был известен еще алхимикам, работавшим с азотной кислотой.

NO₂ при низкой температуре димеризуется в N₂O₄.

Промышленное получение двуокиси азота основано на реакции прямого соединения азота и кислорода, которая требует большого расхода энергии:

N₂ + 2О₂ = 2NO₂ – 43 ккал.

Высший окисел азота N₂O₅ — вещество крайне неустойчивое, образующееся при обезвоживании азотной кислоты фосфорным ангидридом. При действии озона на N₂O₄ образуются белые кристаллы N₂O₅.

Взрыв работает

Вспомните кинофильм «Плата за страх». Из рюмочки, наполненной прозрачной маслянистой жидкостью, падает на пол капля и взрывается с коротким, резким грохотом.

Это нитроглицерин. Он получается при действии крепкой азотной кислоты на глицерин.

Обычно активность нитроглицерина подавляют добавками нитроклетчатки, древесной муки, кизельгура и т. д. и превращают его в динамит, которым рвут горы и скалы. Сжигая 1 килограмм угля в печи, мы знаем наверняка, что энергия, которую он выделит, не взорвет печи и даже нисколько ее не разрушит. А ведь 1 килограмм угля выделяет при сгорании в восемь раз большее количество энергии, чем такое же количество тринитротолуола — сильного взрывчатого вещества. Энергия тротила выделяется в десятки миллионов раз быстрее, развивается гигантская мощность…

12 апреля 1953 года на руднике Алтын-Топкан был произведен взрыв заряда аммонита (88 процентов нитрата аммония и 12 процентов тротила) весом в 1647 тонн. Объем раздробленной взрывом породы составил 1910 тысяч тонн.

Интересен следующий факт: 19 сентября 1957 года в США в штате Невада взорвали атомный заряд в подземных условиях. Он был эквивалентен заряду взрывчатого вещества весом в 1700 тонн, то есть заряду аммонита, взорванного в Алтын-Топкане. Объем раздробленной атомным взрывом породы составил всего лишь 450 тысяч тонн. По-видимому, эризантность обычных взрывчатых веществ значительнее бризантности атомного взрыва. Советскими учеными сейчас разрабатывается проект вскрытия Нерюнгринского месторождения коксующихся углей в Южной Якутии. Оно будет вскрыто двухрядным взрыванием 55 588 тонн взрывчатки. Мощность взрыва достигнет мощности трех атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки.

В воздух одновременно взлетит гигантская масса породы в 10 миллионов кубометров. Взрыв сократит время, необходимое для доступа к месторождению, на 3–4 года.

Тверже алмаза

Алмаз — эталон твердости. Он легко режет стекло и царапает металлы. В природе нет вещества, которое могло бы поцарапать алмаз. В лаборатории есть: это — боразон — модификация нитрида бора. Нитрид бора — BN₃ — тугоплавкое, химически стойкое вещество, получающееся в виде очень тонкого порошка белого цвета. По структуре и свойствам он очень похож на графит и способен даже служить смазкой, отчего и получил название «белая сажа» и даже «белый графит».

Сверхвысокое давление превращает нитрид бора, как и графит, в структуру, подобную структуре алмаза и названную боразоном.

В 1957 году в США получен боразон гораздо более прочный и термостойкий, чем алмаз. Нитрид бора, подвергнутый давлению в 73 тысячи атмосфер, превратился в боразон — вещество, сгорающее лишь при 2000 °C, в то время как алмаз горит при 871 °C.

Боразоном успешно заменяют алмаз в горном деле, машиностроении и приборостроении.

Так переводится с греческого языка слово «фосфор» — название удивительного вещества, открытого гамбургским купцом Геннингом Брандом в 1669 году.

В средние века широкое распространение получило мнение, будто любые металлы можно превратить в золото. Для этого нужно было «совсем немного» — иметь «философский камень», который якобы и обладает этой волшебной силой. Людей, которые старались изготовить «волшебный камень», называли алхимиками. Одним из таких искателей и был Бранд.

Когда-то Геннинг Бранд был довольно богатым купцом, жил на широкую ногу. Но дела его шли все хуже и хуже. Наконец пришло время, когда имущество его продали с молотка. И вот, чтобы поправить свои дела, Бранд решил заняться алхимией — ведь удача сулила моментальное обогащение!

Много дней и ночей провел Бранд за работой. Упорно, настойчиво проводил он свои опыты. Что только не использовалось в них! Руды и минералы, растения и кости животных, металлы и соли и многое, многое другое. Все это Бранд тщательно растирал в ступке, перемешивал, прокаливал, обрабатывал кислотами, смешивал со ртутью, серой, снова прокаливал… И так изо дня в день, неделя да неделей. Шло время, а секрет приготовления «философского камня» так и оставался секретом.

Но вот однажды, прокаливая на сильном огне сухой остаток мочи, Бранд заметил, что из реторты выделяется какое-то вещество, быстро сгорающее на воздухе с образованием густого белого дыма. Сама реторта слабо мерцала в полумраке лаборатории. Сердце Бранда забилось чаще: вот он, заветный «философский камень», который принесет ему богатство и славу!

Получить этот мнимый «камень» оказалось нелегко. Много пришлось еще поработать Бранду, пока, наконец, наступил долгожданный день. С замирающим сердцем следил Бранд за тем, как в приемнике реторты, под водой, собирается белое вещество, излучающее необыкновенное сияние. И чем больше его накапливалось, тем ярче становился свет, исходивший от удивительного вещества. Свечение стало настолько сильным, что можно было читать книги. Но не только это поразило Бранда.

Вещество оказалось поистине удивительным. Его свет не обжигал, его можно было трогать руками. А самое главное — все вещи, соприкасавшиеся с ним, приобретали способность светиться в темноте. Приемник реторты, пальцы Бранда, ложка, которой он пересыпал вещество в чашку, — все светилось ровным, холодным светом.

Бранд устало опустился на скамейку. Наконец-то он держит в руках «философский камень»! Все же скоро ему пришлось убедиться, что его «философский камень» не может превращать в золото другие металлы. Но это не смутило алхимика. Вещество было настолько удивительным, настолько не похожим на все остальные, что он все-таки сумел «превратить» его в золото: Бранд продавал его по очень высоким ценам. А само вещество он назвал «холодный огонь», и лишь впоследствии его переименовали в «фосфор».

Белый, красный, черный…

Что такое фосфор? Какими свойствами он обладает?

На первый вопрос еще в 1777 году ответил знаменитый французский химик Лавуазье. Он долго и тщательно изучал горение фосфора и первый признал его за новый элемент. Да и на второй вопрос ответить не трудно, если говорить о химических свойствах.

А каковы физические свойства фосфора?

Хотя со времени его открытия прошло почти 300 лет, однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Существует не один фосфор, а три.

В течение 178 лет, с тех пор как Бранд открыл фосфор, его считали белым веществом. Считали, что он светится в темноте, что он мягок, как воск, и легко воспламеняется. В 1847 году немецкий химик Шреттер открывает другую разновидность фосфора — красный фосфор. По своим свойствам он довольно сильно отличается от белого: почти в полтора раза тяжелее, нерастворим в сероуглероде и, главное, совершенно не светится в темноте. Белый фосфор воспламеняется при 40 градусах, а красный — лишь при 440.

Но и на этом не кончаются превращения фосфора. В 1916 году была открыта новая разновидность — черный фосфор. Это уже совсем странный фосфор: по внешнему виду он напоминает графит и даже проводит электрический ток.

Однако и белый, и красный, и черный фосфор — это все тот же элемент, который был открыт Брандом. Оказалось, что все три разновидности могут переходить друг в друга при определенных условиях.

Химические превращения фосфора

Фосфор своеобразен не только в силу своих физических свойств. Он обладает «богатой» химией. Так, например, фосфор может проявлять валентность 5+, 3+ и 3–. Он может взаимодействовать не только с элементами, но и с различными сложными веществами, образуя множество разнообразных соединений. Мы здесь расскажем лишь об основных соединениях фосфора.

Этот элемент легко реагирует с галогенами. Взаимодействуя с хлором, он дает:

2Р + 5Cl₂ = 2PCl₅;

2Р + 3Cl₂ = 2PCl₃;

пятихлористый и треххлористый фосфор. Оба эти соединения, являясь так называемыми галоидангидридами, очень реакционноспособны и, в свою очередь, легко взаимодействуют с водой, образуя различные фосфорные кислоты:

PCl₅ + 4H₂O = Н₃PO₄ + 5HCl;

PCl₃ + 3H₂O = Н₃PO₃ + 3HCl.

Фосфор может соединяться и с водородом, образуя при этом вещества, которые получили название фосфинов. Реакцию взаимодействия фосфора с водородом можно написать следующим образом:

2P + 3Н₂=2PH₃.

Вещество, которое при этом образуется, называется фосфористым водородом. Это ядовитый газ с резким, неприятным запахом, по свойствам своим сходный с аммиаком. В этой реакции наряду с фосфином (фосфористым водородом) получаются и другие аналогичные соединения, например Р₂Н₄, который при обычных условиях представляет собой жидкость, самовоспламеняющуюся на воздухе.

При повышенных температурах фосфор хорошо взаимодействует с некоторыми металлами, образуя при этом соединения, которые получили название фосфидов, например:

3Ca + 2Р = Ca₃Р₂;

3Mg + 2P = Mg₃P₂.

Соединения эти, устойчивые сами по себе, в присутствии кислот разлагаются:

Mg₃P₂ + 6HCl = 3MgCl₂ + 2РН₃.

Фосфор легко соединяется с кислородом, причем, как и в случае взаимодействия с хлором, процесс может идти двумя путями, в зависимости от количества кислорода, принимающего участие в реакции:

4Р + 5O₂ = 2Р₂O₅;

4Р + 3O₂ = 2Р₂O₃.

Вещества, образующиеся при этом, называются соответственно фосфорным и фосфористым ангидридами. Это очень гигроскопические белые вещества, легко вступающие в реакцию с водой с образованием кислот.

Можно сказать, что фосфор способен реагировать с большинством элементов периодической системы и со многими соединениями, например: серой, едкими щелочами, кислотами, некоторыми солями и т. п. О многообразии соединений фосфора можно судить хотя бы по тому, что были получены вещества, формулы которых можно написать так: POFClBr и PSFClBr.

Интересно отметить, что с углеродом фосфор непосредственно не соединяется. Однако этот «недостаток» он с лихвой покрывает тем, что образует многочисленные фосфорорганические соединения, которые получаются при взаимодействии различных производных фосфора с органическими соединениями. О некоторых из них, играющих исключительно важную роль в жизни животных и человека, мы еще будем говорить.

Сам фосфор, как обычно принято говорить — «элементарный», находит лишь ограниченное применение. Белый фосфор весьма ядовит, поэтому его используют для борьбы с вредителями сельского хозяйства. Кстати, он применяется и в военном деле — как наполнитель специальных типов зажигательных бомб и дымообразующее вещество при постановке дымовых завес. Красный фосфор используют в производстве спичек. Но поистине громадное значение имеют соединения фосфора.

Фосфорные кислоты

Мы уже говорили, что фосфор способен соединяться с кислородом с образованием различных окислов. А теперь посмотрим, что же представляют собой продукты их взаимодействия с водой. Лучше всего начать с фосфорного ангидрида — Р₂O₅. Оказывается, если он реагирует с водой, то при этом образуется не одна кислота, как это бывает у обычных ангидридов, а три (опять число три — три вида элементарного фосфора, теперь три кислоты):

Р₂O₅ + H₂O = 2НРО₃;

Р₂O₅ + 3H₂O = 2Н₃PO₄;

Р₂O₅ + 2H₂O = Н₄Р₂O₇,

которые называются соответственно метафосфорной, ортофосфорной (или просто фосфорной) и пирофосфорной. Таким образом, в зависимости от количества молекул воды, вошедших в реакцию с одной молекулой фосфорного ангидрида, могут образоваться различные кислоты. Для того чтобы легче уяснить себе такое странное поведение фосфорного ангидрида, напишем структурные формулы этих веществ:

Похоже, что все они, как принято говорить, генетически связаны, то есть все их можно получить друг из друга. Например, ортофосфорную можно получить из метафосфорной кислоты простым присоединением воды:

А пирофосфорную можно получить из ортофосфорной при конденсации ее молекул:

Вообще говоря, это не только теоретические возможности. В самом деле, из метафосфорной кислоты при определенных условиях можно получить и орто- и пирофосфорную кислоты.

Все эти кислоты при обычных условиях — кристаллические вещества, все они бесцветны и очень сильно поглощают воду. (Правда, еще сильнее воду поглощает сам фосфорный ангидрид. Он способен отнимать ее у других кислот, например таких, как азотная кислота, и даже обугливать некоторые органические вещества, забирая у них воду.)

Наиболее важное практическое значение имеет ортофосфорная кислота, и не столько она сама, как ее соли, которые используются в качестве удобрений.

Кроме мета-, орто- и пирофосфорной кислот, фосфор способен образовывать еще много других, из которых, пожалуй, самой интересной является фосфористая. Получается она при взаимодействии фосфористого ангидрида с водой:

Р₂O₃ + 3H₂O = 2Н₃PO₃.

Это тоже белое кристаллическое вещество, легко растворимое в воде.

Однако в отличие от кислот, которые фосфор образует в своей высшей степени окисления, как фосфористая кислота, так и ее соли сильно ядовиты. И еще одно интересное обстоятельство. Строение фосфористой кислоты можно изобразить в виде двух формул:

Обе эти формы находятся в равновесии друг с другом, но в обычных условиях форма II сильно преобладает. Как самой кислоте, так и ее солям отвечает формула II, поскольку для нее известны лишь двузамещенные соли, например Na₂HPO₃·5H₂O. Однако для формулы I получены сложные органические производные. Такое явление называется таутомерией и часто встречается в органической химии. Интересно, что фосфористая кислота — сильный восстановитель и из растворов солей серебра выделяет металлическое серебро, а из солей меди — медь. Сама по себе кислота очень устойчива и с трудом окисляется до фосфорной. Остается лишь добавить, что у нее, так же как и у фосфорных кислот, имеются свои аналоги — метафосфористая НРО₂ и пирофосфористая Н₄Р₂O₅ кислоты.

Пища растений

Еще задолго до нашей эры люди обнаружили, что при посевах почва истощается. Урожаи становятся все меньше и меньше, и в конечном итоге почва становится бесплодной. Целые селения снимались с обжитых мест и шли на поиски плодородных земель. Они сжигали леса, обрабатывали целину, а через несколько лет снова были вынуждены уходить на новые места. Шли века. Человек накапливал опыт, знания. И вот на одном из этапов развития люди стали использовать удобрения.

Кельты, например, применяли удобрения за несколько сот лет до новой ары. Известно также, что удобрения применялись и в древней Греции. Однако интенсивное использование их началось лишь около ста лет тому назад.

В первой трети прошлого века выдающийся немецкий ученый Юстус Либих сделал интересный эксперимент: он провел химический анализ большого количества различных растений. В результате оказалось, что все они содержат в своем составе лишь десять элементов: углерод, водород, кислород, азот, кальций, калий, фосфор, серу, магний и железо^[4]. Все эти элементы имеют очень большое значение для нормального роста растений. Отсутствие одного из них, даже при избытке других, приводит растения к гибели.

Вскоре выяснилось, что углерод растения могут получать из воздуха, поглощая содержащуюся в нем углекислоту. Водород и кислород они получают из воды. В магнии, железе и сере растения нуждаются в незначительных количествах и с избытком могут получать их из почвы. Даже азот некоторые растения (например, бобовые) могут поглощать из воздуха. Таким образом, для хорошего роста растений в почву необходимо вносить калий, фосфор, азот, иногда кальций. При этом выяснилось, что недостаток фосфора в почве сказывается резче всего.

Самый заметный признак недостатка фосфора в почве — слабый рост растений и мелкие темно-зеленые листья. Но бывает и по-другому. Например, недостаток фосфора в долине Лима в Перу проявляется в том, что листья кукурузы приобретают пурпурную окраску. Аналогичную окраску листьев вызывает недостаток фосфора и у томатов. Но окраска листьев растений — это еще не самое главное. Пусть себе листья становятся хоть синими, лишь бы растения давали хороший урожай. Но оказалось, что при недостатке фосфора у растений слабо развиваются корни, сильно поражается сосудистая система. Крахмал не превращается в сахар, задерживается вызревание плодов. Если же почва богата фосфором, наблюдается прямо противоположная картина: бурно развивается корневая система растений, особенно в фазе всходов, повышается засухоустойчивость, скороспелость. Присутствие фосфора хорошо отражается на делении клеток, на образовании жира и белка, усиливается кущение зерновых культур.

Избыток фосфора приводит к усиленному образованию побегов у кукурузы. А клевер и люцерна при внесении в почву фосфатов дают семена в год посева, тогда как обычно приносят их лишь на следующий год.

Однако самое неприятное заключается в том, что удобрять почву фосфорной кислотой или белым фосфором нельзя: они действуют на растения как яды. Нельзя удобрять почву и красным фосфором: растения не усваивают его. Для этой цели в наше время на заводах производятся громадные количества различных специальных фосфорных удобрений.

Самое простое и доступное из них — фосфорит, природный фосфорнокислый кальций Ca₃PO₄)₂. На заводах его размалывают в порошок и непосредственно используют в качестве удобрения под названием фосфоритной муки. Однако это удобрение пригодно не для всех почв. Ведь фосфорнокислый кальций нерастворим в воде, в твердом виде растения его не усваивают. Поэтому применять его можно только на кислых почвах, где содержащиеся в самой почве различные органические кислоты переводят его в более растворимую форму — двузамещенный фосфат кальция CaHPO₄.

Более универсальным является суперфосфат, который содержит в своем составе однозамещенный фосфат кальция Ca(Н₂PO₄)₂, хорошо растворимый в воде. Получают его обработкой размолотого фосфорита серной кислотой:

Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ = Ca(Н₂PO₄)₂ + 2CaSO₄.

Образующаяся при этом смесь дигидрофосфата и сульфата кальция называется простым суперфосфатом и непосредственно используется в виде удобрения.

Однако большой недостаток простого суперфосфата — присутствие в нем сернокислого кальция, практически не нужного ни растениям, ни почве. А ведь этот балласт составляет почти 54 процента по весу, то есть больше половины.

Более выгодно поэтому производить двойной суперфосфат, который получают в две стадии. Из природного фосфорита вырабатывают сначала фосфорную кислоту:

Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂SO₄ = 2H₃PO₄ + 3CaSO₄.

Образовавшийся осадок сернокислого кальция отфильтровывают, а полученной фосфорной кислотой действуют на новую порцию фосфорита:

Ca₃(PO₄)₂ + 4Н₃PO₄ = 3Ca (Н₂PO₄)₂.

Двойной суперфосфат представляет собой хорошо растворимую соль фосфорной кислоты и может использоваться практически на любых почвах.

Остается только добавить, что ежегодно урожаи всего мира уносят с полей около 10 миллионов тонн фосфорной кислоты.

Несущий жизнь…

В середине прошлого века было обнаружено, что фосфорнокислый кальций — основная составляющая часть костей животных и человека, а некоторые сложные соединения фосфора содержатся в мозговых тканях. Это позволило немецкому химику Молешотту заявить около ста лет тому назад: «Без фосфора нет мысли». И уже в наше время ученые пришли к выводу, что без фосфора не только «нет мысли», но и вообще немыслимо существование ни человека, ни животных, ни растений.

Для чего же нужен фосфор живым организмам? Ответить подробно на этот вопрос в нашем очерке довольно трудно, и, кроме того, роль многих фосфорных соединений, находящихся в живых организмах, до сих пор еще окончательно не выяснена.

Прежде всего необходимо отметить, что весь фосфор, находящийся в организме человека и животных, имеет или растительное, или животное происхождение. Лишь растения способны усваивать фосфор непосредственно из почвы, и то только в виде растворимых солей фосфорной кислоты. Он накапливается в растениях там, где идут интенсивные процессы синтеза органического вещества и клетки растений содержат много плазмы. Что же там происходит?

Обычно, когда мы говорим, что растение непосредственно усваивает углекислоту из воздуха и строит из нее органические соединения, мы описываем этот процесс уравнением:

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂,

то есть говорим, что из углекислоты и воды образуется глюкоза, которая путем дальнейших превращений преобразуется в более сложные органические вещества. Но этот процесс оказался далеко не таким простым.

Когда ученые занялись его детальным изучением, обнаружились два интересных факта. Во-первых, приведенная реакция требует затраты большого количества энергии. И действительно, попробуйте получить сахар из воды и угля! Откуда же берет растение эту энергию? И, во-вторых, фотосинтез (усвоение растениями углекислоты) резко затормаживается при недостатке фосфора в растении.

Ученые нашли, что фосфор входит в состав так называемых хлоропластов — своеобразных растительных органов, непосредственно осуществляющих фотосинтез. Дальнейшее изучение роли фосфора в растениях (которое, кстати сказать, шло не один десяток лет) позволило прийти к следующим выводам. Во-первых, фосфор играет довольно значительную роль в фиксации углекислоты из воздуха. Оказалось, что растворимые фосфаты могут поглощать двуокись углерода по схеме:

CO₂ + H₂O + HPO₄^2– = HCO₃^– + Н₂PO₄^–.

Во-вторых, фосфор входит в состав хлоропластов в виде сложных органических производных, называемых фосфолипоидами. (Сами фосфолипоиды — это глицериды, отличающиеся от жиров тем, что в них два гидроксила глицерина соединяются всегда с двумя радикалами жирных кислот, а третий — с фосфорной кислотой.)

И, наконец, в-третьих, оказалось, что реакция взаимодействия CO₂ и воды с превращением в глюкозу проходит в несколько стадий, и одной из промежуточных является образование сложного фосфорорганического соединения, так называемой фосфорноглицериновой кислоты.

Выяснилось также, что фосфор необходим и при дыхании. Здесь оказалось примерно то же, что и с синтезом глюкозы. Обычно мы пишем:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂+6H₂O.

Следовательно, при дыхании глюкоза переходит в углекислоту и воду, которые мы и выдыхаем. Однако и этот процесс оказался далеко не таким простым.

В растительных и животных организмах находится сложное органическое вещество, содержащее в своем составе фосфор. Называется оно аденозинтрифосфат. В принципе формулу его можно представить в таком виде:

Оказалось, что это вещество и ему подобные образуются в процессе дыхания и в то же время служат своеобразными накопителями мышечной энергии в животных организмах. При процессе дыхания глюкоза образует сложные фосфорнокислые эфиры, так называемые дифосфаты. При этом примерно 5–6 молекул глюкозы образуют дифосфаты, а одна окисляется до CO₂. Затем дифосфаты трансформируются в аденозинтрифосфат.

Молекулы аденозинтрифосфата, присоединяясь к молекулам белка, заставляют их принимать определенную форму. Это значит, что молекула запаслась энергией. Если такой «активной» молекуле нервные ткани приносят приказ «работать», структура молекулы резко меняется — она сокращается, и человек производит какую-нибудь работу, например сгибает руку. При этом молекула аденозинтрифосфата превращается в молекулу аденозиндифосфата, и, чтобы мышца могла снова произвести какую-нибудь работу, к молекулам белка опять должна присоединиться молекула аденозинтрифосфата, чтобы они приняли исходную форму, то есть запаслись новой порцией энергии.

Фосфор, открытый почти 300 лет назад, получил свое название за способность светиться в темноте. Однако, как мы увидели, он является «несущим свет» не только в прямом смысле. Это фосфор приносит нашим полям плодородие, а в наши дома — обилие продуктов; фосфор дает «жизненную силу» животному и растительному организму. Поистине его следовало бы назвать не «несущий свет», а «несущий жизнь».

«Мир отражается в капле воды». Это не только поэтическая метафора. Действительно, в капле воды можно увидеть жизнь зеленого листа и человека, дымящиеся трубы мощных заводов, зеленеющие поля, контуры будущих термоядерных электростанций и след космического корабля, мчащегося к далеким звездам…

Самая обыденная и самая известная жидкость — вода состоит из двух химически активных газов — водорода и кислорода. В литре воды содержится 111,1 грамма водорода и 888,9 грамма кислорода, иначе говоря — 1254,32 литра водорода и ровно вдвое меньше кислорода. На Земле 2·10¹⁸ тонн воды. Наглядно представить себе это количество можно так. Построим мысленно гигантский цилиндр с площадью основания в 1 квадратный метр. Этот цилиндр, высота которого равна величине диаметра земной орбиты, то есть 300 миллионам километров, вместит всю воду нашей планеты.

Как же распределяется на Земле вода? Большая часть ее находится в морях и океанах, остальная — в реках, озерах, льдах суши, горных породах и минералах. Атмосфера содержит одну стотысячную часть всей воды. По абсолютному значению это немалая величина: если бы атмосферные пары сгустились, уровень океанов повысился бы на четверть метра. Ежегодно в круговороте находятся громадные массы воды; если бы вся испаряющаяся вода удалялась в заатмосферные высоты, океаны мелели бы на 75 сантиметров каждый год.

Вода, по образному выражению Ферсмана, — нерв Земли. Вода везде. Даже в камне. И чтобы убедиться в этом, не надо вызывать великана из старой детской сказки, того, что может выжать воду из камня.

Любой химик скажет, что, например, в килограмме гипса содержится 210 граммов воды. Вода есть во всех живых организмах.

О чистоте воды

В учебниках обычно пишут, что вода — это прозрачная, бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

Шведский ученый Зоттерман утверждает, что животные ощущают вкус воды аналогично тому, как мы, например, вкус соли. У человека таких анализаторов нет, но вкус воды для нас — понятие обыденное и никак не абстрактное.

Одно дело — водопроводная вода, другое — вода из прозрачного родника. По вкусу они различаются резко, внешне не отличаясь ничем. Ведь вода — прекрасный растворитель, в ней всегда есть примеси солей и газов. В природе самая чистая вода — дождевая, но и она не без примесей. 1 килограмм дождевой воды при выпаривании дает 30 миллиграммов сухих остатков; к тому же в литре воды растворено не менее 200 миллиграммов газов. А если взять речную воду?

Тонна чистой на вид невской воды несет с собой 57 граммов растворенных веществ, днепровская — 187 граммов, а мутно-желтые воды Нила — до 1600 граммов. А вода, приходящая в наш дом по трубам? Любая хозяйка знает, что внутреннюю поверхность чайника, в котором ежедневно кипятится вода, со временем покрывает слой желтоватой накипи. Это углекислые соли магния и кальция. На своем долгом и длинном пути к водопроводному крану вода растворяет углекислый газ атмосферы, при соприкосновении с горными породами она вымывает из них углекислые соли магния и кальция.

Примеси причиняют немалый ущерб народному хозяйству. Достаточно сказать, что освобождение от накипи лопаток одной мощной турбины обходится в 25 тысяч рублей.

Как же очищают воду от вредных примесей? На первой стадии — обработкой химическими веществами. Чтобы смягчить воду, катионы магния и кальция осаждают добавкой извести, соды и щелочи. Образующиеся соединения этих элементов выпадают в осадок.

Химики в лабораторных опытах пользуются дистиллированной водой. Ее получают в специальных аппаратах. Обычную воду нагревают в перегонном кубе до кипения, пары поступают в холодильник, где охлаждаются и капельками воды стекают в приемник. Однажды перегнанная вода содержит 0,5–1 миллиграмм растворенных солей на литр. Такое количество примесей не влияет на ход реакций, которые проводятся в дистиллированной воде. Но для изучения ее свойств необходима более тщательная очистка.

В прошлом веке очень чистая вода была получена перегонкой дважды дистиллированной воды в маленьком аппаратике, из которого выкачали воздух. Колбочку, где собирали перегнанную воду, предварительно выщелачивали в течение десяти лет.

И сейчас получение очень чистой воды, например для изотопного анализа, — процесс непростой. Конечно, для этого не нужно тратить десяти лет на какую-то колбочку: современная химия обладает новейшими мощными средствами очистки.

Показателем чистоты воды служит обычно ее электропроводность. Чем меньше электропроводность, тем она чище.

Для получения воды высокой степени чистоты используется многократная неполная перегонка дважды дистиллированной воды с последующей обработкой ионитами. Чтобы избавиться от примесей органических веществ, воду подвергают действию гамма-излучения Со-60. Органические примеси окисляются в углекислый газ, который удаляют продуванием инертного газа. А образующуюся в результате кобальтового облучения перекись водорода разлагают действием ультрафиолетовых лучей. Науке чистая вода принесла большую пользу.

Природный стандарт

«Столько-то градусов по Цельсию», — говорим мы. Температурная шкала Цельсия — международная шкала. За единицу — градус — в ней принята сотая доля промежутка между температурами кипения и замерзания чистой воды при атмосферном давлении.

Вода — наиболее распространенное природное тело. Получить с ее помощью температуру в 0 °C и 100 °C довольно легко. Потому и не удивительно, что она послужила естественным стандартом температурных шкал. Вода связана не только с понятием температуры, но и массы, и веса, и теплоты.

Грамм — величина условная.

Грамм — это масса и вес 1 кубического сантиметра воды при 4 °C — температуре максимальной плотности воды.

И еще одно замечательное свойство воды нашло применение в системе единиц. Поставьте утюг весом в 1 килограмм на электрическую плитку, на такую же плитку поставьте килограмм воды в алюминиевой кастрюле. Через некоторое время до утюга не дотронешься, а вода будет лишь теплой. Ведь для нагревания на 1 градус она требует значительно больше тепла, чем любое другое вещество. Количество тепла, поглощенное одним граммом какого-либо вещества при нагревании на 1 градус, называется удельной теплоемкостью. Вода обладает самой высокой удельной теплоемкостью, которая и принята за единицу количества тепла — калорию.

Три состояния воды

Рыболовы — народ неугомонный. Они и зимой удят рыбу. Пробивают лед, забрасывают удочки в воду и… ждут. Рано или поздно приходит удача. И вряд ли многие из них задумываются, что этим удовольствием они обязаны одной из аномалий воды. Не обладай она этой аномалией, уже при слабом морозе пруд или река покрывались бы коркой отвердевшей жидкости, а при сильном — просто вымерзали бы от дна до поверхности. И вот почему: с повышением температуры у всех тел объем увеличивается. Исключение составляют металлы таллий, висмут и… вода. Вода не подчиняется этому закону: в промежутке от 0 до +4 °C ее объем уменьшается. Потому-то зимой, когда температура воздуха ниже нуля, водоемы не вымерзают до дна.

Судите сами: перед нами пруд; температура его поверхности достигла +4 градуса. Вода при такой температуре обладает максимальной плотностью; следовательно, верхние слои ее идут на дно. Становится холоднее, температура достигает 0 градусов, поверхностные слои не идут на дно, а остаются на своем месте, превращаясь в лед. Чем сильнее мороз, тем толще корка льда, но под этой коркой все же вода.

Лед, обладающий малой теплопроводностью, как бы ватным одеялом предохраняет нижние слои воды от переохлаждения. Лед легче воды. При 0 градусов вода более легка, чем при +4 °C. Качественно новое состояние воды — лед («твердая вода») — обладает еще более «рыхлым» строением.

Как быстро нагревается вода и тает лед

Мы уже говорили, что вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус, нужна 1 калория. Это большая величина. Нагревая 1 литр воды от комнатной температуры до кипения, необходимо затратить столько энергии, сколько хватило бы для подъема собачки весом в 3 килограмма на высоту 10 тысяч метров. Вода медленно нагревается, но и столь же медленно охлаждается. Поэтому ее выгодно применять для водяного отопления зданий. Ее используют также в качестве теплоносителя в атомных реакторах.

Большая теплоемкость воды определяет в значительной мере климат планеты. Почва быстро нагревается, но и быстро отдает тепло. Вода же не транжирит летнее тепло, полученное от Солнца. В течение всей зимы океаны и моря подогревают воздух…

Вода медленно нагревается, и столь же медленно плавится лед. Чтобы превратить его в воду, надо сообщить определенное количество теплоты, называемое теплотой плавления. Теплота, необходимая для плавления 1 грамма вещества, называется удельной теплотой плавления. Для льда она равна 80 калориям, только алюминий обладает большей удельной теплотой плавления.

Как много тепла надо для того, чтобы 1 грамм воды превратить в пар? 538 калорий. Вода обладает наибольшей теплотой парообразования среди всех известных жидкостей. Энергия водяного пара вот уже много десятилетий движет паровозы и пароходы, лопатки паровых турбин.

Ажурная структура воды

Почему же вода так отличается от других жидкостей? Как объяснить то, что лед обладает меньшей плотностью, чем вода, что вода имеет максимум плотности, что на ее долю приходится наибольшая теплоемкость и теплота парообразования?

Аномальное поведение воды связано с особенностью ее структуры. Молекула воды несимметрична: центры «тяжестей» положительного и отрицательного заряда в ней не совпадают. Она полярна и, как магнит, обладает двумя полюсами: один — положительный заряд атомов водорода, другой — отрицательный заряд кислорода. В воде образуются так называемые водородные связи. Водород одной молекулы воды вступает в связь с кислородом другой.

Водород в воде соединен с двумя кислородами сразу: со «своим» и с «чужим». Со «своим» он связан крепче. Заметим, что в воде водородные связи гораздо прочнее, чем в других жидкостях, обладающих такой же способностью.

Следовательно, молекулы воды соединены друг с другом прочнее, чем молекулы какой-либо другой жидкости.

Ну, а как они расположены? Начнем со льда — воды в твердом состоянии. Предположим, нам дана задача расположить в ящике бильярдные шары так, чтобы их поместилось как можно меньше, и в то же время так, чтобы они образовали устойчивую структуру. Решив ее, мы обнаружим, что в нашем сосуде один шар соприкасается только с четырьмя другими. Укладка шаров здесь обладает малой плотностью: она ажурна, в ней много пустот, размеры которых несколько больше размеров шаров. Заменим теперь шары молекулами воды — перед нами структура льда. Молекулы между собой соединяются водородными связями. Потрясем сосуд — структура льда нарушится, и, конечно, в сторону уплотнения. Плавление льда — это своеобразная «встряска» его структуры.

Поскольку молекулы воды обладают довольно сильными водородными связями, ее структура — пространственная сетка ее молекул — в основном повторяет структуру льда. Это доказано рентгенографическими исследованиями. Когда лед плавится, происходит частичное заполнение пустот его структуры. Отсюда увеличение плотности и уменьшение объема.

Дальнейшее повышение температуры от 0 до +4 °C сопровождается следующими процессами: с одной стороны, молекулы воды усиливают свои колебания вокруг центра равновесия, с другой — все большее количество молекул попадает в пустоты. Получается более экономичная структура, отчего вода достигает максимума плотности. Увеличение температуры ведет к усилению колебаний молекул вокруг центра равновесия, а значит, к увеличению объема.

С заполнением структурных «пустот» молекулами воды связана большая теплоемкость жидкости. Теплота идет на разрыв водородных связей молекулы: попав в «пустоту», она освобождается от связей с другими молекулами. Этим же объясняется и большая величина теплоты парообразования: энергия здесь тратится на разрыв водородных связей.

Таким образом, аномалии свойств воды связаны со структурной ажурностью ее, с одной стороны, и прочностью водородных связей — с другой.

Вода, которая не портится

Может ли вода не портиться месяцами, даже в жару, если она стоит на открытом воздухе?

Известно, что две с половиной тысячи лет назад во время военных походов персидский царь Кир пользовался питьевой водой из особых серебряных сосудов — «священных». Эта вода предохраняла от болезней и не портилась годами. Да и в гораздо более поздние времена «святая» вода была предметом спекуляций у служителей религиозных культов.

Во второй половине XIX века «целебной» водой заинтересовались ученые. Немецкий биолог Негели положил 12 серебряных монет в сосуд, содержащий 12 литров воды. Через некоторое время он обнаружил, что вода получила способность убивать одноклеточные водоросли и бактерии. Причем для этого достаточно было 1 части серебра на сто миллионов частей воды.

Оказалось, что таким же свойством обладает и медь. Его назвали олигодинамическим эффектом (от греческого «олигос» — следы и «динамис» — действие).

«Серебряная вода» получила со временем широкое практическое применение в медицине и для консервирования пищевых продуктов.

Вода, зараженная бактериями дизентерии, брюшного тифа, стафилококка и стрептококка, после введения в нее полграмма серебра на литр делалась стерильной через полчаса. В медицине электролитические растворы серебра употребляются для лечения воспалений, язв желудка и двенадцатиперстной кишки.

Вода с точки зрения химика

Химики XVIII столетия считали воду элементом. Открытие водорода Кэвендишем в 1766 году и опыты по сжиганию газа дали Лавуазье повод усомниться в элементарности воды. В 1783 году Кэвендиш обнаружил, что «горючий воздух» (водород), полученный действием кислот на металлы, и одна пятая обыкновенного воздуха (то есть кислород) при сгорании дают воду. Казалось бы, все ясно, но Кэвендиша попутал флогистон. В то время в химии господствовало учение о флогистоне. Согласно этому учению, все горючие вещества содержат в себе невесомый, невидимый, неслышимый элемент флогистон. При сгорании вещество выделяет флогистон и превращается в негорючий продукт: горючее = флогистон + окалина. Восстановление окисла металла горючим углем так трактовалось флогистиками: окисел + флогистон = металл. Значит, флогистон из угля перешел в металл, а потому-де металл горит, а двуокись углерода — нет. Получив водород, Кэвендиш решил, что в его руках и находится неуловимый флогистон. А потому он и объявил, что вода есть не что иное, как «жизненный воздух» (кислород), присоединивший к себе флогистон.

Между тем во Франции А. Лавуазье разрабатывал антифлогистическую химию. Для него было ясно, что флогистона нет, но сложное ли тело вода, Лавуазье еще не мог сказать точно. Когда до него дошли вести об опыте Кэвендиша, Лавуазье торжественно повторил их при свидетелях. Получив воду сжиганием водорода, он подверг ее всевозможной проверке. Убедившись, что перед ним действительно чистая, дистиллированная вода, Лавуазье зачислил ее, в течение многих веков считавшуюся простым телом, в разряд сложных веществ. Вода состоит из «горючего воздуха» и «жизненного воздуха», из водорода и кислорода — это впервые обнародовал Лавуазье. В 1785 году он определил состав воды: по его данным, она содержала 85 процентов O₂ и 15 процентов H₂.

По современным данным, в воде 88,81 процента O₂ и 11,19 процента Н₂.

Первые шаги водорода

Ученый мир был взволнован, услышав о получении Кэвендишем газа, который был во много раз легче обыкновенного воздуха. В 1781 году итальянский профессор Т. Кавалло наполнял водородом мыльные пузыри: они взмывали вверх и лопались, соприкасаясь с потолком.

В 1783 году в Париже под руководством профессора Шарля был запущен первый воздушный шар, наполненный водородом — самым легким изо всех газов. Для этого потребовалось 18 кубических метров газа — количество огромное по тем временам. Шарль расположил по кругу 12 больших бочек, насыпал в них опилок и налил разбавленной серной кислоты. В бочки были вделаны свинцовые трубы, по которым водород поступал в общий приемник. Из приемника газ шел в воздушный шар.

Вскоре воздушные шары стали наполнять только водородом. Серная кислота в те времена была довольно дорога, и для получения водорода пользовались железо-паровым методом Лавуазье. Он пропускал через ружейный ствол, раскаленный докрасна, водяной пар. Вода разлагалась, выделялся газообразный водород. Кислород же, соединившись с железом, давал окалину.

В 1794 году при северной армии французов, боровшейся с австрийскими интервентами, был организован корпус военных аэростатов. В битве при Флерюсе французы запустили аэростат с военным инженером, сообщавшим о передвижении войск неприятеля.

В XX веке водород в аэростатах был заменен гелием, затем и они сами были вытеснены самолетами. Но аэростаты сыграли свою роль в тревожные дни 1941 года. Они подымались ночью над Москвой и другими крупными городами. Вражеские летчики вынуждены были сбрасывать бомбы с большой высоты, без прицела, чтобы не напороться на тросы, привязанные к аэростатам.

Водород в промышленности

Долгое время водород получали в основном для наполнения аэростатов. Вплоть до начала нашего века он не применялся в химической промышленности. Можно сказать, что в XIX веке не было промышленного производства этого газа. В больших количествах водород понадобился для синтеза аммиака. Потребовались миллионы кубометров водорода. Ведь для того чтобы получить 2 кубометра аммиака, необходим кубометр азота и три водорода:

N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃.

В 1924 году у аммиака появился сильный конкурент по потреблению водорода. Это метиловый спирт — метанол — ценное сырье химической промышленности. Был внедрен в производство каталитический синтез спирта из окиси углерода и водорода:

СО + 2Н₂ = CH₃ОН.

Сейчас основным источником водорода служат водяной и коксовые газы, содержащие до 50–60 процентов водорода.

Немалое количество водорода идет на получение жидкого моторного топлива из угля. Уголь насыщают водородом, в технике этот процесс называется гидрированием. Он идет при большом давлении, высокой температуре и в присутствии железного или никелевого катализатора.

Большое значение имеет также гидрирование жиров. Жиры бывают животными и растительными. Сливочное масло вырабатывают из коровьего молока — это животный жир; подсолнечное — из семян подсолнечника — это жир растительный. Растительных жиров в мире производят почти в пять раз больше, чем животных, которые более питательны и вкусны. Животные жиры содержат большее количество водорода, чем растительные. «Нельзя ли добавить его в жиры растительные, чтобы повысить их калорийность?» — таким вопросом задались химики. Оказалось, можно. Для этого надо через жидкое растительное масло (подсолнечное, хлопковое, соевое, кунжутное), нагретое до 300 °C, пропустить водород. Причем на тонну масла необходимо 15 килограммов порошкообразного никеля — катализатора. По окончании реакции никель отделяют от масла фильтрованием через фильтрпресс. Получается твердый жир, из которого с небольшими добавками животного жира готовят маргарин — продукт, по калорийности мало уступающий сливочному маслу. Гидрированием растительных масел получают твердые жиры, пригодные для мыловарения.

Соединение или раствор?

Соединения водорода с элементами называются гидридами, а соединения водорода со щелочными и щелочноземельными металлами — солеобразными гидридами; они сходны по строению с галоидными солями. Эти гидриды очень активны: энергично реагируя с водой, они выделяют водород.

LiH + H₂O = LiOH + Н₂.

Интересны и по строению и свойствам летучие гидриды, особенно бороводороды (бораны) и кремневодороды (силаны).

По химическим свойствам бораны сходны с углеводородами. Бораны — отличное ракетное топливо: 1 килограмм пентаборана при сгорании выделяет больше тепла, чем 1 килограмм бензина (15 100 ккал/моль).

Третья обширная группа гидридов тяжелых металлов резко отличается от первых двух. Например, палладий в этой группе способен при комнатной температуре поглотить 850 объемов водорода. При этом металл еле заметно разбухает. Конечно, здесь нельзя говорить об образовании какого-либо определенного соединения. Железо растворяет водород в гораздо меньшей степени, но при высокой температуре оно поглощает довольно большое количество этого газа. При внедрении в производство синтеза аммиака инженерам доставила много неприятностей «водородная болезнь железа». При высокой температуре водород растворялся в стали, существенно снижая ее прочность.

Голос космоса

Земная кора содержит 1 процент водорода по весу. Почти весь он находится в связанном состоянии — в воде и в органических соединениях: нефти, угле, растениях и т. д. В атмосфере — всего лишь пять стотысячных процента водорода.

Когда-то атмосфера Земли была восстановительной и содержала водорода во много раз больше. Появившийся в результате фотосинтеза растений кислород связал значительную часть водорода. С другой стороны, водород постоянно покидает земную атмосферу. Ведь это наилегчайщий газ, его молекулы наиболее подвижны. Он значительно быстрее других газов распространяется в пространстве.

Средняя скорость движения молекул водорода при комнатной температуре достигает 2 километров в секунду. Но в газе всегда есть молекулы, обладающие гораздо большей скоростью. Есть и движущиеся со скоростью 11,3 километра в секунду, достаточной для преодоления земного притяжения. Поэтому верхние, разреженные слои атмосферы постоянно теряют водород. Он улетает в космос. В космосе водород является преобладающим элементом. По современным подсчетам, часть вселенной, доступной наблюдению приборами, на 81 процент состоит из водорода, 18,7 процента из гелия и только 1 процент приходится на долю остальных 100 элементов таблицы Менделеева.

Радиоизлучение водорода — радиоизлучение вселенной. Нейтральные атомы газа, сталкиваясь между собой в межзвездном пространстве, излучают радиоволны длиною в 21 сантиметр. Это радиоизлучение повсеместно во вселенной, оно не поглощается космической пылью и доходит до самых отдаленных уголков Галактики. Оно позволяет узнать характер распределения водорода в Галактике, изучить движение межзвездного газа.

Радиолиния 21 сантиметр — основная и главная характеристика радиоизлучения вселенной; она открыта для изучения всем разумным существам. Надо думать, что наша планета не является исключением в бесконечной вселенной. Если мы предполагаем наличие мыслящих существ во вселенной, то и они по аналогии должны предполагать наше существование. Самый быстрый способ связи, известный нам, — это электромагнитные радиоволны. Наиболее разумная длина волны, данная нам природой, — 21 сантиметр.

Сейчас учеными разработана аппаратура для космической радиосвязи на волне 21 сантиметр. Уже начаты исследования двух близких к нашей системе звезд, похожих на Солнце, — тау Кита и эпсилон Эридана. До них 11 световых лет пути… И кто знает, может быть, к Земле на радиоволне 21 сантиметр летит сигнал, посланный жителями далеких миров тысячи лет назад?

Водород-два, водород-три…

В 1932 году из природного водорода выделили тяжелый изотоп — дейтерий. Его ядро состоит из протона и нейтрона. Оказалось, что в природном водороде на 5500 атомов протия (так был назван легкий водород ¹Н) приходится один атом дейтерия — D. Дейтерий в два раза тяжелее протия и довольно сильно отличается от него. Например, протий становится жидким при –259,2 °C, а дейтерий — при –254,6 °C. Это различие в константах служит основой для выделения дейтерия: перегонкой жидкого водорода получают остаток, содержащий до 50 процентов дейтерия. Электролизом воды также можно получить тяжелый изотоп: более легкий протий быстрее выделяется на катоде, в остатке концентрируется дейтерий.

В 1939 году получен искусственно другой изотоп водорода — тритий, в три раза более тяжелый, чем протий.

Вскоре тритий был обнаружен в природной воде и атмосфере, правда в ничтожных количествах. Это самый редкий газ на Земле; в воде его в 10¹⁸ раз меньше протия.

Атмосфера Земли и ее поверхность содержит всего 1,8 килограмма трития — меньше, чем радона.

В 1962 году итальянским ученым удалось получить очень неустойчивый изотоп — водород-четыре; совсем недавно появилось сообщение о синтезе водорода-пять.

Элемент огня

Почти 90 процентов воды — это кислород, газ, с которым непосредственно связано существование всего живого на планете, вся история цивилизации, развитие науки и промышленности.

Борьба человечества на ранних стадиях развития за существование — борьба за огонь. Огонь — это горение, горение — потребление кислорода.

В 1774 году английский химик Пристли, нагревая окись ртути, обнаружил выделение неизвестного газа, в котором ярко загоралась тлеющая лучинка. В том же году была опубликована работа шведского аптекаря К. Шееле: в ней было описано получение того же самого газа из селитры, окиси ртути и сурика. И тот и другой придерживались теории флогистона: они назвали открытый газ «дефлогистированным», иначе — лишенным флогистона. По их мнению, открытый ими газ жадно отбирал флогистон у горящих тел; оттого-то в нем они и горели интенсивнее, чем в воздухе.

Когда об открытии Пристли узнал Лавуазье, он понял, что горение есть присоединение кислорода к горящему телу, а вовсе не выделение телом флогистона. Лавуазье в короткий срок создал антифлогистическую, кислородную теорию химии. Шееле и Пристли описали кислород; Лавуазье действительно открыл его для науки.

Уже Пристли заметил, что кислород необходим для дыхания. Лавуазье глубоко изучил процесс дыхания человека и пришел к выводу, что жизнь есть медленное… горение.

Спирт горит ярким пламенем, образуя углекислый газ, воду и тепло.

Человеческий организм, поглощая кислород, выделяет то же самое.

Вот состав воздуха вдыхаемого:

21 % O₂, 0,03 % CO₂, 78,97 % N₂,

а вот выдыхаемого:

16 % O₂, 5,03 % CO₂, 78,97 % N₂.

Проникая в организм, кислород соединяется в конечном счете с веществом тканей, образуя углекислый газ, воду и тепло, необходимое для существования самого организма.

Человеческий организм приспособился к существующему атмосферному давлению, а также к содержанию кислорода в воздухе. При общем давлении в 760 миллиметров кислород воздуха давит на поверхность Земли и, в частности, на живые организмы с силой около 160 миллиметров ртутного столба.

На вершине Эльбруса процентный состав воздуха тот же самый, что и у подножия горы, но давление почти в два раза меньше нормального, — на долю кислорода приходится всего лишь 80 миллиметров.

Альпинист, поднявшийся на вершину горы, резко чувствует уменьшение давления: кровь не успевает насыщаться кислородом. При восхождении на Эверест альпинисты имели при себе кислородные приборы, которые подают кислород в организм под нормальным давлением. Летчики широко пользуются этим прибором.

Впрочем, коренные жители высокогорных областей спокойно переносят разреженность атмосферы: их организм приспособился к условиям среды. Так, жители Перуанских Анд могут легко переносить грузы более 50 килограммов на высоте около 5 тысяч метров. Их сердце с большей силой гонит кровь в легкие, грудная клетка мощней, кровь снабжается кислородом интенсивнее, чем у жителей долины.

Иногда и в нормальных условиях необходима усиленная порция кислорода: особенно при сердечных и легочных заболеваниях. Ведь один глоток кислорода равнозначен пяти глоткам воздуха, и в тяжелых случаях это сберегает силы больного.

Откуда берется кислород

Состав атмосферы — точно такой же, каким он был 175 лет назад, когда Кэвендиш исследовал воздух различных местностей Англии. А ведь каждый год миллионы людей и животных поглощают кислород, сжигают миллионы тонн угля, нефти, дерева, связывая тот же самый кислород, а он не убывает. Почему?

Таким же вопросом задался Пристли в 1772 году. В природе все целесообразно, рассуждал он. Если воздух «портится» дыханием человека и животных, а также горением, кто-то его должен «исправлять». Он посадил под колокол мышь, и, когда та задохнулась, он поместил в тот же самый колокол веточку мяты. И что же? Через некоторое время другая мышь могла снова дышать под колоколом. Растение «исправило» воздух.

Так впервые было обнаружено явление фотосинтеза.

В основе фотосинтеза лежит реакция, в результате которой вода и углекислота под действием света и красящего вещества зеленого листа — хлорофилла — превращается в крахмал и кислород. Крахмал служит растению пищей, кислород оно выбрасывает за ненадобностью. Долгое время считали, что кислород получается из углекислого газа. Но доказать это положение или опровергнуть его ученые не могли, пока в их руках не оказался «меченый» кислород ¹⁸O. С его помощью было обнаружено, что весь кислород, выделяемый растениями, обязан своим происхождением воде.

Вся зеленая масса наземных водных растений выделяет в течение каждых 3 тысяч лет столько кислорода, сколько его содержится в земной атмосфере.

«Быстрое горение»

Дыхание — медленное горение. Если его ускорить, заменить обыкновенный воздух чистым кислородом, то живой организм довольно быстро «сгорит», попросту погибнет.

Но в технике «быстрое горение» очень важно. Увеличение скорости технологического процесса увеличивает выход продукции при том же самом оборудовании, за то же самое время. Возьмем, к примеру, металлургический завод, выпускающий ежегодно миллион тонн стали. В год такому заводу нужно свыше 3 миллиардов кубометров кислорода. Обычно это количество берется из воздуха вместе с 12 миллиардами кубометров азота, который забирает колоссальное количество тепла (металлургический процесс ведется при 1000 °C), а затем выбрасывается заводскими трубами «для подогрева атмосферы».

В последнее время азот воздуха частично или полностью заменяют кислородом, отчего возрастает скорость металлургического процесса, резко снижается расход топлива, упрощается оборудование, в стали уменьшается количество растворенного азота, а качество ее повышается весьма заметно.

Кислород не только помогает выплавлять сталь и цветные металлы; с его помощью можно резать и сплавлять самые тугоплавкие металлы.

Кислород очень активен химически; после фтора он самый активный элемент. Многие вещества, сгорая в атмосфере чистого кислорода, выделяют большое количество тепла. Так, водород и ацетилен, сгорая в кислороде, дают температуру в 3000 °C. На стройках часто можно видеть, как рабочий разрезает синевато-желтым пламенем горелки металлические трубы. Ацетиленово-кислородной горелкой можно и сплавлять металлы: для этого нужно уменьшить подачу кислорода в горелку. Образующееся пламя называют сварочным. Направленное на стык двух кусков металла, оно оплавляет их поверхности. При остывании куски соединяются в одно целое. Чтобы разрезать кусок металла, его надо раскалить сначала сварочным пламенем; затем подается на раскаленное место струя чистого кислорода. В ней металл сгорает и улетучивается.

Кислород взрывает скалы

Если бы удавалось сжигать уголь в очень короткое время, взрывать его, то мы получили бы сильнейшее взрывчатое вещество. Можно ли увеличить скорость сгорания угля во многие тысячи раз? Можно… но для этого нужно соответствующее количество кислорода; чтобы сжечь 1 килограмм угля, необходимо около 2 тысяч литров кислорода.

Нельзя ли сконцентрировать кислород? Можно, но для этого его надо превратить в жидкость. 800 литров газообразного кислорода дает 1 литр жидкого. Пропитаем жидким кислородом пористое горючее вещество, сажу, древесный уголь, угольную пыль, измельченный торф — получим так называемые оксиликвиты, взрывчатые вещества. Их взрывают при помощи детонирующего шнура, который поджигает капсюль-детонатор, вложенный в оксиликвит. Если оксиликвит не взорвался по каким-либо причинам, то его не надо ликвидировать; через некоторое время из патрона улетучивается весь кислород.

Оксиликвиты не перевозят, их готовят на месте: для этого нужен только жидкий кислород, а сухой торф, мох, камыш и солома найдутся всегда. Срок «жизни» оксиликвита колеблется от четверти часа до часа с небольшим, в зависимости от величины патронов.

Оксиликвиты дешевы: взрывные работы с их помощью обходятся в два раза дешевле, чем с аммоналом.

Запах свежести

Вы, наверное, замечали, что в сосновом бору особый освежающий запах, как после хорошей грозы. И тот же самый запах, только гораздо более сильный, чувствуется во врачебном кабинете, где мерно гудят кварцевые лампы.

Это запах озона. Этот газ, его название образовано от греческого «пахну», — модификация кислорода: в его молекуле три атома кислорода, он в полтора раза тяжелее молекулярного кислорода.

В хвое деревьев всегда есть скипидар и другие смолистые вещества, которые, окисляясь, дают озон. Электрические разряды во время грозы превращают кислород воздуха в озон. Озон врачебного кабинета образуется за счет жесткого ультрафиолетового излучения, испускаемого парами ртути в кварцевой лампе.

Атмосфера содержит очень небольшое количество озона. Он находится в основном в ее верхних слоях. Условно считают, что весь озон атмосферы образует слой в 3 миллиметра на высоте 25–30 километров от поверхности Земли. Этот тонкий слой озона — «озоносфера» — защищает Землю от жестких ультрафиолетовых лучей, посылаемых Солнцем вместе с видимым светом.

Если бы озона не было, жизнь на Земле была бы уничтожена в короткий срок. Ведь отсутствие озоносферы равносильно беспрерывному облучению поверхности Земли мощными кварцевыми лампами.

Озоносфера обязана своему происхождению жестким ультрафиолетовым лучам, способным разбить молекулу кислорода на атомы: O₂ = О + О; О + O₂ = O₃. Менее мощные ультрафиолетовые лучи разрушают молекулу озона, поэтому на определенной высоте устанавливается равновесная концентрация озона. В технике озон получают действием тихого электрического разряда на кислород в озонаторах.

Озон уничтожает микробов; его добавляют в воду вместо хлора, им белят ткани, старят вино, придают приятный запах табаку.

«Окисленная вода»

Перекись водорода была признана за индивидуальное вещество в 1818 году. Французский химик Тенар назвал ее «окисленной водой».

H₂O₂ — вязкая жидкость без цвета и запаха, в полтора раза тяжелее воды. Она неустойчива и разлагается под действием многих металлов, различных ферментов и радиоактивного излучения. Разложение перекиси водорода под действием катализатора еще не изучено до конца. Это неустойчивое соединение можно найти в дождевой воде, и в снеге, в соках многих растений, и в табаке, и даже в человеческой слюне. Видимо, еще неизвестна большая часть веществ, замедляющих ее разложение. К ним относятся сероуглерод, стрихнин, фосфорная кислота и фосфат натрия.

Распадаясь, перекись выделяет активный атомарный кислород, поэтому она — сильный окислитель.

Во время второй мировой войны в Германии на аэродромы приходили поезда с алюминиевыми цистернами. Жидкость в цистернах называлась по-разному: инголин, тимол, компонент 1, нейтралин, оксилин. Во всех цистернах было одно: 90-процентная перекись водорода. Она служила окислителем в ракетах, которыми немцы обстреливали Лондон осенью 1944 года.

Сейчас химикам перекись водорода служит катализатором в синтезе пластмасс; строители с ее помощью готовят пористый бетон; врачи видят в ней отличное дезинфицирующее средство.

Кислороды-близнецы

В 1927 году было обнаружено, что природный кислород состоит из трех изотопов ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O.

На 3 тысячи молекул природного кислорода приходится 1 молекула ¹⁷O и 6 молекул ¹⁸O. Они очень близки по свойствам, их молекулярные веса ненамного разнятся друг от друга. Если изотопы водорода отличаются довольно сильно по своим свойствам, их можно разделять перегонкой жидкого газа и электролизом воды, то изотопы кислорода — трудно. Их разделяют диффузией газов.

Различие в свойствах изотопов кислорода выражается в том, что их распределение между разными химическими соединениями может меняться с изменением температуры. Это свойство кислорода использует палеоклиматология — наука о климате далекого прошлого. Отношение ¹⁸O/¹⁶O в минерале зависит от температуры внешней среды во время образования минерала. Это отношение сохраняется в течение миллионов лет неизменным. И если известно время зарождения минерала, то вычислить температуру, при которой он образовался, легко.

Вода — кладовая энергии

Тяжелая вода — D₂O (окись дейтерия) — была открыта в обыкновенной в 1932 году.

Тяжелой воды в природе довольно много. Она тяжелее обычной и кипит при 101,4 °C. Этим пользуются для ее выделения: дробной перегонкой обогащают тяжелой водой обычную. Под действием электрического тока она разлагается в четыре — шесть раз медленнее, чем H₂O, следовательно, в остатке неразложившейся воды содержание тяжелой возрастает. Для получения тонны тяжелой воды надо разложить 40 тысяч тонн природной и потратить столько электроэнергии, сколько хватило бы для производства 3 тысяч тонн алюминия.

Тяжелая вода широко применяется в атомной энергетике: она отлично замедляет нейтроны — в пять раз лучше, чем графит.

В 1940 году во Франции под руководством Жолио-Кюри готовился к запуску первый атомный котел. Уже было приготовлено 180 литров тяжелой воды — почти весь мировой запас. Но вскоре началась война, немецкие войска вступили в Париж. Жолио-Кюри был вызван в гестапо. «Где спрятана тяжелая вода?» — был задан вопрос ученому. А в это время от французского берега к английскому шел пароход, на борту которого была тяжелая вода.

Немцам не удалось заполучить ее, так необходимую для запуска уранового реактора.

Кроме того, тяжелая вода является промышленным источником дейтерия.

Тяжелая вода оказывает услугу не только атомной энергетике, она позволила разрешить несколько важных биологических проблем. С ее помощью было установлено, что в человеческом организме среднее время пребывания молекулы воды составляет 14 суток, а у золотой рыбки — всего лишь 4 часа.

Мышам давали жир, содержащий дейтерий. Оказалось, что его запас у животных постоянно меняется: пищевой жир откладывается в запас, а расходуется уже отложенный.

В природе некоторые растения неравнодушны к тяжелой воде: они не пускают ее в свой организм. Так, шведские ученые обнаружили, что вода, в которой замачивался ячмень, содержит повышенное количество D₂O. Ячмень не впитывает молекулы тяжелой воды. Если по нескольку раз замачивать его в одной и той же воде, то содержание дейтерия возрастает в семь-десять раз.

Имеют ли практическое значение растения — концентраторы тяжелой воды? Имеют, вернее — будут иметь, ведь воды на Земле очень и очень много, а в ней содержится 40 биллиардов тонн дейтерия. Если, используя управляемую термоядерную реакцию, извлечь всю энергию, то ее можно получить гораздо больше, чем от всех разведанных природных залежей нефти, угля, торфа.

«…Вдруг раздались раскаты грома, и от горного пламени покатились вниз черные серные пары. Все разбежались. Плиний поднялся и, опираясь на двух рабов, думал тоже уйти; но смертоносный пар окружил его со всех сторон, его колени подогнулись, он снова упал и задохнулся».

Так погиб величайший ученый древности Плиний Старший. Это случилось в 79 году н. э., во время катастрофического извержения Везувия. Пепел засыпал два цветущих и богатых города — Геркуланум и Помпею. Ядовитый сернистый газ задушил многие сотни людей.

Сернистый газ — едва ли не первое соединение серы, с которым познакомились люди. Долгое время знали только об удушающих качествах SO₂, и никто не подозревал, что со временем он станет очень важным сырьем химической промышленности. Знали лишь, что сернистый газ образуется при горении серы — элемента, сыгравшего в истории химии огромную роль, подобно закону Архимеда в эволюции физики.

Сера — одно из первых простых веществ, о которых знало человечество; «начало начал» древнейших философов и алхимиков; элемент, окутанный мистикой и тайнами… Никто еще не написал полной истории серы, и едва ли это возможно, ибо истоки сведений о ней теряются в далеких тысячелетиях и только отдельные странички ее биографии предстают перед нашими глазами.

Мы мысленно листаем эти страницы…

В древности люди наделяли серу таинственными, сверхъестественными свойствами.

С течением времени познания человека о сере делались более обширными.

Восточные страны с тысячелетними культурами дали всему цивилизованному миру первые письменные сведения о сере.

…Древний Китай. Страницы китайских рукописных книг первые возвестили миру о приготовлении пороха. В его состав входила сера.

…Древний Египет. Сохранившиеся пирамиды повествуют нам об использовании серы для изготовления красок и косметических средств еще во II тысячелетии до н. э.

…Древняя Индия. Не там ли надо искать истоки первых сведений о сере? Ведь недаром именно древний индийский язык дал имя этому минералу! Слово «сера», или же «сира», по-санскритски означает «желтый».

…Древний Рим. Это он был родиной наиболее богатых серных месторождений. Плиний Старший подробно описал их.

…Древняя Русь. Многочисленные реки севера и северо-востока Руси, берега которых были так богаты пиритом — природным минералом серы. Кустарным, примитивным способом здесь добывали серу…

Окутанное мистикой и тайнами средневековье, время господства алхимии. Представления о простейших телах природы были еще очень туманными и допускали взаимопревращения различных тел друг в друга. В это время сера играла исключительно важную роль в работах алхимиков. По мнению алхимика Гебера, сера олицетворяла собой одно из «основных начал» природы — горючесть и изменчивость. Предположение Гебера, что все металлы состоят из серы и ртути, смешанных в разных пропорциях, сделалось краеугольным камнем алхимического учения о металлах. Алхимики рассчитывали превратить различные металлы в золото; для этого, по мнению алхимиков, достаточно было лишь отнять от них серу.

Сера на земле и в космосе

Самородная сера под землей, многочисленные соединения серы с металлами, наконец, залежи «квасцевого камня» алунита на склонах потухших вулканов — вот отдельные страницы своеобразной геохимической летописи этого интереснейшего элемента. Изучение этой летописи дает нам возможность представить геологию серы, степень ее распространенности и все сложные процессы превращения серы в природе.

В земной коре содержится 0,04 процента серы. Как реально представить себе такое количество? Попробуем решить простую задачу: сколько серной кислоты можно получить из всей встречающейся на Земле серы? Расчет дает огромную цифру: 3,16·10¹⁶ тонн, или 2·10⁷ кубических километров серной кислоты. Такой массой серной кислоты можно заполнить примерно 1000 водоемов, равных озеру Байкал.

Но сера участвовала в образовании не только земной коры. Ее находят в метеоритах, и этот факт позволяет предполагать, что сера входит в состав ядра Земли: многие ученые считают, что сердце нашей планеты и метеориты содержат одни и те же элементы. Глубокие недра Земли очень богаты серой. Об этом свидетельствуют не только выделения серосодержащих газов при вулканических извержениях, но и многочисленные сернорудные жилы. Они представляют собой застывшие растворы сернистых металлов, вылившихся в глубокой древности в расплавленном виде из земных недр.

Сфера «деятельности» серы выходит за пределы Земли, распространяясь и на космос.

Наряду с другими элементами сера является одним из незаменимых кирпичиков мироздания. Сульфид железа и алунит — известные нам «земные» и в то же время «космические» соединения серы.

В виде сульфида железа, или, как его иногда называют, метеоритного железа, сера входит в состав других планет солнечной системы.

Алунит представляет собой сложное соединение серы, содержащее калий и алюминий. Наблюдая Луну через мощные телескопы, можно увидеть сверкающие белоснежные ореолы, которые окружают кратеры лунных гор. Быть может, это тот же алунит, который всегда встречается в кратерах потухших вулканов? Скоро человек получит ответ на этот вопрос.

Сера на Земле и на других планетах — это одна из иллюстраций единства происхождения вселенной.

Экскурс в далекое прошлое

В невообразимо далекие времена высокая температура и недостаток кислорода и воды в атмосфере создавали предпосылки для непосредственного соединения серы с металлами, для образования сульфидов. И лишь с появлением жидкой воды и свободного кислорода сульфиды начали окисляться. Наступила пора «рождения» сульфатов.

Образование самородной серы шло двумя путями: один из них — взаимодействие сероводорода и сернистого газа, выделяющихся при извержениях вулканов. Два газа, соединяясь, давали воду и серу. Но был и другой путь образования серы, в результате которого возникали мощные серные месторождения под землей. Если рассматривать географию серы, можно заметить, что подобные месторождения падают на южные районы: Средняя Азия, Крым и Кавказ в СССР; Сицилия, Япония, где сера добывается на особом Серном острове, и, наконец, на юге США. Чем же объясняется такое «тяготение» серы к южным районам? По всей вероятности, это не случайность.

Академик Ферсман считал, что для образования самородной серы необходим особый климатический режим — сухой и пустынный. Кроме того, в достаточном количестве должны присутствовать углеводороды, которые и восстанавливают сульфаты до самородной серы.

Сера как элемент

Ученые прошлого не зря приписывали сере различные чудодейственные свойства; она обладает интересными химическими и физическими особенностями.

Химия немногих элементов столь же «богата», как химия серы. Сера — образец классического неметалла, и расположение ее в периодической таблице таково, что и положительная и отрицательная валентность серы выступают с одинаковым успехом.

Сера легко принимает на внешнюю оболочку два электрона. Она становится отрицательно двухвалентной, и в такой форме входит в молекулу сероводорода H₂S. Основные положительные валентности серы: 4+ и 6+. Например, в двуокиси серы, или сернистом ангидриде SO₂, сера положительно четырехвалентна, а в трехокиси, или серном ангидриде SO₃, — шестивалентна. Соединяясь с водой, эти окислы дают соответственно сернистую и серную кислоты: H₂SO₃ и H₂SO₄. Структурные их формулы имеют знакомые каждому школьнику начертания:

Если в формуле серной кислоты заменить один из атомов кислорода атомом серы, то получается весьма любопытное соединение — тиосерная кислота, H₂S₂O₆, или

В ней один атом серы положительно шестивалентен, другой — отрицательно двухвалентен. Тиосерная кислота — довольно редкий пример неорганического соединения, где два атома одного и того же соединения имеют различные валентности. В отличие от серной кислоты сернистая и тиосерная в свободном виде не существуют.

Наконец, для серы известна обширная серия так называемых политионовых кислот. Они образуются при взаимодействии сернистого ангидрида и сероводорода в присутствии больших количеств воды. Общая их формула записывается в виде H₂S_xO₆. Индекс x может принимать значение от 3 до 6.

По многообразию неорганических соединений сера занимает одно из первых мест.

Сера очень охотно соединяется почти со всеми элементами таблицы Менделеева. Лишь инертные газы, благородные металлы, азот и йод противостоят ее «натиску». Очень многие металлы залегают в земной коре в виде соответствующих сернокислых или сернистых соединений. Вспомним, к слову говоря, мирабилит, гипс или многочисленные и разнообразные колчеданы. Каждому из вас, наверное, знаком простейший школьный опыт: при растирании железных опилок с порошком серы в фарфоровой ступке и легком нагревании начинается бурная реакция.

Даже опытному химику не всегда удается сразу разобраться в многообразии и особенностях соединений серы.

Но с этим элементом связано и немало любопытных фактов, которые следует отнести уже к физическим свойствам.

Расплавим кусок серы. Прежде всего мы наблюдаем заметное увеличение объема. Оно составляет почти 15 процентов. Будем нагревать дальше получившуюся желтую легкоподвижную жидкость. При температуре около 200 градусов она становится вдруг темной и очень вязкой массой. Повысим температуру еще до 200 градусов — и снова наблюдаем легкоподвижную жидкость.

Как объяснить такие переходы свойств? В обычных условиях молекула серы имеет вид своеобразного кольца, связывающего восемь атомов элемента. При нагревании кольца постепенно разрываются и образуются открытые восьмиатомные цепи; благодаря этому повышается вязкость. Более высокая температура приводит уже к тому, что начинают дробиться сами цепи, и вязкость снова уменьшается. В парах серы содержится целый набор различных молекул — S₈, S₆, S₂. Получить индивидуальные атомы серы оказывается весьма трудным делом; для этого нужна очень высокая температура, превосходящая полторы тысячи градусов.

Сера известна в виде нескольких аллотропических модификаций. Наиболее устойчива так называемая ромбическая модификация, при нормальном давлении она сохраняется до температуры 95 градусов. Когда температура становится выше, атомы серы меняют свое расположение в кристаллической решетке, происходит перестройка, и образуется сера моноклиническая.

Ромбическая сера обладает ярко-желтой окраской. Она образует прозрачные кристаллы, представляющие собой октаэдры.

Иной вид имеет темно-желтая моноклиническая сера. Это длинные игольчатые кристаллы призматической формы. Интересно наблюдать, как при постепенном понижении температуры моноклиническая сера все больше и больше светлеет, а ее длинные призмы распадаются на множество мелких кристаллов ромбической системы. Все существующие аллотропические модификации серы обладают одной общей тенденцией: превращаться в наиболее устойчивую кристаллическую форму — ромбическую, в виде которой сера и встречается в природе.

Как добывают серу

Сера легко плавится и горит на воздухе: недаром в Сицилии из-за недостатка других видов топлива пользовались серой. Добыча серы как раз и основана на ее легкоплавкости.

В древности выплавка серы была примитивной. Большой глиняный горшок с отверстиями в дне заполняли породой, содержащей серу. Этот горшок ставили на другой, вкопанный в землю. Нехитрый «аппарат» нагревали. Сера плавилась и стекала из отверстий в нижний горшок.

Шли века, и способы выплавки серы все более совершенствовались. В зависимости от видов серных месторождений, а также от примесей, которые обычно сопутствуют сере, человек находил самые различные способы ее добычи.

Италия дала миру опыт выплавки самородной серы, которая лежала обычно на небольшой глубине. Но то, что было возможным на каменистых, выжженных солнцем плоскогорьях Сицилии, оказалось неприемлемым для других стран.

В отличие от сицилийских месторождений американская сера лежит очень глубоко под землей. Добывать ее с помощью шахт было невозможно из-за большой рыхлости почв.

Американский инженер Фраш предложил оригинальное решение. Через систему вложенных друг в друга труб под землю нагнетали перегретые пары воды, которые расплавляли серу и выталкивали ее на поверхность. Так в прошлом веке на небольшом полуострове Флорида забил фонтан чистой расплавленной серы.

В отличие от американских месторождений каракумская сера содержит значительные примеси кварцевого песка; поэтому все известные способы были в данном случае неприемлемыми. Советский инженер Волков нашел выход из положения. Он соорудил простой аппарат, чем-то напоминающий обычный самовар. Этот сосуд заполняли размельченной рудой, которую смешивали с водой и начинали кипятить. Расплавленная сера собиралась внизу и выливалась из «самовара» ровной и чистой струей. В заводских условиях этот способ был усовершенствован. «Самовар» заменили герметически закрывающимся котлом-автоклавом.

Такими способами получается почти стопроцентно чистая сера с ничтожной примесью золы и совсем микроскопическими следами мышьяка и селена. Но первичный продукт — комовая сера, «почти чистая» — еще нуждается в очистке. Для этого используют метод перегонки. В особых камерах серу расплавляют. Твердые частицы опускаются на дно камеры, а жидкая сера поступает в особые чугунные реторты, в которых доводится до кипения. В зависимости от того, как происходила конденсация серы из паров, получается или так называемый серный цвет, или черенковая сера.

Такая рафинированная сера находит широкое применение в жизни человека.

«Огненный камень»

…С трудом добывали огонь первобытные люди. По картинкам в учебниках истории мы представляем себе закутанного в шкуры человека, который высекает искры, ударяя кремнем по камню.

С этим камнем были хорошо знакомы и древние греки. За ярко-желтый цвет, а может быть, за способность под ударом кремня испускать сноп искр они называли его пиритом, что означает огонь.

Коробка спичек избавляет нас от необходимости думать о добыче огня. Но древнейшие пиритные огнива дожили и до наших дней. У эскимосов полярной Америки до сих пор находит употребление «огненный камень».

Трудно переоценить роль пирита в эволюции человеческой жизни. В глубокой древности он помог людям получить огонь. Тем самым они поднялись на более высокую ступень культурного развития. Но так же трудно представить без этого минерала и современное хозяйство. Серный колчедан (так еще называют пирит) — основа сернокислотного производства.

Химическая формула пирита FeS₂. Это так называемый полисульфид железа. Его залежи в земной коре весьма значительны.

Отнимем у молекулы серного колчедана один атом серы. Яркие «огненные» кристаллы пирита превратятся в черные хрупкие кристаллики сернистого железа FeS.

Сернистое железо как минерал не встречается фактически на Земле. Это «гость из космоса»; сульфид железа содержится в основном в метеоритах. Сернистое железо долгое время представляло загадку в металлургии. Даже незначительные его примеси делали сталь ломкой и непригодной для дальнейшей обработки.

Секрет знаменитого русского и шведского железа XVIII века заключался именно в том, что оно делалось из бессернистых руд.

Другой важный сульфид — известная еще в глубокой древности киноварь, сернистая ртуть. За ярко-красный цвет индийцы назвали ее «драконовой кровью». В древней Руси киноварь была одной из самых распространенных минеральных красок: переписчики книг писали ею заставки.

Сера и ртуть легко соединяются между собой. Такое сродство было подмечено еще очень давно, как, впрочем, и обратный процесс — получение ртути из киновари. На основании исторических источников можно считать, что реакция эта была известна еще Демокриту. Во всяком случае, и по сей день природной киноварью пользуются как исходным сырьем для получения ртути.

Близкий родственник киновари — сернистый цинк. Немецкие рудокопы назвали его «цинковой обманкой» за то, что он бывает прозрачным и совсем не напоминает обычную сернистую руду.

Сульфид цинка обладает весьма интересными свойствами. Если его обработать особым способом, он начинает светиться в темноте, фосфоресцировать. Сульфид цинка непосредственно светится под действием рентгеновских или радиоактивных лучей. Эта особенность ZnS широко применяется в рентгеновской технике и при работе с радиоактивными элементами.

Например, с помощью небольшой пластинки, на которую был нанесен тонкий слой сернистого цинка, впервые удалось зрительно наблюдать альфа (α) — распад радиоактивных атомов. Ядра гелия (альфа-частицы), ударяясь о пластинку, вызывали вспышки (сцинтилляции). На этом принципе основано устройство специального прибора для изучения радиоактивности — спинтарископа.

Цинковая обманка, свинцовый блеск PbS и медный колчедан Cu₂S являются основным сырьем для получения соответствующих металлов цинка, свинца и меди.

Интересное лабораторное использование находят сульфиды редкоземельных элементов. Эти соединения исключительно трудно расплавить. Они являются самыми тугоплавкими среди всех известных сульфидов. Например, в тигле из сульфида церия могут быть расплавлены такие «упорные» вещества, как окись алюминия.

Одним из самых важных для промышленности является не встречающийся в природе сульфид натрия Na₂S. Им пользуются в процессах изготовления сернистых красителей. Он находит применение и в кожевенном производстве.

Сульфид натрия имеет наибольшее техническое значение из всех искусственно получаемых сульфидов.

Сера — строитель, скульптор, врач…

Третьей формой существования серы в земной коре являются сульфаты.

Все они обладают разными химическими и физическими свойствами. И только один общий признак — хорошая растворимость в воде почти всех сульфатов, кроме сульфата свинца PbSO₄ и бария BaSO₄, — дает возможность говорить об общности их судьбы в прошлом.

В далекие геологические эпохи с появлением свободного кислорода началось постепенное окисление сульфидов и превращение их в сульфаты. С появлением жидкой воды сульфаты растворялись и уносились реками в огромные океаны.

И лишь потом, в процессе высыхания морей и океанов, одна часть сульфатов начала кристаллизоваться в виде гипса, другая — в виде глауберовой соли Na₂SO₄, а третья продолжала оставаться в растворенном виде в морской воде. Эта соль известна под названием сульфата магния.

Быть может, наиболее многогранна судьба сульфата кальция CaSO₄·2H₂O, или, как его обычно называют, гипса. В зависимости от различных примесей, от условий, при которых происходило выпадание сульфата кальция из водного раствора, образовывались различные виды гипса. Этот минерал обычно представляется нам в форме причудливых кристаллических друз, напоминающих то розетку, то хвост ласточки. Он дает большое многообразие цветовых оттенков — от прозрачно-белого до бурого, желтого и нежно-розового.

Природа щедро наделила гипс самыми разнообразными свойствами, которые уже издавна служат человеку.

Гипсом широко пользуются в строительстве. Он идет на изготовление многочисленных архитектурных деталей и гипсовых вяжущих материалов.

Сульфат кальция находит применение и в хирургии: при самых сложных костных переломах с помощью гипсовых повязок фиксируют кости в нужном положении. Для этого пользуются жженым гипсом, потерявшим часть своей кристаллизационной воды. Если такой гипс снова смешать с водой, он быстро затвердевает, опять превращаясь в CaSO₄·2H₂O. На этом свойстве гипса и основано его применение в медицине и строительстве.

Некоторые разновидности гипса, такие, как алебастр и ангидрит, получили широкую известность в искусстве.

Бледно-желтый теплых оттенков алебастр оказался прекрасным материалом для ваяния. Этот мягкий прозрачный минерал очень податлив в руках опытных резчиков по камню. Тосканские мастера еще в XV веке создавали чудесные вазы и светильники из алебастра, используя его свойство пропускать световые лучи.

И если Апеннинские горы дали итальянским мастерам благодатный материал для создания прекрасных произведений искусства, то Уральские горы подарили нашей стране одну из чудеснейших разновидностей алебастра — нежно-розовый селенит. Это из него герои сказок Бажова создавали прекрасные изделия.

В качестве материала скульпторы пользуются и ангидритом — особой разновидностью гипса. Ангидрит бывает голубовато-серого, лунного оттенка. Он гораздо тверже гипса, и древние римляне употребляли его даже для изготовления колонн.

Природа дает щедрые месторождения гипса во всех странах. В СССР он распространен почти повсеместно: легче назвать области, где гипс не встречается.

На юге нашей страны, в Каспийском море, есть залив Кара-Богаз-Гол, что в переводе с туркменского означает «Черная пасть». Концентрация солей в этом заливе очень велика, настолько велика, что человек в нем утонуть не может. После купания в таком «рассоле» необходимо обмыться пресной водой, в противном случае на коже останется слой соли, которая может разъедать мельчайшие ссадины, имеющиеся на теле. Среди многих солей, находящихся в растворенном виде в воде залива, главное место принадлежит сульфату натрия, или мирабилиту.

Соль эта обладает многими ценными качествами. Недаром по-латыни она так и называется «sale mirabilis», что означает «чудесная соль».

В начале XVII века в Германии жил химик Иоганн Рудольф Глаубер. Будучи тяжело болен, Глаубер по совету знакомых стал пить воду одного источника и вылечился. Ученый заинтересовался составом воды. С этой целью Глаубер выпарил ее в чашке и получил длинные белые кристаллы какой-то соли.

Подобные кристаллы были впоследствии получены им действием серной кислоты на «кухонную», то есть поваренную, соль.

В память о своем излечении Глаубер назвал полученную им соль «чудесной солью», или мирабилитом. Однако чаще всего эту соль называют глауберовой. Химическая формула глауберовой соли — Na₂SO₄·10H₂O.

Безводный сульфат натрия идет на изготовление стекла. Он служит источником для получения соды, серы, сульфата аммония, сернистого натрия, сернокислого калия и других веществ. Он находит применение и в бумажной промышленности.

Среди многочисленных солей морской воды видную роль играет сульфат магния, или MgSO₄. Именно он и придает ей специфический горько-соленый вкус, за что его называют также «горькой солью». В медицине горькая соль употребляется в качестве слабительного.

Круговорот серы в природе

Все три состояния природной серы — самородная сера, сульфиды и сульфаты — не являются чем-то обособленным друг от друга. Они связаны между собой целой цепью взаимных превращений. Проследим, какие изменения претерпевала природная сера в связи с различными геологическими и климатическими условиями.

В начале существования Земли сера непосредственно соединялась с металлами и образовывала сульфиды. С появлением свободного кислорода сульфиды окислялись в сульфаты. Серу вулканических газов постигала та же участь, что сульфиды, — она окислялась в серную кислоту, а затем переходила в сульфаты. Такова основная тенденция серы в неживой природе — превращаться в соединения высшей валентности — сульфаты. Они служат как бы мостиком, соединяющим серу неживой природы с серой, которая подвергается изменению уже в биосфере.

Известно, что все животные и растительные организмы содержат серу. Растения получают ее из растворимых сульфатов почвы, а животные — из растений.

После смерти животные и растительные организмы разлагаются; при этом выделяется сероводород. Он окисляется особыми серобактериями, для которых служит питательным веществом. Окисленный сероводород превращается в воду и свободную серу, которая, в свою очередь, окисляется в серную кислоту, вступающую в соединение с другими веществами. В результате этого образуются сернокислые соли, которые снова используют растения и животные. Так замыкается длинная цепь превращений серы в природе.

Основа основ химической промышленности

В Южной Америке, в Кордильерах, есть небольшой вулкан Пураче. От самого кратера берет начало река Рио-Винагре. В водах ее ученые обнаружили природную серную кислоту. Река ежедневно выносит в море до 20 тонн серной кислоты. Казалось бы, такое количество кислоты, созданное в лаборатории природы, — немалая цифра. На деле же это и в прямом и в переносном смысле капля в море. Чтобы в полной мере удовлетворить потребности человека в серной кислоте, необходимы сотни тысяч и миллионы тонн…

Природная серная кислота — это довольно обычное и нередкое явление.

В Средней Азии, в песках, покрывающих серные бугры, были открыты скопления серной кислоты.

Когда участники Каракумской экспедиции, вернувшись из пустыни, стали разбирать образцы серной руды, они поразились следующему обстоятельству: бумага, в которую была завернута руда, превратилась в жалкие лохмотья; даже деревянные ящики и те оказались поврежденными.

Академик Ферсман приписал разрушающее действие серной кислоте, которая иногда сопровождает месторождения колчеданов и самородной серы. Это была природная серная кислота. По мнению Ферсмана, в природе существуют довольно значительные скопления этого жидкого минерала. Особенно велики запасы природной серной кислоты в каракумских песках, что объясняется особыми климатическими и геохимическими условиями. Было подсчитано, что скопления свободной серной кислоты в одном из крупнейших серных бугров Каракумов, бугре Дарваз, исчисляется сотнями моногидрата — чистой безводной серной кислоты.

Трудно переоценить значение серной кислоты в жизни человека. Производство ее служит критерием химической мощи каждой развитой страны. Ни один химический продукт не имеет столь разнообразного применения, как серная кислота. С ее помощью получают многие другие кислоты: фосфорную, соляную, плавиковую, уксусную, а также разнообразные технические соли.

Почти половина всей вырабатываемой серной кислоты идет на изготовление сельскохозяйственных удобрений, главным образом суперфосфата.

Без нее невозможно производить взрывчатые вещества.

В нефтяной промышленности ею пользуются для очистки керосина, смазочных масел и других нефтепродуктов; в машиностроении она употребляется для травления металлов; в металлургии — для получения меди, цинка, кобальта, никеля и других цветных металлов.

Текстильщики с помощью сернокислых солей алюминия и бария производят предварительную обработку ткани перед крашением.

Серной кислотой пользуются для изготовления пластических масс и искусственного волокна. Она необходима для многих процессов промышленного органического синтеза.

Серная кислота, вернее — предметы, изготовленные с ее помощью, окружает нас и в повседневной жизни. Спички, целлулоид, краски, мыло и даже бумага и чернила, которыми мы пишем, сделаны не без участия серной кислоты и ее производных.

Серная кислота явилась одним из основных стимуляторов технического прогресса.

Если даже не говорить о тех отраслях промышленности, которые были вызваны к жизни серной кислотой, то многие существовавшие раньше производства продолжали бы носить кустарный, примитивный характер. Люди так же архаично, как и в средние века, изготовляли бы бумагу, чернила, получали бы многие цветные металлы, красили ткани…

Могли ли предполагать средневековые алхимики, которые 10 веков тому назад впервые приготовили серную кислоту прокаливанием «зеленого камня» — железного купороса, что открытое ими вещество станет таким полезным для человечества?

10 веков тому назад… В лаборатории какого мечтателя-алхимика родилась серная кислота? Быть может, честь ее открытия принадлежит известному персидскому ученому Абубекеру-аль-Разу, как считают многие историки химии. Прокаливанием железного купороса ее получали на протяжении многих столетий. И лишь в XV веке возник новый метод: сжигание смеси серы и селитры. Этот способ просуществовал почти 300 лет. Он выдержал испытание временем, но имел и свои недостатки: так можно было получать очень незначительные количества кислоты.

Жизнь шла вперед, она ставила перед людьми новые задачи. Серная кислота должна была выйти за пределы небольших лабораторий и аптек. Все упиралось в один, казалось бы, неразрешимый вопрос: в каких сосудах должна производиться серная кислота? Алхимики и аптекари пользовались стеклянной посудой, которая, конечно, была непригодной для широкого производства. Все известные до тех пор металлы тоже не годились для этого, так как подвергались разрушению.

По проекту Робака в 1741 году в Шотландии был построен первый завод камерного получения серной кислоты.

В 1806 году французские химики Клеман и Дезорм сделали важное для сернокислотного производства открытие: они доказали, что в камерном производстве серной кислоты окисление сернистого газа происходит за счет передачи ему кислорода окислами азота.

Так селитра была заменена азотной кислотой. Это открытие заложило принципиальные основы получения серной кислоты способом, который носит название камерного.

Для получения серной кислоты нужен сернистый газ. Он образуется при обжиге сульфидов, затем следует окисление его в серный ангидрид, соединение серного ангидрида с водой, и… серная кислота готова. Казалось бы, как это просто!

На самом деле получение серной кислоты — сложный технологический процесс, в котором связаны между собой многие химические превращения. На протяжении всей истории сернокислотного производства химики напряженно искали и находили различные усовершенствования, которые делали получение серной кислоты более простым и экономичным.

Старый камерный способ получения серной кислоты с течением времени был заменен более современным башенным способом. Но усовершенствования коснулись лишь технологии — камеры последовательно были заменены башнями; химическая же сторона процесса и в том и в другом случае осталась неизменной. Оба способа можно объединить под общим названием нитрозного способа получения серной кислоты.

Нитрозный способ заключается в окислении сернистого газа до серной кислоты. Окислителем служит двуокись азота, растворенная в воде. Химическое уравнение этого процесса очень простое:

SO₂ + NO₂ + H₂O = H₂SO₄ + NO.

Образовавшаяся окись азота (NO) не теряется в ходе производства. Кислород снова окисляет ее до двуокиси, и возрожденная NO₂ может быть использована повторно. Этот факт представляет большую экономическую ценность. Окислы азота, по существу, не расходуются. Передавая кислород сернистому газу, двуокись азота ускоряет процесс ее окисления. Она выступает в роли своеобразного катализатора.

Как же все это происходит на практике? Выходящие из колчеданных печей газы содержат сернистый ангидрид. Они проходят через продукционные башни, где орошаются нитрозой. Нитроза представляет собой серную кислоту, в которой растворена нитрозилсерная кислота (NOHSO₄). Кроме нитрозы, в продукционные башни вводится также вода. При этом из нитрозилсерной кислоты получаются серная и азотистая кислоты.

Азотистая кислота окисляет сернистую кислоту, образующуюся из сернистого газа и воды, в серную кислоту.

Газы, содержащие окислы азота, поступают в абсорбционные башни, орошаемые серной кислотой. В этих башнях происходит образование нитрозилсерной кислоты. Окислы азота, таким образом, улавливаются и не попадают в атмосферу.

Башенным способом получается не очень крепкая серная кислота. Концентрация ее не превышает 75 процентов. Такая кислота идет обычно на изготовление искусственных удобрений. Для получения концентрированной серной кислоты пользуются так называемым контактным способом. Он заключается в окислении сернистого газа кислородом воздуха при контакте с катализатором и последующем соединении полученного серного ангидрида с водой.

В особых печах обжигают сернистые металлы (как правило, железный колчедан, или пирит). При обжиге получается сернистый газ в смеси с воздухом. Он подвергается тщательной очистке от пыли и, что еще важнее, от различных примесей, которые могут отравлять катализатор: например, от трехокиси мышьяка.

И лишь после этого подогретая смесь газов идет в контактный аппарат. Образовавшийся серный ангидрид «улавливается» концентрированной серной кислотой, которая, насыщаясь, превращается в маслянистую густую жидкость — олеум. Так называют раствор серного ангидрида в безводной серной кислоте.

В качестве катализатора сначала пользовались платиной. При условии хорошей очистки газа платина сохраняла свою активность почти 15 лет. И все-таки это было нерентабельно, так как платина очень дорога.

В последнее время стали использовать ванадиевый ангидрид. Он гораздо дешевле и менее чувствителен к разного рода «отравлениям».

Итак, серная кислота получена. Это тяжелая маслянистая жидкость. «Нордгаузенское масло», — говорили немцы. И, наконец, общее для всех времен и народов название концентрированной серной кислоты — олеум, что в переводе с латинского также означает масло.

Серная кислота обладает крайне причудливым характером. Трудно найти еще такое же вещество, свойства которого так резко изменялись бы в зависимости от концентрации. По отношению к металлам концентрированная и разбавленная серные кислоты ведут себя как совершенно различные соединения.

Разбавленная серная кислота растворяет все металлы, стоящие левее водорода в ряду напряжений, кроме свинца; при этом выделяется водород. Нерастворимость свинца в разбавленной серной кислоте сыграла решающую роль в производстве серной кислоты камерным способом. Концентрированная же серная кислота способствует полному растворению свинца, поэтому при контактном способе, когда получается серная кислота больших концентраций, свинец не может использоваться в технологическом процессе.

Концентрированная серная кислота при нагревании также растворяет почти все металлы, но здесь она проявляет свою окислительную способность, и вместо водорода образуется сернистый газ. И тут снова неожиданность. Оказывается, концентрированная серная кислота не растворяет железо. Именно на этом свойстве основана транспортировка серной кислоты в железных цистернах.

Серная кислота обладает большим сродством к воде, с которой соединяется с выделением значительного количества тепла.

Способностью серной кислоты поглощать водяные пары и объясняется употребление ее для осушения газов и приготовления бездымных порохов.

Концентрированная серная кислота обладает свойством обугливать различные органические соединения, например углеводы.

И в этом случае серная кислота вновь выступает как некое двуликое существо.

Возьмем, например, кусок растительной клетчатки и подействуем на нее серной кислотой разной концентрации. Отнимая у клетчатки воду, концентрированная серная кислота способствует ее обугливанию.

Теперь попробуем капнуть на клетчатку разбавленной серной кислотой. Клетчатка в этом случае не обугливается, а начинает крошиться. Налицо то же разрушающее действие серной кислоты, но сущность процесса уже иная, совершенно противоположная. Клетчатка на этот раз не теряет воду, а присоединяет ее к себе, превращаясь в чрезвычайно хрупкое вещество — гидроцеллюлозу, — которое сразу же начинает крошиться.

Серная кислота относится к числу сильных и двуосновных, то есть металлы могут замещать в ней один или два атома водорода. Поэтому ей соответствуют два ряда солей: сульфаты и бисульфаты. Почти все соли серной кислоты растворимы в воде, кроме сульфатов бария и свинца. Все остальные соли бария, кроме его сульфата, хорошо растворимы в воде и кислотах. Поэтому, если после добавления в раствор какой-нибудь соли бария появляется белый нерастворимый осадок, можно считать, что там присутствует или серная кислота, или какая-нибудь ее соль. Таким образом, соли бария являются реактивом на ион SO₄^2–.

Каково же будущее серной кислоты? Потеряет ли она когда-нибудь свое лидирующее положение в химической промышленности?

Ведь многие важнейшие материалы прошлого и настоящего начинают понемногу сдавать позиции: на смену железу, стали, чугуну идут такие металлы, как литий, магний, титан, молибден; на смену многим химическим реагентам приходят другие, более эффективные. Однако вряд ли человечество придумает такое универсальное вещество, которое смогло бы заменить серную кислоту во всех областях ее применения.

Сероводород — враг и друг

Шестьдесят лет тому назад на острове Мартиника в пяти километрах от вулкана Мон-Пеле существовал небольшой городок Сен-Пьер. Сейчас этого города нет на карте: его постигла очень трагичная судьба.

…Однажды из кратера вулкана усилилось выделение сероводорода. Жители города скоро заметили это: их серебряные вещи стали чернеть. И вот за одну ночь все население города погибло в результате мощного извержения Мон-Пеле; в живых остался лишь один человек.

Появление из кратеров вулканов сероводорода, так же как и серного газа, обычно является грозным предостережением начала вулканического извержения.

В природе сероводород встречается главным образом в вулканических местностях, выделяясь иногда «прямо из-под земли». На острове Ява со дна одной из долин, расположенной у подножия потухшего вулкана, выделяется сероводород. Он несет гибель каждому живому существу. Долина, вся усеянная скелетами погибших животных, получила название «Долины смерти».

Сероводород узнают по характерному запаху тухлых яиц. Однако мало кому известно, насколько он ядовит. Он не менее опасен, чем пары синильной кислоты. Даже небольшие дозы сероводорода смертельны: 0,2 процента его в воздухе почти мгновенно убивают животных. В природе сероводород образуется также при гниении белковых веществ.

Сероводород страшен тем, что относится к числу аккумулятивных ядов. Вдыхание сероводорода притупляет обоняние, человек теряет чувство опасности и продолжает оставаться в отравленном воздухе, пока не наступает смерть.

В гемоглобине крови содержится железо. Сера же обладает большим сродством к металлам. Сероводород, попадая в кровь человека, реагирует с железом, образуя сульфид железа. Можно сделать следующий опыт: пропускать сероводород через свежую кровь, и ее окраска из красной превращается в грязно-зеленую. Легко найти объяснение, почему серебряные вещи жителей Сен-Пьера потемнели. Известно, что серебро — один из самых «стойких» металлов и не окисляется на воздухе даже при нагревании. Но сродство серы к металлам так велико, что даже «стойкое» серебро подвергается действию сероводорода, покрываясь темной пленкой сульфида.

Почему такой тусклый и безжизненный колорит имеют некоторые картины даже самых прославленных живописцев средневековья? Очевидно, краски утратили первоначальную яркость и свежесть. Многие художники в качестве белой краски употребляли свинцовые белила. Под действием сероводорода, всегда находящегося в небольших количествах в воздухе, свинец превратился в черно-бурый сульфид свинца.

Искусственно сероводород может быть приготовлен пропусканием водорода через расплавленную серу. Чаще же всего его получают действием разбавленных кислот на сернистые металлы. Сероводород обладает большой горючестью, его смесь с воздухом взрывает. Он горит красивым голубоватым пламенем с образованием сернистого газа и воды. Промежуточным продуктом при горении сероводорода может быть сера.

Сероводород считается одним из сильнейших восстановителей. В природе он не накапливается надолго в больших количествах, так как кислород воздуха окисляет его в свободную серу.

В морях при гниении многочисленных живых существ и бактерий образуется сероводород. Некоторые ученые считали, что, находясь в окислительной зоне моря, он превращается в результате окисления в свободную серу. Полученная таким образом сера, по мнению этих ученых, в виде серного дождя падает, например, на дно такого «классического сероводородного бассейна», как Черное море. Так могли бы образоваться очень мощные морские месторождения серы.

Но, вероятно, все гораздо сложнее. Сера, полученная в результате окисления сероводорода в соленой воде, не тонет, а всплывает, попадая в окислительную зону, где и окисляется до сульфатов.

А как было бы заманчиво добывать серу со дна моря!

Сера и каучук

Сера — это волшебная палочка, ведь с помощью ее натуральный каучук превращается в резину, которая окружает нас в повседневной жизни. Статистика говорит, что число различных изделий из резины в настоящее время включает больше 35 тысяч наименований.

Натуральный каучук очень дорог, да и свойства его бывают иногда не совсем подходящими: при низких температурах он делается твердым и хрупким, а при высоких — липким и клейким.

Для придания каучуку новых физико-химических свойств его вулканизируют: нагревают с серой при температуре около 140 °C.

В чем же заключается химический смысл процесса вулканизации?

Каучук состоит из длинных нитевидных молекул с двойными связями. Атомы серы, присоединяясь к этим связям, как бы сшивают молекулы каучука. За счет этого и возникают новые свойства вулканизированного каучука: прочность, большая эластичность и термическая устойчивость.

При изготовлении обычной резины в каучук вводится примерно 1–3 процента серы. При таком содержании серы в молекулах каучука заполняется только лишь часть двойных связей, что способствует образованию мягкой резины.

Но попробуем повысить содержание серы примерно до 45 процентов. В этом случае ее атомы займут почти все двойные связи молекулы каучука. Образуется эбонит — твердое вещество черного цвета.

Эбонит обладает высокими электроизоляционными свойствами и применяется главным образом для изготовления электротехнических изделий. На большой устойчивости эбонита по отношению к кислотам основано применение его при изготовлении аккумуляторных баков.

Но сера не только помогает превратить натуральный каучук в резину. С ее помощью можно получить синтетический неорганический каучук, обладающий особыми ценными свойствами. В технике это соединение известно под названием тиокаучука, или тиокола.

Тиокаучук получается нагреванием раствора сернистого натрия с серой и последующим взаимодействием полученного полисульфида с дихлорэтаном и так называемыми диспергирующими веществами. В результате сложного технологического процесса получается плотная коричневая масса. Это и есть тиокол. Практически он не растворяется ни в одном из обычных растворителей. Один лишь сероуглерод вызывает незначительное набухание тиокола.

Тиокаучук обладает крайне неприятным запахом, по сравнению с другими видами синтетического каучука он недостаточно прочен, а при температуре минус 40 градусов им полностью утрачиваются эластичные свойства. Но эти отрицательные качества тиокола отходят на второй план по сравнению с его положительными свойствами: он обладает значительной стойкостью к растворителям, действию озона и старению.

Когда в технике требуется каучукоподобный материал, обладающий такими свойствами, тиокол считается поистине незаменимым. Из него делают трубопроводы и шланги для бензина, керосина и бензола. С помощью тиокола изготовляют защитные покрытия на аэростатной ткани, непроницаемой для водорода и гелия. Тиокаучук находит применение в авиационной, полиграфической и химической промышленности.

Тиосульфат натрия и его роль

Мы уже говорили, что, если в молекуле серной кислоты один атом кислорода заменить серой, получается крайне неустойчивое соединение, известное под названием тиосерной кислоты. В свободном состоянии оно моментально разлагается на сернистую кислоту и серу.

Соли этой кислоты — тиосульфаты — являются уже более устойчивыми соединениями. Из них наибольшее практическое применение имеет тиосульфат натрия; его химическая формула Na₂S₂O₃.

Поскольку в тиосульфате содержится отрицательно двухвалентная сера, он обладает восстановительными свойствами, что позволяет использовать его для связывания таких активных окислителей, как хлор. С этой целью тиосульфатом пользуются во время отбелки тканей для удаления избыточного хлора.

Но тиосульфат натрия известен не только как антихлор.

Каждый, кто занимался фотографированием, замечал, что иногда фотографии от действия света или при длительном хранении покрываются бурыми пятнами. В таких случаях говорят, что фотография «недозакрепилась», то есть подверглась недостаточной обработке фиксирующими материалами.

Эмульсия фотопластинки или пленки после проявления содержит неразложившееся бромистое серебро, для удаления которого пластинка погружается в фиксаж, то есть обычно в раствор тиосульфата (в фотографии его называют гипосульфитом). Роль гипосульфита заключается в том, чтобы перевести нерастворимые соединения серебра в растворимые комплексные соединения. В результате фиксирования изображение становится устойчивым к действию света и не изменяется при длительном хранении.

Тиосульфат натрия находит применение и в медицине. Он является противоядием при отравлении мышьяком и цианидами. Наружно его употребляют при лечении чесотки и при тяжелых ожогах.

Тиосульфат натрия обладает способностью быстро реагировать с йодом. Эта реакция послужила основанием для йодометрии — одного из важнейших методов объемного анализа, имеющего большое значение в аналитической химии. Реакция взаимодействия йода с тиосульфатом записывается следующим образом:

J₂ + 2Na₂S₂O₃ = 2NaJ + Na₂S₄O₆.

Когда процесс заканчивается, характерная окраска йода исчезает. Зная, сколько потребовалось тиосульфата, можно рассчитать количество содержавшегося в растворе йода.

Что ожидает серу в будущем?

На первый взгляд может показаться, что сера как элемент уже во многом исчерпала себя в смысле использования для практических нужд человечества. Но разве мало известно примеров, когда кажущаяся обыденность на деле оказывается обманчивой, стоит лишь «пройтись» по периодической системе? Очень многие незаметные ранее элементы стали незаменимыми в жизни людей. Старые заслуги серы трудно переоценить, но мы с полной ответственностью можем сказать, что она еще таит в себе немало нового, неизведанного.

Мы обращаемся к высокомолекулярным соединениям — и вспоминаем серосодержащие полимеры, которым еще предстоит сказать веское слово. Мы говорим о тиоколе — и неорганические каучуки на основе серы привлекают наше внимание, ведь проблема устойчивости резиноподобных материалов становится все более острой в современной технике. Люминесцентные и теплочувствительные краски, люминофоры для тонких научных исследований ждут новых соединений серы.

Надежным помощником ученых оказываются радиоактивные изотопы серы и в первую очередь сера-35. Этот изотоп дает возможность изучать детальный механизм разнообразных химических процессов, в которых участвует сера, позволяет приоткрыть завесу над ее ролью в организмах растений и животных, помогает во многих сложных экспериментах. Меченая сера — один из самых перспективных радиоизотопов.

В истории почти каждого химического элемента есть свои замечательные вехи, научные открытия, после которых значение его возрастает неизмеримо. Открытие деления урана, обнаружение ценнейших полупроводниковых свойств у германия, доказательство сверхпроводимости и сверхтекучести жидкого гелия… Такой перечень можно продолжить для очень многих представителей периодической системы. «Бенефисом» серы явилось промышленное получение серной кислоты. Но вряд ли будет фантазией предположить, что сере еще суждено пережить второе рождение.

Они очень активны, эти элементы: соединяясь с большинством металлов, они дают соли. Поэтому их назвали галогенами, что в переводе на русский язык означает «солероды».

Группа солеродов состоит из пяти элементов: фтора, хлора, йода, брома и астата. Последний, самый тяжелый галоген — астат в природе фактически не встречается; он был получен в 1940 году искусственным путем.

Галогены расположены в седьмой группе периодической системы. Известно, что чем правее и выше находится неметалл в периодической таблице, тем с большей энергией стремится он заполнить свой внешний электронный слой до восьми электронов. Не удивительно, что галогены очень реакционно-способны; они сильные окислители. Расположенные в таблице Менделеева правее всех других неметаллов, галогены образуют своеобразный активный «полюс» периодической системы.

Среди галогенов строго соблюдается и другая закономерность: чем выше стоит элемент в таблице, тем он более активен.

Фтор — это газ с очень резким ядовитым запахом. Он самый сильный окислитель среди всех элементов. Молекула фтора, как и всех галогенов, состоит из двух атомов. Атомы фтора связаны между собой очень сильно. Чтобы превратить фтор в жидкость, необходима температура –187 °C.

Хлор — тоже газ с очень неприятным запахом, но он менее агрессивен, чем фтор. В то время как фтор бесцветен, цвет хлора — зеленовато-желтый. Отсюда и его название: «хлорос», по-гречески «зеленый».

Следующий представитель семейства галогенов, бром, — жидкость, тяжелая, маслянистая, красно-бурого цвета. Пары брома ядовиты, у них неприятный резкий запах. Название «бром» в переводе с греческого означает «зловонный». Бром менее активен, чем хлор.

Последний существующий в природе галоген — йод представляет собой летучие темно-бурые кристаллики со знакомым всем специфичным запахом. Каждый предыдущий галоген вытесняет последующий из его соединений.

Как их открыли…

Активность газообразных галогенов причиняла много неприятностей исследователям, пытавшимся выделить их. Особенно это относится к фтору…

Существование неизвестного элемента в плавиковом шпате подозревали еще химики XVIII века, но выделить не смогли.

История открытия фтора трагична: ценою здоровья и жизни заплатили за свою любознательность первые исследователи.

Английский химик Дэви в 1810 году пытался получить фтор электролизом плавиковой кислоты, но эта попытка привела лишь к разрушению платиновых и серебряных приборов и сильному отравлению ученого, что, по-видимому, и было причиной его преждевременной смерти. Затем зловещий невидимка убил одного из братьев Кнокс, членов Ирландской академии. В борьбе с ним погиб бельгийский профессор Луйэ, тяжело пострадали французы Гей-Люссак и Тенар. Не открытый еще элемент был неимоверно активен… И все же в 1886 году француз Муассан получил фтор электролизом расплавленного бифторида калия KF·HF в платиновом аппарате. Полученный им газообразный фтор был очень дорог: он «съедал» платиновые электроды. На грамм полученного газа расходовалось 5–7 граммов драгоценного металла.

В настоящее время фтор получают тем же самым способом, которым его в свое время получал Муассан. Только вместо платины используют никель, графит или уголь.

Впервые получил хлор шведский химик К. Шееле действием соляной кислоты (тогда она называлась муриевой) на пиролюзит, минерал состава MnO₂·xH₂O. Это произошло в 1774 году.

Шееле считал хлор «дефлогистированной муриевой кислотой», то есть соляной кислотой, потерявшей свой флогистон. Если учесть, что многие химики того времени принимали за флогистон водород, то можно сказать, что Шееле был недалек от истины. По Лавуазье выходило, что флогистон — это кислород с обратным знаком. Так хлор оказался «окисленной муриевой кислотой», окислом гипотетического элемента мурия, а не элементом. Признать хлор элементом — значило признать, что соляная (муриевая) кислота состоит из водорода и хлора, что в корне противоречило кислородной теории кислот Лавуазье.

В 1810 году Дэви пытался разложить хлор всеми доступными средствами, но это ему не удалось, и он заявил, что хлор следует считать элементом. Никому и после Дэви разложить хлор не удалось, но авторитет Лавуазье был так велик, что виднейший химик XIX века Берцелиус считал его окислом мурия до 1821 года. Даже в 1870 году находились сомневающиеся в элементарной природе хлора, хотя к этому времени в химию вошла периодическая система Менделеева, в которой хлор занял свое место…

У известного немецкого химика Юстуса Либиха была отлично оборудованная лаборатория в Гиссене, в которую приезжали работать молодые химики со всей Европы. Либих был выдающимся химиком и педагогом. В процессе обучения он иллюстрировал свою мысль о вреде предвзятого подхода к объяснению новых фактов или свойств вещества. Ученый подводил своих учеников к особому шкафу, названному им «шкафом ошибок», вынимал из него пузырек с темно-бурой жидкостью и говорил, что он, Юстус Либих, был первым химиком, державшим в руках бром. Этот пузырек с темно-бурой жидкостью прислали с одного из солеваренных заводов. Либих предвзято подошел к объяснению свойств странного вещества, заранее приняв его за соединение хлора с йодом. А вещество было не чем иным, как новым галогеном — бромом.

Таким образом, честь открытия брома досталась не Либиху, а французскому химику Баляру, который, исследуя в 1825 году маточный раствор, получившийся при кристаллизации соли из соляных источников Монпелье, извлек бурое вещество и тщательно изучил его…

Армии Наполеона требовался порох в огромном количестве. Для пороха нужна была селитра, но селитра не чилийская, натриевая, которая быстро «промокала» от влаги воздуха, а калиевая. Чилийскую селитру стали обрабатывать золой морских растений, последняя содержала много калия.

Фармацевт Куртуа построил селитряный завод, где в медных котлах кипятился раствор чилийской селитры с золой. Было замечено, что котлы разъедались неизвестной солью. Куртуа в маточном растворе обнаружил соли; обработав их серной кислотой, он получил фиолетовые пары. Это было новое вещество, названное Гей-Люссаком йодом; в переводе с греческого — «фиолетовый».

Йод был открыт в 1811 году.

Существует и другая полуанекдотическая версия об открытии йода. Куртуа обычно обедал на заводе. Как-то на плече у него сидела кошка. Прыгнув, она разбила склянку с серной кислотой, последняя попала на остатки солей, выделились фиолетовые пары йода.

Галогены вокруг нас

Галогены широко распространены в природе: их можно обнаружить в минералах, в морской и речной воде, в буровых водах, в воздухе, в растениях и живых организмах.

Фтор и хлор более распространены, чем бром и йод; их содержание в земной коре примерно одинаково: для фтора оно равно 2,7·10^–2 процентов по весу…

Фтор — элемент камня, если говорить о камне в широком смысле. Это вовсе не значит, что его нет в морской или речной воде, но все же основное количество фтора рассеяно в горных породах, из которых его и добывают.

Фтором очень богат минерал флюорит, или плавиковый шпат CaF₂, залегающий обычно сплошными массами. Его называют еще «рудным цветком», настолько он ярок и многокрасочен: он переливает всеми цветами радуги — от нежно-фиолетового до салатного. Бывают флюориты пятнистые, встречаются очень прозрачные. Под действием рентгеновых лучей зеленая окраска флюорита меняется на розовую.

В Таджикистане встречается «оптический» флюорит. Он очень прозрачен и чист и пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Фтор содержится также в светло-зеленом минерале апатите, громадные залежи которого у нас имеются в Хибинских горах на Кольском полуострове.

Апатит сам по себе — минерал фосфора; из него готовятся ценнейшие фосфорные удобрения, но в нем есть и фтор. Очень редкий минерал криолит Na₃AlF₆ более чем наполовину состоит из фтора. Белоснежные глыбы криолита встречаются в Гренландии; он целиком идет на получение алюминия.

Хлор в земной коре распределяется несколько иначе, чем фтор. Мощные источники его — залежи каменных и калийных солей — встречаются во многих местах земного шара. Но океаны, моря и озера содержат очень много хлора; в морской воде элемент этот преобладает над всеми остальными, не считая, конечно, водорода и кислорода, из которых она состоит. Если извлечь всю поваренную соль из океанов и морей, можно покрыть весь земной шар корочкой из этой соли. Толщина корочки — 40 метров. Напомним, что килограмм поваренной соли содержит 600 граммов хлора.

Первичный океан рождался пресным, но бесчисленные реки несли ему хлор в виде растворимых в воде солей. Со временем почти весь хлор оказался в океане, занимавшем в далекие геологические эпохи гораздо большую часть планеты, чем сейчас.

Двести миллионов лет назад огромные пространства от берегов Ледовитого океана до Каспийского моря были дном древнего Пермского моря. Неспокойно было тогда на Земле: грохотали тысячи вулканов, было и ночью светло от непрерывных ярких молний. Постепенно менялся климат Земли, ее поверхность. Море отступало, оставляя мощные пласты соли, заливы и лагуны, которые обращались со временем в соляные озера… На юге СССР множество соляных озер; особенно крупные из них — Баскунчак и Эльтон. Запасы соли в них практически неограниченны. За 150 лет из Эльтона извлечено свыше 10 миллионов тонн, но убыль ее незаметна.

Встречающиеся везде

Тяжелые галогены и их соединения летучи. Особенно это характерно для йода. Они очень рассеяны; можно сказать даже, что йод и бром встречаются везде и нигде. Нигде в том смысле, что на земном шаре нет их крупных месторождений, сколь-нибудь сравнимых с залежами солей хлора или фтора.

Общее содержание брома в земной коре равно 0,001 процента, йода — в десять раз меньше. В то же время их можно найти в продуктах очистки чилийской селитры, сильвинита, буровых нефтяных водах, морской воде, водорослях и губках, йод всегда присутствует в воздухе: если извлечь его из воздуха зала средней величины, то мы получим количество йода, весящее столько же, сколько три маковых зернышка. В литре морской воды содержится свыше 60 миллиграммов брома и около 1 миллиграмма йода. Сравнительно малое содержание йода объясняется тем, что его соли окисляются кислородом воздуха с образованием главным образом элементарного йода, который легко улетучивается. С другой стороны, йод морской воды концентрируют водоросли, губки и моллюски. Некоторые виды губок содержат до 8,5 процента йода в расчете на сухое вещество. Из морских водорослей и губок налажено промышленное производство йода.

Бром также содержится в губках, моллюсках и кораллах, но в настоящее время его оттуда не добывают. В древности пурпур — драгоценный краситель, представляющий органическое соединение брома, — извлекался из моллюсков.

В настоящее время промышленным источником брома служат нефтяные буровые воды и рассолы соляных озер, где его содержание достигает 3 граммов в литре.

Галогены в живых организмах

Фтор необходим живым существам для нормальной жизнедеятельности; высушенные мышцы содержат до 8 миллиграммов его на 100 граммов вещества. Особенно много фтора в перьях, волосах, рогах и копытах животных — до 180 миллиграммов на 100 граммов сухого вещества; его всегда можно найти в зубной эмали животных и человека.

В организм фтор попадает с водой: речная и морская вода содержит обычно около 1 миллиграмма фтора в литре. Питьевая вода должна содержать в литре 1–1,5 миллиграмма фтора. Избыток фтора разрушает зубы: они становятся черными и легко выпадают — это флюороз зубов.

При недостатке фтора в питьевой воде сопротивление эмали действию кислот уменьшается: начинается кариес — разрушение зубов. Особенно часто кариес поражает детей. Борются с этой болезнью добавлением соединений фтора в питьевую воду. В ГДР в Карл-Маркс-штадте сооружена самая большая в Европе установка для фторизации воды.

Поваренная соль необходима любому живому организму. В год человек съедает от 5 до 10 килограммов соли. Соль известна человеку с древнейших времен. Около ее залежей, как и у рек, рождались города. Их названья говорят сами за себя: Соликамск, Усолье, Сольвычегодск.

Соль служила валютой: еще во времена Ломоносова за пять плиток соли в Абиссинии можно было купить раба.

Повышение налогов на соль часто служило причиной народного восстания; вспомните знаменитый «соляной бунт» при царе Алексее Михайловиче.

Поваренная соль NaCl обеспечивает человеческий организм жизненно необходимым хлором. В среднем в теле человека содержится около 100 граммов хлора. Роль этого элемента в организме велика и многообразна: он регулятор водного обмена, кислотно-щелочного равновесия, осмотического давления крови и тканевых жидкостей.

Вся поверхность Земли, растительные и животные организмы «пройодированы», если можно так выразиться. Но есть места, где содержание йода в почве и воздухе аномально мало. Обычно это районы высокогорных областей, удаленных от моря, с континентальным климатом. Воздух здесь содержит йода в 250 раз меньше, чем, например, на Черноморском побережье.

С давних пор было замечено, что жители подобных областей поражены зобной болезнью, щитовидная железа у них сильно распухает. Дело в том, что обычно человеческий организм содержит около 25 миллиграммов йода. Половина этого количества концентрируется в щитовидной железе. Он входит в состав сложных органических соединений: тиреоглобулина, тироксина и трийодина.

Щитовидная железа — крохотная химическая фабрика в теле человека — вырабатывает особые вещества, необходимые для нормального развития человеческого организма. Взрослому человеку в день требуется около 0,05 миллиграмма йода. При резком уменьшении количества йода, поступающего в организм, работа щитовидной железы нарушается, что ведет к образованию зоба.

Еще в середине прошлого века во Франции начали применять для лечения зоба йодистый калий. В наше время эту болезнь лечат органическими соединениями, содержащими йод. Для профилактики зоба достаточно ввести 1 грамм йода в 100 тысяч литров водопроводной воды.

Во время первой мировой войны французы заменили овес и сено для лошадей промытыми и высушенными на воздухе водорослями: лошади легко выдерживали все трудности военного времени. Ученые заинтересовались этим фактом, ведь водоросли содержат большое количество йода.

Как же влияют добавки йода в микроколичествах на рост и жизнедеятельность растений и животных?

Профессор Н. Замфиреску в Румынии выращивал растения в почве, удобренной двумя-тремя граммами йодистого калия или натрия. Урожай ячменя, выращенного на этой почве, увеличился на 40 процентов, а содержание йода в нем возросло в 10–40 раз против обычного.

Каждый день к рациону кур исследователи добавляли по пять йодированных зерен кукурузы. Яйценоскость кур увеличилась на 60 процентов, они неслись даже зимой. Когда добавили 50 граммов йодированного сена в рацион коз, то содержание жира в их молоке увеличилось на 30 процентов, йод еще полон загадок, изучение его роли в животном и растительном организмах только началось, оно сулит много важных открытий.

Немаловажную роль в человеческом организме играет бром.

В быту «бромом» называют обычно его соединения, как неорганические, так и органические. Бромиды успокаивают нервную систему, усиливая процессы торможения коры головного мозга.

В человеческом организме наиболее богат бромом гипофиз; весь бром находится в нем в виде органического высокомолекулярного соединения. Гипофиз и выделяет бромгормон, имеющий большое значение в регуляции процессов возбуждения и торможения.

Разрушитель? Нет, созидатель!

Может ли вода гореть? Вопрос странный с первого взгляда. Ведь общеизвестно, что вода — продукт горения, ею обычно тушат огонь. И все-таки если на поверхность воды направить струю фтора, то жидкость загорается бледно-фиолетовым пламенем. Вот реакция ее горения:

2H₂O + 2F₂ = 4HF + O₂.

Фтор настолько активен, что вытесняет кислород из воды.

Этот галоген разрушает все материалы, за исключением собственных соединений и некоторых металлов, которые при взаимодействии с ним покрываются защитной пленкой фторида.

С кислородом, азотом и инертными газами он непосредственно не соединяется.

Жидкий фтор перевозят в сосуде с «рубашкой», наполненной жидким азотом.

Вам, наверное, не раз приходилось видеть на стекле замысловатые рисунки, копирующие проделки деда-мороза; обычно такими стеклами бывают застеклены двери внутри помещения, например в общежитии здания МГУ на Ленинских горах. Эти матовые изображения нельзя смыть никакими растворителями и кислотами, за исключением фтористоводородной кислоты, с помощью которой их и делают. Для этого на стекло наносят тонкий слой парафина, художник вырисовывает на нем рисунок. Затем на поверхность стекла действуют смесью плавикового шпата с серной кислотой:

CaF₂ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2HF.

Образующийся фтористый водород взаимодействует с кремнием стекла:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2Н₂О.

Вода и четырехфтористый кремний улетучиваются: образуется шершавая матовая поверхность.

Безводный фтористый водород — летучая жидкость, кипящая при температуре +19,6 °C. На практике его получают разложением плавикового шпата серной кислотой. Фтористый водород — сильнейшее обезвоживающее средство. Ни одно химическое средство не способно осушить его. Раствор его в воде называется фтористоводородной или плавиковой кислотой. Она употребляется для травления стекла, для удаления песка с металлического литья, в качестве катализатора в органическом синтезе.

Когда говорят о чудесах химии, создающей вещества, не тонущие в воде и не боящиеся огня, то сразу вспоминается тефлон — политетрафторэтилен:

Это вещество стойко к действию «царской водки», расплавленных щелочей, нагревания до 300 °C. Только металлический натрий при высокой температуре его разрушает.

Тефлон — органическое соединение фтора — фторуглерод. Слово «фторуглерод» вошло в словарь химиков всего 15–20 лет назад. Этих веществ в природе нет, их создали в лаборатории, заменив в углеводородах водород на фтор.

Фторуглероды — строительный материал будущего.

Они очень инертны, бактерии и насекомые не могут употреблять их в пищу в отличие от углеводородов. Из фторуглеродов производят смазочные вещества, пластмассы, каучуки, масла и растворители.

Представим себе, что перед нами автомобиль будущего. Шины его во много раз прочнее обычных — им не страшна любая дорога, они изготовлены из фторопластов, фтористых пластмасс. Сиденье автомобиля не горит и не пылится — оно обито огнеупорной и пылеотталкивающей тканью из фторуглеродов. Фторуглеродные смазочные масла не нуждаются в замене.

Если автомобиль и загорится, что невероятно — ведь его кузов сделан из фторопластов, — огонь можно легко загасить охлаждающей жидкостью из радиатора, она является фреоном, жидким хлорфторуглеродом.

Фреоны — это соединения, содержащие, кроме фтора и углерода, хлор, иногда и водород. Фреоны употребляются в мощных холодильных установках в качестве рабочего вещества; они обладают низкой температурой кипения, как и аммиак. CCl₂F₂ кипит при –30 °C.

Почему фторуглероды так устойчивы?

Во-первых, атомы водорода, расположенные вокруг атомов углерода малы; они не прикрывают полностью атомы углерода и связи между ними. Атомы же фтора обладают оптимальной величиной, они полностью перекрывают углеродный скелет и образуют устойчивую конфигурацию, защищая силовое поле атомов углерода, их связи и их самих от внешних влияний. К тому же сама связь С—F очень устойчива. Чтобы ее разорвать, требуется энергия в 107 больших калорий, для связи С—H всего 87,3 большой калории.

По образному выражению одного ученого, «фторуглероды обладают как бы алмазным сердцем и шкурой носорога».

Сейчас химия фтора и его органических соединений — одна из наиболее бурно развивающихся областей химии.

Враг или друг?

В один из дней первой мировой войны к окопам французских солдат со стороны немецких позиций подползло тяжелое серо-белое облако. Оно плотно прилегало к земле, входило в любые щели, врывалось в легкие людей. Люди падали, хрипя, бились в агонии и умирали от удушья с кровавой пеной у рта. Это был хлор.

Немцы тайно подвезли тысячи баллонов с жидким хлором и установили их на передовых позициях, во время попутного ветра открыли вентили, и облака хлора поползли к окопам противника. Так хлор стал первым боевым отравляющим веществом.

В промышленности хлор получают исключительно электролизом раствора поваренной соли:

2NaCl + 2H₂O = 2NaOH + Н₂ + Cl₂.

Хлор выделяется на аноде. Сухой хлор не действует на железо, и его можно транспортировать в железных баллонах. Удобность перевозки хлора была, по-видимому, основным поводом для употребления его в качестве отравляющего вещества.

Хлор первым из газов был превращен в жидкость. Взаимное притяжение между молекулами хлора гораздо сильнее, чем у других газов, известных во времена Фарадея. Фарадей сблизил молекулы хлора давлением, уменьшив скорость их движения понижением температуры. Жидкий хлор — это зеленоватая маслянистая жидкость.

На лекциях по химии обычно производят опыт: на демонстрационный столик ставят колбу, закрытую пробкой. Колба как колба; может показаться совершенно пустой, если смотреть на нее с дальних рядов аудитории. Но стоит неподалеку зажечь стружку магния, как раздается взрыв. Колба наполнена смесью хлора с водородом. В темноте реакция между газами идет очень медленно. Чтобы получить заметное количество хлористого водорода, надо ждать столетия…

Но вот на колбу упал свет магниевой вспышки или прямой солнечный луч… Взрыв! Почему? Квант света, попадая в смесь, разбивает молекулу хлора на атомы. Атом хлора, в свою очередь, разбивает молекулу водорода, образуя молекулу хлористого водорода и т. д.

Происходит цепной процесс…

За счет каждой первоначально возбужденной молекулы хлора образуется до ста тысяч молекул хлористого водорода. За неуловимую долю секунды лавина взаимодействий превращается во взрыв.

В промышленности хлористый водород получают прямым синтезом. В реакционную башню подводятся две трубы: по одной из них подается хлор, по другой — водород. Там, где трубы соединяются, получившуюся смесь газов поджигают. Она горит ярким, красивым пламенем, но не взрывается. Образующийся хлористый водород поднимается вверх; навстречу ему разбрызгивается вода, которая жадно поглощает хлористый водород; получается соляная кислота. Здесь используется принцип противотока, позволяющий достигнуть наиполнейшего растворения хлористого водорода. Один объем воды поглощает 400 объемов газа.

Соляная кислота — одна из наиболее сильных кислот; она отлично растворяет металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, за исключением свинца.

Хлор обесцвечивает цветы и листья — это заметил еще Шееле. В 1785 году Бертолле решил применить хлор, вернее — его раствор в воде, для отбеливания тканей. Опыт прекрасно удался в лаборатории, но когда он перешел в помещение фабрики, то раздались жалобы промышленников. Хлорная вода отлично отбеливала ткани, но портила металлические части машин и отравляла помещение фабрики.

Бертолле еще ранее заметил, что раствор хлора в щелочи, отбеливая ткани, выделяет хлор менее интенсивно, чем хлорная вода. Первые опыты отбелки тканей раствором хлора в щелочи имели место в городе Жавелли. Новая жидкость была названа «жавелевой водой». Вскоре она была заменена белильной известью CaOCl₂. Это белый порошок, обладающий сильным окислительным действием, применяется для отбелки, дезинфекции, дегазации. Иприт, соприкасаясь с хлорной известью, сгорает со взрывом.

Хлор образует пять кислот. В одной из них, соляной, он обладает отрицательной валентностью. Четыре другие содержат кислород: валентность хлора в них равна соответственно 1+, 3+, 5+, 7+. Хлорная кислота HClO₄, где он находится в высшей степени окисления, является самой сильной кислотой.

Из солей кислородных кислот хлора наиболее важны KClO₃ и Mg(ClO₄)₂.

KClO₃ — бертоллетова соль — применяется в изготовлении спичек, в фейерверках и сигнальных ракетах. В лаборатории она служит для получения кислорода.

Mg(ClO₄)₂ — в технике это соединение получило название «ангидрон» — очень сильный осушитель, не уступающий фосфорному ангидриду и выгодно отличающийся от последнего тем, что его можно высушить под вакуумом и снова использовать.

Йод и бром широко используются…

Почему коричневато-красный цвет йодного раствора, попавшего на руку, сравнительно быстро исчезает?

Йод летуч. Этим пользуются для его очистки. Если нагреть колбу с крупинками йода на дне, причем колбу покрыть холодным часовым стеклышком, то через некоторое время йод в колбе исчезнет. Зато дно часового стеклышка покроется серометаллическими крупинками, йод возгонится.

В последнее время йод используют для получения металлов высокой чистоты, необходимых для производства полупроводников и атомной энергетики, таких, как цирконий, титан, торий. Так называемый йодидный процесс заключается в следующем: очищаемый металл обрабатывается парами йода в вакууме; летучие йодиды металлов разлагаются на раскаленной проволоке, на которой и осаждается чистый металл.

Загрязняющие примеси, окиси и нитриды металлов не возгоняются. Например, при очистке губчатого титана окислы и нитриды этого металла с йодом не взаимодействуют, йодидным процессом очищают цирконий, титан, ванадий, кремний и торий.

Бромистые соединения также летучи; их употребляют для связывания антидетонатора — тетраэтилсвинца. Органические соединения брома, добавленные в бензин, удаляют свинец из мотора в виде летучего бромистого соединения. Галогениды серебра светочувствительны. На этом основано широкое применение бромистых и йодистых солей серебра в фото- и кинопромышленности.

Казалось бы, какое несовременное выражение: в наш век величать железо отжившим, устаревшим королевским титулом! И все-таки это имеет смысл. Только величие железа — это не мнимое величие напыщенного и недоступного монарха, а величие поистине вездесущего труженика, безусловно заслуживающего самого высокого уважения.

Без железа не было бы цивилизации. Без железа была бы невозможна жизнь животного мира нашей планеты. Оно обнаружено в крови почти всех животных (за единичными исключениями). Трехвалентное железо входит в состав сложного соединения гемина, которое в сочетании с белком глобином образует гемоглобин — вещество, способное обратимо присоединять кислород и затем отдавать его всем тканям организма, обеспечивая их дыхание. Присутствие железа в крови, между прочим, объясняет ее красный цвет. Особенно яркий цвет имеет гемоглобин, насыщенный кислородом (оксигемоглобин), поэтому артериальная кровь — ярко-красная в отличие от более темной венозной крови. Общее содержание железа в организме человека очень невелико — около 3 граммов (всего 0,004 процента веса тела).

Любопытно, что в состав крови некоторых червей входит двухвалентное железо. Цвет такой крови — зеленый.

Небольшие количества железа необходимы и для жизнедеятельности растений.

Что такое железо?

На первый взгляд это абсурдный вопрос, ведь всякому ясно, что железо вездесуще. Однако с точки зрения химии этот вопрос не так уж нелеп. Ведь железо, с которым имеет дело техника, — это, как правило, не химически чистый металл. Оно всегда содержит примеси и потому значительно отличается по свойствам от чистого железа. Самая главная примесь в техническом металле — углерод (мы не говорим о специально получаемых сплавах железа — о них речь будет ниже). Количество углерода в металле обусловливает в значительной степени его свойства. Металл с содержанием углерода до 0,2 процента называется ковким железом. Оно довольно мягко, легко куется, вытягивается. Из такого металла делают, например, жесть, гвозди, проволоку. Содержание углерода в металле в пределах от 0,2–1,7 процента отвечает разным маркам стали. Она тверже, прочней ковкого железа, упруга и хорошо поддается механической обработке. Если углерода в металле больше чем 1,7 процента — это чугун.

Химически чистое железо, железо в строгом смысле слова, видели, вероятно, немногие из вас. Получают его электролитическим путем или восстановлением чистых окислов железа водородом при нагревании. Такое железо куется и в монолитных кусках при обычных условиях не окисляется. На примере железа отчетливо видно, насколько тесно химическая активность связана со степенью чистоты металла. Но это еще не все. Любой химик в самой простой лаборатории может легко приготовить химически чистое железо, которое не только будет окисляться на воздухе, но и… сгорит, как порох. Например, при нагревании щавелевокислой соли двухвалентного железа выделяется чистый металл по реакции: FeC₂O₄ = Fe + 2CO₂, причем крупинки железа имеют размеры около пяти микрон. Вот эти-то маленькие крупинки и способны окисляться на воздухе так быстро, что даже загораются. Почему это происходит? Одна из причин в том, что такие мелкие крупинки имеют огромную общую поверхность соприкосновения с воздухом. Кроме того, малые размеры крупинок мешают образованию правильных устойчивых кристаллических структур. Такую внутреннюю неустойчивость и «использует» кислород.

Интересно, что получение правильно образованных кристаллов изменяет в невероятных масштабах и механические свойства металла. Так, проволока из обычного железа сечением в 1 квадратный миллиметр выдерживает груз в 20 килограммов. А если бы удалось получить совершенно правильный кристалл железа сечением в квадратный миллиметр, то он обладал бы фантастической прочностью и выдержал бы груз в 10 тысяч килограммов. И это в то время, когда специальные стали обладают прочностью около 400 кг/мм².

К сожалению, пока еще не научились получать большие кристаллы такого бездислокационного железа с совершенно правильной структурой.

Железо в природе

Железо — один из самых распространенных на Земле элементов: на его долю в земной коре приходится 4,2 процента. Это очень много. Железо земной коры весит 755 000 000 миллиардов тонн, но лишь неизмеримо меньшее его количество доступно человеку; большая часть металла находится в рассеянном состоянии. Запасы его, пригодные для использования, составляют, по некоторым оценкам, примерно 20 000 000 миллиардов тонн.

Человек использует железо, сконцентрированное в месторождениях. Благодаря своей значительной химической активности железо не встречается в свободном, самородном состоянии, как, например, золото. Месторождения железа — это скопления его химических соединений с другими элементами (чаще всего с кислородом). Вот главные рудные минералы железа: магнетит, имеющий состав FeO·Fe₂O₃ (содержит до 72,4 процента чистого железа), обладающий, как показывает его название, магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк Fe₂O₃ (до 70 процентов железа). Название этого минерала произошло от греческого корня «гема» — кровь. Интересно, что русское слово «руда», по-видимому когда-то применявшееся лишь к месторождениям железа, родственно слову «рдеть» — быть ярко-красным — и украинскому слову «рудый» — рыжий. Бурые железняки имеют состав Fe₂O₃·Fe(OH)₃ и содержат до 62 процентов железа. В месторождениях встречается также сидерит FeCO₃, в котором 48 процентов железа. Конечно, всякая руда содержит более или менее значительные количества пустой породы и примесей других минералов, иногда представляющих большую ценность. Это обстоятельство вносит существенные поправки в металлургические процессы.

Наша страна занимает первое место в мире по запасам железных руд. Многие из них отличаются высоким качеством. Так, если в мировой добыче магнетиты составляют лишь 9,5 процента, то в СССР на их долю приходится до 40 процентов при содержании железа около 65 процентов (горы Высокая, Магнитная и Благодать на Урале, Соколовско-Сарбайское месторождение в Зауралье). Керченское месторождение содержит бурый железняк. Хотя железа в нем не так уж много (40 процентов), в керченском железняке высокий процент ванадия. Бурые железняки, в которых содержатся еще и никель, хром, ванадий, составляют Халиловское месторождение. Крупнейшее месторождение гематитов — Криворожское — состоит из богатых руд (50–70 процентов железа) при малом содержании серы (меньше 0,1 процента) и фосфора (0,01–0,1 процента).

К числу замечательных кладов природы принадлежит уникальное месторождение железных руд — Курская магнитная аномалия (КМА). Железа здесь по крайней мере вдвое больше, чем во всех месторождениях мира, вместе взятых. Выявленные до сих пор запасы КМА составляют около 10 триллионов тонн, в том числе до 40 миллиардов тонн богатых руд, использование которых уже начато. Чтобы подчеркнуть грандиозность этих цифр, скажем, что даже при условии непрерывного роста выплавки чугуна и стали в нашей стране запасов КМА может хватить на тысячелетие! Правда, многие месторождения КМА расположены глубоко, значительные количества руды нуждаются в обогащении. Много еще предстоит сделать для освоения КМА. У нее большое будущее.

Как руда становится железом

Итак, железо в рудах находится в соединении с кислородом. Значит, чтобы выделить свободное железо, нужно отнять кислород у окисла, восстановить его. В этом и заключается суть, смысл доменного процесса. Процесс этот, в общих чертах знакомый каждому школьнику, ведется в огромных стальных доменных печах, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом. В такую печь сверху слоями загружают шихту (по-немецки слово «Schicht» как раз и означает «слой»), состоящую из специально приготовленного угля — кокса, руды и специальных добавок — флюсов (от немецкого «fliessen» — «течь»), или плавней. Флюсы — это известняк CaCO₃, или доломит, содержащий до 10 процентов магния. Иногда — в зависимости от состава руды и угля — применяют кремнекислые флюсы, состоящие из кварцита или песка SiO₂. Флюсы нужны, чтобы связать примеси в легкоплавкие силикаты, которые легко отделяются от металла.

Когда домна загружена, ее «задувают», пускают в ход, после чего она действует в течение нескольких лет. Ведь шихту можно загружать в домну много раз по мере выпуска чугуна и шлаков через специальные отверстия в нижней части печи — горне.

А откуда такое выражение — «задуть домну»? Очень просто: процесс восстановления руды протекает так: в домну все время внизу, через специальные отверстия — фурмы — вдувается горячий (600–800 градусов) воздух. Находящийся в печи кокс сгорает, давая в конечном счете окись углерода СО. В горне домны поддерживается высокая температура, около 1800 градусов. Это больше, чем нужно для плавления не только чугуна (около 1200 градусов), но и чистого железа, которое плавится при 1536 градусах. Вверх по оси домны температура постепенно снижается до 300 градусов у колошника, где производится загрузка очередной порции шихты (колошей и называют одну порцию шихты, состоящую из слоев руды, кокса и флюсов). То, что в разных областях домны поддерживается разная температура, очень важно, так как та или иная реакция протекает при своей температуре. Каковы же они?

В области температур около 600–700 градусов начинается восстановление окислов железа окисью углерода:

3Fe₂О₃ + СО = 2Fe₃O₄ + CO₂;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;

FeO + CO = Fe + CO₂;

FeO + C = Fe + CO.

Последняя реакция — восстановление окиси железа коксом — происходит уже при температуре около 1000 градусов, в более низких областях домны. Здесь же флюсы образуют с примесями шлаки:

CaCO₃→900°→CaO + CO₂;

CaO + SiO₂→1200°→CaSiO₃

Легкие шлаки всплывают на поверхность расплавленного металла. Их время от времени сливают, а расплавленный металл остается ниже слоя шлаков. Очень существенно, что слой шлаков защищает металл от обратного окисления тем воздухом, который вдувают в домну для поддержания процесса. Таким образом, шлаки не просто отходы производства; они активно участвуют в процессе.

Примеси, содержащиеся в руде в виде окислов, также частично восстанавливаются:

MnO + С = Mn + СО;

SiO₂ + 2C = Si + 2CO;

Р₂O₅ + 5С = 2P + 5CO.

Первые две реакции требуют очень большого количества тепла, поэтому чем больше сгорает кокса, тем полнее восстанавливаются марганец и кремний.

Что происходит после восстановления железа? Железо начинает опускаться в нижнюю часть домны. При этом оно не остается неизменным. Температура растет, изменяются кристаллическая структура и свойства железа. Ниже 760 градусов существует так называемое альфа-железо, характеризующееся, в частности, своими магнитными свойствами. При 760–906 градусах существует другая модификация — бета-железо, у которого магнитные свойства отсутствуют (именно поэтому намагниченный предмет перестает быть таковым при нагревании). Выше 906 градусов железо превращается в свою третью модификацию — гамма. Здесь уже и кристаллическая решетка другая, а главное — гамма-железо способно растворять углерод.

Вот при этих-то условиях железо, едва успев родиться… перестает быть железом. Находясь в тесном контакте с коксом, железо науглероживается и превращается в чугун — продукт доменного производства. Кремний, марганец, фосфор и сера, частично восстановленные одновременно с железом, также растворяются в железе и потому входят в состав чугуна.

В общих чертах этот процесс известен людям давно, но до сих пор не исчерпаны еще все возможности его совершенствования. В частности, как известно, в домну вдувают воздух, необходимый для сгорания кокса. Необходимый? Но ведь для горения нужен только кислород, составляющий 21 процент всего объема воздуха. А 78 процентов составляет азот, являющийся, таким образом, «бесплатным приложением».

Впрочем, далеко не бесплатным. Воздух приходится предварительно нагревать до 600–800 градусов. Для этого строят специальные нагреватели — кауперы. Иначе нельзя: если воздух не нагреть, азот унесет с собой большую часть тепла, выделившуюся при сжигании кокса. Без кауперов можно обойтись, если вдувать в домну не обычный воздух, а газовую смесь, обогащенную кислородом. Тогда процесс идет более интенсивно.

Часть выплавленного чугуна используется для отливки различных тяжелых частей машин — маховиков, станин — и для других целей. Но основная масса чугуна перерабатывается на сталь. Для этого известны два основных метода — конверторный, или бессемеровский, и мартеновский.

При бессемеровании чугун заливают в специальные гигантские «реторты» — конверторы, выложенные огнеупорными силикатными плитками, и снизу продувают сильной струей воздуха. Что при этом происходит? Прежде всего окисляется само железо: 2Fe + O₂ = 2FeO. Образовавшаяся закись может отдавать свой кислород примесям, окисляя их и выделяя снова чистое железо. Но часть FeO теряется за счет образования шлака: FeO + SiO₂ = FeSiO₃. Кроме того, если FeO образовалась в больших количествах, то, растворяясь в жидком металле, из которого примеси выгорели и потому не могут восстановить, «раскислить» FeO, — эта примесь может резко ухудшить свойства стали.

Процесс выгорания примесей можно представить в виде уравнений:

2Mn + O₂ = 2MnO или Mn+FeO = MnO + Fe;

Si + O₂ = SiO₂;

C + O₂ = CO₂.

Все эти реакции сопровождаются выделением тепла, поэтому при продувании конвертора металл не только не охлаждается, но еще более разогревается. Образовавшиеся окислы ошлаковываются. При этом, конечно, частично разрушается обкладка (футеровка) конвертора, состоящая из кремнезема SiO₂: MnO + SiO₂ = MnSiO₃. В конце процесса для удаления остатков FeO в конвертор добавляют раскислитель — ферромарганец или ферросилиций.

Процесс проходит очень быстро, за 15–20 минут. Однако это не только преимущество, но и недостаток, так как процесс трудно регулировать. Кроме того, как ясно из приведенных реакций, часть железа выгорает (до 10 процентов).

Сначала конверторный способ имел еще один существенный недостаток: кислая обкладка конвертора связывала лишь основные окислы и потому не способствовала удалению из металла фосфора, окисленного до P₂O₅, — ведь пятиокись фосфора тоже кислотный окисел. Поэтому полученная из фосфористых чугунов сталь была ломкой. Позже для переработки на сталь таких чугунов стали использовать конверторы с обкладкой из основных окислов, а также добавлять в конвертор до 12–15 процентов извести. Основные окислы CaO и MgO связывают P₂O₅ в виде фосфатов Ca и Mg. Такой вариант конверторного процесса назван по имени его автора томасовским. Томасшлак, состоящий из фосфатов, — ценное удобрение.

При мартеновском методе примеси выжигаются не только за счет кислорода, который проходит над расплавленным металлом, но и за счет кислорода, содержащегося в окислах железа, добавляемых к чугуну в виде чистой железной руды или так называемого скрапа — железного лома. Необходимое тепло получают сжиганием в мартене горючего газа в смеси с воздухом. Процесс идет несколько часов и поддается точному регулированию, позволяет вносить необходимые добавки в получаемую сталь.

Химические процессы в мартеновской печи похожи на происходящие в конверторах. В конце плавки в металл добавляют рассчитанное количество раскислителя — ферромарганца для восстановления железа из его закиси.

Мартеновский процесс позволяет получать металл с содержанием чистого железа до 99,95 процента.

И в мартеновский процесс применение кислородного дутья внесло существенные изменения. Печь стала работать интенсивнее, быстрее. Как подсчитали ученые, внедрение кислорода в мартеновский процесс позволит в течение семилетки только на существующих мартеновских печах получить дополнительно 8 миллионов тонн стали.

И, наконец, еще одно обстоятельство. Вдумайтесь в цифры семилетнего плана: в 1965 году у нас в стране будет выплавляться 67–70 миллионов тонн чугуна и 86–91 миллион тонн стали. Мы знаем, что весь чугун, за исключением той части, которая используется непосредственно для отливки необходимых изделий из чугуна, перерабатывается в сталь. Но ведь тогда выплавка стали в лучшем случае должна быть равна выплавке чугуна. А стали намечено выплавить на 10 миллионов тонн больше. В чем же тут дело? В том, что мартеновский процесс позволяет возвратить к жизни миллионы тонн ржавого, старого железа, которое называется «железный лом». Вот и выходит, что сбор железного лома — очень серьезное и важное государственное дело.

Какой же способ получения стали лучше? Мы уже видели, что каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны. Главным недостатком конверторного способа было то, что он давал менее качественную сталь. Ведь чугун продували воздухом, и значительные количества азота растворялись в металле, резко ухудшая его качество.

Сейчас в нашей стране работают несколько конверторных цехов, использующих для выжигания углерода и кремния из чугуна не воздух, а кислород. Теперь конверторная сталь по качеству приближается к мартеновской. Стоимость ее значительно ниже. По производительности же один конвертор на 35 тонн стали равен мартеновской печи, рассчитанной на 800 тонн: ведь он дает до 50 плавок в сутки, а мартен — только две.

Справедливо было бы поставить вопрос: а нельзя ли из руды получать прямо железо и сталь, а не чугун? Это не новый и очень интересный вопрос. Еще в 1899 году Менделеев писал, что придет время «опять искать способов получения железа и стали из руд, минуя чугун». «А почему „опять“?» — спросите вы. Когда-то первые металлурги получали железо из смеси руды с древесным углем. Воздух подавали с помощью обычных мехов. Полученное железо дополнительно обрабатывали на наковальне.

В этих условиях восстановление руды шло медленно, металл не плавился и потому не насыщался углеродом. Однако этот процесс проводили лишь с небольшими количествами руды, причем он был периодическим: готовый металл нужно было извлечь, снова загрузить шихту и только после этого начинать нагревание.

Для больших масштабов производства этот способ не годился и был вытеснен доменным, при котором восстановление руды идет непрерывно, а получаемый металл жидок и потому легко удаляется из печи без остановки ее работы.

В наше время принцип прямого получения железа из руды возрождается, но на более высоком техническом уровне. Вспомним, что железо становится чугуном потому, что в печи имеется избыток углерода сверх того количества, которое нужно для восстановления руды. Кроме того, в печи металл плавится, что способствует науглероживанию железа. Если брать кокса ровно столько, сколько нужно для восстановления руды, а нагревать шихту до нужной температуры электрическим током, проходящим через вмонтированные в печь электроды, то и получится так называемая электродомна. Отходящие горячие газы возвращаются снова в электродомну, что позволяет экономить тепло. Такая печь дает не чугун, а чистое железо. Но стоит оно пока что дорого из-за высокой стоимости электроэнергии. Для прямого получения железа из руд разработаны и другие методы.

Сам доменный процесс в его нынешнем виде и весь металлургический цикл непрерывно совершенствуются. Их внутренние резервы далеко не исчерпаны. В будущем работу домны не только механизируют, но и автоматизируют, включая автоматизацию расчета состава шихты на основе анализа сырья и заданных заранее условий процесса. Полная автоматизация — вот будущее доменного процесса и обработки металла на всем его пути от руды до готового изделия.

Небольшая экскурсия в заводскую лабораторию

Мы часто приводим цифровые данные о составе стали или чугуна. Они позволяют оценить механические свойства будущих изделий. Точный и быстрый анализ металла необходим и в мартеновском цехе, так как от состава металла и от количества в нем тех или иных примесей зависит ход процесса и количество необходимых присадок (добавок).

Как же анализируют сталь?

Для определения углерода в стали навеску ее подвергают своеобразному «бессемерованию» — сжигают в специальном приборе в атмосфере кислорода при 1000–1100 градусах. При этом углерод полностью окисляется, превращаясь в углекислый газ. Углекислый газ улавливают специальным поглотителем, например аскаритом, то есть асбестом, пропитанным едким натром: 2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O.

Увеличение веса поглотителя при этом показывает, сколько CO₂ выделилось при сжигании известной навески стали, и позволяет вычислить процент углерода в стали.

Для определения марганца есть несколько методов. Например, можно растворить навеску стали в кислотах и, добавляя окислители, превратить находящийся в растворе двухвалентный марганец в ион перманганата: Mn²⁺→MnO₄^–. Как известно, растворы перманганата окрашены. Поэтому исследуемый раствор в специальном приборе колориметре сравнивают по окраске с таким раствором, в котором количество MnO₄^– известно заранее. Так можно определить содержание Mn в навеске.

Для определения серы навеску стали растворяют в концентрированной азотной кислоте. При этом сера окисляется и переходит в раствор в виде ионов SO₄^2–. При добавлении хлорида бария вся сера осаждается в виде нерастворимой соли BaSO₄, взвешиванием которой и определяют количество серы во взятой навеске и процент серы в металле.

Существуют достаточно точные и быстрые методы, позволяющие узнать содержание в стали фосфора и кремния, а также всех других примесей.

Сведений о составе стали недостаточно для оценки ее свойств; нужно знать также структуру металла. В металлургии широко применяется так называемый физико-химический анализ, сущность которого в определении зависимости свойств металла от его состава. Полученные данные наносят на бумагу в виде графиков, называемых диаграммами состояния. Например, можно составить диаграмму плавкости сплавов железа с углеродом, которая покажет, как меняется температура плавления металла в зависимости от содержания в нем углерода. На такой диаграмме на основании опытных данных можно выделить области температур и состава, в которых могут существовать те или иные вещества или их модификации, например Fe₃C, альфа- или гамма-железо и т. д.

Когда такая диаграмма составлена, по ней легко можно проследить, какие изменения происходят в металле при его охлаждении и какими взаимными переходами связаны различные вещества, входящие в структуру металла. Физико-химический анализ, создателем которого был знаменитый русский ученый Н. С. Курнаков, широко используется для изучения свойств сплавов.

Мы уже говорили, что чем меньше и компактнее зерна внутренней структуры металла, тем выше его прочность. Внутреннюю кристаллическую структуру металла изучают, например, под микроскопом. Для этого поверхность образца полируют и на полученный шлиф действуют различными химическими веществами (так называемое травление).

Если металл неоднороден, то разные его составные части по-разному будут разрушаться при травлении, а это обнаружится при микроскопическом исследовании. Понятно, для таких металлографических исследований нужен специальный микроскоп, работающий в отраженном свете, так как металл непрозрачен. Ценные данные позволяет получить и рентгенографический метод исследования.

Без точных научных методов исследования металлов, сплавов и их свойств было бы немыслимо получение материалов с нужными, заранее заданными свойствами.

От мартена к готовой продукции

Вернемся снова в мартеновский цех. Плавка закончена, в мартене ослепительно сияет расплавленный металл. Лабораторный анализ показал, что сталь заданного состава готова. Кажется, можно облегченно вздохнуть: долгий и трудный путь железа от руды до готового металла закончен. Но не тут-то было! Готовую сталь разливают в изложницы и оставляют для охлаждения.

Что происходит при этом?

Сталь при охлаждении уменьшается в объеме, «усаживается». В результате в верхней части слитка образуется усадочная раковина. Ясно, что металл с такой раковиной «работать» не может, поэтому верхнюю часть слитка срезают и отправляют в переплавку.

При охлаждении стали в изложнице кристаллизация металла происходит неравномерно, слиток получается неоднородным: возле стенок изложницы кристаллы получаются мелкие, а в более глубоких слоях, где охлаждение происходит медленнее, зерна металла бывают более крупными. Чтобы устранить неоднородность и улучшить механические свойства металла, слитки приходится дополнительно обрабатывать, обжимать.

Нагретые до 1100–1200 градусов слитки поступают на блюминги и слябинги. Здесь раскаленный слиток обжимается между валками, расстояние между которыми постепенно уменьшается. Металл слитка при этом уплотняется, перемешивается. Специальное приспособление перемещает слиток, переворачивает его с боку на бок. В конце концов слиток выходит из «железных объятий» блюминга в виде бруса квадратного сечения, который разрезается на отдельные куски — блюмы. На слябингах одна пара обжимных валков установлена вертикально, другая — горизонтально. Поскольку диаметр валков для каждой пары свой, то слиток на слябинге превращается не в брус, а в пластину, которую разрезают на слябы.

Как мы видим, прежде чем отправить сталь на дальнейшую обработку, приходится выполнить последовательно две операции — разливку и охлаждение стали в изложницах и затем обработку слитков в обжимных цехах.

А нельзя ли объединить каким-то образом эти две операции? Оказывается, можно.

В нашей стране уже работают установки для непрерывной разливки стали. Здесь сталь заливается в кристаллизатор — изложницу с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Проходит несколько минут, и наружный слой стали затвердевает. После этого специальный механизм вытягивает слиток из кристаллизатора вниз. Сверху поступают новые порции расплавленного металла, которые давят на расположенные ниже слои и не дают образоваться усадочной раковине. Таким образом, получается нечто похожее на один длинный слиток. Пока первые порции стали доходят до конца системы, металл полностью затвердевает. Полученный слиток однороден, резко уменьшаются отходы. Из установки после разрезания слитка выходят уже готовые блюмы.

В наше время научная мысль и практика металлургии дают и другие способы улучшения структуры металла. На очереди стоит широкое внедрение вакуумной разливки стали. При этом растворенные в расплавленном металле газы удаляются и структура стали улучшается.

Полученные блюмы и слябы поступают на прокатные станы. Здесь раскаленный металл проходит через систему валков различной формы и выходит со стана в виде проката нужного профиля. Сталь также обрабатывается на различных станках, которые и делают стальные изделия такими, какими мы привыкли их видеть.

«Ну, наконец-то путь железа подходит к концу!» — скажете вы. Не торопитесь! Очень часто полученное изделие еще не может «работать».

Давайте посмотрим, какие требования предъявляет жизнь к изделиям из металла. Понятно, что эти требования очень разнообразны и зависят от назначения детали и от условий ее работы.

По каким свойствам можно судить о качестве металла? Критериев качества несколько. Вот важнейшие из них: твердость, прочность на разрыв, пластичность, упругость, ползучесть (способность изменять форму даже под влиянием небольших, но действующих длительное время нагрузок). Наконец, очень важным свойством является выносливость металла, способность его выдерживать в течение долгого времени нагрузки, меняющиеся по величине и направлению. Коленчатый вал двигателя имеет сложную форму и работает очень напряженно: за один только сельскохозяйственный сезон коленчатый вал тракторного двигателя поворачивается в среднем 50 миллионов раз. Тут и металл устанет! Поэтому важно бывает оценить предел выносливости металла — ту нагрузку, которую деталь может выдерживать сколько угодно раз, не разрушаясь.

Конечно, для разных деталей на первый план выступает тот или иной критерий, самый главный среди прочих. Ниже мы еще будем говорить о специальных сталях, содержащих добавки других элементов, позволяющие в широких пределах менять свойства стали. Но оказывается, что и простые углеродистые стали или чугуны могут после специальной обработки иметь разные свойства при одном и том же составе.

Всем известна закалка стали, пример термической обработки металла. Стальное изделие нагревают до температуры около 900 градусов. При этом структура металла перестраивается, и в конце нагревания он представляет собой смешанные кристаллы гамма-железа и карбида железа Fe₃C. Это так называемый аустенит. Затем сталь опускают в холодную воду. В результате быстрого охлаждения аустенит распадается, давая чрезвычайно твердый мартенсит. Таким образом сталь закалилась.

Но при быстром охлаждении в структуре металла создались внутренние механические напряжения, увеличивающие хрупкость стали. Поэтому закаленное изделие нужно отпустить, нагрев его снова, но до сравнительно небольшой температуры, при которой структура не менялась бы, но исчезли бы внутренние нагрузки. Температура отпуска зависит от того, что выгоднее сохранить в большей степени — твердость или упругость. Практически стальные инструменты, в которых нам очень важна именно их твердость, отпускают при 100–150 градусах; при изготовлении же пружин или рессор, конечно, важнее их упругость. Поэтому такие изделия отпускают при более высокой температуре — до 250–300 градусов.

Термическая обработка позволяет управлять и свойствами чугуна.

Таким образом, термическая обработка позволяет мобилизовать внутренние резервы прочности металла и, не изменяя его химического состава, менять в ту или иную сторону его свойства. Однако требования к металлическим изделиям со стороны промышленности настолько велики и многообразны, что обойтись только внутренними резервами нельзя. Приходится звать на помощь других членов обширной семьи химических элементов.

Друзья и враги железа

Не всегда нужно, оказывается, чтобы свойства стали были одинаковы по всему объему изделия. Например, колеса железнодорожных вагонов или шестеренки различных механизмов должны сочетать в себе два, казалось бы, противоположных качества — вязкость и твердость. Правда, твердой должна быть лишь поверхность таких изделий, самые внешние слои металла, которые как раз и подвергаются максимальной нагрузке и должны противостоять истиранию.

Такие изделия изготовляют из вязкой малоуглеродистой стали, а затем подвергают их поверхность цементации: нагревают готовую деталь в присутствии угля и окиси углерода при 900 градусах. В этих условиях углерод начинает проникать в металл, но происходит это лишь с поверхности. В результате слой металла толщиной в 0,5–2 миллиметра становится твердым при сохранении вязкости внутренних слоев металла.

При нагревании стального изделия до 500 градусов в присутствии аммиака поверхность насыщается азотом. При этом образуется нитрид железа Fe₄N, вещество настолько твердое, что оно делает поверхность очень прочной, хотя толщина этой «брони» совсем невелика. Такой процесс называется азотированием.

Бериллиды железа, образующиеся при нагревании детали в порошке бериллия, не только повышают в 1,5–2 раза прочность стали, но и защищают ее от окисления при высоких температурах. При борировании стали ее прочность возрастает втрое.

Часто для улучшения свойств стали изделия покрывают тонким слоем другого металла. Делать это можно разными путями.

Так, хромировать сталь можно электролитическим путем. При этом толщина образующегося слоя хрома составляет всего 0,005 миллиметра, но этого уже достаточно, чтобы значительно увеличить стойкость изделия.

Никель можно нанести на сталь еще проще: для этого деталь погружают в нагретый раствор солей никеля. Железо, как более активный металл, вытесняет никель, который и осаждается на поверхности детали. Никелированные изделия хорошо работают при повышенных температурах.

Очень тонкие и прочные покрытия можно получить электроискровым методом. Стальное изделие присоединяют к источнику тока, к его поверхности приближают другой электрод, сделанный из металла, который хотят нанести на сталь. Вспыхивает разряд, и мельчайшие частицы металла-защитника начинают распыляться и оседать на поверхности обрабатываемой детали. Этим методом можно наносить на поверхность также углерод и твердые сплавы, причем в последнем случае прочность детали возрастает в десятки раз.

До сих пор речь шла о поверхности стальных изделий и улучшении ее свойств элементами — помощниками железа. Поистине неисчерпаемым арсеналом различных ценнейших свойств обладают многочисленные сплавы на основе железа. Их обычно приготовляют из ковкого железа, добавляя к нему в мартенах или электропечах другие элементы в строго рассчитанных количествах.

Для введения в сталь хрома, молибдена, вольфрама обычно добавляют в печь не сами эти элементы, а их сплавы с железом, так называемые ферросплавы. Феррохром, например, содержит 60 процентов хрома, ферромолибден — до 75 процентов Mo.

Сейчас влияние добавок в сталь тех или иных элементов достаточно хорошо изучено, поэтому часто можно заранее предвидеть, как повлияет на свойства стали та или иная присадка.

Так, добавка в сталь кремния увеличивает ее эластичность, а марганца — вязкость и сопротивление удару.

Сталь, содержащая вольфрам, приобретает необычайную прочность, сохраняющуюся при высоких температурах. А это очень важно, так как при высоких скоростях резания металла резец от трения раскаляется, и если он сделан из обычной стали, то теряет при этом свою твердость. Но для вольфрамовой стали, которую так и называют — «быстрорежущей», такое разогревание не страшно: она по-прежнему остается твердой. В состав такой стали, кроме вольфрама (18 процентов), входит хром (4 процента) и ванадий (1 процент).

Аналогично действует добавка к стали бора. А ниобий делает сталь особенно пригодной для изготовления электродов электросварочных аппаратов: шов при этом получается прочный и чистый.

Совместное присутствие в стали вольфрама, молибдена и ванадия обеспечивает настолько высокую прочность сплава, что его используют для изготовления танковой брони (а также для изготовления головок снарядов, пробивающих эту броню).

Очень интересно влияние ванадия на свойства стали. Роль присадки при этом двояка: карбиды ванадия, включенные в структуру стали при плавке, резко увеличивают ее прочность. Кроме того, ванадий является так называемым модификатором. Что это значит? Дело в том, что ванадий связывает и удаляет из металла в виде шлака растворенные в стали газы — азот и кислород, поэтому сталь приобретает более плотную, мелкозернистую структуру. В результате повышается выносливость изделий.

В качестве модификаторов используют также элементы второй группы периодической системы — магний и стронций. Стронций связывает серу и фосфор, так что содержание этих вредных примесей в стали уменьшается в два-три раза (сера) и в десять раз (фосфор).

Улучшает качество стали и добавка циркония. А хром сообщает стали высокую устойчивость против коррозии. Так, в состав нержавеющей стали входит 18 процентов хрома и 9 процентов никеля. Из такой стали изготовлены многие ответственные детали машин, химической аппаратуры, а также корпуса подводных лодок. Сплав, содержащий 35 процентов никеля и 8 процентов хрома (элинвар), очень упруг, поэтому он используется для изготовления различных пружин, в том числе часовых.

Из других сплавов на основе железа упомянем еще обладающий очень малым коэффициентом расширения сплав инвар, содержащий 36 процентов Ni, 0,5 процента Mn и 0,5 процента С. Такой сплав очень нужен для изготовления точных приборов. Из него можно делать различные эталоны и калибры. Инвар может заменить гораздо более дорогой сплав платины и иридия, обладающий теми же свойствами.

А сплав, содержащий 46 процентов никеля и 0,15 процента С, успешно заменяет дорогостоящую платину, которая когда-то считалась незаменимой во всех случаях, когда нужно было впаять металл в стекло, — ведь у платины и у стекла очень близкие коэффициенты расширения. У нашего сплава, который поэтому и называется «платинит», такой же коэффициент расширения, но значительно более низкая стоимость.

Вы видите, как много у железа помощников. Но иногда железо и его помощники, так сказать, меняются местами. Тогда уже железо служит в качестве добавки к другим металлам. Так, в широко известный сплав нихром, применяемый для изготовления спиралей электронагревательных приборов, железо входит в количестве 16 процентов. Основу же сплава представляют никель (67,5 процента) и хром (15 процентов), как это видно и из названия сплава.

Широко известно замечательное содружество железа с бетоном в железобетонных конструкциях. В них сочетаются положительные качества того и другого материала и в значительной степени устраняются те недостатки, которыми обладают бетон и железо в отдельности.

Много у железа друзей. Но есть у него и враги. Нельзя не вспомнить, что сера и фосфор резко ухудшают свойства металла, делая его ломким. Справедливости ради отметим, что небольшие количества фосфора в чугуне даже полезны, так как улучшают литейные качества чугуна. Врагами железа являются агрессивные химические вещества. Химические воздействия окружающей среды, разрушающие металл, называют коррозией. Коррозия — страшный бич техники, ведь она уносит ежегодно до 35 процентов всего добытого за это же время металла!

Что является причиной коррозии? В воздухе всегда находится некоторое количество CO₂, а также кислородных соединений серы, образующихся при сгорании топлива. Это наряду с действием влаги и кислорода приводит к разрушению железных кровель, железных дымовых труб и т. д. Это пример газовой коррозии. Такая коррозия разрушает железные предметы на химических предприятиях, на которых воздух содержит следы таких активных веществ, как хлористый водород, окислы азота.

Разумеется, в еще большей степени корродируют стальные трубы, по которым на химических предприятиях транспортируются различные агрессивные жидкости. Из-за этой химической коррозии приходится такие трубы делать из специальных материалов: из различных сплавов, из пластмасс и т. д.

Самый жестокий враг железа — это всем известная «безобидная» вода. Наибольшее количество железа уносит именно влажная коррозия, происходящая при контакте металлических предметов с водой или с водяными парами. Сущность ее состоит в вытеснении водорода из воды железом:

Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂

Такая реакция похожа на реакцию железа с кислотами, но, конечно, кислоты, диссоциируя в растворах, дают значительно больше ионов водорода, поэтому химическая коррозия идет гораздо быстрее.

Как и в случае других химических реакций, коррозия будет идти быстрее, если образовавшиеся продукты реакции связывать какими-либо способами. Понятно, что углекислый газ, связывая ионы железа, способствует коррозии:

Fe²⁺ + CO₂ + H₂O = FeCO₃ + 2H⁺

Такую же роль играет и кислород воздуха, который, связывая выделяющийся при коррозии водород, способствует ей. Кроме того, кислород, снимая водород, защищающий поверхность железа (деполяризация), таким путем также ускоряет коррозию. Наконец, кислород окисляет двухвалентное железо до трехвалентного. Общий результат процессов, протекающих при влажной коррозии, можно выразить уравнением:

4Fe + 2H₂O + 3O₂ = 2(Fe₂O₃·H₂O).

Таким образом, ржавчина представляет собой водную окись железа.

Почему же химически чистое железо гораздо устойчивее к коррозии, чем обычный технический металл? Это станет понятно, если мы будем рассматривать коррозию как процесс электрохимический.

Вспомним, что при контакте двух металлов, отличающихся между собой по легкости отдачи валентных электронов, то есть по активности, возникает разность потенциалов, причем менее активный металл становится электроотрицательным, а более активный — электроположительным. Если в воде есть хотя бы небольшое количество электролитов, в ней образуется гальванический элемент: водород выделяется на менее активном металле, а более активный металл разрушается. Чистые же металлы не образуют гальванических микроэлементов, поэтому они и устойчивее.

Однако гальванический микроэлемент образуют не только два металла. Так, при ржавлении обычной углеродистой стали образуется гальванический микроэлемент, в котором железо служит катодом и потому разрушается, а роль анода выполняет карбид железа — цементит. Гальванический микроэлемент может образоваться и в том случае, если на поверхности металла есть загрязнения: пыль, кусочки угля и т. п.

Известно, что для защиты железа от коррозии изделие покрывают цинком (цинкуют) или оловом (лудят). При нарушении защитного слоя (царапины, трещины и т. п.) процессы коррозии идут по-разному. В первом случае разрушается цинк — ведь он более активен, чем железо, а во втором — железо, так как олово менее активный металл.

По той же причине при нарушении никелевых покрытий разрушается также железо, а менее активный никель сохраняется. В этом отношении красивые никелированные изделия-«аристократы» явно проигрывают перед обычными, совсем не блестящими оцинкованными ведрами…

Поскольку для образования гальванического микроэлемента нужен раствор электролита, то особенно интенсивно идет коррозия в соленой морской воде, ведь в ней растворено много солей. Но даже в относительно чистую дождевую воду из запыленного воздуха попадает достаточно веществ, чтобы обеспечить образование гальванической пары, а значит, и коррозии.

Процессы коррозии, с которыми мы лишь коротко познакомились, чрезвычайно сложны. Поэтому, несмотря на усилия большого числа ученых, многое в ней еще не выяснено, и существующие теоретические положения нередко являются спорными. Но наука непрерывно развивается, с каждым днем накапливаются все новые и новые данные, которые позволяют все правильнее и точнее представить себе процессы, происходящие при коррозии, и научиться управлять ими.

Каковы же средства защиты от коррозии? Прежде всего нужно стремиться к получению однородной поверхности. Полированные поверхности подвержены коррозии в минимальной степени, ведь на них мало механических неоднородностей, способствующих неравномерному окислению и образованию гальванических микроэлементов. По той же причине следует очищать изделия от пыли.

Там, где это возможно, нужно предохранять металл от попадания на него влаги. Простейший способ такой защиты — смазка железных предметов маслами, слой которых не пропускает к поверхности влагу и кислород. Часто изделия из железа красят, или лакируют, или, как мы уже говорили, лудят, цинкуют, никелируют.

Мы уже знакомы и с хромированием стали. Устойчивость хромированных изделий против коррозии объясняется тем, что хром очень быстро покрывается на воздухе тончайшим слоем плотной и однородной окиси Cr₂O₃, которая не пропускает к металлу влагу и кислород и потому надежно пассивирует его.

К сожалению, окислы самого железа пассивируют металл, лишь если они получены в специальных условиях. Как правило же, окислы на поверхности железа настолько рыхлы, что не препятствуют дальнейшему ржавлению.

При длительном нагревании металлических изделий в концентрированном растворе селитры со щелочью поверхность их темнеет вследствие образования защитной пленки окисла. Такой процесс пассивирования железа называют воронением. Очень прочные защитные пленки получаются при фосфатировании поверхности фосфатами железа и марганца.

Изучив электрохимические процессы, происходящие при ржавлении, люди нашли остроумные методы борьбы с коррозией. Например, если у днища судна закрепить цинковую пластину и соединить ее с корпусом, то, как мы уже знаем, цинк будет растворяться, а стальной корпус останется невредимым.

Упорные поиски ведутся для того, чтобы найти вещества, замедляющие коррозию, отрицательные катализаторы коррозии (ингибиторы). Такими веществами служат, например, хромат натрия и органические вещества формалин и уротропин. Проблема борьбы с коррозией продолжает оставаться важнейшей научной проблемой и привлекает к себе большие научные силы.

«Железный век» продолжается

Железо знакомо человеку с глубокой древности, однако лишь сравнительно недавно люди научились использовать не только «готовое» железо, попадавшее на Землю в виде метеоритов из космоса, но и выплавлять его из руды. Введение изделий из железа в трудовую практику людей вместо меди и бронзы произвело такой значительный переворот, что большой период в жизни человечества назван «железным веком».

Время, в которое мы с вами живем, часто называют веком пластмасс, иногда — веком алюминия, но уже редко говорят «век железа». А напрасно!

Судите сами. Подсчитано, что за всю историю человечества люди извлекли из недр Земли несколько миллиардов тонн железа. И большая часть этого количества поставлена на службу человеку в течение последних ста лет.

За это время люди стали использовать много новых материалов, в том числе алюминий, титан, вольфрам, ванадий, пластические массы и т. д. Но в то же время с каждым годом увеличивается и производство железа. Если в 1900 году во всем мире было получено около 42 миллионов тонн железа, то в 1940 году — уже 105 миллионов тонн. А лет через 7–8 такое количество железа будет давать одна только наша страна. Ведь уже в 1965 году семилетний план предусматривает выплавку в нашей стране до 91 миллиона тонн стали.

Программа коммунистического строительства, принятая XXII съездом Коммунистической партии, намечает довести выплавку стали в 1980 году до 250 миллионов тонн. Много ли это? Судите сами: каждую минуту промышленность будет давать около 500 тонн стали — 100 тракторов в минуту!

Конечно, царство железа сужается с введением в технику новых материалов. И это закономерно: каждый материал должен работать с максимальной пользой именно там, где это целесообразно. В воздух железо «не пустят» алюминиевые и магниевые сплавы. И в космосе, по-видимому, железо будет встречаться, как и тысячи лет назад, лишь в виде метеоритов; для создания космических кораблей железо, по-видимому, не годится по своим свойствам. Да и на Земле у железа сейчас много соперников: в ряде изделий его заменяют алюминием и пластмассами. Большие перспективы перед недавно освоенными металлами: титаном, который, в частности, гораздо меньше боится коррозии и потому «живет» более ста лет; ванадием, бериллием и другими, — о них будет речь в следующей главе.

Но при всех своих неоспоримых преимуществах все эти металлы имеют один важнейший недостаток: они дороги, и их добыча выражается в цифрах, которые трудно сравнивать с теми же цифрами для железа, — так, ванадия добывается сейчас примерно в 20 тысяч раз меньше, чем железа, и лишь в 5 раз больше, чем золота. А 90 процентов всей добычи вольфрама используется для выплавки стали на основе железа, так как иначе изделия из него были бы непомерно дороги.

В настоящее время на долю железа приходится 94 процента общего количества используемых в технике металлов. Все это позволяет утверждать, что техника еще долго будет развиваться по пути разумного сочетания новых материалов со старым и испытанным металлом — железом.

И люди всей нашей планеты хотели бы лишь в одной области своей жизни уже сегодня покончить с железом и его спутниками раз и навсегда, хотели бы, чтобы все грандиозное количество железа, которое ежегодно расходуется на производство оружия, было отдано в переплавку и вернулось к людям в виде плугов и станков, тракторов и автомобилей. Советские люди делают все для того, чтобы это время наступило как можно скорее и чтобы упоминание о железе, как о главном металле войны, стало достоянием истории. Но пока такое время не наступило, пока враги мира из империалистического лагеря не хотят кончать «железный век» в отношениях между людьми, железо будет надежно стоять на страже нашего мирного труда и безопасности всех народов.

Академик Ферсман писал: «Будущее за другими металлами, а железу будет отведено почетное место старого, заслуженного, но отслужившего свое время материала. Но до этого будущего еще далеко… Железо пока — основа металлургии, машиностроения, путей сообщения, судостроения, мостов, транспорта…»

Нельзя не согласиться с этими словами. Во всяком случае, Его Величество Железо наверняка надолго переживет самого последнего короля на нашей планете.

Тогда произошла бы катастрофа поистине космического масштаба. «…На улицах стоял бы ужас разрушения: ни рельсов, ни вагонов, ни паровозов, ни автомобилей… не оказалось бы, даже камни мостовой превратились бы в глинистую труху, а растения начали бы чахнуть и гибнуть без живительного металла.

Разрушение ураганом прошло бы по всей земле, и гибель человечества сделалась бы неминуемой.

Впрочем — человек не дожил бы до этого момента, ибо, лишившись трех граммов железа в своем теле и в крови, он бы прекратил свое существование раньше, чем развернулись бы нарисованные события…» — так писал академик Ферсман.

Если верна гипотеза о существовании железного ядра Земли, то исчезновение железа означало бы гибель нашей планеты.

Понятно, что ничего подобного случиться не может, и вся эта картина нарисована А. Е. Ферсманом лишь для того, чтобы подчеркнуть великую роль железа в нашей жизни.

Но этот же вопрос мы можем поставить и на вполне реальную основу. По существу, сознательная деятельность человека ведет к тому, что сконцентрированное в рудных месторождениях и извлекаемое для нужд промышленности железо непрерывно рассеивается по лицу нашей планеты и безвозвратно теряется. Становится понятной тревога ученых о том, что будет, когда истощатся богатые месторождения железа. А их ведь не так уж много на нашей планете. Это обстоятельство и позволяет нам — на сей раз уже вполне серьезно — поставить вопрос, давший название нашей главе о металлах сегодняшнего и завтрашнего дня.

Но это еще не все. До сих пор речь шла о количестве железа. Однако нельзя забывать и о более важной, качественной стороне вопроса. Ведь когда мы говорили, например, о сплавах железа, мы то и дело подчеркивали: этот сплав — прочнее обычной углеродной стали, этот — более жаростойкий, а этот — легкий и не боится коррозии. Все это вместе означает, что по свойствам своим они лучше железа или обычной углеродистой стали.

Значит, поиски новых металлов, идущих на смену железу, связаны со все новыми и новыми требованиями, которые техника предъявляет к качеству используемых ею материалов. Требования эти становятся настолько жесткими, что легированные стали часто уже не могут их удовлетворить.

Для быстрорежущих станков нужны резцы более твердые и жаростойкие, чем лучшие сорта сталей. Для химической промышленности нужны материалы, лучше противостоящие химической коррозии, чем нержавеющие стали… Если мы вспомним, что нержавеющая сталь получалась при добавлении к железу легирующих металлов — таких, как хром и никель, а быстрорежущая — вольфрама, то естественно будет попробовать обратиться именно к этим металлам, чтобы получить материалы лучшие, чем сплавы на основе железа.

Вместе с железом и вместо железа

Элементы, окружающие железо в периодической системе: кобальт, никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий, — вошли в промышленность в основном благодаря железу. Мы уже видели, насколько благотворно влияют даже небольшие добавки этих элементов на качество стали. Вот только один пример: еще в 1907 году получение жаростойкого сплава, содержащего, кроме железа, хром и молибден, позволило увеличить скорость резания металла с 5 до 40 метров в минуту. Скачок производительности в восемь раз не мог не дать «путевку в жизнь» легирующим элементам. Без ванадия не было бы автомобиля, без хрома — нержавеющих сталей. Но самостоятельную, независимую от железа «специальность» эти металлы получили позже.

В 1957 году были достигнуты скорости резания уже в 1500—2000 метров в минуту. Быстрорежущая сталь на основе железа не выдерживала таких скоростей: при работе резец нагревался, его прочность резко снижалась. Были найдены новые сплавы — теперь уже без железа. Таков победит, содержащий карбид вольфрама и кобальт. В наше время уже выплавляются стали, содержащие до 90 процентов молибдена или вольфрама, а сплав, состоящий из кобальта, никеля, хрома и молибдена, противостоит всем кислотам, кроме фтористоводородной.

Нельзя забывать, что каждый из легирующих элементов сам по себе более тугоплавок, чем железо, а у вольфрама нет равных среди металлов: поверхность Солнца имеет температуру всего вдвое большую, чем нужно для того, чтобы расплавить этот металл. Вольфрам прекрасно куется и вытягивается.

Понятно теперь, почему ему была открыта широкая дорога в те отрасли промышленности, где железо уже не смогло бы «работать», например, в электротехнику и радиотехнику.

Эти отрасли потребовали новых материалов. Тонкая вольфрамовая проволочка (0,01–0,5 миллиметра) сияет в миллиардах электрических лампочек, в кенотронах радиоаппаратуры также «работает» вольфрам, из этого металла сделаны контакты большого числа ответственных приборов…

В наше время все названные металлы стали обычными материалами техники. Однако самостоятельно они применяются несравненно меньше, чем в сплавах с железом. Почему же? Да потому, что руд их меньше, содержание металлов в них невысоко, обработка сложнее, чем для железа. Кроме того, чтобы в полной мере использовать полезные свойства каждого металла, нужна очень тщательная очистка их. Например, долгое время хром считали самым твердым, но хрупким металлом. Когда же удалось получить очень чистые образцы его, оказалось, что он достаточно пластичен и ковок. Но такая очистка непомерно удорожает металл. Бесспорно, что по многим своим качествам рассмотренные металлы явно превосходят железо. Однако ни один из них не может равняться с железом по количеству запасов его в природе. А есть ли у железа вообще достойные соперники в этом отношении?

«Крылатый металл»

Алюминий не напрасно называют «крылатым металлом», ведь до 80 процентов веса самолета составляют именно алюминий и его сплавы. Современная авиация — один из главных, хотя и далеко не единственный, потребитель алюминия.

Путь этого металла в просторы воздушного океана был нелегким. Сейчас, когда любая хозяйка ставит на огонь алюминиевую кастрюлю, трудно поверить, что всего лет 70 назад английские ученые в знак глубокого уважения к Д. И. Менделееву преподнесли ему драгоценную алюминиевую вазу, отделанную золотом. Кто бы мог в те времена подумать, что полет первых аэропланов, сделанных из фанеры и парусины, спустя два десятилетия вызовет к жизни целую отрасль современной промышленности, производящую алюминий и другие металлы и легкие сплавы. Многое тогда было трудно угадать… И все-таки наиболее дальновидные ученые, в том числе Менделеев, предсказывали алюминию великое будущее.

Вспомните героев народных сказок… Многие из них совершали сказочные подвиги, побеждали чудовищ, ходили «за тридевять земель, в тридесятое царство», чтобы в конце концов обрести каким-либо чудесным образом «злато-серебро да драгоценные каменья». Таковы мечты, порожденные тяжелой жизнью в вековой нищете и горе.

И совсем иные мечты возникали у тех, кто видел будущее счастье людей в революционном преобразовании их жизни. Вспомните Чернышевского… На Всемирной выставке 1855 года алюминий демонстрировался под названием «серебро из глины» в качестве материала ювелирных украшений, а спустя всего несколько лет русский революционер-демократ, заключенный в Петропавловскую крепость, писал о нем как о металле социализма: «Рано или поздно алюминий заменит собой дерево, а может быть, и камень… Везде алюминий и алюминий!» Нужно ли говорить, насколько прав оказался Чернышевский!

С глины начинается история алюминия в технике. Алюминий — составная часть около 250 различных минералов. Земная кора содержит огромные количества алюмосиликатов, однако из таких соединений извлечь алюминий чрезвычайно трудно. Природа сама «пошла навстречу» человеку: в результате выветривания алюмосиликаты разрушаются, давая залежи глин, содержащих 15–20 процентов алюминия и могущих быть сырьем для получения алюминия. Недаром имя, полученное нашим металлом при его «рождении», было «глиний», и лишь затем он получил свое общепринятое название (от латинского наименования квасцов — «alumen»).

Еще выше содержание алюминия в его главном промышленном минерале — боксите. Боксит представляет собой водную окись алюминия Al₂O₃·xH₂O, к которой примешаны окислы железа и кремнезем. Итак, алюминий в природе более распространен, чем железо. Почему же его использование в технике «опоздало» по сравнению с железом на целые тысячелетия? Все дело в трудности выделения алюминия из его руды.

Если помните, и многие руды железа представляют собой водную окись Fe₂O₃·xH₂O. Но железо довольно легко и в огромных количествах получается при восстановлении руды потому, что кислород в окислах железа удерживается сравнительно непрочно. Совсем иначе обстоит дело у алюминия: трудно найти другой элемент, который бы так же «цепко» удерживал кислород в своем окисле.

Принято считать — и это совершенно справедливо, — что щелочные металлы обладают самой большой активностью. Но даже они не в силах «отобрать» кислород у алюминия. Поэтому первый путь, который в 1827 году привел к получению металлического алюминия, был очень сложен: окись алюминия при нагревании с углем в струе хлора превращалась в летучий хлорид, который затем восстанавливался калием или натрием. Насколько такой путь сложнее, чем получение железа!

Впоследствии этот способ был несколько усовершенствован: стали подвергать электролизу комплексное соединение NaCl·AlCl₃. Выделяющийся при этом натрий сразу вытеснял алюминий из хлорида.

В то же время были сделаны первые попытки получить металл в электрических печах при высоких температурах. Окончательный толчок развитию этого метода был дан применением криолита Na₃AlF₆. Метод оказался удачным. Но… как бы хорош он ни был, он не мог применяться в широких масштабах: на выплавку тонны алюминия нужно около 20 тысяч киловатт-часов электроэнергии. Ясно, что веком алюминия мог стать лишь век дешевой электроэнергии.

Но дело не только в этом: техника еще не нуждалась в этом новом материале. Поэтому вначале, как только был получен сравнительно недорогой металл, он, по образному выражению А. Е. Ферсмана, начал с того, что… «завоевал кухню» — легкий, устойчивый и легко обрабатываемый металл стал материалом кухонной утвари.

Если же говорить всерьез, то первой предъявила требование на алюминий авиация. Затем он стал теснить медь в качестве материала для электрических проводов, пришел в автомобильную промышленность и машиностроение. Вот несколько цифр: через 50 лет после его «рождения», в 1885 году, в год выплавлялось 13 тонн алюминия. Еще через 50 лет, в 1935 году, его добыча выросла до 260 тысяч тонн в год. А в 1957 году было получено 3,5 миллиона тонн металла, прочно ставшего на второе место после железа.

Что такое электроны?

Широко распространены сплавы алюминия, в которые входит другой легкий металл — магний. Удельный вес его — всего 1,74; поэтому применение магния должно еще в большей степени позволить выиграть «битву за килограммы».

К сожалению, магний сам по себе малоустойчив. Поэтому в отличие от алюминия чистый магний не годится для инженерного дела. А вот сплавы магния — прекрасный материал, потому что при весе на 30 процентов меньшем, чем у алюминия, они отличаются выдающимися качествами: они прочны, если в них присутствуют цинк и алюминий, устойчивы против коррозии, если в них добавлен литий или марганец. Сплавы на основе магния как раз и получили название электронов; конечно, они не имеют отношения к элементарной частице того же названия. Магниевые сплавы, как и алюминий, защищают себя броней окисла. Для работы при температурах в 300–350 градусов магний легируют торием или редкоземельными элементами. Такие сплавы используются в ракетостроении и скоростной авиации.

В природе есть большое количество месторождений минералов, содержащих магний. Это уже знакомые нам магнезит и доломит, обжигом которых получают окись магния. Ее можно восстановить углем или кремнием при высоких температурах в струе водорода. При этом выделяется порошок магния высокой чистоты. Но в нашей стране основная часть этого металла (как и алюминия) вырабатывается электролизом расплавленного хлорида магния, полученного при комплексной переработке карналлита KCl·MgCl₂·6H₂O, добываемого в больших количествах в Соликамске.

Совершенно неисчерпаемым источником магния, который природа непрерывно пополняет, служит вода океанов, содержащая, как подсчитано, 10¹⁶ тонн этого металла. Каждый кубический метр морской воды в виде солей содержат 3,5 килограмма магния. Если добавить к морской воде Ca(ОН)₂, образуется осадок малорастворимых основных хлоридов магния. Из этого осадка действием соляной кислоты извлекают MgCl₂, который после высушивания поступает на электролиз. Чтобы расплавленный металл не окислялся, над его поверхностью пропускают водород. Одновременно образуется другой ценный химический продукт — хлор.

Давно прошли времена, когда магний имел очень ограниченное применение (например, в качестве «вспышки» в фотографии). В наше время магний широко используется не только в виде сплавов, но и помогает металлургам получать многие ценные металлы. И если в 1938 году мировое производство магния составляло лишь 22 тысячи тонн (без СССР), то в 1956 году оно выросло до 75 тысяч тонн и продолжает увеличиваться.

В нашей стране за семилетие втрое возрастет производство алюминия. А впереди новые и новые горизонты. На очереди стоит задача найти методы термического получения алюминия прямо из алюмосиликатов. Особенно выгоден этот процесс для приготовления сплавов силуминов (ведь сырье как раз и содержит вместе кремний и алюминий). Трудно называть точные сроки, но рано или поздно человек овладеет методом, который позволит, образно говоря, переплавлять горы в алюминий…

Металл, который не устает

Свойства этого металла не могут не привлечь внимания: он так же легок, как магний, но вдвое более тугоплавок, не корродирует до температуры в 400 градусов, более упруг, чем сталь. Этот металл — бериллий.

Есть у бериллия и качества, по которым у него нет соперников. Прежде всего способность очень хорошо замедлять быстрые нейтроны. Это делает его важным материалом в конструкциях атомных реакторов.

Любопытно и другое свойство бериллия. Звук пробегает в воздухе 330 метров в секунду, в воде — 145 метров в секунду. В бериллии звук побивает все рекорды, пробегая в секунду 12 500 метров. Предметы, изготовленные из бериллия, прекрасно звучат. Интересно, что это свойство приобретают и сплавы меди, содержащие 0,5–1,3 процента бериллия.

Но, разумеется, не звонкость этих сплавов привлекает технику. Гораздо важнее, что добавка 3–4 процентов бериллия к меди делает сплав твердым, упругим, а главное — не знающим усталости, выдерживающим многократные переменные нагрузки. Такие сплавы — бериллиевые бронзы — способны закаливаться и не корродируют.

И еще одна замечательная способность: такие сплавы не искрят. Кому приходилось наблюдать работу точильного камня, тот помнит, какой веер искр разбрасывают стальные предметы при трении о точило. При работе стальные инструменты, ударяясь друг о друга и о камни, тоже дают искры. Обычно на них не обращают внимания. Но есть производства, где искра может вызвать взрыв, и ошибаются те, кто думает, что она опасна лишь на пороховых складах… В шахте, на нефтебазе и даже на мельнице или сахарном заводе — если воздух содержит мелкую пыль, например муки, — существует опасность взрыва. Там инструменты из бериллиевых неискрящих сплавов незаменимы.

А какие перспективы вызывает возможность получения сплавов лития и бериллия! Союз двух легчайших металлов, может быть, приведет к рождению сплавов, не тонущих в воде…

Элемент, оправдывающий свое название

Бывает так: назовут иные родители своего сына Гением, а дочь Идеей, а вырастают из них самые что ни на есть обыкновенные люди, быть может, даже не слишком умные и без особых идей.

Нехорошо? Конечно.

Металл, о котором сейчас пойдет речь, был впервые выделен Берцелиусом в 1824 году и получил ко многому обязывающее имя «Титан».

Мифологические титаны спорили с богами, а один из них, Прометей, как рассказывает мифология, принес людям огонь… Но что дает людям металл титан, достоин ли он своего громкого имени? Если бы об этом зашла речь лет 20 назад, то такой вопрос вызвал бы только улыбку: применялись тогда лишь некоторые соединения титана, да и то далеко не на магистральных направлениях науки и техники. В небольших масштабах использовался титан в качестве легирующего элемента.

Причина такого невнимания достаточно ясна: без этого металла можно было обходиться. В химической промышленности работали нержавеющие стали, свинец и другие «обычные» и давно известные элементы. «Летал» тогда алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы.

Но скорость самолета неуклонно росла, а когда она приблизилась к скорости звука, возникли трудности. Чтобы перейти этот «звуковой барьер», нужны были новые материалы — легкие, как алюминий, но гораздо более прочные. Реактивная авиация потребовала металлы, сочетающие легкость с жаростойкостью, нужные для изготовления реактивных двигателей. Жаропрочные материалы техника имела: вольфрамовые, молибденовые, хромовые стали были в достаточном количестве. Но вот легкие…

Тут-то и пришел час титана. Ведь он как раз сочетает высокую точку плавления (1725 градусов) с низким удельным весом (около 4,5). Всего в полтора раза тяжелее алюминия, он прочнее его в шесть раз. Чтобы сравнить прочность титана с прочностью железа и алюминия, скажем, что если для удержания некоторого груза достаточно титановой проволоки сечением в 1 миллиметр, то стальная должна быть в полтора, а алюминиевая — в 2,6 раза толще.

Титан хорошо куется и поддается другим видам обработки. Он обладает замечательной устойчивостью против коррозии. Прежде чем использовать какой-нибудь металл в технике, его буквально «истязают», подвергают жесточайшим испытаниям: разрывают на части, дробят, «варят» в кислотах и щелочах, подвергают чудовищным нагрузкам… Титан успешно прошел «огонь и воду». Пластинка из титана, помещенная в морскую воду, за 10 лет (срок, за который от такой же железной пластинки осталось бы одно воспоминание) совершенно не изменилась. В обычной воде титан корродирует лишь при температурах около 800 градусов. На воздухе титан устойчив до 600 градусов. При дальнейшем нагревании он защищается, образуя пленку окисла. Но при очень высокой температуре металл начинает поглощать газы — кислород, азот — и соединяться с серой и углеродом.

Эта особенность титана является, вообще говоря, его недостатком. Но именно она положила начало использованию титана в металлургии: добавляя титан в сталь, заставили его связывать растворенные в ней газы и тем улучшать ее структуру. Между прочим, мы теперь видим, что почти все новые металлы начинали свою «работу» в технике в союзе с железом и лишь потом выходили на самостоятельный путь…

Итак, при высоких температурах титан поглощает газы. Одновременно он становится тверже, но уменьшается его пластичность.

Великолепны свойства сплавов титана с нашими старыми знакомыми — молибденом, хромом, вольфрамом, ванадием — и с новыми металлами — цирконием, ниобием, танталом. Сплав титана, содержащий 5 процентов хрома и 3 процента алюминия, вдвое прочнее и в полтора раза легче нержавеющей стали. При 500 градусах прочность его выше, чем у нержавеющей стали при комнатной температуре. Соединяясь с углеродом, титан образует очень твердый карбид, использование которого в резцах позволяет в десятки раз увеличить скорость резания.

Широкое применение имеют и другие соединения титана. Вот одно из них — окисел TiO₂. Это белая краска и материал для керамической промышленности. Это соединение — компонент тугоплавких стекол и катализатор некоторых реакций. Только в качестве белил ежегодно используют до 200 тысяч тонн этого вещества.

Запасы титановых руд в природе велики. Это титаномагнетиты, содержащие вместе железо, титан и ванадий, минерала ильменит (железная соль титановой кислоты FeTiO₃) и рутил TiO₂.

Подготовка исходного сырья для производства титана сводится к получению его двуокиси. Дальше TiO₂ восстанавливают углеродом в струе хлора, получая четыреххлористый титан:

TiO₂ + С + 2Cl₂ = TiCl₄ + CO₂.

Чтобы из этого соединения выделить сам металл, действуют на него металлическим магнием, который и «забирает» хлор, давая титан в виде губчатой массы:

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂.

Чтобы получить компактный металл, эту массу нужно переплавить. Процесс ведут или в вакууме, или в атмосфере инертного газа — аргона, чтобы не ухудшать свойств металла из-за поглощения им азота и кислорода из воздуха. И все-таки полученный таким образом металл не раскрывает всех своих способностей из-за недостаточной чистоты. Поэтому приходится дополнительно очищать его. Особенно чистый металл получают йодидным методом, имеющим большое значение в производстве не только титана, но и циркония и других новых металлов.

Выделенный из хлорида металл… превращают в йодид. Какой в этом смысл? А вот какой. Образовавшийся при 300 градусах TiJ₄ легколетуч, поэтому он возгоняется в вакууме. На своем пути пары TiJ₄ встречают раскаленную (1400 градусов) проволочку из титана. При такой температуре йодид разлагается, давая титан и йод. Чистый титан оседает на проволочке, а йод снова возвращают в процесс, и он переносит «на своих плечах» следующую порцию металла. Температуру возгонки регулируют, чтобы испарялся только йодид титана, а другие йодиды оставались на дне аппарата. Как видите, процессы сложные, требующие — в промышленных масштабах! — применения вакуума, инертного газа, объемистой аппаратуры, способной противостоять такому агрессору, как хлор… Не удивительно, что если стоимость руды принять за единицу, то стоимость готового чистого металла чуть ли не в 500 раз выше. Дорого? Да. Однако уже сегодня к титану не применима известная пословица: «Мал золотник, да дорог». Дорог пока — это верно. Но не мал. Помните, каким бурным был рост производства алюминия? Так вот, производство титана растет втрое быстрее.

Титан прочно «стал на ноги» в современной технике. Но жизнь не стоит на месте. На дорогу, ведущую из области редких элементов в область обычных материалов техники, становятся новые замечательные материалы.

Новые металлы на старте

В семействе тугоплавких металлов не последнее место занимают элементы-близнецы цирконий и гафний. Оба они — аналоги титана, поэтому любой из вас, даже не знакомый до сих пор с этими металлами, легко поверит, что они должны обладать не менее замечательными свойствами, чем титан.

Интересна история этих элементов. Цирконий был открыт очень давно — в 1789 году, гафний же, всегда «сопровождавший» его и в природе и в лабораторных препаратах, оставался незамеченным в течение более 130 лет благодаря чрезвычайной схожести с цирконием. О причине этой схожести — так называемом «лантаноидном сжатии» — будет сказано ниже.

Еще лет 20 назад цирконий использовали в очень небольших количествах, да и то в виде двуокиси ZrO₂, служившей хорошим огнеупорным материалом. Металлический цирконий использовался мало (в качестве ценного, но слишком дорогого легирующего элемента). К жизни этот металл был вызван развитием ракетостроения и атомной техники.

Минералами циркония являются циркон ZrSiO₄ и баддалеит ZrO₂. Встречаются они в значительных количествах, причем в месторождениях, кроме циркона и баддалеита, часто содержатся также рутил, ильменит, редкоземельные элементы и торий в виде окислов.

Задача разделения их — нелегка. Многие минералы, как известно, можно разделить по удельному весу, подбирая такие растворители, в которых одни всплывают, другие остаются на дне. Здесь этот метод не годился: удельные веса компонентов слишком близки. Изучение свойств составных частей сложной смеси минералов, содержащих цирконий, дало решение проблемы: все они обладают разными магнитными свойствами. Это позволило применить магнитную сепарацию.

Концентрат циркона, содержащий лишь небольшие количества примесей, частично используется в керамической промышленности, частично в качестве огнеупоров. Из него же выплавляют и металлический цирконий. Темпы роста производства циркониевых концентратов очень велики — от 4500 тонн в 1940 году до 90 000 тонн в 1955 году и 143 тысяч тонн в 1959 году (без СССР). Выплавка металла, составляющая в 1955 году около 1000 тонн, к 1959 году выросла втрое.

Металлический цирконий получают так: смесь циркона спекают при 650–670 градусах с кремнефтористым калием. При этом выделяется SiO₂, a Zr занимает место кремния: ZrSiO₄ + K₂SiF₆ = 2SiO₂ + K₂ZrF₆. Полученную соль растворяют в воде, а затем кристаллизуют. Эту соль можно восстановить металлическим натрием или, превратив в ZrCl₄, выделить металлический цирконий действием магния.

Очищают цирконий, как и титан, йодидным методом. Впрочем, оговоримся сразу: таким методом цирконий нельзя очистить от его «тени» — гафния, который на протяжении всего описанного процесса следует за ним.

Примесь гафния — от 1 до 3 процентов — иногда не мешает использованию циркония. Ведь если говорить об устойчивости против коррозии, то она велика у обоих «близнецов». Механические свойства также примерно одинаково хороши. Однако в атомной промышленности, которая как раз предъявляет заявку на цирконий и его сплавы, примесь гафния сводит на нет все замечательные качества циркония: если последний практически «прозрачен» для инициаторов ядерной реакции — нейтронов, то гафний жадно поглощает их, и атомная промышленность требует тщательного отделения гафния.

В настоящее время эта сложнейшая задача успешно решена наукой и техникой.

Гафний наряду с цирконием используется в радио- и рентгенотехнике и атомной промышленности, однако неизмеримо меньше. Мировое производство гафния в 1959 году составляло лишь 30 тонн.

Теперь нам предстоит познакомиться еще с одной парой «близнецов» — с ниобием и танталом.

История открытия ниобия очень интересна. Настоящие ученые всегда немного поэты. Правда, в строгих рамках научных статей это увидеть трудно. Но вот перед нами письмо, написанное одним знаменитым химиком другому по поводу открытия нового элемента, который мы теперь называем ниобием.

Берцелиус — Вёлеру:

«Посылаю тебе обратно твой X, который я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. „Ты титан?“ — спрашивал я. Он отвечал: „Вёлер же тебе сказал, что я не титан“. Я также установил это. „Ты цирконий?“ — „Нет, — отвечал он. — Я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля“. — „Ты олово?“ — „Я содержу олово, но очень мало“. — „Ты тантал?“ — „Я с ним родствен, — отвечал он. — Но я постепенно растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым“. — „Ну что же ты тогда за дьявольская вещь?“ — спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: „Мне не дали имени“. Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос…»

Если тантал начал входить в технику довольно давно (именно из тантала делали спирали электролампочек, пока его не вытеснил более дешевый вольфрам), то ниобий долгое время считали лишь вредной примесью к танталу. Получался парадокс, один из тех, которыми так богата история техники: ниобий более распространен, чем тантал, а добывали его намного меньше. Большие количества ниобия выбрасывали в отвал при добыче не только тантала, но и олова. Так были созданы руками людей настоящие залежи ниобиевых руд, которые впоследствии стали перерабатывать.

Ниобий привлек внимание лишь лет 20 назад, когда выяснилось облагораживающее влияние небольших добавок его на стали. И если в 1936 году во всем мире было всего 30 килограммов металла, то производство 1943 года достигло 1100 тонн и неуклонно растет. Подобно цирконию, для получения ниобия и тантала можно восстанавливать натрием их комплексные соли.

Можно идти и по пути, проложенному алюминием: подвергать электролизу смесь K₂TaF₇ и Та₂O₅.

Нужно сказать, что, подобно титану и цирконию, ниобий и тантал сильно поглощают газы при нагревании. Все эти элементы используют в качестве геттеров, нанося их на детали радиоламп. При откачивании таких ламп вакуум-насосами в них все же остается некоторое количество газов, мешающих работе. Геттеры, поглощая эти газы, обеспечивают в лампах очень высокий вакуум. Так, тантал при 800 градусах способен поглотить 740 объемов газов!

Из-за этого свойства и из-за большой тугоплавкости обработку этих металлов ведут методами порошковой металлургии: порошок их прессуют и спекают в вакууме ниже температуры плавления, проковывают, затем снова спекают и подвергают холодной обработке.

Что же определяет ценность наших металлов в технике? Если сказать коротко — уникальность свойств ниобия и тантала, особенно последнего.

Мы не имеем возможности даже коротко рассказать обо всех многообразных применениях ниобия и тантала и их соединений (это касается, конечно, и других металлов, о которых шла речь). Поэтому отметим свойства, по которым наши металлы не имеют себе равных.

Наверно, вам уже прожужжало все уши слово «коррозия». Но не случайно мы упоминали о ней, говоря почти о каждом металле, потому что борьба с коррозией — одна из важнейших проблем техники.

Металлы по их стойкости к коррозии приблизительно располагаются так:

Подъем на каждую следующую ступеньку означает огромную победу техники. И на вершине этой лесенки по праву стоит тантал. Судите сами: он не боится хлора, не растворяется в кислотах, включая «царскую водку», как известно, потому и названную так, что против нее не может устоять даже «царь металлов» — золото.

Тантал выдерживает чудовищные испытания: при 200 градусах в 70-процентной азотной кислоте он не корродирует вовсе, а в серной кислоте — только на 0,4 миллиметра в год. Совсем не действуют на него соляная и фосфорная кислоты и другие агрессивные вещества.

Не удивительно, что за последние 20 лет использование тантала в химическом машиностроении выросло в 13 раз. На заводах по производству соляной кислоты аппаратура из тантала работает без ремонта больше 20 лет.

Ниобий менее устойчив, однако для некоторых целей он даже более пригоден, чем тантал. Очень интересно, что при использовании ниобия для изготовления аппаратуры и трубопроводов в производстве соляной кислоты он не просто устойчив и потому хорош: он катализирует реакцию, так что выход соляной кислоты при прохождении через систему увеличивается.

У тантала есть еще одна уникальная специальность — медицинская. Он прекрасно «уживается» с живыми тканями, поэтому пластинки из тантала применяются взамен поврежденных костей черепа, для скрепления костей при переломах. В нашей стране созданы приборы для автоматического сшивания кровеносных сосудов. Они могут работать лишь благодаря использованию танталовых скрепок. Тонкими танталовыми нитями можно сшивать даже сухожилия и нервы…

Конечно, все новые металлы пока еще очень дорогие. Поэтому их приходится «разбавлять» обычными, более дешевыми.

Вместе с никелем, кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом, титаном, бором, алюминием новые металлы дают прекрасные сплавы с широким выбором свойств.

Мы начали свой разговор с того, что стали искать замену железу. Нужна ли такая замена? Теперь мы можем ответить на этот вопрос. Да, иногда такая замена не только необходима, но и возможна. И каждый металл, каждый сплав, каждый новый материал может и должен найти себе применение. Будущее принадлежит разумному сочетанию всех материалов.

Найдем в периодической системе элемент лантан. Он расположен в шестом периоде, третьей группе и имеет порядковый номер 57.

Читатель уже привык к тому, что каждому элементу соответствует лишь одна определенная клетка таблицы Менделеева. Однако теперь мы сталкиваемся с необычным явлением: в одной-единственной клетке лантана разместилось еще четырнадцать элементов — от церия с порядковым номером 58 до лютеция с порядковым номером 71.

Почему же церий нельзя поместить в четвертую группу, празеодим — в пятую, неодим — в шестую и так далее? Тогда у каждого элемента будет своя клетка.

Мысль эта не оригинальна. Дмитрий Иванович Менделеев пытался идти этим путем, но вскоре убедился, что подобный способ размещения противоречит закону периодичности. Допустим, церий еще можно расположить в четвертой группе — ведь он в некоторых соединениях проявляет валентность, равную четырем, и кое в чем похож на цирконий. Но последующие элементы совсем не напоминают ниобий, молибден и т. д.

Для всех заключенных в клетке лантана элементов валентность 3+ является основной. Следовательно, расположить их один за другим — значит нарушить периодичность изменения свойств по группам таблицы Менделеева.

Поистине удивительное семейство элементов поселилось в клетке лантана. Понятие «семейство» химики в отличие от ботаников не любят употреблять. Но для характеристики элементов, о которых пойдет речь, это название как нельзя более удобно. Они действительно представляют собой неразлучную и дружную семью. В природе они встречаются в одних и тех же минералах и рудах, все они — металлы, обладают удивительно сходными химическими свойствами и даже на практике, как правило, используются совместно — в качестве смеси, а не индивидуальных представителей. Другой подобной картины не встретишь нигде на всем протяжении периодической таблицы.

Ученым потребовалось много десятилетий, чтобы объяснить поразительную близость свойств этих металлов.

Теперь элементы от церия до лютеция называют лантаноидами, то есть лантаноподобными. В учебниках их рассматривают вместе с лантаном. Другое имя пятнадцати близнецов — редкоземельные элементы. Оно происходит от старинного названия «редкие земли». «Землями» ученые прошлого именовали некоторые окислы, например окиси кальция, магния и бария. Редкоземельные элементы долгое время были известны в виде окислов — «земель». А так как считали, что содержащие их минералы в природе распространены очень мало, «землям» прибавили эпитет «редкие».

Итак, редкие земли. Они ставили перед учеными массу головоломных задач. Их история, пожалуй, наиболее сложная и запутанная во всей неорганической химии.

Загадка редких земель

В 1787 году лейтенант шведской армии Карл Аррениус, увлекавшийся минералогией, обнаружил в заброшенном карьере близ городка Иттерби неизвестный черный минерал. Спустя семь лет образчик находки попал в руки известного финского химика Иоанна Гадолина. Ученый установил, что в образце наряду с окислами бериллия, кремния и железа содержится около 38 процентов окиси неизвестного элемента, «новой земли». Он дал ей название «иттриевой». В 1803 году великий шведский химик Берцелиус в другом минерале нашел вторую редкую землю — «цериевую».

Два новых представителя — иттрий и церий — дополнили список элементов. Долгое время они не вызывали особого интереса — вплоть до 1839 года, когда ученик Берцелиуса Мозандер начал обширные исследования этих земель.

И тут обнаруживаются удивительные вещи. Оказывается, церий и иттрий, которые считались простыми телами, являются смесью нескольких элементов. Мозандер разделяет церий на лантан и дидим, иттрий — на тербий и эрбий. Все они похожи друг на друга как две капли воды. История открытия элементов еще не знала подобного случая, и ученые насторожились: нет ли здесь ошибки?

Но ответить на вопрос оказалось непросто. Химики не располагали достаточно точными методами контроля за чистотой выделяемых земель. Никто из исследователей не мог с уверенностью утверждать, что полученная им редкая земля на самом деле не содержит примесей. Сомнение прочно овладело умами, и разрешиться ему было суждено лишь после того, как Бунзен и Кирхгоф разработали основы и технику спектрального анализа.

«Каждый химический элемент имеет свой, присущий только ему спектр» — это правило, казалось, устраняло все неприятности. Открытия Мозандера получили весомое подтверждение. Все шесть редких земель завоевали права гражданства.

Но вот наступает 1869 год. Менделеев формулирует периодический закон и строит свою «естественную систему элементов». Далеко не все гладко в этой системе, и, в частности, совсем неясно, что делать с элементами редких земель.

Еще со времен Берцелиуса они считаются двухвалентными, и формулу их окислов записывают как MeO; лишь для церия, имеющего высшую степень окисления, допускается существование окиси Ce₃O₄. Но во второй группе таблицы Менделеева нет ни одного свободного места. Рельефно вырисовываются очертания главного «подводного камня» периодической системы. Стремительный поток противоречий грозит разбить об него саму идею периодичности изменения химических свойств элементов в зависимости от атомного веса.

Однако Менделеев, уверенный в правильности своего открытия, выдвигает смелую гипотезу: редкие земли трехвалентны, а церий сверх того имеет валентность, равную четырем. Это предположение находит вскоре неопровержимые доказательства. Наконец, Менделеев смело изменяет заниженные величины атомных весов элементов редких земель — и здесь подтверждается его правота. Кажется, дело сделано.

Нет, только половина дела! Иттрий и лантан гладко размещаются в третьей группе. Церий, будучи четырехвалентным, находит свое место в четвертой. А как быть с остальными? Дидим оказывается чужаком в пятой группе, ибо он нисколько не похож на ниобий, а попытки получить его высшую окись Di₂O₅ успеха не имеют. Для эрбия и тербия известно лишь, что они трехвалентны, а вообще же их химия почти не изучена. Фактически «подводный камень» остается на месте.

Но годы идут, и они приносят открытия новых элементов. Мозандеровский дидим оказывается на деле смесью. В 1879 году Лекок де Буабодран извлекает из него самарий; в 1885 году Ауэр фон Вельсбах разделяет его еще на два составляющих — празеодим и неодим. Появляются на свет иттербий, гадолиний, гольмий, туллий…

Широко распространенное мнение, что каждая полоса в спектре поглощения соответствует элементу, — результат некритического преклонения перед спектральным анализом. И, как грибы после дождя, во множестве «рождаются» новые редкие земли. Лишь за восемь лет, с 1878 по 1886 год, открыто около 50, причем 23 из них были даны различные названия, а для остальных «не хватило слов», и их обозначали просто буквами с индексами.

Метко сказал об этой смутной эпохе в области редких земель французский химик Урбэн: «получилось воображаемое богатство, основанное на том, что здесь ошибки преобладали, а истина в них тонула».

Но утонувшая истина тянула на дно всю периодическую систему. Как разместить в ней бесчисленные новые элементы редких земель? Как на основании периодического закона объяснить уникальную близость их свойств? И вообще сколько их всего — надоедливых близнецов? Быть может, поистине им «несть числа»?

Эти вопросы волновали ученых. Одни призывали поставить крест на периодическом законе, другие требовали модернизации таблицы элементов. Редкие земли не помещались на плоскости, и появлялись всевозможные трехмерные построения, конусы, цилиндры, спирали. Увы, они лишь маскировали проблему, создавали видимость решения, но на самом деле не решали ее.

Однако разведчики «редкоземельного континента» упорно, шаг за шагом пытались «извлечь» истину из тьмы ошибок. Оказалось, что спектральный анализ не так уж непогрешим: малейшие примеси к элементу могут нарушить расположение линий в спектрах. Урбэн ввел магнетохимический метод анализа, основанный на разнице в величинах магнитной восприимчивости редких земель. Получение нескольких чистых редкоземельных металлов позволило лучше изучить их химию. К 1913 году за индивидуальные элементы признавались лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций. Но где гарантия, что какой-либо из них не окажется сложным? Причина близости их свойств оставалась невыясненной.

Что касалось места редкоземельных элементов в периодической системе, то мнения ученых резко расходились. Ближе всех к истине оказался в 1901 году чешский химик Богуслав Браунер, друг Менделеева. Браунер пришел к выводу, что редкоземельные элементы следует выделить в совершенно особую замкнутую группу, которую нужно поместить в середине периодической системы, в одной большой клетке, как продолжение четвертой группы, начиная от церия и кончая неизвестным пока элементом, лежащим налево от тантала. По мнению Браунера, между церием и танталом не могло быть других элементов, кроме редкоземельных.

Но идея чешского химика не более чем гипотеза. Она не была доказана, не имела строгого научного обоснования. И мало кто из ученых придал ей значение: никто в ту пору не подозревал, как близко подошел Браунер к отгадке. Он не мог решить задачу до конца, так как химия оказывалась бессильной. Слово было за физикой.

Обстановка проясняется

В 1913 году молодой английский физик Мозли изучал рентгеновские спектры элементов. Ему удалось установить любопытную закономерность: с помощью длины волны рентгеновского излучения того или иного элемента можно определить порядковый номер его в таблице Менделеева. Тем самым менделеевское расположение элементов в системе было подтверждено физикой. Периодический закон получил новый смысл: в основу закона Менделеева лег порядковый номер элемента, равный заряду ядра его атома, а не атомный вес, как прежде.

После открытия Мозли стало ясно, что химики в целом совершенно правильно составили ряд редкоземельных элементов. Их оказалось четырнадцать — от лантана до лютеция. Кроме того, в списке элементов было обнаружено два «пробела», соответствовавших двум не открытым еще элементам. Один из них, с порядковым номером 61, располагался между неодимом и самарием; другой, 72, был тем самым элементом «налево от тантала», о котором говорил Браунер.

Но причина близости свойств редких земель оставалась неясной, равно как и их положение в периодической системе. Требовалось выяснить, относится ли семьдесят второй элемент к редкоземельным или нет. И, наконец, вызывало удивление, почему до сих пор не открыт элемент № 61.

Мы не будем касаться вопроса о шестьдесят первом: у него очень сложная и весьма своеобразная «биография»; читатель узнает о ней из очерка об искусственно полученных элементах.

Прежде всего нужно было выяснить природу семьдесят второго элемента. С равной вероятностью он мог быть аналогом циркония и членом редкоземельного семейства. Ученым предстояло уточнить, сколько же всего редкоземельных элементов: пятнадцать или шестнадцать?

Что же такое лантаноиды?

Вернемся снова к периодической системе. Рассмотрим ее второй и третий периоды. Они начинаются соответственно со щелочных металлов лития и натрия, заканчиваются инертными газами — неоном и аргоном — и состоят каждый из восьми элементов. Резко, от элемента к элементу, меняются в этих периодах свойства.

Следующие, четвертый и пятый периоды состоят уже из 18 элементов каждый, и резкая разница в свойствах проявляется лишь у начальных и конечных элементов; в середине же она как бы сглаживается.

Когда Менделеев создавал свою таблицу, он мог лишь принять это явление как факт. Современное физическое обоснование периодической системы позволяет дать ему вполне определенное объяснение.

Вспомним один из основных постулатов химии: химические свойства элементов зависят от строения внешних электронных оболочек их атомов.

Вспомним далее, что согласно теории Бора заполнение электронных оболочек атомов происходит не в беспорядке, а в определенной последовательности. Каждая из них обладает определенной «емкостью». Так, в ближайшей к ядру K-оболочке могут содержаться два электрона, в следующей L — 8, в M — 18, в N — 32, в О — 50 и т. д.

На первый взгляд может показаться, что заполнение этих оболочек происходит последовательно: «насытилась», скажем, L-оболочка, заполняется до полной емкости M-оболочка. На деле все обстоит сложнее, и только первые две оболочки, K и L, сразу набирают требуемое количество электронов.

Физики выделяют в каждой оболочке, начиная с L, еще и так называемые подоболочки. Они обозначаются буквами s, p, d и f и тоже имеют определенную емкость. Так, в s-подоболочке не может быть больше двух элементов, в p — шести, в d — десяти и в f — четырнадцати.

Напомним теперь читателю, как происходит заполнение оболочек.

У элементов первого периода таблицы Менделеева заполняется K-оболочка (2 электрона), второго — L (8 электронов). В третьем периоде появляются M-оболочка, но заполняется она не до конца, а лишь до восьми электронов. В четвертом периоде приходит очередь N-оболочки (у калия и кальция). Но уже начиная со скандия очередной электрон поступает в не достроенную ранее M-оболочку. Этот процесс проходит вплоть до цинка, ибо M-оболочка имеет емкость 18 электронов. Поэтому у десяти элементов четвертого периода — от скандия до цинка — внешняя оболочка (N) остается неизменной. Так как у них заполняется d-подоболочка оболочки M, то эти элементы носят иногда название d-элементов (3 d-элементы, так как заполняется третья оболочка). Аналогично в пятом периоде можем выделить 4 d-элементы и т. д.

Здесь можно дать хорошую иллюстрацию того, как на протяжении длинных периодов таблицы Менделеева ход изменения свойств элементов становится иным, нежели в коротких периодах. В коротких (литий — неон, натрий — аргон) каждый элемент довольно резко отличается от своих ближайших соседей. Оно и понятно, так как внешняя электронная оболочка у элементов коротких периодов непрерывно меняется. В длинных же периодах, у d-элементов, внешняя оболочка одна и та же, а очередные электроны поступают в предыдущую. Она, как известно, оказывает уже значительно меньшее влияние на химические свойства. Поэтому разница в свойствах у d-элементов не такая резкая.

Редкоземельные элементы стоят в шестом периоде. У лантана (№ 57) очередной электрон появляется в О-оболочке, поэтому лантан — типичный d-элемент, а у церия (№ 58) следующий электрон попадает даже в третью от края N-оболочку, в подоболочку f, емкостью в 14 электронов. Следовательно, ее формирование закончится у элемента с порядковым номером 71, то есть у лютеция; поэтому элемент № 72 уже не редкоземельный, а аналог циркония, и у него продолжается заполнение 5 d-подоболочки.

Когда был открыт элемент гафний, оказалось, что это так и есть.

Таким образом была разрешена загадка редких земель. Близость их свойств объясняется одинаковостью строения двух внешних оболочек атомов, именно тех, которые оказывают решающее влияние на химические свойства. Поэтому их размещают в таблице Менделеева в третьей группе (а не в четвертой, как предполагал Браунер), в клетке лантана.

Внимательный читатель, наверное, заметил, что, начав разговор о редкоземельных элементах с иттриевой земли, мы в дальнейшем не упоминали об иттрии. Он не входит в редкоземельное семейство в современном его понимании, но по своим свойствам похож на его членов благодаря близкой величине атомного радиуса; в частности, в природе он встречается в одних рудах и минералах с редкоземельными элементами.

Раз уж мы вспомнили о редкоземельных рудах и минералах, то постараемся сами убедиться, такими ли редкими являются 15 элементов периодической системы, как считалось в течение долгого времени.

Действительно, на первых порах были известны лишь единичные минералы, и это давало ученым основание с полным правом употреблять термин «редкие земли». Но в начале нашего столетия количество обнаруженных редкоземельных минералов исчислялось уже несколькими десятками. В двадцатых годах величины кларков (величины распространенностей химических элементов) были пересмотрены советскими учеными В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом и немецким В. М. Гольдшмидтом. Этот пересмотр оказался для редких земель поистине революционным. Цифры распространенностей элементов показали, что лантаноидов в земной коре в 2 раза больше, чем олова, в 10 раз больше, чем свинца, в 320 больше, чем сурьмы, в 1600 больше, чем серебра, в 2500 больше, чем ртути, в 3200 раз больше, чем золота. А ведь все эти элементы издавна широко известны.

Сейчас известно почти 250 минералов, содержащих лантаноиды, и эта цифра, конечно, далеко не предел.

Ясно, что слово «редкие» неприложимо для лантана и его спутников. Правильнее говорить о них как об элементах средней распространенности. Лантаноиды, кроме прометия, обнаружены в спектрах Солнца и многих звезд, причем иногда в весьма значительных количествах. Содержатся редкоземельные металлы и в метеоритах.

Своенравные члены дружной семьи

Свойства лантаноидов на первый взгляд не представляют ничего особенного; вся их уникальность — в их близости. Редкоземельные элементы все трехвалентны, все металлы. Их гидроокиси — довольно сильные основания, сила которых постепенно убывает от лантана к лютецию из-за уменьшения ионных радиусов с ростом заряда ядра.

В самом деле, схематически гидроокиси редкоземельных элементов можно изобразить на рисунке следующим образом:

Черный кружок в центре — это ион редкоземельного металла Ме³⁺; большие кружки — ионы кислорода; маленькие белые кружки со знаком — ионы водорода. Когда радиус Me³⁺ уменьшается, то тем самым как бы увеличивается его заряд (вследствие роста заряда ядра). Поэтому силы притяжения между редкоземельным ионом и ионом кислорода по ряду лантаноидов увеличиваются. Притяжение между O и H остается постоянным. Значит, чем больше заряд ядра редкоземельного элемента, тем труднее от его гидроокиси отщепить гидроксильную группу OH—.

Чтобы разделить редкоземельные элементы на составляющие, требуются поистине героические усилия. Методов разделения много, но главным образом они сводятся к использованию различной основности металлов или растворимости их одноименных солей. На получение какого-нибудь препарата в чистом виде затрачиваются иногда долгие месяцы, а вся суть работы, например в способе дробной кристаллизации, состоит в многократном повторении однотипных операций.

В наши дни появились новые методы разделения.

Это ионообменная хроматография, основанная на применении специальных смол — катионитов и анионитов.

Это использование аномальных валентностей редкоземельных элементов, валентностей, отличных от трех.

Давно за церием признавалась способность давать четырехвалентные соединения: это считалось в порядке вещей.

С течением времени некоторые другие лантаноиды также показали, что не хотят всегда быть однообразно трехвалентными. Празеодим и тербий стали подражать церию. У самария, европия и иттербия обнаружилось двухвалентное состояние.

Объяснить неожиданные отклонения оказалось не так-то просто. И сначала химики пытались использовать это явление на практике. Свойства лантаноидов в четырех или двухвалентном состоянии довольно резко отличаются от обычного трехвалентного. Появилась мысль применить такое различие в свойствах для разделения редкоземельных элементов. Теперь на этом основано несколько эффективных способов выделения отдельных металлов.

Разгадку аномальным валентностям дал немецкий химик В. Клемм. Он предположил, что 4f-оболочка заполняется в два приема, от La до Gd и от ТЬ до Lu, — словом, она как бы имеет два подуровня по семь электронов. Структуры ионов La³⁺ и Lu³⁺, Gd ³⁺ являются особенно прочными, и ионы других лантаноидов как бы стремятся приобрести такие структуры. Празеодим и тербий пытаются достичь их путем сбрасывания еще одного, сверх трех, электрона; самарий, европий и иттербий, наоборот, стараются попридержать валентные электроны. В обоих случаях результатом оказывается появление аномальной валентности.

Снова своеобразие…

На Всемирной выставке 1900 года в Париже демонстрировались в качестве экспонатов… очень чистые окислы некоторых редкоземельных элементов. Это было крупное достижение неорганической химии.

Но на вопрос, где такие окислы находят практическое применение, услужливые гиды могли дать однозначный ответ: «Только в колпачках газовых горелок!» Люди старшего поколения еще помнят так называемые ауэровские колпачки. Немецкий химик Ауэр фон Вельсбах показал, что добавка всего лишь 1 процента двуокиси церия к материалам газокалильных колпачков во много раз повышает яркость их свечения.

Мертвенный свет газового освещения был первой зарницей в области применения редкоземельных элементов. В наши дни немногие из встречающихся в природе элементов отличаются столь же обширным диапазоном использования, как лантан и лантаноиды.

Начать хотя бы с металлургии.

Качество сталей и чугуна сильно зависит от присутствия кислорода, фосфора, азота, серы. Это вредные примеси: они увеличивают хрупкость и ломкость, понижают износоустойчивость металлических изделий. Такие примеси следует всячески удалять, и тут неоценимую помощь оказывают редкоземельные элементы, которые взаимодействуют с неметаллами. В нагретом состоянии они поглощают многие примеси, тем самым значительно улучшая качества сталей и чугунов.

Лантаноиды применяются для легирования различных сталей и придания им многих ценных свойств: повышаются ковкость, жаропрочность и сопротивление коррозии.

Широко используются редкоземельные элементы, главным образом церий, в производстве пирофорных сплавов. Они применяются в кремнях для зажигалок, различных воспламеняющих устройствах, трассирующих пулях и снарядах.

Многим известна реакция алюмотермии — восстановление окислов различных металлов с помощью алюминиевого порошка. Церий и его спутники — еще более энергичные восстановители, чем алюминий. Открываются интересные перспективы получения достаточно чистых ниобия, циркония, кобальта, никеля, хрома, марганца, иттрия, вольфрама, урана методами лантаноидотермии.

Редкоземельные элементы резко улучшают качества различных металлов и сплавов. Так, магниевые сплавы при всех своих достоинствах имеют один существенный недостаток: могут «работать» при температурах не выше 150 градусов. Добавки церия, неодима и празеодима повышают температурный предел на целых 100 градусов.

Всего лишь 0,2 процента церия значительно улучшают механические свойства меди. Введение 2 процентов редкоземельных металлов в никелевые и кобальтовые сплавы повышает их жаропрочность и сопротивление окислению при высоких температурах.

Сплав магния с гадолинием отличается уникальными магнитными характеристиками. Он очень легко и сильно намагничивается.

Незаменимыми помощниками стали редкоземельные элементы и в химической промышленности. Они применяются как катализаторы или промоторы (добавки к катализаторам, улучшающие их действие).

Окись празеодима способствует окислению аммиака при низких температурах. Присутствие ионов церия ускоряет электрохимическое окисление анилина в хинон. Сульфаты многих лантаноидов — неплохие катализаторы при окислении SO₂ в SO₃.

Добавки окиси лантана к катализатору MgO+SiO₂ почти вдвое увеличивают выход ценного октана при крекинге газойля.

Редкоземельные элементы применяются для производства лаков и красок, главным образом красок по фарфору. Окислы и соединения лантаноидов придают им разнообразнейшие цветовые оттенки. Некоторые соли церия в малых количествах способствуют быстрому высыханию лаков и сохранению прозрачности на длительный период.

Обращаясь к производству стекол, керамических и абразивных материалов, мы снова становимся свидетелями активного проникновения редкоземельных элементов.

Многие бесцветные промышленные стекла обладают низким светопропусканием. Это объясняется содержанием в стекле главным образом соединений двухвалентного железа. Между тем стоит лишь перевести железо в трехвалентную форму, как прозрачность возрастает в 10 раз. Двуокись церия является сильным окислителем. Добавки ее к стекольной массе обеспечивают переход большей части железа в «бесцветное» состояние. Стекла, содержащие не более 1 процента CeO₂, обладают способностью не терять прозрачности при длительном солнечном освещении и при действии рентгеновского и радиоактивного излучений. Такие стекла находят важное применение в изготовлении защитных прозрачных блоков в ядерной технике.

Стекла с добавками редких земель обладают хорошей способностью поглощать ультрафиолетовые лучи.

Боросиликатные стекла, содержащие La₂O₃, имеют очень высокие показатели преломления.

Интересны попытки создания стекол на основе системы окислов Li₂O — La₂O₃—SiO₂, то есть не содержащих обычных щелочноземельных металлов. Такие стекла обладают высокой стойкостью и хорошей электропроводностью.

Керамика — в ней тоже нашли использование редкоземельные элементы. Сульфид церия применяется для изготовления специальных тиглей, выдерживающих температуру до 1800 градусов.

Смесь окислов лантаноидов представляет собой великолепный абразивный материал для полировки стекла и называется полиритом. Полирит обладает полирующей способностью в два раза большей, чем даже лучшие из известных ранее подобных материалов. Кроме того, применение полирита значительно увеличивает скорость полировки.

Электротехника, радиотехника, электроника!

И здесь редкоземельные элементы почувствовали себя «как дома». Фториды церия используются для изготовления электродов дуговых ламп и прожекторов. Стоит добавить к нихромовой проволоке бытовых нагревательных приборов совсем немного редкоземельных металлов, как срок ее службы значительно удлиняется. В электронных лампах лантаноиды прекрасные геттеры — поглотители газов. Вездесущая окись церия в смеси с окисью титана — великолепный диэлектрик, а в сочетании с окисью стронция используется для приготовления новых, так называемых радиокерамических материалов.

Редкоземельные элементы «на хорошем счету» в текстильной и кожевенной промышленности. Соли церия нужны для окраски кожи, как протрава для ализариновых красителей. Соли лантаноидов придают водонепроницаемость текстильным изделиям и техническим тканям и делают их стойкими к воздействию растворов и паров кислот.

Наконец, в сельском хозяйстве соли некоторых редкоземельных элементов применяются для борьбы с вредными насекомыми и как микроудобрения.

Доброе слово о лантаноидах скажут и врачи. Известно много лекарств, содержащих редкоземельные элементы и применяющихся для лечения туберкулеза, экземы, ревматизма. Некоторые редкоземельные соли препятствуют свертыванию крови, что делает их ценными для ее консервации.

Все это далеко не полный перечень добрых дел, которые «вершат» редкоземельные элементы.

Но мы немного продолжим его. Пусть эти сферы применения лантаноидов еще не вышли из стен лаборатории, но они весьма интересны.

Мы имеем в виду уникальные магнитные свойства редкоземельных элементов, особенно диспрозия. Мы предлагаем вниманию читателя довольно обычные ныне соли — сульфат или хлорид гадолиния. Эти соединения, оказывается, можно использовать для… получения сверхнизких температур. Соли гадолиния очень сильно парамагнитны. Если их поместить в изолированное пространство, наполненное гелием, и подвести магнитное поле, то они нагреваются. Гелий поглощает тепло и откачивается, магнитное поле отключается. Теперь соль охлаждается до температуры ниже начальной. Цикл повторяется много раз. Так может быть достигнута температура, очень близкая к абсолютному нулю.

Наконец, развитие ядерной техники открыло лантаноидам новые области использования. Самарий, европий и гадолиний отличаются весьма высокой способностью к поглощению нейтронов и поэтому используются как материалы регулирующих стержней в ядерных реакторах.

В богатом и разнообразном царстве металлов есть одна замечательная плеяда, с которой тесно связана не только история химии, но и вся история человечества. Представители этой плеяды расположены в двух отдельных группах периодической системы элементов Д. И. Менделеева: первой и восьмой. Дистанция, как видно, огромного размера: ведь принадлежность к разным группам свидетельствует о различии в коренных химических свойствах. И все-таки наши металлы удивительно сходны — все они являются благородными.

Царь металлов

С незапамятных времен притягивала человеческий взор редкая красота этого единственного в своем роде металла. Его лучезарный блеск невольно приводил на память жаркое сияние солнца. Недаром алхимики приписывали ему магическую взаимосвязь с нашим дневным светилом. От латинского названия солнечного металла «Aurum» происходит имя «Аврора», означающее «заря».

Безусловно, люди ценят золото не только за красоту. Попробуйте сыскать другой металл, столь же ковкий и тягучий. Умение выделывать из золота чрезвычайно тонкие листки было известно еще нашим далеким предкам. Если помните, о нем упоминает автор «Одиссеи» Гомер, а древнеримский историк Гай Плиний Младший уже довольно точно сообщает, что унция (31,1 грамма) золота дает 750 квадратных листов в 4 пальца шириною.

Любопытно отметить, что золото, перед тем как стать предметом роскоши, шло наряду с медью на изготовление оружия и домашней утвари. Археологические раскопки датских курганов показали, что в древности люди экономили не на золоте, а на более редком железе. Да это и понятно. «Золото было в сущности первым металлом, который открыл человек», — говорил Карл Маркс в своей работе «К критике политической экономии». Лишь после того как были найдены другие металлы и появились способы их обработки, золото получило власть, стало сильным. И уже гораздо позднее оно выступило в роли денег.

Но только ли физические свойства способствовали превращению золота в драгоценный металл?

Если железная крыша не покрашена, она довольно скоро покроется бурыми пятнами ржавчины. Оцинкованное ведро служит дольше, чем луженое медное, однако и на нем беспощадные зубы времени рано или поздно оставляют следы в виде беловатого налета окиси. То же самое явление, называемое коррозией, происходит с большинством металлов во влажной атмосфере. Но сколько бы лет ни пролежало на воздухе золото, оно не заржавеет, не потеряет своего чудного блеска. В течение шести столетий ярко горел на солнце позолоченный купол собора Ивана Великого в Московском Кремле.

Золото неприступно для окислителей не только при обычных условиях. На сильном жару, даже в расплавленном состоянии, — а золото плавится при температуре 1063 °C, — оно не уступает атакам кислорода.

Самые агрессивные кислоты не способны нарушить олимпийское спокойствие царя металлов. Исключение составляет смесь 3 частей соляной и 1 части азотной кислоты. Она относительно легко растворяет золото и поэтому называется «царской водкой».

Среди других растворителей можно упомянуть только две смеси кислот: серной и марганцевой, серной и азотной, а также горячую селеновую кислоту. Вот и все. Что же касается щелочей, то они ни при каких обстоятельствах не разъедают золото. Именно эту химическую «леность» подразумевает химик, когда называет золото благородным металлом.

Вещества, которые прямо взаимодействуют с золотом, могут быть перечислены по пальцам. Да они и не встречаются, как правило, в обыденной жизни человека. Например, галогены. Когда крупинка золота попадает в хлорную воду, она через некоторое время исчезает. Выпарьте раствор досуха, и вы увидите на дне чашки зеленые кристаллики. Это хлорное золото. Та же соль получится, если в банку, заполненную газообразным хлором, внести тонкий золотой листочек. И хотя золото без труда соединяется в присутствии влаги с элементарными хлором, бромом и йодом, его еще легче выделить из образовавшихся солей. Склянка с раствором хлорного золота при стоянии на свету через некоторое время покрывается изнутри тонким налетом драгоценного металла. Процесс ускоряется добавлением восстановителя, скажем железного купороса. Золото тотчас же начнет выпадать в виде темно-бурого порошка. После прокаливания порошкообразное золото обретет свой первоначальный цвет.

Еще легче соединяется золото со ртутью. Стоит только капельке ртути попасть на золотую вещь, как на блестящей желтой поверхности тут же появится тусклое серое пятно. Это амальгама — сплав золота со ртутью.

Добыча золота облегчается тем, что из-за своей химической инертности оно встречается на Земле, как правило, только в самородном состоянии. Нередко попадаются самородки весом в десятки килограммов. Золото есть и в морской воде, но уже в виде солей. Каждые 20 тонн воды в полярных морях содержат около 1 миллиграмма золота. Если разделить все золото, содержащееся в Мировом океане, поровну между жителями нашей планеты, то на каждого придется по 35 тонн! В микроскопических количествах золото обнаружено также в тканях и крови живых организмов.

Таким образом, золото рассеяно в земной коре и морской воде. Золотые залежи Земли еще далеко не исчерпаны, хотя человек на протяжении тысячелетий по крупинке собрал целые горы золота. Куда оно идет? Неужели только лежит мертвым грузом в виде сокровищ или служит материалом для изготовления украшений? Разве не существует иных путей его применения?

В наши дни золото успешно применяется в медицине, особенно в зубоврачебной технике. Соединения золота повышают защитные свойства организма, и этим пользуются при лечении туберкулеза. Радиоактивные изотопы золота приходят на помощь врачу в борьбе со злокачественными опухолями мозга.

Металлическое золото — самый мягкий из благородных металлов. Это и его плюс и минус. Оно очень легко стирается. Например, во времена, когда имела хождение золотая монета, каждые сто лет пропадало около одной пятой драгоценного металла вследствие истирания и утраты. Это побудило людей брать не чистое золото, а его сплавы с различными металлами.

Примесь постороннего металла в золоте называется лигатурой, а содержание золота в 1000 частей сплава — пробой. Если в сплаве не более 6 процентов лигатуры, то есть проба золота не ниже 940, золото называется червонным. Обычно в качестве лигатуры берут медь, иногда серебро, платину и другие металлы. В таком виде золото идет на изготовление химической аппаратуры, применяется в электротехнике.

Специалисты, занимающиеся приготовлением золотых сплавов, рассказывают, что жидкое золото представляет необыкновенно впечатляющую картину. Вы видите перед собой ослепительно яркую жидкость, испускающую какие-то странные зеленоватые лучи с синим оттенком. Над поверхностью расплава поднимается призрачная зеленоватая дымка — это пары золота. Зловещий блеск трудно выдержать и минуту, а между тем необычайная красота зрелища приковывает к себе взгляд. Когда вы, наконец, отрываете глаза от расплавленного металла, у вас перед глазами повсюду стоят алые круги, будто пятна крови. Блеск и кровь — разве это не символично? Это словно напоминание о бесчисленных трагических эпизодах, связанных с многовековой эпопеей золота, царя металлов.

Лунный металл

Если золото в глазах алхимиков олицетворяло собой Солнце, то серебру соответствовало наше ночное светило — Луна. В своих сочинениях алхимики так и обозначали серебро — тонким серпиком, знаком Луны. Это и понятно. Химически чистое серебро в слитках имеет красивый белый цвет с желтоватым оттенком — точь-в-точь как у лунного диска. В тонких листках и в проходящем свете оно кажется синеватым или зеленоватым. Как видно, алхимикам нельзя отказать в удачном выборе аналогий, по крайней мере цветовых, между химическими и небесными телами.

Серебро довольно мягко, хотя и тверже золота. Оно столь же легко куется, прокатывается и вытягивается. Температура плавления у серебра меньше: 950,5 °C. При более высокой температуре оно образует пары красивого зеленого цвета и может перегоняться подобно воде. Переходя из жидкого состояния в твердое, оно расширяется.

Из-за мягкости серебро в чистом виде не применяется на практике. Сплавы серебра служат для приготовления износоустойчивых материалов и покрытий. С золотом серебро сплавляется во всех пропорциях. Сплавы с медью более прочны, меньше стираются, и потому только в таком виде серебро идет на чеканку монет, медалей, значков и т. п.

Между прочим, присутствие меди делает серебряные вещи более звонкими.

Серебро лучше всех других металлов проводит тепло и электрический ток. Вот почему значительная часть серебра расходуется электропромышленностью для изготовления контактов.

По химическим свойствам серебро напоминает золото. Оно расположено в той же самой первой группе периодической системы. Подобно золоту, серебро одновалентно. Оно менее пассивно в химическом смысле, чем золото, а стало быть, и менее «благородно». Серебро легко соединяется с хлором, мышьяком, сурьмой и другими элементами.

А вот с кислородом серебро не взаимодействует ни при какой температуре. Правда, при плавлении на воздухе оно поглощает значительное количество кислорода: до 22 кубических сантиметров на каждый миллилитр расплава. Однако при застывании расплава кислород снова покидает металл. Происходит любопытное явление, напоминающее извержение вулканов. На поверхности затвердевающего металла образуется корка. На этой корке время от времени появляются небольшие возвышения, из которых, словно из кратера вулкана, вырывается раскаленный кислород, увлекая за собой брызги металла.

Хорошо известно, что так называемая «святая вода» никогда не теряет свежести даже при длительном стоянии. Конечно, это объясняется отнюдь не вмешательством каких-то «сверхъестественных сил», а просто-напросто тем, что вода хранится в серебряных сосудах. А серебро убивает микроорганизмы, придающие обычной стоячей воде затхлый привкус.

С водой при комнатной температуре серебро не взаимодействует. Но раскаленный кусочек серебра, брошенный вводу, вызывает ее разложение. В результате реакции кислород присоединяется к серебру, а водород выделяется в виде газа.

Если полученную таким образом окись серебра облить аммиаком и оставить на некоторое время в покое, то часть Ag₂O перейдет в раствор, а часть образует черное кристаллическое вещество. Это соединение, открытое французским химиком Бертолле, обладает сильнейшими взрывчатыми свойствами. Достаточно легкого сотрясения, незначительного нагрева или просто падения капли воды, чтобы произошел взрыв. Недаром оно называется «гремучим» серебром.

Вообще с аммиаком серебро дает множество химических производных. Они хорошо растворимы в воде и относятся к классу комплексных соединений. Если к аммиачному комплексу серебра прибавить немного глюкозы или формалина, то на стенках стеклянного сосуда появится плотный блестящий слой металла. Этим способом в настоящее время серебрят внутреннюю поверхность термосов и готовят зеркала.

Разведенные кислоты в большинстве своем не действуют на серебро. Зато оно прекрасно растворяется в азотной кислоте, образуя нитрат. Это вещество, известное в обиходе под названием «ляпис», было хорошо знакомо еще алхимикам. Они называли его «лунными кристаллами», «адским камнем» и т. д. Последнее связано, по-видимому, с действием ляписа на кожу. Попав на кожу, серебро начинает восстанавливаться до металлического состояния, окисляя окружающие ткани. Именно потому и образуется коричневое пятно на том месте, куда попала соль. Окисляющее действие серебра губит инфекцию, и благодаря этому ляпис издавна применялся для прижиганий.

Если капнуть раствором ляписа в воду, содержащую хлористую соль, получится белый творожистый осадок, не растворимый даже в кислотах. Реакция очень чувствительна. С ее помощью можно обнаружить ничтожные количества ионов хлора, брома или йода. Поэтому она играет важную роль в химическом анализе. Белые хлопья хлористого серебра при стоянии на свету темнеют, так как происходит разложение соли с выделением металлического серебра. В еще большей степени такими свойствами обладают бромид и йодид серебра. Эта необычная светочувствительность используется в фотографии для приготовления эмульсионного слоя, который наносят на бумагу и пленку.

Две замечательные триады

В XVII веке в древнее государство ацтеков и инков вторглись испанские конкистадоры во главе с Фердинандом Кортесом. Расхитители богатств завоеванной страны, расположенной на территории нынешней Колумбии (Южная Америка), охотились в основном за золотом и серебром и поэтому были немало удивлены, когда нашли на берегах реки Платино-дель-Пинто крупинки металла, очень похожего на серебро, только более тяжелого. Странному металлу было присвоено имя «платина» — уменьшительное от «плата», что по-испански означает «серебро».

Впервые в Европу из Бразилии завез платину математик д’Уллоа в 1735 году. 20 лет спустя непонятный металл был, наконец, признан шведским химиком Шефером за самостоятельный химический элемент.

Новичок удивительно походил на своих древних собратьев — золото и серебро. Он был столь же пластичен, как и золото, не хуже серебра проводил тепло и электрический ток. Его удельный вес (21,4) был еще выше, чем у золота, которое до той поры слыло самым тяжелым металлом. Тугоплавкости мог позавидовать сам царь металлов: ведь температура плавления платины 1774 градуса. Что же касается химической сопротивляемости, то и здесь платина удовлетворяла всем требованиям, предъявляемым члену «благородного семейства».

Как и золото, платина растворяется только в «царской водке». При этом образуется комплексная платинохлористоводородная кислота: H₂PtCl₆. Уступает платина и атакам такого химического «агрессора», как фтор, образуя фториды PtF₂ и PtF₄.

Не удивительно, что подобные достоинства платины снискали уважение у инженеров и ученых. Она оказалась незаменимой там, где требуется высокая химическая и механическая стойкость, а также жаропрочность. Из платины делают тигли, реторты, котлы, применяемые в исследовательских лабораториях и заводских цехах.

Химическая пассивность платины на руку ювелирам и стоматологам. Около двух третей ежегодной добычи платины идет на изготовление украшений и протезирование в зубоврачебном деле. В электротехнике она употребляется для изготовления электродов измерительных приборов, спиралей для печей сопротивления.

Благородная платина выгодно отличается от золота и серебра своей недюжинной способностью ускорять химические реакции. Особенно заметно проявляется это качество у платины тогда, когда она переводится в мелкораздробленное состояние. Тончайший порошок платины — так называемая платиновая чернь — обладает развитой поверхностью. Он наносится на асбест или другой материал, иногда даже на саму платину. На шершавой поверхности катализатора, в его порах, углублениях, на острых выступах реакции протекают гораздо быстрее, чем в обычных условиях. Диапазон применения платины в качестве катализатора необыкновенно велик: от гигантских контактных аппаратов на сернокислотных заводах до миниатюрных приборчиков для дожигания вредных автомобильных выхлопных газов.

Исследования сырой платины привели к появлению на свет ее спутников-«близнецов». В 1803 году были открыты палладий и родий, в 1804 году — осмий и иридий, а еще через 40 лет — рутений, названный так в честь России (по-латыни: «Ruthenia»).

Рутений является первым по порядку членом «благородной династии», хотя и открыт в последнюю очередь. Сама платина замыкает семейство платиноидов — так были названы ее спутники. Вся компания «близнецов» в менделеевской таблице разбита на две тройки: рутений, родий, палладий (триада легких платиноидов) и осмий, иридий, платина (триада тяжелых платиноидов). Обе триады размещены в два этажа в восьмой группе периодической системы под одной крышей — триадой железа.

Более позднее открытие рутения объясняется тем, что он самый редкий среди спутников платины. Обнаруживший его профессор Дерптского университета Озанн впоследствии стал даже сомневаться в элементарной природе рутения. Однако в 1844 году Карл Карлович Клаус, профессор химии Казанского университета, доказал, что озанновская смесь действительно содержит новый элемент.

Рутений — типичный представитель «благородного семейства». На него не действуют никакие кислоты, в том числе «царская водка». Кислород воздуха окисляет рутений только при нагревании. Интересным соединением рутения является его четырехокись RuO₄. Здесь он восьмивалентен. Четырехокись рутения получается не без труда: для этого необходимо действие какого-нибудь сильного окислителя (хлора, брома, перманганата калия) на растворы солей металла при нагревании.

«Близнецы» триады легких платиноидов похожи друг на друга как две капли воды. Но вместе с тем у каждого из них есть свои особенные черточки. Например, соли родия, как правило, отличаются розово-красным цветом. Именно потому элемент и получил свое название: «родон» по-гречески значит «роза». В остальном родий родствен своим собратьям по триаде. Он очень пассивен химически: не растворяется в кислотах и очень слабо в «царской водке». В растворимую форму переходит лишь при нагревании с дымящей серной кислотой, а также с расплавленными гидросульфатами щелочей, перекисью натрия, перекисью бария. Чтобы окислить родий на воздухе, нужно нагреть металл до температуры красного каления.

В мелкораздробленном состоянии металлический родий легко растворяет газы, и с этим связаны его каталитические свойства.

Триаду легких платиноидов завершает палладий, названный так в честь малой планеты Паллады. По способности к механической обработке он превосходит не только собратьев по триаде, но и все без исключения металлы платиновой группы. Как и родий, но намного интенсивнее, палладий поглощает газы: при 20 градусах он способен впитать в себя до 800 объемов водорода. Эта способность объясняет его высокую каталитическую активность. Среди платиноидов палладий считается химически наиболее активным. При нагревании на воздухе он дает окислы Pd₂O и PdO. Палладий растворим в «царской водке» и в азотной кислоте.

Триаду тяжелых платиноидов открывает осмий. Это самый тяжелый металл: у него непревзойденный по величине удельный вес — 22,48. Обладая благородной инертностью, осмий тем не менее легко растворим в азотной кислоте, особенно в дымящей.

На воздухе осмий постепенно окисляется в четырехокись OsO₄. Четырехокись — наиболее характерное соединение осмия. Она обладает резким запахом, которому металл обязан своим названием (по-гречески «осмо» — «запах»). Четырехокись осмия способна возгоняться в виде почти бесцветных прозрачных игл. Пары ее ядовиты. Интересно, что мелко раздробленный осмий вспыхивает в атмосфере серных паров, как спичка, образуя OsS₂. При комнатной температуре фтор не действует на осмий; реакция протекает только при нагревании. При этом получается смесь фторидов, среди них OsF₈.

Между осмием и платиной находится иридий. Его «благородное происхождение» не подлежит никакому сомнению. Он еще больше, чем его соседи по триаде, устойчив к кислотам. Сплавленный иридий неприступен для «царской водки»; лишь в состоянии тончайшего раздробления он медленно растворяется в ней. Галогены, сера и кислород взаимодействуют с иридием только при температуре красного каления. Соли иридия имеют самую различную окраску, от этой пестроты и происходит название иридия: «ирис» по-гречески — «радуга».

Платина и ее спутники нашли достойное применение своим качествам, особенно для облагораживания сплавов. Международные эталоны метра и килограмма сделаны из сплава платины (90 процентов) и иридия (10 процентов). Иридий, отличающийся необыкновенной твердостью, идет на изготовление электрических контактов для магнето в двигателях внутреннего сгорания, на иридирование поверхностей для придания им прочности и стойкости. Чтобы изготовить кислотоупорную посуду, не боящуюся даже «царской водки», прибегают к услугам родия. В сплавах же с платиной он превосходный катализатор. Не менее важным катализатором служит палладий, дающий возможность вести химические процессы при относительно низких температурах и давлениях. Соли осмия находят применение в минералографии, медицине, для обработки биологических препаратов перед микроскопированием.

Итак, химическая стойкость — вот что отличает членов «благородного семейства». В этом смысле вполне сравнимы между собой платиноиды с одной стороны, а с другой — золото и серебро. У всех у них есть и другие полезные свойства, например тугоплавкость, пластичность, красивый внешний вид. Наконец, одним из важнейших качеств является способность, особенно у некоторых платиноидов, ускорять химические реакции. За все это и называют люди наши металлы драгоценными.

Везде и всюду нас окружает атмосферный воздух. Из чего он состоит? Ответ не составляет труда: из 78,08 процента азота, 20,9 процента кислорода, 0,03 процента углекислого газа, 0,00 005 процента водорода, около 0,94 процента приходится на долю так называемых инертных газов. Последние были открыты всего лишь в конце прошлого столетия.

Опыт Кэвендиша

К концу XVIII века были обнаружены многие из известных газов. К ним относились: кислород — газ, поддерживающий горение; углекислый газ — его можно было легко обнаружить по весьма примечательному свойству: он мутил известковую воду; и, наконец, азот, горения не поддерживающий и на известковую воду не действующий. Таков был в представлении химиков того времени состав атмосферы, и никто, кроме известного английского ученого лорда Кэвендиша, не сомневался в этом.

И у него был повод для сомнения.

В 1785 году он проделал довольно простой опыт. Прежде всего Кэвендиш удалил из воздуха углекислый газ. На оставшуюся смесь азота и кислорода он подействовал электрической искрой. Азот, реагируя с кислородом, давал бурые пары окислов азота, которые, растворяясь в воде, превращались в азотную кислоту. Эта операция повторялась многократно.

Однако немного менее одной сотой части объема воздуха, взятого для опыта, оставалось неизменной. К сожалению, этот эпизод был забыт на многие годы.

Спустя сто лет

Во второй половине XIX века возникла горячая полемика по поводу гипотезы Проута, утверждавшего, что атомные веса всех элементов должны выражаться целыми числами, то есть атомы их должны, по мнению Проута, состоять из атомов водорода. Чтобы решить спор, химики сочли необходимым точно измерить атомные веса элементов, в первую очередь газов азота, кислорода и водорода.

Путь к определению атомных и молекулярных весов газов лежал через определение их плотностей.

В 1892 году английский физик Рэлей измерял удельный вес азота. К своему удивлению, он обнаружил, что удельный вес азота воздуха равен 1,257 г/л, а удельный вес азота из химических соединений: азотнокислого аммония, закиси и окиси азота, мочевины — только 1,251 г/л. Рэлей повторял опыты, брал различные вещества, содержащие азот, но результат был тем же самым. Шесть тысячных грамма — вес блохи. Но эти шесть тысячных грамма не могли быть ошибкой опыта, ибо техника измерений уже в то время позволяла оперировать с гораздо меньшими величинами.

Осенью 1892 года Рэлей обратился к ученым коллегам с письмом. Он просил их указать причину обнаруженного им несовпадения. Опытами Рэлея заинтересовался английский физико-химик Рамзай. Он предположил, что причина неодинаковой плотности заключается в присутствии неизвестного тяжелого газа, и сообщил об этом Рэлею.

Ученые решили выделить таинственный газ, но пути к обнаружению его они выбрали разные. Рамзай обратился за помощью к химии.

Во время своих многолетних демонстрационных опытов он заметил, что магниевые опилки поглощают азот. «Магний поможет решить задачу», — думал Рамзай. Он поглотил кислород воздуха медью. Оставшийся азот в течение 10 дней прогонял многократно через трубку с раскаленным магнием. Объем газа уменьшался изо дня в день, а его плотность возрастала. Через 10 дней в руках Рамзая было 100 кубических сантиметров нового газа с плотностью 19,086.

Рэлей в своих исследованиях использовал физические методы. От своего друга физика Дьюара он узнал об опытах Кэвендиша. Рэлей повторил опыт Кэвендиша, применив гораздо более совершенную аппаратуру. Азот окислялся в 50-литровом колоколе.

Через несколько дней Рэлей получил половину кубического сантиметра неизвестного газа.

Итак, новый газ был в руках. 13 августа 1894 года физик Рэлей и химик Рамзай сделали предварительное сообщение на съезде Британского общества естествоиспытателей в Оксфорде об открытии новой составной части воздуха. Один физик, прослушав сообщение, спросил: «Не открыли ли вы, господа, и имени этого газа?»

Вопрос не был праздным. Открыть новое вещество — это еще не все. Надо изучить его, узнать, соединение это или элемент. Каковы его характерные свойства? Название ведь обычно выражает наиболее характерную особенность вещества.

Рамзай, основываясь на кинетической теории газов, нашел, что молекула нового газа состоит из одного атома. Следовательно, если газ одноатомен, то соединением он быть не может. Новый газ был элементом.

Много усилий и времени было затрачено на то, чтобы получить соединение нового газа. Его пробовали соединить со фтором, хлором, с металлами, нагревали, сжимали. Газ оставался самим собой: он не реагировал ни с одним веществом. И поэтому на вопрос ученые ответили: «Газ недеятелен, ленив, так его и назовем». Новый газ был назван «аргоном», что в переводе с греческого означает «ленивый, безразличный».

Сначала на Солнце

Известие об открытии нового газа потрясло научный мир. Им заинтересовались и химики, и физики, и минералоги. В феврале 1895 года Рамзай получил письмо от лондонского минералога Майерса, где тот сообщал об опытах американского геолога Гиллебранда, который кипятил в серной кислоте редкие урановые минералы и наблюдал выделение газа, по свойствам своим напоминавшего азот. Чем больше урана содержал минерал, тем больше выделялось газа. Гиллебранд условно предположил, что газ является азотом. «А может быть, это аргон?» — спрашивал автор письма.

Вскоре Рамзай послал своих помощников в лондонские химические магазины за урановым минералом клевеитом. Было куплено 30 граммов клевеита, и в тот же день Рамзай со своим помощником Метьюзом извлек несколько кубических сантиметров газа. Рамзай подверг этот газ спектроскопическому исследованию. Он увидел яркую желтую линию, очень похожую на линию натрия и в то же время отличающуюся от нее по своему положению в спектре. Рамзай был настолько удивлен, что разобрал спектроскоп, прочистил его, но при новом опыте снова обнаружил яркую желтую линию, не совпадавшую с линией натрия. Рамзай просмотрел спектры всех элементов. Наконец он вспомнил о загадочной линии в спектре солнечной короны.

В 1868 году во время солнечного затмения французский исследователь Жансен и англичанин Локьер обнаружили в спектре солнечных протуберанцев яркую желтую линию, которой не оказалось в спектрах земных источников света. В 1871 году Локьер высказал предположение, не принадлежит ли эта линия спектру неизвестного на Земле вещества.

Он называет этот гипотетический элемент гелием, то есть «солнечным». Но на Земле он обнаружен не был. Физики и химики им не заинтересовались: на Солнце, мол, совершенно другие условия, там и водород сойдет за гелий.

Так неужели в его руках этот самый гелий?! Рамзай почти уверен в этом, но он хочет услышать подтверждение от известного спектроскописта Крукса. Рамзай посылает ему газ на исследование и пишет о том, что нашел какой-то новый газ, названный им криптоном, по-гречески означает «скрытный». Телеграмма от Крукса гласила: «Криптон есть гелий».

Где же остальные газы?

К 1895 году открыли два инертных газа. Было ясно, что между ними должен находиться еще один газ, свойства которого Рамзай описал заранее по примеру Менделеева. Лекок де Буабодран предсказал даже атомный вес неоткрытого газа — 20,0945.

Но где же искать этот газ? Рамзай исследовал все тела, которые могли содержать газы, исследовал даже метеориты, но ничего нового не обнаружил. Тогда Рамзай снова обратился к воздуху. И неизвестно, обнаружил бы ученый новые инертные газы, если бы во время его поисков Линде в Германии и Хэмпсон в Англии не взяли одновременно патент на машину, сжижающую воздух.

Эта машина словно была изобретена специально для открытия инертных газов. Принцип ее действия основан на известном физическом явлении, если сжать воздух, а затем дать ему быстро расшириться, он охладится. Охлажденным воздухом охлаждают новую порцию сжатого воздуха, поступившую в машину, и т. д., пока воздух не превратится в жидкость.

В конце 1897 года Рамзай от Хэмпсона получил 100 кубических сантиметров жидкого воздуха.

Испарив почти весь азот и кислород, Рамзай оставшийся жидкий воздух поместил в газометр. Он думал найти там гелий, так как считал, что этот газ испаряется медленнее, чем кислород и азот. Он очистил газ в газометре от примеси кислорода и азота и снял спектр, в котором обнаружил две яркие ранее неизвестные линии.

Они принадлежали еще неизвестному газу, который Рамзай назвал псевдонимом гелия — криптоном, то есть «скрытным». Далее Рамзай поместил 15 литров аргона в баллоне в жидкий воздух. Для того чтобы найти инертный газ, по расчетам, более легкий, чем аргон и криптон. Рамзай собрал первые порции испарения аргона. Получился новый спектр с ярко-красными линиями. Рамзай назвал выделенный газ неоном, что по-гречески означает «новый».

В 1888 году помощник Рамзая Трэверс построил машину, способную давать температуру до –253 °C. С ее помощью был получен твердый аргон. Были отогнаны все газы, кроме криптона. И уже в неочищенном криптоне был найден ксенон («чуждый»). Для того чтобы получить 300 кубических сантиметров ксенона, ученым пришлось в течение двух лет переработать 77,5 миллиона литров атмосферного воздуха.

Таким образом, было найдено пять инертных газов. Оставалась очередь за шестым, самым тяжелым.

Еще раз о клевеите

Уже было сказано, что гелий присутствует в урановых минералах. Чем больше в клевеите урана, тем больше гелия. Рамзай долгое время старался найти взаимосвязь между содержанием урана и гелия, но это ему не удалось. Разгадка пришла с другой стороны; она была связана с открытием радиоактивности.

Обнаружили, что радий выделяет газообразное вещество, названное эманацией. 1 грамм радия давал в сутки 1 кубический миллиметр эманации. В 1903 году Рамзай и известный физик Содди занялись изучением эманации. Они имели в своем распоряжении всего лишь 50 миллиграммов бромистого радия; одновременно у них было не более 0,1 кубического миллиметра эманации.

Для выполнения работ Рамзай построил сверхчувствительные весы, показывающие четыре миллиардные доли грамма. Вскоре исследователи выяснили, что эманация является последним представителем семейства инертных газов.

Им долго не удавалось разглядеть спектр эманации. Как-то, оставив трубку с эманацией на несколько дней, они поместили ее в спектроскоп и были удивлены, увидев в спектре знакомые линии гелия.

Этот факт подтвердил предположение Резерфорда и Содди о том, что радиоактивное превращение связано с превращением атомов. Радий, самопроизвольно распадаясь, превращался в эманацию и выделял ядро атома гелия.

Один элемент превращался в другой!

Ученым стало понятным, почему гелий обнаруживается в урановых минералах; он один из продуктов распада урана. В 1923 году по решению Международного комитета по химическим элементам эманация была переименована в радон.

Инертные газы на Земле и вне ее

Вернемся снова к составу земной атмосферы. Вспомним, что на долю азота и кислорода приходится более 99 процентов. На все остальные газы, включая водород и двуокись углерода, приходится менее одного процента. Львиную долю этого процента забирает аргон. По сравнению с остальными инертными газами аргона очень много в атмосфере — 0,93 процента. Это объясняется радиоактивным распадом ⁴⁰K, в результате которого образуется ⁴⁰Ar, кстати, по этой же причине тяжелый изотоп аргона преобладает. 1 килограмм воздуха содержит 12,9 грамма аргона и десятую долю грамма всех остальных инертных газов.

Ксенон — очень редкий газ, его содержание в атмосфере равно 9·10^–7 процента, но в то же время абсолютное его содержание огромно. Если бы мы захотели поместить этот газ в железнодорожные цистерны, то потребовался бы поезд длиною в 80 земных экваторов, и если бы ваш путь пересек этот поезд, мчащийся со скоростью 90 километров в час, то подъема шлагбаума пришлось бы ждать четыре года.

Содержание радона в атмосфере ничтожно: 6·10^–18 процента. Если собрать весь радон земной атмосферы, то его можно будет поместить в пивную бочку средних размеров, объемом всего лишь 230 литров. Весит это количество радона два с небольшим килограмма, столько же, сколько том Большой Советской Энциклопедии.

Инертные газы содержатся не только в атмосфере: гелий и аргон можно обнаружить в снеге, граде, дождевой воде и минералах. При каждом вулканическом извержении выделяется значительное количество аргона. В 1902 году во время извержения вулкана Мон-Пеле на острове Мартиника выделялись газы, содержащие 0,7 процента аргона.

Совершенно иные цифры получим мы, если рассмотрим распространение элементов в космосе.

По последним научным данным, вселенная состоит по весу из 76 процентов водорода, 23 процентов гелия; только 1 процент приходится на долю всех остальных элементов таблицы Менделеева.

Так ли они инертны?

Вот, кажется, и все об инертных газах…

Впрочем, вправду ли они такие инертные, ленивые, химически мертвые? Еще в 1896 году был получен кристаллический гидрат аргона, но, по словам советского химика Б. А. Никитина, и через тридцать лет этот факт оставался непонятным и удивительным для многих исследователей.

Б. А. Никитин положил много сил исследованию соединений инертных газов. Он предложил оригинальный метод получения легкодиссоциирующих молекулярных соединений благородных газов.

Что такое молекулярное соединение и почему оно характерно для инертных газов?

Инертные газы обладают законченной, совершенной структурой электронных оболочек. На внешней электронной оболочке у них содержится восемь электронов, у гелия — два. Благородные газы очень крепко держат свои электроны, не отдают их чужим атомам и сами не принимают ничьих электронов — короче говоря, ионных соединений типа NaCl или NaF они не в состоянии образовать.

Атомы инертных газов не склонны также обобществить свой электрон с электроном другого атома и дать соединение с ковалентной связью, типа молекулы хлора. Валентная связь, обусловленная переходом электрона или обобществлением его, не имеет места у благородных газов. Но мы знаем, что при низких температурах они могут быть и жидкостью и даже твердым телом.

Какие же силы стягивают в жидкость однородную молекулу инертного газа? Межмолекулярные, или, как их еще называют, в честь голландского химика Ван дер Ваальса, вандерваальсовы силы…

В любой молекуле есть как положительно заряженные частицы — ядра атомов, так и отрицательные — электроны. И для отрицательных и для положительных зарядов есть точки, которые можно назвать «электрическим центром тяжести». Эти точки — своего рода полюсы молекулы. Если в молекуле отрицательный и положительный полюсы совпадают, то молекула будет неполярной. Молекулы инертных газов неполярны; они построены очень гармонично.

При несовпадении электрических центров тяжести получается полярная молекула.

Молекулярные соединения образуются за счет вандерваальсовых сил, имеющих электрическое происхождение. Эти силы примерно в 100 раз слабее обычных валентных химических сил.

Итак, вандерваальсовы силы связывают молекулы инертных газов в жидкость. Какой характер имеют эти силы здесь? Ведь молекула в данном случае совершенно неполярна. Оказывается, не совсем. В атоме не только электроны вращаются вокруг ядра, но и сами ядра колеблются относительно своих положений равновесия. А поэтому на очень короткое время идеальная симметричная структура молекулы инертного газа искажается. Часть электронных орбит время от времени на мгновение смещается и образует диполь, правда очень небольшой.

А могут ли вандерваальсовы силы связать молекулу инертного газа с молекулой другого вещества? Могут, особенно если эти другие молекулы близки им по размерам и по форме, или, как говорят химики, изоморфны. Б. А. Никитин обнаружил, что радон, например, изоморфен с сероводородом и двуокисью серы; их кристаллические структуры сходны. Частицы радона могут заменять частицы сероводорода в кристаллической решетке, образуя смешанные кристаллы.

Гидрат радона также изоморфен с гидратом сероводорода. Если под большим давлением пропускать радон через ледяную воду, то образующийся гидрат тут же распадается. Стоит только добавить к инертному газу сероводород, и образующийся гидрат сероводорода уловит радон в свою кристаллическую решетку.

Наряду с гидратом сероводорода получится гидрат радона. Этим методом, названным методом изоморфного соосаждения, Никитин впервые получил кристаллогидраты всех инертных газов, кроме гелия, и обнаружил, что все они содержат по шесть молекул воды. Здесь атом инертного газа плотно взят в кольцо полярными молекулами воды.

Молекулярные соединения инертных газов малоустойчивы, но являются полноценными химическими соединениями, так как обладают вполне определенным химическим составом.

Чем выше молекулярный вес инертного газа, тем прочнее его гидрат. Если гидрат ксенона получают при 0 °C, почти при нормальном давлении, то гидрат неона при той же температуре необходимо сжимать до 300 атмосфер. Различная устойчивость гидратов благородных газов может быть использована для их разделения.

В результате работ советского ученого образовалась новая глава в химии — химия инертных газов, играющая важную роль в изучении природы молекулярных соединений.

Вскоре после того как ученые получили первые искусственные радиоактивные изотопы, выяснилось, что самыми выгодными с энергетической точки зрения оказались реакции, при которых ядра взаимодействуют не с заряженными, а с нейтральными частицами, с нейтронами. Вот об этих реакциях и пойдет речь.

Нейтроны и уран

Исторически первой ядерной реакцией, которая привела к обнаружению нейтронов, было взаимодействие альфа-частиц с бериллием. Однако нейтроны, как оказалось впоследствии, можно получать и другими путями, например по реакции:

¹¹₅B + ⁴₂He → ¹⁴₇N + ¹₀n.

Известен еще один способ, приводящий к рождению нейтронов. Так, они возникают при действии протонов на мишень, содержащую изотоп лития:

⁷₃Li + ¹₁H → ⁷₄Be + ¹₀n.

Получающиеся по различным реакциям нейтроны обладают разной скоростью, разными энергиями.

Нейтроны оказались превосходными «снарядами» для «обстрела» атомного ядра. Ведь они не имеют заряда, а следовательно, не будут, как альфа-частицы или протоны, отталкиваться положительно заряженными ядрами. Ученые сразу же взяли нейтрон на «вооружение». Первым среди них был итальянский физик Энрико Ферми. В результате его экспериментов выяснилось, что большинство элементов периодической системы взаимодействует с нейтронами. Особенно хорошо протекали ядерные реакции с так называемыми медленными нейтронами.

Из физики известно, что если катящийся шарик сталкивается с неподвижным, наибольшее количество энергии (или максимальную скорость) неподвижный шарик получит в том случае, когда массы обоих шариков равны. То же самое происходило и с нейтронами. Лучше всего они замедлялись при соударениях с ядрами атомов водорода.

Однако при этом одновременно может происходить реакция:

¹₁H + ¹₀n → ²₁H + γ

В настоящее время лучшим замедлителем для нейтронов считается тяжелая вода, содержащая в своем составе вместо обычного водорода атомы его изотопа дейтерия ²₁Д, а также графит. И дейтерий и графит практически не взаимодействуют с нейтронами, то есть не поглощают, а лишь задерживают их.

В результате захвата ядрами медленных (или вообще любых) нейтронов чаще всего испускается гамма-квант и образуются изотопы тех же элементов, но с массовым числом на единицу больше. Однако в некоторых случаях после захвата медленного нейтрона из образовавшегося возбужденного ядра может вылетать протон или альфа-частица:

¹⁴₇N + ¹₀n → ¹⁴₆C + ¹₁H;

¹⁰₅B + ¹₀n → ⁷₃Li + ⁴₂He.

В начале 1934 года Ферми начал изучать действие медленных нейтронов на ядра урана. Результаты этих экспериментов превзошли все ожидания: в продуктах взаимодействия удалось обнаружить неизвестные изотопы каких-то элементов, испускающие бета-частицы. Но какие? Предположили, что взаимодействие урана с нейтронами происходит по схеме:

²³⁸₉₂U + ¹₀n → ²³⁹₉₂U + γ

Но образующийся изотоп урана, как считал Ферми, не мог быть стабильным и легко испускал бета-частицы:

²³⁹₉₂U → ²³⁹₉₃Э + β^–

Поэтому Ферми высказал мысль, что при взаимодействии урана с нейтронами образуется новый, не встречающийся в природе элемент, который в периодической системе должен был располагаться за ураном. И хотя первый заурановый элемент — нептуний — был получен именно таким способом, оказалось, что в опытах Ферми фигурировал совсем не он…

Что именно получается в результате «бомбардировки» урана нейтронами, взялись выяснить французский ученый Фредерик Жолио-Кюри и серб Савич. Они пришли к неожиданному выводу: в продуктах взаимодействия урана с нейтронами присутствует элемент № 57 — лантан. Это было удивительно и непонятно: искали трансураны, а обнаружили элемент середины таблицы Менделеева. Объяснили непонятное явление немецкие радиохимики Ган и Штрассманн лишь в 1939 году.

Природный уран, как выяснили ученые, состоит из смеси трех изотопов с массовыми числами 238, 235 и 234. Первого из них, урана-238, в природном уране 99,28 процента; урана-235 — только 0,71 процента, а урана-234 — и того меньше. И вот обнаружилось, что с медленными нейтронами уран-235 взаимодействует очень своеобразно. Это приводит к совершенно новой ядерной реакции. Образовавшееся ядро изотопа урана-236 вместо испускания бета-частицы распадается на два осколка примерно равной массы с одновременным «рождением» двух или трех нейтронов. Схему такого взаимодействия урана-235 с нейтроном можно представить следующим образом:

²³⁵₉₂U + ¹₀n → ²³⁶₉₂U → ⁹³₃₆Kr + ¹⁴⁰₅₆Ba + 3¹₀n

При такой реакции выделяется громадная энергия и образующиеся осколки с большой скоростью разлетаются в разные стороны.

Это навело ученых на мысль о возможности проведения цепной реакции. Ведь выделяющиеся нейтроны могли и дальше взаимодействовать с новыми ядрами урана. Прошло немного времени, и в 1942 году впервые в истории человечества людям удалось провести первую цепную ядерную реакцию.

Как устроена фабрика изотопов

Давайте более подробно разберем реакцию между ядрами урана-235 и нейтронами. При этой реакции на каждый израсходованный нейтрон появляется два или три новых. Однако необходимо учесть несколько обстоятельств.

Во-первых, образуются «быстрые» нейтроны, обладающие большой энергией, и, чтобы они могли взаимодействовать с новыми ядрами урана-235, их необходимо замедлить.

Во-вторых, природная смесь изотопов урана содержит в основном изотоп с массовым числом 238, который тоже может взаимодействовать с нейтронами (см. уравнение на стр. 310).

И, в-третьих, если количество урана, принимающего участие в ядерной реакции, невелико, то образующиеся нейтроны могут на своем пути не встретить ни одного атома урана-235 и улететь за пределы уранового блока, так и не совершив больше ни одного деления.

Очевидно, все эти факторы необходимо учитывать, чтобы цепная реакция деления протекала успешно.

Казалось бы, проще всего отделить уран-235 от урана-238. Тогда в большой массе вещества нейтроны уже не смогут вылететь за пределы уранового блока, не совершив по пути ни одного деления. Не нужно беспокоиться и о замедлителе нейтронов: сами ядра урана справлялись бы с этой задачей.

Но уран-235 выделить в совершенно чистом виде крайне трудно. Ведь для разделения изотопов нельзя воспользоваться химическими методами и приходится опираться лишь на очень незначительную разницу в их физических свойствах. Кроме этого, поскольку количество нейтронов при делении возрастает лавинообразно, нет никакой возможности управлять такой реакцией. Наш кусок урана моментально бы взорвался, как только бы мы превысили его критическую^[7] массу.

Именно на таком принципе основана атомная бомба. Берут два куска урана (обогащенного изотопом ²³⁵₉₂U) с массами меньше критической, но с суммарной массой, превосходящей критическую, и помещают на некотором расстоянии друг от друга. В определенный момент времени при помощи специального механизма оба куска урана сдвигаются, происходит быстрое увеличение числа нейтронов (а следовательно, актов деления) и взрыв.

Тут мы должны немного отвлечься от нашей основной цели и рассказать об одном важном свойстве, которым обладают ядра атомов химических элементов. В настоящее время известно, что ядро любого атома имеет диаметр 10^–13–10^–12 квадратных сантиметра. Поэтому площадь поперечного сечения ядра можно для всех ядер принять равной приблизительно 10^–24 сантиметра. Эта единица в ядерной физике получила специальное название «барн». Сам нейтрон имеет примерно такую же площадь поперечного сечения.

И вот при изучении взаимодействия нейтронов с различными ядрами ученые подметили интересную особенность. Оказалось, что ядра различных элементов при взаимодействии с нейтронами ведут себя неодинаково: одни как бы уменьшаются в размере при приближении к ним нейтрона, а другие становятся «толще».

Попробуем объяснить это явление нагляднее. Пусть мы стреляем в пятикопеечные монеты, лежащие плашмя на столе на некотором расстоянии друг от друга, шариками, имеющими диаметр, одинаковый с пятикопеечными монетами. Здесь возможны только два варианта: некоторые шарики попадут в монеты, а некоторые — в промежутки между ними.

Не то происходит при взаимодействии ядер с нейтронами. Допустим, что расположенные плашмя на столе пятикопеечные монеты вдруг стали на ребро — ведь тогда значительно больше шариков попадет на пустое место, чем в них. Можно представить, что наши пятикопеечные монеты при приближении к ним шариков вдруг стали расти и выросли до размеров блюдца или тарелки. Тогда почти все шарики попадут в них и лишь немногие — на непокрытую монетками часть стола.

Именно так и ведут себя ядра некоторых элементов при взаимодействии с нейтронами. Например, сечение реакции при взаимодействии нейтронов с кислородом составляет всего лишь 0,00 022 барна, то есть создается впечатление, будто ядро кислорода «похудело» в пять тысяч раз (при условии, конечно, что любое столкновение нейтрона с ядром приводит к взаимодействию). С другой стороны, сечение аналогичной реакции в случае гадолиния составляет 30 тысяч барнов; ядро как бы «расширилось» в 30 тысяч раз. Для природной смеси изотопов кадмия сечение реакции составляет 2900 барнов. Такое поведение некоторых веществ может быть использовано для поглощения нейтронов, о чем мы еще будем говорить дальше.

Вот теперь мы уже знаем достаточно, чтобы представить себе, как работает «фабрика» изотопов. Сама «фабрика» носит название ядерного реактора. В центре его расположены урановые стержни, заключенные в металлические оболочки, чаще всего изготовленные из алюминия. Уран, находящийся в стержнях, обогащен изотопом урана-235. Стержни отделены друг от друга слоями графита, который служит замедлителем нейтронов. В нем сделаны отверстия и для кадмиевых стержней, которые необходимы для регулирования ядерной реакции. Графит обычно окружают слоями отражателя — вещества, хорошо отражающего вылетающие нейтроны. Все это окружается дополнительно толстым слоем бетона, сквозь который не может «пробраться» выделяющееся при ядерных реакциях излучение.

Как же работает эта «фабрика»? При закладке урановых стержней кадмиевые стержни введены в графит полностью. Поэтому практически все нейтроны поглощаются ими. Затем стержни медленно поднимают, и начинается реакция деления урана. Но как только появляется значительное количество нейтронов, кадмиевые стержни снова вводятся в графит. Такую регулировку проводят до тех пор, пока так называемый коэффициент размножения нейтронов не становится равным единице: на один израсходованный нейтрон образуется один новый, способный провести новое ядерное деление.

В результате ядерных реакций, протекающих в уране, образуются радиоактивные изотопы многих элементов, расположенных в середине периодической системы. В «осколках» деления можно обнаружить изотопы элементов с порядковыми номерами от 30 (цинк) до 63 (европий). Изотопы других элементов получаются при так называемых реакциях расщепления урана. «Снарядами» в этом случае служат протоны высоких энергий, разогнанные до больших скоростей на ускорителях.

Реактор с мощностью в 1000 киловатт ежесуточно дает около полутора граммов различных осколков деления.

Помимо радиоактивных изотопов, при работе ядерного реактора выделяется громадное количество тепла. В самом деле, известно, что кинетическая энергия разлетающихся осколков деления близка к 3,2·10^–4 эрг. При делении грамма урана, 2,5·10²¹ ядер ²³⁵₉₂U, выделяется энергия, равная 8·10¹⁷ эрг, или 22 тысячам киловатт-часов. Поэтому работающий реактор необходимо охлаждать, а воду можно использовать в паровых электрических турбинах. Таким образом, одновременно с производством радиоактивных изотопов ядерный реактор автоматически может служить атомной электростанцией. Конечно, это его главное назначение.

Чудесная «фабрика» не только дает нам радиоактивные изотопы, необходимые в различных областях науки и техники, не только предоставляет возможность получать электроэнергию, но и вдобавок ко всему… обеспечивает себя топливом!

При взаимодействии изотопа урана-238 с нейтронами образуется нестабильный изотоп урана с массовым числом 239. Этот изотоп путем последовательного испускания двух бета-частиц превращается в элемент № 94, плутоний, который обладает довольно большим периодом полураспада, равным 24 тысячам лет.

Плутоний по способности к процессам деления очень сходен с ураном и может быть использован в виде «горючего» вместо мало распространенного изотопа урана-235. Реактор мощностью в 1000 киловатт при делении одного грамма урана может дать ежесуточно около 2 граммов плутония, то есть с лихвой возместить потери урана-235. Такие реакторы, работающие по принципу воспроизводства ядерного горючего, получили название бриддеров, или размножителей.

Несомненно, у ядерных реакторов, выделяющих громадные количества тепла, позволяющих получать радиоактивные изотопы и воспроизводящих ядерное горючее, большая будущность в мирном использовании атомной энергии.

В 1937 году в циклотроне Калифорнийского университета родились первые атомы элемента, никогда и никем ранее не обнаруженного в природе. Это событие открыло век искусственных элементов. Но в те дни оно привлекло к себе внимание лишь узкого круга ученых.

Авторы открытия — итальянцы Перье, Сегре и Каккьянуоти — работали в небольшом университетском городке Беркли, в Соединенных Штатах. В циклотроне в течение нескольких месяцев облучалась ядрами тяжелого водорода небольшая молибденовая пластинка. С ней было выполнено несколько тщательных опытов. Ученые надеялись обнаружить какой-нибудь новый радиоактивный изотоп. Их надежды оправдались. Счетчик зафиксировал распад неизвестных изотопов. Со всей возможной быстротой они были переведены в раствор и подвергнуты пристальному изучению. Скоро выяснилось, что изотопы принадлежат новому, не встречающемуся в природе элементу.

Рожденный в солнечной Калифорнии, первый искусственный элемент оказался настоящим южанином. Его атомы излучали горячее радиоактивное дыхание. Это было своеобразным предупреждением о грозных силах, скрытых внутри атомного ядра.

Новый элемент быстро распадался, и потребовалась действительно виртуозная техника, чтобы провести точные радиохимические опыты. По свойствам первый искусственный элемент напоминал рений и марганец. И так как он образовался при облучении атомов молибдена с зарядом ядра, равным 42 ядрам тяжелого водорода с одним положительным зарядом, не оставалось сомнений, что, наконец, получен элемент № 43 — неуловимый экамарганец Менделеева.

В ближайшие три года удалось получить три других не встречающихся в природе элемента: № 61 — в 1937, № 87 — в 1939 и № 85 — в 1940 году. В результате в периодической системе между водородом и ураном исчезли все свободные места.

Но этому краткому периоду успешных синтезов предшествовали почти 70 лет кропотливых исследований и разочарований, часто неожиданных.

«Эльдорадо» исчезнувших элементов

1869 год. Молодой Менделеев, только что открывший периодический закон, предсказывал, что химики скоро обнаружат в природных материалах новые элементы. Через несколько лет француз Буабодран, швед Нильсон и немец Винклер открыли экаалюминий, экабор и экакремний Менделеева. Еще каких-нибудь 12 лет — и в периодической таблице удачно разместились инертные газы, а к 1921 году нашло свое постоянное место редкоземельное семейство.

Периодическая система, раньше пестревшая белыми клетками неизвестных элементов, превратилась в строгий прямоугольник химических символов, логическая непрерывность которого отражала основной закон неорганической природы. Между тем в ней в 1925 году все еще можно было отыскать четыре свободных места.

Незанятые клетки таблицы привлекали к себе внимание химиков всех стран и континентов. Заявки на новые элементы следовали одна за другой. Каждый спешил обеспечить себе желанный приоритет. Но проходило несколько лет, и сообщения оказывались опровергнутыми. Постоянная смена кратковременных удач и неожиданных разочарований была как горячая пора золотой лихорадки в новеллах Джека Лондона.

В 1925 году немецкие химики Ида Таккэ, Вальтер Ноддак и Отто Берг сообщили, что обнаружены элементы № 43 и 75. Открытие было результатом долгих кропотливых поисков. После нескольких лет непрерывной работы удалось выделить из минерала колумбита элемент № 75 — рений и, казалось, обнаружить в платиновых рудах примеси элемента № 43 (мазурий). 5 сентября 1925 года Ида Таккэ прочла в Немецком химическом обществе в Нюрнберге первую лекцию о новых элементах.

В том же 1925 году чех Гейровский подозревает, что элементы № 43 и 75 содержатся в солях марганца.

В следующем году американец Смит Хопкинз опубликовывает результаты шестилетних поисков элемента № 61. Хопкинз считал, что ему удалось, наконец, обнаружить неуловимый редкоземельный элемент в виде примеси к чистейшим солям неодима и самария.

Одновременно об открытии шестьдесят первого элемента сообщил профессор Нью-Хемпширского университета Чарлз Джеймз.

Но права на этот элемент предъявил также Луиджи Ролла из Королевского университета во Флоренции. Выяснилось, что элемент № 61 обнаружен им еще в июне 1924 года и назван флоренцием, а сообщение об открытии уже два года хранилось во Флорентийской академии наук.

Тогда же чех Друце и англичанин Лоринг впервые упоминают об элементе № 87.

Между 1929 и 1932 годами американец Фрэд Элисон с помощью только что разработанного им магнитооптического анализа (метод впоследствии оказался неправильным в основе) «открывает» элемент № 87 (вирджиний) и 85 (алабамий) в литиевых и цезиевых минералах.

В 1931 году профессора Корнельского университета Джекоб Пэпиш и Юджин Вейнер как будто бы обнаруживают элемент № 87 в минерале самарките, а Густав Аортоваара из Хельсинкского университета — в финском полевом шпате.

Наконец, румын Хориа Холубей сообщает об открытии элемента № 87 — Молдавия — в минерале поллюците.

Но ни одно из этих сообщений никогда не было подтверждено. А затем оказалось, что даже самые тщательные поиски были заранее обречены на неудачу.

Объяснение пришло после работ немецкого физика Маттауха. Изучая устойчивость различных изотопов, он показал, что у элементов № 43 и 61 должны быть только неустойчивые радиоактивные изотопы.

К этому времени было твердо установлено: изотопы всех элементов с порядковыми номерами больше 83 неустойчивы. Поэтому в природе элементы № 85 и 87 могут существовать только, если время, за которое они полностью распадаются, больше возраста Земли. Или если они непрерывно образуются и в наши дни при распаде других радиоактивных элементов. Такие возможности можно было предусмотреть и для 43-го и 61-го элементов.

Безуспешные 70-летние поиски опровергали первую возможность. В продуктах распада известных радиоактивных элементов — урана, тория и актиния — не удалось обнаружить даже следов изотопов с порядковыми номерами 43, 61, 85 и 87. Если они и образуются при распаде урана, тория и актиноурана, то период их полураспада слишком мал. Эти изотопы, еще не успев накопиться в заметной концентрации, тут же исчезают, превращаясь в другие, более устойчивые. И обнаружить их в природных материалах обычными методами было бы почти невозможно.

Разочарование ученых, однако, было непродолжительным. Ровно через три года в физике и химии наступил век искусственных элементов.

Технеций, прометий, астат, франций…

Сразу же за технецием (№ 43) был синтезирован неуловимый элемент № 61. Его изотопы образовывались при бомбардировке ядрами водорода редкоземельного элемента № 60 — неодима. Ускоренные в циклотроне частицы с одним положительным зарядом, сливаясь с атомами неодима, дали новые ядра с зарядом 61.

Можно считать, что элемент № 87 известен еще с 1914 года. Тогда три венских химика: С. Мейер, Ф. Гесс и Ф. Панет, — обратили внимание, что чистый актиний распадается в двух направлениях. Хотя большая его часть испускает бета-частицы, некоторые атомы, меньше одного процента, выделяя альфа-частицы, переходят в неустойчивые радиоактивные изотопы с зарядом ядра 87 — актиний К. Но в то время трудно было поверить, что быстро распадающиеся изотопы могут представлять в периодической таблице самостоятельный элемент. Вскоре началась война, и о только что полученных изотопах надолго забыли.

В 1939 году — на этот раз в разгар второй мировой войны — парижанка Маргарита Перей повторила старые опыты. И теперь у нее не было сомнений, что актиний с зарядом 89, излучая ядра гелия с зарядом 2, переходит в новый элемент — № 87.

Почти одновременно в американском городке Беркли, где расположен Калифорнийский университет, под руководством Лоренса достраивался большой 60-дюймовый циклотрон. В нем скоро родились самые тяжелые элементы на Земле. А пока в циклотроне подвергся облучению ядрами гелия металлический висмут. Из мишени после быстрой химической обработки удалось выделить последний искусственный элемент с порядковым номером меньше девяноста двух — № 85.

В этом случае нельзя было исходить из элемента № 84 — полония. Полоний сам радиоактивен и присутствует на Земле в очень малой концентрации. Пришлось «пропустить» один номер и взять мишень из висмута (№ 83). И чтобы восполнить недостаток двух положительных зарядов, висмутовая мишень облучалась ядрами гелия, в результате возникали атомы нового элемента с порядковым номером 85.

Так за четыре года окончательно иссякло «золотое Эльдорадо» исчезнувших элементов.

Первое время никому не казалось странным, что у новых элементов нет химических названий. В те дни они еще не получались в больших количествах, не были известны их многие химические свойства, никто не видел даже самых простых принадлежащих им соединений. Все эти элементы казались мало похожими на хорошо изученные «классические» элементы периодической системы.

Но неудобство сразу почувствовалось, как только новые элементы перестали быть недоступными и свойства некоторых из них оказались подробно изучены. Первым обратил на это внимание в небольшой заметке в лондонском журнале «Природа» профессор Панет.

4 января 1947 года в «Природе» появилось ответное письмо Перье и Сегре. Они предлагали назвать элемент № 43 технецием. Одновременно была помещена записка Корсона и Мак-Кензи с предложением назвать элемент № 85 астатином, от греческого «астатос» — «неустойчивый». Теперь его переименовали в астат. Маргарита Перей решила дать элементу № 87 имя своей родины — франций.

Немного позднее элемент № 61 был назван прометием — в честь мифического титана Прометея, похитившего у богов огонь и подарившего его людям.

В наши дни в сравнительно большом количестве производится только технеций. Он образуется в атомных реакторах при распаде урана: 26 миллиграммов технеция на каждый грамм урана-235.

Технеций расположен в седьмой группе периодической системы между марганцем и рением. По химическим свойствам технеций больше напоминает рений. Как и рений, он осаждается из щелочных растворов сероводородом.

Буквально в последние годы установлено, что пертехнетаты — красивые, ярких оттенков кристаллические соединения технеция — могут предохранять железо от ржавления. Радиоактивный технеций помог понять сущность процессов коррозии и механизм защиты от нее. С помощью счетчика Гейгера можно следить за многообразными перемещениями атомов технеция, когда на металлической поверхности происходит сложная борьба между кислородом, влагой и ионами пертехнетата.

В противоположность искусственному синтезу технеция на Земле открытие больших количеств элемента № 43 в атмосфере некоторых звезд произвело настоящую сенсацию. Так как период полураспада наиболее долго живущего изотопа технеция всего 216 тысяч лет, а возраст звезд исчисляется буквально астрономическими цифрами, оставалось допустить, что элемент непрерывно рождается в звездах и в наши дни. Это, в свою очередь, приподнимало завесу над тайной происхождения химических элементов.

В атомных реакторах накапливается также другой искусственный элемент — прометий. Это редкоземельный трехвалентный металл. Он образует красивый хлорид желтого цвета и розовую азотнокислую соль. Его свойства очень похожи на свойства соседних редкоземельных элементов — неодима и самария.

В наши дни имя прометия связано с атомными батарейками, преобразующими энергию радиоактивного распада в электрический ток. Одна такая батарейка — величиной с маленькую пуговицу — может работать без «перезарядки» в течение 5 лет. Прометиевые батарейки — это изящные радиоприемники-клипсы, крошечные слуховые аппараты и миниатюрная электронная аппаратура космических ракет.

Сейчас считают, что технеций и прометий непрерывно образуются в природе при спонтанном делении урана. Но из-за малых периодов полураспада они не могут накопиться в заметных количествах — в одном грамме урана содержится одновременно только 0,000 000 000 000 000 01 (10^–17) грамма прометия и еще меньше технеция. Обнаружить это количество с помощью обычных методов почти невозможно: оно успевает полностью распасться за время химического выделения.

Так же неуловимы два других элемента — астат и франций. Теоретически они должны содержаться в продуктах распада урана: на один миллиард частей урана несколько частей франция и еще меньшее количество астата. Поэтому свойства астата и франция изучены очень слабо.

Астат до его синтеза считался неизвестным галогеном (напоминающим йод). На самом деле оказалось, что он имеет металлические свойства и больше похож на полоний и висмут. Астат осаждается из кислых растворов сероводородом и может быть выделен электролитически. Вместе с тем, напоминая галогены, астат образует соединение HAt, похожее на такое же соединение йода HJ.

Элементы тяжелее урана

Второе рождение исчезнувших с поверхности Земли технеция, прометия, астата и франция прозвучало кратким вступлением к синтезу элементов тяжелее урана. Долгое время их безуспешно искали в природе.

Элемент № 93 считался сначала аналогом марганца и рения. Как бы в подтверждение Лоринг и Друце открыли новые линии в спектрах марганцевого минерала пиролюзита. В 1934 году О. Коблик «обнаружил» элемент № 93 в богемской урановой руде и назвал его богемием. В 1938–1939 годах Хулубей и Кошуа во Франции «открывают» элемент № 93 в минералах бетафите с Мадагаскара и бразильском монаците и дают ему имя секвания «в честь древней цивилизации, некогда процветавшей на берегах Сены».

Но эти сообщения были преждевременными. Скоро выяснилось, что периоды полураспада элементов тяжелее урана также должны быть во много раз меньше возраста Земли.

Летом 1934 года в журнале «Природа» появилась необычная заметка Энрико Ферми. Облучая нейтронами уран, ему удалось искусственно получить первый элемент тяжелее урана. Опыты Ферми были подтверждены ровно через год Ганом и Мейтнер. Они считали, что уран при облучении переходит в элементы № 93–96. 19 марта 1937 года Резерфорд с помощью счетчика Гейгера, подключенного к громкоговорителю, продемонстрировал в Британском королевском институте повышенную активность облученного нейтронами природного урана.

В 1939 году было установлено, что ядра урана, поглощая нейтроны, раскалываются на приблизительно равные половинки. Элементы № 93–96 оказались изотопами давно открытых и изученных лантана, церия, бария, стронция…

При делении ядра выделяется большое количество энергии и несколько свободных нейтронов. «Горячие» половинки уранового ядра разлетаются в противоположные стороны. Нейтроны поглощаются соседними ядрами, и те расщепляются, в свою очередь. Возникает лавина нейтронов, и процесс деления в критический момент перерастает во взрыв чудовищной силы…

Попытка получить трансурановые элементы ознаменовала начало атомного века. С этого времени сообщения о синтезе тех или иных трансурановых элементов — лишь фрагменты более общей истории развития власти человека над энергией атомного ядра.

Энрико Ферми — нобелевский лауреат, «отец атомного века» — в 1933 году был твердо уверен, что элементы тяжелее урана скоро удастся получить искусственно.

Учитывая место элементов № 93 и 94 в периодической системе, можно было ожидать, что они будут напоминать рений и осмий. Но строение электронных оболочек говорило о возможных отклонениях. Может быть, эти элементы встанут в начале новой группы, подобной редкоземельной? В 1941 году физик-теоретик Мария Гепперт-Майер доказала математически, что такая группа возможна.

Но главным образом интерес исследователей был направлен к процессу деления ядер урана как источнику огромных количеств энергии. Процесс деления особенно тщательно изучался американскими учеными.

В 1939 году несколько физиков Калифорнийского университета измеряли расстояния, на которые разлетаются осколки деления, стараясь определить их энергию. Эдуард Мак-Миллан обнаружил в тонком слое расщепляющегося урана новые тяжелые частицы. Это были изотопы элемента № 93, образовавшиеся при захвате медленных нейтронов ядрами урана.

В 1940 году существование нового элемента — нептуния — было доказано химически. По свойствам он больше напоминал уран, чем рений и марганец. Таким образом подтвердилось предположение о новой группе трансурановых элементов.

Почти в те же дни природный уран был подвергнут в циклотроне облучению ядрами тяжелого водорода. Образовавшийся нептуний, выделяя бета-частицы, распался до элемента № 94 — плутония. Затем в продуктах деления был обнаружен его изотоп плутоний-239, который расщеплялся медленными нейтронами так же легко, как уран-235.

18 августа 1942 года Кэнингэм и Вернер получили примерно 500 миллионных долей грамма чистых солей плутония. Из такого количества с трудом можно было бы изготовить булавочную головку. Но его оказалось достаточно, чтобы провести подробное исследование всех основных свойств нового элемента. К концу 1942 года, то есть через 18 месяцев со дня открытия, плутоний можно было уже считать одним из самых изученных химических элементов.

Новые шаги за уран

Синтез всех других трансурановых элементов связан с именем американского физика Гленна Сиборга. Это был тщательно продуманный и предельно точно подготовленный технический поход в неизвестную страну сверхтяжелых атомов.

В сложном лабиринте ядерных реакций «нитью Ариадны» служила аналогия свойств трансурановых элементов. Каждый из них в определенном валентном состоянии напоминает все более легкие и более тяжелые с той же валентностью. И систематические отклонения, нарастая с каждым элементом, образуют четкую последовательность физических и химических свойств.

И еще одно счастливое совпадение. Новая группа очень похожа на классическое редкоземельное семейство. Так, редкоземельные элементы вымываются растворителями с ионообменной смолы (например, с катионита) в строгом, никогда не нарушаемом порядке. Этот порядок сохраняется и у трансурановых элементов. В первых порциях растворителя — всегда самые тяжелые из них. В то же время ионообменный метод обладает высокой чувствительностью. С его помощью можно отделить друг от друга даже несколько атомов. Поэтому существование почти всех трансурановых элементов было доказано с помощью ионообменных смол.

Когда плутоний перестал быть дефицитным материалом, он тут же был использован для синтеза элементов № 95 и 96. Это произошло незадолго до окончания второй мировой войны. Плутониевую мишень подвергли продолжительному облучению альфа-частицами, и на ионообменной смоле из продуктов ядерной реакции был выделен новый элемент — № 95, названный в честь первых исследователей ядерных превращений Марии и Пьера Кюри кюрием.

Немного позднее Сиборг приготовил изотоп плутоний-241. Он, излучая электроны, превращался в элемент № 95 — америций. Первым заметное количество америция получил Кэнингэм. Препарат Кэнингэма был облучен нейтронами, и из него в 1945 году Вернер и Перлмен выделили чистый кюрий.

Через некоторое время америций и кюрий стали получать по нескольку миллиграммов одновременно, облучая нейтронами плутоний. Всего же для тщательного изучения свойств этих элементов потребовался промежуток в 5–6 лет.

Теперь кюриевые и америциевые мишени, в свою очередь, были использованы для синтеза элементов № 97 и 98. Он был проведен в 60-дюймовом циклотроне Калифорнийского университета в Беркли. Быстрые альфа-частицы, проникая в мишень, каждый раз давали изотопы с порядковым номером на две единицы больше, чем у исходного элемента. Оставалось только быстро выделить новые элементы из радиоактивных продуктов и, наконец, назвать их.

Когда имена всех планет в солнечной системе за Ураном были полностью «исчерпаны», на помощь пришла «генеалогия» редкоземельных аналогов. Элементы № 95, 96 и 97 похожи на европий, гадолиний, иттербий, названные так в честь континента Европы, первого исследователя редкоземельного семейства финна Гадолина и шведского городка Иттерби. Трансурановые элементы получили имена Америки, первых исследователей ядерных превращений супругов Кюри и университетского городка Беркли. Более оригинально эту систему удалось распространить и на элемент № 98. По свойствам он напоминает диспрозий — по-гречески «труднодоступный». Сиборг и Джиорсо быстро вышли из затруднительного положения. Они учли, что столетие тому назад было очень трудно достигнуть их родного штата, и назвали новый элемент его именем — калифорний.

Рождение в чреве дракона

В ноябре 1952 года в отдаленном районе Тихого океана на несколько километров над поверхностью воды поднялся гриб термоядерного взрыва. Соединенные Штаты проводили испытательную операцию «Майк». На огромной скорости сквозь облако взрыва прошли реактивные самолеты с укрепленными в специальных камерах бумажными фильтрами. Одновременно радиоактивные продукты были собраны на оказавшемся поблизости небольшом атолле. Материалы отправили для изучения в различные лаборатории США.

В Беркли группе Сиборга сразу же удалось обнаружить в них атомы нового элемента. Чтобы получить его в большом количестве, на атоллах недалеко от места взрыва были собраны сотни килограммов коралловых отложений. Под кодовым названием «дорогостоящая грязь» радиоактивные продукты поступили на дальнейшую обработку. «Грязь» действительно оказалась дорогостоящей. Из нее сразу же были выделены элементы № 99 и 100 — эйнштейний и фермий.

Гленн Сиборг считает, что эйнштейний — последний элемент, который удастся получить в заметном количестве. Период полураспада более тяжелых элементов слишком мал, и они мгновенно распадутся.

Под звон пожарного звонка

В 1955 году выполнен самый изящный и наиболее совершенный опыт в истории трансурановых элементов. В результате последний достоверно установленный элемент современной периодической таблицы был подтвержден всего на 17 атомах.

Сразу же возникли затруднения. Не было надежды выделить элемент № 101 на ионообменной смоле. Ожидался слишком небольшой период полураспада — меньше 10 минут. Сама мишень состояла из исчезающе малого количества калифорния — около 1 миллиарда атомов. При ее облучении в течение многих часов пучком альфа-частиц рассчитывали получить только один атом элемента № 101.

По-видимому, можно было рассчитывать только на подтверждение по энергии испускаемых альфа-частиц. Но на пути встало роковое сходство. Радиоактивный газ радон, присутствующий в почти незаметной концентрации в воздухе, распадаясь, выбрасывает альфа-частицы равной энергии.

Новая возможность появилась уже после того, как опыты были в разгаре. Оказалось, что элемент № 101 быстро превращается в фермий (№ 100), атомы которого способны к самопроизвольному делению. Радиоактивные осколки ионизируют частицы воздуха, и счетчик фиксирует резкий скачок ионизации.

Элемент № 101 был подтвержден одной памятной ночью после долгих безуспешных попыток, о которых лучше всего сможет рассказать непосредственный участник этого события — Гленн Сиборг:

«Атмосфера уныния царила в нашей лаборатории. При попытке синтезировать и идентифицировать элемент № 101 мы выполнили ряд весьма тщательных опытов, которые оказались неудачными. Наконец был поставлен последний опыт, на основе которого можно было лишь с большой натяжкой предвидеть возможность некоторой удачи. В лучшем случае изготовленная нами ничтожная проба могла содержать один или два атома ускользавшего из наших рук элемента № 101. Мы ожидали затаив дыхание показаний прибора, связанного с ионизационной камерой… Прошел час. Ночь уже была на исходе. Ожидание казалось бесконечным. И, наконец, перо самописца стремительно двинулось к середине шкалы и вернулось обратно, оставив позади тонко очерченную красную линию. Такой скачок ионизации ни разу не наблюдался при исследовании природных радиоактивных материалов… По-видимому, вероятным было считать, что этот скачок действительно является сигналом ожидаемого расщепления. Наблюдение продолжалось. Примерно через час перо зарегистрировало второй такой же скачок. Теперь мы были уверены, что присутствуем при распаде двух атомов элемента № 101 и можем вписать его в существующий список химических элементов».

Еще одна интересная деталь. Счетчик был присоединен к оглушительному пожарному звонку. Рождение каждого нового атома сто первого элемента сопровождалось мощным трезвоном и радостными возгласами.

Элементу № 101 присвоено имя Менделеева. Сейчас можно получать уже более 100 атомов менделеевия одновременно.

Самые последние

В 1957 году в печати появились сообщения о синтезе элемента № 102. Шведские исследователи назвали его нобелием. Правда, работы советских ученых во главе с Г. Н. Флеровым и американских физиков не подтвердили эти результаты: в их опытах были получены другие изотопы элемента № 102. Возможно, что для него примут другое название. На Второй Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии предлагалось дать ему имя резерфордий, в честь Эрнеста Резерфорда. В 1961 году появилось сообщение о синтезе элемента № 103, названного лоуренсием (в честь создателя циклотрона Лоуренса).

Видимо, не за горами и синтез элемента № 104.

Это произошло весной 1954 года. Крохотное японское суденышко рыбачило на просторах Тихого океана. Рыбакам везло: в трюмах уже плескалось 40 тонн рыбы, а погода обещала оставаться по-прежнему прекрасной. Недаром же судно называлось «Дайго фукурю-мару», что значит «Счастливый дракон». Хозяин уже потирал руки, мысленно прикидывая сумму выручки, как вдруг улыбка фортуны сменилась зловещей гримасой.

Несчастье свалилось словно снег на голову.

В 4 часа утра 1 марта небо на горизонте внезапно осветилось заревом необыкновенной яркости. Спустя несколько мгновений донесся оглушительный грохот. Между 6 и 7 часами утра солнце померкло, скрытое аркой туч, а с неба посыпался какой-то удивительный снег, сухой, как бумага. Белые хлопья летели так плотно, что за их завесой нельзя было ничего разглядеть даже в двух шагах. Они покрыли сплошным налетом палубу корабля, забились во все щели, запорошили глаза и уши моряков, осели в волосах, проникли в легкие, попали под одежду, застряли в ее складках. Не прошло и 3–4 часов, как у рыбаков началась ужасная головная боль, тошнота, рвота. Команда почувствовала себя настолько скверно, что уже не могла продолжать работу. Раздосадованному хозяину ничего не оставалось делать, как повернуть к берегам Японии.

Путь от Маршалловых островов до маяков Страны Восходящего Солнца для скорлупки, на которой не осталось ни одного здорового члена экипажа, был не легок и не скор. Только 13 марта добрался «Счастливый дракон» до порта Яидзу. Выслушав короткий рассказ капитана, власти сразу же смекнули, в чем дело. Пострадавших тут же поместили в больницу, а «Счастливого дракона» пришлось сжечь.

Странный снег оказался радиоактивным пеплом.

Через семь месяцев, несмотря на все принятые меры, от тяжелого поражения печени скончался радист судна Аикиши Кубояма. Очень тяжело протекала болезнь и у 22 других моряков. Да это и понятно. По расчетам ученых, страшный пепел обладал активностью чистого радия. Полтонны такой пыли вполне хватит, чтобы уничтожить всякую жизнь на территории в 250 тысяч квадратных километров, а это превышает площадь Великобритании. За много часов доза облучения составила несколько сот рентген, а уже 600 рентген, как известно, абсолютно смертельны для человека. Правда, симптомы лучевого поражения были усилены тем, что немало радиоактивных веществ попало внутрь организма с загрязненной пеплом пищей в течение почти двухнедельного плавания, пока рыбаки добрались, наконец, до японского порта. Но ведь изрядное количество радиоактивных осадков было смыто водой за борт. А что бы произошло в таких же условиях на суше?

Атом-разрушитель

Причиной трагедии была операция «Кастл». Под таким шифром в секретных американских документах фигурировало проведение испытательного взрыва смешанной атомно-водородной бомбы у атолла Бикини, что в архипелаге Маршалловых островов. После «успешного» проведения операции на месте кораллового островка осталась зияющая воронка диаметром более 2 километров и глубиной 60 метров. Над Тихим океаном выросло грибообразное облако колоссальных размеров: его высота составляла 40 километров, а ширина в верхней части («шляпка» гриба) — 160 километров.

Многокилометровый огненный шар, вспыхнувший подобно тысяче солнц через несколько секунд после взрыва, имел в центре температуру порядка миллиарда градусов. Не мудрено, что эту ослепительную вспышку рассмотрели рыбаки, находившиеся на расстоянии 130 километров от эпицентра.

20 миллионов тонн грунта взметнулось в воздух — такова была чудовищная сила взрыва. Специальная экспертиза установила впоследствии, что радиоактивный пепел состоял из карбоната кальция с осевшими на нем продуктами деления. Это означает, что коралловый островок расплавился при взрыве и был мгновенно превращен в пыль страшной ударной волной. Через час после взрыва радиоактивность облака достигла неимоверных масштабов: 1000 миллиардов кюри. Чтобы получить такое излучение, понадобился бы целый миллион тонн радия!

Не в первый раз вставал над планетой зловещей грибовидной тенью призрак смерти и разрушения. Человечество не забудет роковое утро 6 августа 1945 года, когда первая атомная бомба, доставленная к цели на борту американского самолета «Б-29» «Энола-Гей», превратила Хиросиму в груду безжизненных развалин. Три дня спустя ядовитый гриб атомного взрыва вырос над другим японским городом — Нагасаки. Сотни тысяч людских жертв — таков результат этой грандиозной катастрофы.

А за три года до Хиросимы жизнерадостный итальянец Энрико Ферми на американской земле запустил первый в мире атомный реактор. Это было торжественное событие в жизни ученых: наконец-то человеку удалось обуздать сокрушительную силу разбуженного атома! Люди, сами того не подозревая, вступили в атомный век. Человек стал властелином огромных запасов энергии, спрятанных в недрах крупинки вещества. Даже дальновидному взгляду было трудно охватить необъятные горизонты, которые открылись перед человечеством с победой над атомом.

Но уже тогда радужные чаяния ученых омрачились предчувствием чего-то недоброго. Темные силы поспешили прибрать к рукам атом, только что вышедший из колыбели, чтобы тут же напялить на него военный мундир. Атом стал узником в секретных казематах Пентагона. Протесты ученых оказались бессильными. И вот от первых же шагов младенца Геркулеса, каким показал себя новорожденный атом, дрогнула наша планета. Атомный век начался с атомных бомб. Тогда потрясенное человечество спросило с тревогой и надеждой: кто же он, этот новый Геркулес, друг или враг?

Неужели чудовищная сила раскованного атома призвана сеять смерть и разрушение? Разве не способна она своротить горы в грохоте созидательного труда?

Атом-созидатель

Вся история человечества — от первобытных костров до взрыва водородной бомбы — это многотрудный путь поисков новых источников энергии. Энергия, пожалуй, — самое показательное мерило богатства любой страны. Энергия двигает машины, дает свет, кормит нас, согревает, вооружает в борьбе с природой. Каждая ступенька на пути к прогрессу и цивилизации связана с отысканием нового источника энергии. Вспомните водяное колесо, мельничные крылья, паровую машину, наконец электромотор. Это они привели к промышленной революции, неузнаваемо изменившей за несколько столетий расстановку сил в извечной драме борьбы человека со слепыми силами стихии. Так неужели новый триумф человеческого разума — овладение атомной энергией — означает конец этого пути? Да разве найдется хоть один здравомыслящий человек, который в силах поверить этому?!

Сколько чаяний, сколько планов связывает с атомом миролюбивое человечество!

По свидетельству французского ученого-атомника Ф. Рэна, в наши дни четыре пятых всей вырабатываемой в мире энергии производится за счет сжигания топлива: каменного угля, нефти, газа, торфа, горючих сланцев. Гидроэлектроэнергия, как и мускульная сила человека, покрывает не более 2 процентов в общем энергетическом балансе. Остальная доля энергии, то есть около 15 процентов, получается от сжигания древесины и отходов сельскохозяйственного производства. Чтобы обеспечить постоянно растущий спрос на энергию, добыча горючих ископаемых должна непрерывно возрастать. Но ведь запасы топлива в земной коре далеко не безграничны!

По подсчетам Ф. Рэна, в 2000 году мировые потребности в энергии будут в 6–8 раз выше, чем теперь. Если верить некоторым прогнозам, через несколько столетий в Земле не останется ни крошки угля, ни капли нефти, ни самомалейшего пузырька газа. Все запасы топлива, накапливавшиеся в кладовых природы чуть ли не четверть миллиарда лет, будут полностью исчерпаны.

И кому, как не атому, суждено стать избавителем человечества от топливного «голода»!

Мировые запасы урана и тория — главных видов ядерного «горючего» — соответствуют такому количеству энергии, которое в 20–30 раз превосходит энергетические ресурсы, заключенные в имеющихся сейчас запасах обычного топлива у нас под ногами. Иными словами, атомное «горючее» выручит человечество на сотни лет.

Уже сейчас атом дает возможность зажечь солнце электрического света, «запрячь» лошадиные силы электромоторов. Вырабатывает промышленный ток первая в мире атомная электростанция, построенная в нашей стране. Со скрежетом ломая льды, прокладывает водные трассы в арктических морях атомоход «Ленин». Созданы атомные подводные лодки. Ведутся работы по созданию атомного самолета. Дальность перелетов атомных птиц будет ограничена лишь физическими возможностями экипажа. Что касается использования атома в двигателях наземного транспорта, то здесь придется, по-видимому, набраться терпения и подождать. Пока идут разговоры лишь об атомных локомотивах. Но кто может поручиться, что наши внуки не будут кататься в атомных автомобилях? Не подлежит сомнению, что атом в космической упряжке рано или поздно понесет человека в неизведанные бездны вселенной.

Конечно, атомное сырье тоже в один прекрасный день будет израсходовано. Не беда: людей выручит тот же самый атом, правда в несколько ином «амплуа».

Уран и торий представляют собой источник энергии, высвобождаемой в процессе деления ядра. Иное дело — термоядерная энергия. Она основана на синтезе — соединении, слиянии ядер легких элементов, например изотопов водорода. Изотопы водорода — дейтерий ²₁H и тритий ³₁H — поистине волшебное по своим качествам «топливо». При слиянии ядер этих изотопов друг с другом на свет появляются нейтроны ¹₀n и ядра нового элемента — гелия ²₄He:

²₁H + ³₁H = ⁴₂He + ¹₀n + 17 Мэв.

Скромная приписка «17 Мэв» означает, что рождению каждого грамма гелия сопутствует мгновенное выделение чудовищного количества энергии: 120 тысяч киловатт-часов!

Такого рода процессы протекают в недрах Солнца и далеких звезд. «Звездная» реакция все чаще встречается и в земных условиях. Яростный, ослепляющий, испепеляющий клубок взрыва водородной бомбы — не что иное, как миниатюрное солнце на Земле. К сожалению, оно скоротечно и разрушительно. Вот когда бурный и непокорный термоядерный взрыв удастся заменить спокойным управляемым «горением», тогда проблема энергетического голода будет упразднена. И впрямь: дейтерия в природе — хоть отбавляй! На каждые 6 тысяч ядер водорода Мирового океана приходится одно ядро дейтерия. Зачерпнув ведро воды, мы и не подозреваем, что в нем спрятана энергия, равноценная теплу от сжигания 4 тонн нефти! Такого топлива хватит бесчисленным поколениям наших потомков на сотни миллионов лет, даже при самом бурном развитии энергетики.

Прекрасный античный миф повествует о подвиге Прометея, похитившего у неба огонь, чтобы научить людей обращаться с ним. Физики XX века, которые также похитили у природы тайну термоядерного «пламени», пока еще не научились укрощать его строптивый характер. Но наука не стоит на месте.

Разве не казались несбыточными каких-нибудь четверть века назад мечты скромного калужского учителя, слывшего неисправимым чудаком? А теперь? Весь мир с замиранием сердца следил за полетами Юрия Гагарина, Германа Титова, Андрияна Николаева, Павла Поповича и американских космонавтов.

Наступит день, и жаркое термоядерное солнце, скрученное в огненный жгут магнитными силовыми линиями так, что оно уже не в силах будет расплавить и испарить далекие от него стенки камеры, станет услужливо отдавать человеку огромные запасы энергии, добытой из обыкновенной воды. Не исключено, что лет через 20 — такой срок назвал академик Николай Николаевич Семенов — эта проблема будет решена. Тогда совесть ученых будет спокойна. Их перестанет терзать сознание того, что величайшее открытие науки нашего столетия может использоваться лишь во вред людям. Огонь новоявленного Прометея не превратится в смертоносный бумеранг, возвращающийся затем, чтобы поразить своего изобретателя.

Разведчики ядерных недр по-современному нетерпеливы. Не дожидаясь, пока заработают термоядерные электростанции, они уже сейчас изучают возможности мирного применения военного атома.

В самом деле, ведь при помощи взрывов термоядерных бомб можно создать гигантские подземные резервуары тепла, которые способны в течение многих месяцев питать выделенной энергией теплоэлектростанцию, равную по мощности Братской ГЭС. Кроме того, в огромные воронки, образованные взрывами термоядерных бомб, можно направить морскую воду и заставить ее вращать установленные у края воронок турбины. Наконец, атомный взрыв может стать подспорьем при инженерных работах. Ведь проводят же взрывные работы с обычной взрывчаткой, скажем с тротилом. А одна атомная бомба, умещающаяся в школьном портфеле, может заменить 1000 тонн тротила, для перевозки которого потребовался бы целый железнодорожный состав.

Неисчислимые возможности таит в себе расщепленный атом. И все они могут и должны быть направлены на благо человечества. Неистребима вера простых людей в то, что победа над атомом никогда не приведет человечество к кошмару атомной войны. Переворот, связанный с овладением атомной энергией, намного более грандиозен, чем великие промышленные революции прошлого, вызванные изобретением паровой машины и открытием электричества.

Коварное свойство

Ну, а как быть с радиоактивными излучениями? Не постигнет ли тех, кто командует мирным атомом, участь Аикиши Кубояма? Ведь смертоносные лучи, испускаемые атомом, подкрадываются тихо, тайно, не причиняя боли, вредно сказываясь на здоровье подчас многие годы спустя. Об этом коварном свойстве атома было известно задолго до того, как слово «атом» стали отожествлять с понятием «бомба». Если ты беззащитен, то даже с мирным атомом шутки плохи, — это знали еще пионеры науки об атоме, прокладывавшие нехоженые тропы в тайны ядерных глубин.

На Всемирной выставке в Брюсселе демонстрировался интересный экспонат. Счетчик, укрепленный на специальном стенде, непрерывно регистрировал сильное радиоактивное излучение, исходившее от расположенной рядом пары старинных дамских перчаток. Это были перчатки Марии Кюри. Под ними скрывались когда-то руки, совершившие бессмертный научный подвиг, руки, пораженные радиоактивными излучениями. Незаживающие язвы на руках самоотверженной женщины-ученого — это ли не предупреждение о враждебной силе атомных излучений?

Таким образом, за 50 лет до страшного пепла Бикини атом предупредил, что его лучи оказывают на организм сильнейшее физиологическое действие. Теперь мы знаем, что облучение приводит к изменению структуры молекул, участвующих в жизнедеятельности организма. На пути вторгшихся в недра живой клетки атомных частиц остаются обломки «покалеченных» молекул. Эти осколки очень активны. В итоге может наступить серьезное нарушение обмена веществ. Но если даже атомное облучение заканчивается безболезненно, оно может плачевно отразиться на здоровье наших потомков, ибо в недрах клеток происходят изменения наследственных свойств организма.

Быть может, эта мрачная перспектива является уделом каждого, кто работает с радиоактивными веществами? Кто так думает, тот наверняка ошибается. Нет и еще раз нет.

Люди научились полностью обезвреживать радиоактивные излучения. На пути невидимого врага воздвигаются непробиваемые заслоны в виде экранов из свинца, бетона и других материалов. Врагу бесполезно рассчитывать на такие лазейки, как невежество и халатность, — они навсегда изгнаны из радиохимической лаборатории.

В наше время радиочувствительность человеческого организма изучена достаточно хорошо. На основании накопленных фактов во многих странах принята величина толерантной, то есть вполне переносимой, дозы радиации. В Советском Союзе она составляет 0,03 рентгена за весь рабочий день. Но даже эту, можно сказать, безвредную дозу снижают в тысячи раз с помощью различных остроумных приспособлений (экраны, манипуляторы, автоматические «руки»).

При умелом, грамотном обращении с мирным атомом его излучения никогда не станут врагом человека. Более того, радиоактивное облучение во многих случаях оказывает благотворное влияние на человеческий организм.

Атом-врач

Казалось бы, атом и медицина — что может быть более далеким? Помня трагическую судьбу японских рыбаков, как-то трудно увязать представление о смертоносной силе радиации с гуманным характером древнейшей профессии человечества. И тем не менее это реальный факт.

Еще 6 июня 1905 года Пьер Кюри, выступая с нобелевской речью перед собранием Стокгольмской академии наук, сообщил, что под действием излучений радия разрастание тканей, пораженных раком, приостанавливалось, а порой и прекращалось вовсе. Оказывается, молодые, быстрорастущие клетки злокачественных опухолей отличаются повышенной чувствительностью к радиации. На них радиоактивное излучение действует убийственно, щадя в то же время соседние здоровые ткани.

В наши дни лечение раковых заболеваний с помощью радиоактивных «эскулапов» выросло в самостоятельную область медицины — радиотерапию. Только на смену радию и рентгену пришли более действенные и менее дорогие средства, скажем радиоактивный кобальт. 30 граммов кобальта-60 испускают такое же количество излучения, что и солидный кусок радия весом в несколько килограммов. При этом не следует упускать из виду, что во всем мире до сего дня было добыто всего лишь около двух с половиной килограммов радия.

Различают два главных метода радиотерапии: внутритканевое и внешнее облучение. В первом случае в опухоль вводят источник излучений, например в виде игл из специальной кобальто-никелевой проволоки, облученной предварительно нейтронами. Нейтроны превращают обычный кобальт в его радиоактивного «тезку» — кобальт-60. Этот метод находит применение главным образом для лечения наружных опухолей. Во втором случае используют особую установку для облучения на расстоянии — так называемую кобальтовую «пушку». Перед ней не в силах устоять даже самые страшные враги здоровья: рак легкого, рак пищевода, саркома костей и другие заболевания внутренних органов.

Так в борьбе двух призраков смерти — радиоактивного излучения и ракового недуга — победу одерживает жизнь. И надо сказать, что радиотерапия до сих пор остается наиболее многообещающим методом лечения злокачественных опухолей, обрекавших ранее человека на неминуемую гибель.

И право же, белый халат врача идет атому гораздо больше, чем военная форма.

Не только в стенах медицинского кабинета работает на человека укрощенный гамма-квант. Наука и техника, сельское хозяйство и промышленность — где только не применяются радиоактивные излучения!

Всем известно, какой ущерб приносят сельскому хозяйству насекомые-вредители. Летающие и ползающие твари по своей прожорливости не уступят знаменитому Гаргантюа: они пожирают такое количество продовольствия, которым можно было бы дополнительно прокормить 200 миллионов человек! Правда, насекомых и их личинки можно уничтожать химическими средствами. Однако не секрет, что многие химикалии далеко не безобидны для человеческого организма.

На выручку приходит гамма-квант. Подвергая гамма-облучению целые зернохранилища, можно полностью избавиться от нежелательных нахлебников. Под действием гамма-лучей или потока электронов погибают и микроорганизмы, вызывающие порчу, гниение. Например, картофель после гамма-облучения может с успехом храниться в течение чуть ли не двух лет. Это позволяет обойтись без дорогостоящих холодильников. Еще важнее применение радиационных методов для стерилизации медикаментов.

От своих коллег — атома-врача и атома-агронома — не отстает

Атом-инженер

…Космический корабль приближается к цели. И вдруг давление в кабине астронавта резко падает. Все ясно: в обшивке космического корабля образовалась щель. Ничего не попишешь, приходится возвращаться на Землю и стать в ремонт. Оказывается, причиной аварии были невидимые снаружи раковины в обшивке ракеты. Из-за какой-то раковины авария в космосе! Если бы не «всевидящий глаз» атома-инженера, это могло бы случиться на самом деле. Именно он позволяет заглянуть внутрь детали и выяснить, нет ли в ней предательских трещин или раковин.

Метод проверки однородности внутренней структуры металлических деталей с помощью гамма-излучения — это и есть «всевидящий глаз» атома. Инженеры называют этот метод гамма-дефектоскопией. В чем его суть?

Каждому из нас приходилось бывать в рентгеновском кабинете. По изображению на экране опытный глаз врача тут же определит, в порядке ваши легкие или нет. Рентгеновское просвечивание применяется и в промышленности — там оно называется рентгенодефектоскопией. Так вот, гамма-дефектоскопия — не что иное, как разновидность промышленного рентгена, только лучше, надежнее. Посудите сами. Во-первых, дорогая рентгеновская установка заменена дешевым препаратом радиоактивного кобальта. Во-вторых, гамма-излучение кобальта проникает в металл на глубину до 15 сантиметров, тогда как рентгеновские лучи не более чем на 1 сантиметр. А это очень важно. Можно контролировать качество изделий, скажем литья или сварных швов, имеющих солидную толщину. Придирчиво ощупывая толщу металла, атом тотчас же видит пустоты, трещинки или другие дефекты, создающие неоднородность материала. Сигнал тревоги подает специальный счетчик, регистрирующий все изменения мощности потока гамма-излучения.

Такого рода «всевидящий глаз» занимает ведущее место среди промышленных способов применения радиоизотопов. На всех трассах газопроводов, строящихся в Советском Союзе, используется гамма-дефектоскопия. Экономисты подсчитали, что если перейти от традиционных выборочно-механических методов проверки качества бетонных опор к гамма-дефектоскопическому способу контроля, то одно это принесет стране выгоду в размере 400 тысяч рублей.

А вот другой пример. Машинисту забойной машины трудно, а подчас и попросту невозможно уследить за правильным положением режущего инструмента. Малейшая неточность в управлении, случайный недосмотр — и челюсти машины попадают в пустую породу. Уголь засоряется никчемной породой, обрываются цепи машины, а это вызывает длительные простои.

Между тем аварии легко избежать. Радиометрический прибор, созданный Институтом горного дела Академии наук СССР, без вмешательства человека следит за положением режущего инструмента забойных машин. Атомный «поводырь» не пускает режущий орган комбайна в пустую породу, четко ведет комбайн по нужную сторону межи «уголь — порода».

Трудно сыскать такую область техники, где не могли бы нести мирную службу излучения атома. Спросите геолога-разведчика, что такое нейтронный каротаж. Едва ли он удержится от похвал в адрес этого эффективного и удобного способа разведки на нефть. Да и не только на нефть: марганец и вольфрам, кобальт и кадмий, ртуть и бор — целый ассортимент сокровищ, запрятанных в подземных тайниках природы, открывается «всевидящему глазу» атома. И что самое удивительное, для обнаружения подземных кладов вовсе не нужно доставать пробы пород из земных глубин. Все, что требуется для разведки, — это опустить в скважину вслед за буром крошечный атомный зонд. Метод основан на способности пород по-разному рассеивать поток нейтронов, испускаемых источником. Результаты облучения встречных пластов нейтронами регистрируются счетчиком и передаются по электрическим проводам на поверхность земли. Там по характеру кривых, вычерчиваемых самопишущими приборами, геологи сразу же определяют, какие слои проходит зонд.

По данным Института экономики Академии наук СССР, только на нефтепромыслах Азербайджана и Западной Украины с 1950 года с помощью нейтронного каротажа за счет восстановления заброшенных скважин получено более 2,2 миллиона тонн первосортной нефти. А теперь, когда в нашей стране вынашиваются грандиозные планы сверхглубинного бурения (5 скважин, глубиной около 15 километров каждая), атому предстоит сыграть решающую роль в прощупывании «внутренностей» Земли.

Измерение уровня жидкости в закрытых резервуарах, определение износа режущих инструментов, обнаружение утечек газа из подземных трубопроводов, проверка состояния огнеупорной футеровки, выстилающей раскаленную пасть доменной печи, контроль за обмелением портов, отыскивание источников водоснабжения, нейтрализация зарядов статического электричества, угрожающих пожаром, — все эти задачи решаются проще и надежнее, когда за дело берется атом-инженер с его невидимыми «щупальцами» — радиоактивными излучениями.

Атом-химик

Радиоактивные излучения — поистине чудодейственное средство и в руках химика. С ними происходят изумительные метаморфозы. Под действием радиации сахар превращается в кислоту, касторовое масло затвердевает, кожа становится непромокаемой, парафин видоизменяется в похожее на каучук вещество, бензин запросто соединяется с хлором, давая сильный инсектицид. Если воздействовать ядерными излучениями на воду, то молекула воды H₂O распадается на осколки. Осколки реагируют друг с другом, образуя водород Н₂, кислород O₂ и перекись водорода H₂O₂. В водных растворах эти частицы реагируют не только между собой, но и с растворенными веществами. Именно так из бензола получают фенол — незаменимое техническое сырье.

Недавно советские ученые сделали интересное открытие. Оказывается, способность воды расщепляться под действием гамма-излучения можно использовать для получения электрического тока. В раствор серной кислоты погружают два электрода, сделанные из разных материалов. Образующиеся при облучении раствора осколки — атомы водорода и гидроксильные радикалы — благодаря диффузии попадают на разные электроды. Атомы водорода, отдав свой электрон одному из электродов, превращаются в ионы H⁺ и уходят в раствор. Электроны движутся по электроду, переходят во внешнюю цепь, затем попадают на второй электрод. Тут-то их и захватывают подоспевшие ко второму электроду радикалы OH, после чего они в виде ионов ОН^– также уходят в раствор. Возникшая на электродах разность потенциалов обуславливает непрерывное перемещение электрических зарядов, то есть электрический ток.

Это открытие имеет принципиальное значение; в таком радиационно-электрохимическом элементе происходит непосредственное превращение атомной энергии в электрическую. Маршрут обходится без пересадок; отпадает необходимость в промежуточных звеньях, например в тепловых машинах, с помощью которых обычно атомная энергия преобразуется в электрическую, скажем, на атомных электростанциях.

Испокон веков для синтеза новых химических соединений прибегали к содействию тепла, давления и катализаторов. Теперь с этими классическими помощниками химика успешно конкурируют ионизирующие излучения. Изучением воздействия радиоактивных излучений на различные вещества занимается молодая, но многообещающая отрасль науки — радиационная химия. Особенно ценным подспорьем оказались методы радиационной химии в производстве полимеров.

Процесс рождения полимеров — полимеризация — заключается в последовательном нанизывании друг на друга молекул органических соединений. Образуется длинная ниточка с ответвлениями — так называемая макромолекула. Переплетение между собой макромолекул в различных комбинациях и обуславливает «черты характера» полимеров.

Советские ученые установили, что полимеризация представляет собой лавинообразный процесс, который начинается с образования радикала. Но ведь радикалы легче всего получить действием ядерных излучений!

Возникший под действием радиации радикал шаг за шагом присоединяет к себе молекулы исходного соединения. Достаточно появиться на свет одному-единственному радикалу, как срабатывает цепной механизм и образуются десятки тысяч последующих связей. При этом вовсе не обязательно, чтобы радикал возникал из того же вещества которое полимеризуется. Иногда выгоднее откалывать его от других соединений, тех, что легче распадаются под действием излучений.

Трудно переоценить преимущества такой полимеризации. Можно полимеризовать трудно поддающиеся этому вещества. Можно значительно ускорить процесс при сравнительно низкой температуре. Можно, наконец, легко управлять ходом этого процесса. С помощью ядерных излучений можно улучшать и свойства уже готовых полимеров.

Полимеры обладают различными качествами. Одни тверды, но хрупки. Другие не боятся ударов, но мягки. Третьим не страшен огонь, зато они недостаточно прочны.

Ну, а если надо получить вещество одновременно прочное, нехрупкое и негорючее? Искать новый полимер? Оказывается, вовсе не обязательно. Учеными разработан способ «прививки» одного полимера к другому, чтобы новый материал совмещал в себе все преимущества исходных веществ.

Для этих целей используют радиоактивное облучение. Под действием излучения связи между атомами углерода, из которого состоит каркас длинной молекулы полимера, и атомами водорода, нанизанными на этот каркас, расшатываются, разрываются. Возникают поперечные связи-«мостики» между длинными цепочками молекул полимера.

Такого рода «сшивание» полимеров приводит к рождению нового материала, обладающего заранее намеченными свойствами. Например, кремнийорганический каучук страшно боится бензина и масла. Ловко орудуя гамма-лучами, словно тончайшими искуснейшими спицами, химики разрывают одни химические связи, соединяют другие и «пришивают» к кремнийорганическому каучуку маслостойкий акрилонитрил. После этого ему нипочем ни бензин, ни масло. Так химики конструируют материалы, которых нет и в помине даже в богатейшей кладовой природы.

К тому, как ведут себя облученные полимеры, живейшее любопытство проявляют и биологи. Впрочем, здесь нет ничего удивительного. Полимеры имеют много общего с веществами, входящими в состав живой ткани. Что, если бы удалось выяснить условия, при которых полимеры не разрушаются под действием излучения? Тогда, возможно, удалось бы по аналогии найти вещества, которые защищали бы здоровую клетку от губительной силы радиации. А это одна из основных проблем, волнующих космическую биологию. Ведь будущим Колумбам космических «терра инкогнита» придется столкнуться с большими дозами ионизирующего излучения. Очевидно и несомненно, что лишь после того, как будет преодолена радиационная опасность, человек сможет надолго покинуть Землю.

Уже сейчас идет поиск веществ, подавляющих радиационно-химическую реакцию, — так называемых ингибиторов. Эти «катализаторы наизнанку» отнимают энергию, приводящую к возбуждению и распаду нестойких к облучению веществ. Ингибиторы преобразуют похищенную таким образом энергию в тепло или свет, в те виды энергии, которые безопасны для организма. И достаточно будет космонавту перед стартом принять таблетку с ингибитором, чтобы космическое путешествие стало для него безопасным. Надо думать, что и в земных условиях ингибиторы радиационно-химических реакций также найдут спрос.

Применение радиоактивных излучений в химии открыло новую страницу в истории этой древней науки. Но особенно заметные сдвиги принесли с собой изотопы в аналитические методы.

Век атома и электроники немыслим без сверхчистых материалов. Если в урановом топливе окажется одна миллионная процента примесей, сверкающая вереница ядерных распадов немедленно оборвется, атомный котел объявит «забастовку». А примесь мышьяка к германию или кремнию, используемым в полупроводниковой технике, подчас не должна превышать одного атома на миллиард атомов чистого вещества. Как проконтролировать степень чистоты вещества с такой почти фантастической точностью? И там, где отказывают классические методы анализа, на выручку приходит атом.

Облучая образец, являющий собой химическую смесь, можно добиться того, что некоторые из содержащихся в нем химических элементов станут радиоактивными. При этом сам образец не активируется. А раз так, то по виду излучения, по его энергии, наконец, по периоду полураспада нетрудно установить, с каким изотопом вы имеете дело. Эти характеристики радиоизотопа обладают завидным постоянством, и они хорошо известны ученым.

Получив такого рода «визитную карточку» изотопа и зная заранее, продуктом какой ядерной реакции он является, можно судить о том, что за примеси присутствовали в исходной смеси. Даже если их количества исчезающе малы. Ведь счетчики ионизирующих излучений обладают великолепной чувствительностью, да и сами излучения дают знать о себе отнюдь не слабым «голосом».

Описанный метод называется радиоактивационным анализом. От всепроникающих «щупалец» этого метода не скроется более половины периодической системы Д. И. Менделеева, пусть даже содержание элемента не превышает миллионной доли процента. А для теллура удалось получить прямо-таки рекордный результат. Его примесь, определенная радиоактивационным методом, составляла долю грамма, которая изображается дробью, имеющей знаменатель с двадцатью нулями! Для сравнения уместно напомнить, что самые совершенные ультрамикровесы, реагирующие на миллиардные доли грамма, не справились бы с этой задачей, даже если бы стали в миллиард раз более чувствительными.

Невозможно перечислить все области применения ионизирующих излучений, испускаемых атомом. И это таланты атома, который упал на японских рыбаков страшным пеплом Бикини! Атома, дьявольская сила которого, попав в преступные руки, может превратить нашу планету в печальную обитель смерти и опустошения…

Нет, атом расщеплен не для того, чтобы нести страдания и смерть. У него иная судьба. И именно с ней связывают люди свои помыслы, свои надежды на светлое и прекрасное будущее.

Атом-исследователь

Есть еще одна обширная сфера применения мирного атома, где радиоизотопы выступают в качестве тонкого инструмента научного исследования. Речь идет о методе меченых атомов, открытом довольно неожиданным образом талантливым физиком Георгом Хэвеши, ныне лауреатом Нобелевской премии.

В 1911 году Хэвеши работал в Институте физики Манчестерского университета под руководством прославленного ученого Эрнеста Резерфорда. Однажды он повстречал своего шефа в первом этаже лаборатории, где было сложено несколько центнеров свинца, содержавшего примесь ценного радиоактивного вещества — радия D. Резерфорд обратился к своему юному коллеге с такими словами: «Хэвеши, мой мальчик, если вы так талантливы, как показали раньше, попытайтесь выделить радий D из этого свинца».

Хэвеши немедленно приступил к делу, полный энтузиазма и убежденный в скором успехе. Два года напряженного труда потратил молодой исследователь, чтобы проделать эту процедуру. Но, сколько он ни бился над отделением радия D от свинца, ему так и не удалось разорвать этот слишком прочный союз. Неужели труд и время пропали даром? Обескураженный неудачей, Хэвеши решил уже совсем оставить эту затею. Тут-то его и осенила остроумная идея.

Если радиоактивный радий D неотделим от нерадиоактивного свинца, рассуждал Хэвеши, то первый можно использовать для отыскания последнего. Это все равно, что «пометить» нерадиоактивные атомы, «привесив им на шею» радиоактивные «колокольчики». И куда бы ни скрылись меченые атомы, присутствие «беглецов» всегда выдает сопровождающий их «звон колокольчика». Но отыскать местонахождение — это еще не все. Радиоактивные «колокольчики», равномерно распределись среди меченого атомного «стада», позволяют по громкости своего «позвякивания» точно сосчитать количество атомов, отделившихся от разбежавшегося атомного «стада».

Эта идея получила блестящее подтверждение в опытах Хэвеши. Ученый растворял в воде такое количество нитрата свинца, чтобы раствор содержал, допустим, ровно 1 грамм свинца. После этого он добавлял туда ничтожно малое количество радия D, скажем, столько, чтобы 1 грамму свинца соответствовала активность, равная миллиону щелчков в минуту на специальном счетчике. Вслед за тем Хэвеши осуществлял самые сложные операции с меченым свинцом. Наконец после серии химических превращений свинец снова выделялся в виде исходного раствора. При этом суммарная активность всех порций раствора по-прежнему равнялась миллиону щелчков в минуту. И если какая-то порция показывала активность в 1000 щелчков в минуту, это неопровержимо свидетельствовало, что в ней присутствует одна тысячная грамма свинца.

Метод меченых атомов дал возможность изучать тончайшие химические механизмы, связанные с перемещениями и перераспределениями самых различных элементов.

С помощью меченых атомов удалось показать, что из всех фосфорных удобрений наиболее эффективны суперфосфат и метафосфат кальция. Если примешать радиофосфор к обычному суперфосфату, можно определить, откуда попадает фосфор в растение: из самого суперфосфата или из почвы.

Оказалось, фосфор усваивается растением не сразу, а после ряда замечательных превращений в почве. Таким способом было установлено, что сахарная свекла наиболее жадно поглощает фосфор на ранних стадиях роста и, стало быть, требует много удобрений в начальный период своего развития. Точно так же обстоит дело у табака и хлопчатника. Зато картофель потребляет удобрения равномерно в течение всего периода роста. Применение радиоизотопов позволило также разработать более совершенную агротехнику. Например, выяснилось, что свекла растет лучше, если суперфосфат насыпают в борозду на расстоянии 5 сантиметров от ряда, а не разбрасывают. Это очень важное наблюдение: ведь большинство растений извлекает не более десятой доли равномерно рассыпанных удобрений.

Давая курам корма, помеченные радиоизотопами, зоотехники доказали, что куриный белок вырабатывается не из питательных веществ, поступивших в тот же день или накануне, а из тех, которые куры получали более месяца назад. Скорлупа же, напротив, вырабатывается из атомов кальция, поступивших в тот же день. Полноценность кормления скота, обмен веществ в организме животного и другие вопросы, связанные с повышением продуктивности животноводства, могут быть выяснены с помощью меченых атомов. Так, можно предсказать, получится ли из телки хорошая молочная корова. Для этого ей вместе с кормом дают радиойод, а затем помещают счетчик против ее щитовидной железы. По интенсивности излучения судят о будущих качествах коровы.

Неоценимую услугу оказывают меченые атомы ученым-химикам. Используя серу-35, академик А. П. Виноградов изучал изотопный состав серы (отношение ³²S/³⁴S) в кристаллических камнях, породах вулканического происхождения, а также в различных метеоритах. В результате этих исследований получены новые точные сведения относительно возраста, состава и природы космической материи и горных пород нашей планеты.

За последние десятилетия атом вторгся во все области науки, кроме разве что математики. Нет такого места в технике, где он пришелся бы не ко двору.

Сейчас известно почти 500 стабильных и 1000 радиоактивных изотопов. Свыше 150 радиоактивных изотопов пригодны для решения многочисленных задач, стоящих перед учеными, инженерами, врачами, агрономами. А что делать с остальными радиоизотопами?

Куда девать отбросы?

Допустим, что все интересующие человека изотопы извлечены из ядерного реактора. Куда же девать оставшиеся вещества, которые являются настоящими отходами? В 2000 году, когда, как полагают ученые, три четверти общих энергетических потребностей будут покрываться за счет атома, количество радиоактивных отходов достигнет 3 тысяч тонн, что эквивалентно 75–100 тысячам тонн радия, то есть 75–100 миллиардам кюри.

Не упаковывать же в конце концов радиоактивные отходы в ракеты, чтобы посылать их в космос! Хранение радиоактивных отходов — проблема № 1 атомной промышленности.

Их стараются держать в наиболее концентрированном виде. Обычно изотопы с малым периодом жизни, например натрий-24, йод-131, фосфор-32 и другие, помещают в специальные резервуары, где они «умирают», постепенно теряют свою радиоактивность в результате естественного распада. Если речь идет о небольших количествах жидких радиоактивных отходов, то их в некоторых случаях можно спускать прямо в подземные отстойники. Что касается газообразных отбросов, они должны проходить через фильтры, с которыми поступают так же, как с твердыми радиоактивными отходами. Из радиоактивных отбросов можно готовить атомные «спагетти»: разводят глину, примешивают к ней радиоактивные отбросы, формуют в виде длинных макаронин и затем все это подвергают обжигу в печах. Такие атомные «спагетти» закапываются в землю на специальных «кладбищах» радиоактивных изотопов. А вот американцы превратили в «кладбища» глубокие океанские впадины. Между тем это может привести, как доказано советскими учеными, к заражению океанских вод.

Решение столь важной проблемы, несомненно, под силу современной технической мысли, не говоря уже о будущем. В конце концов все больше радиоактивных изотопов находит применение, так что и количество отходов будет сокращаться день ото дня.

Атом и будущее

Изотопы упрямо стучатся в двери мирной экономики, принося с собой революционные преобразования. В тайниках маленького атома скрыто еще много неожиданностей. Американский физик У. Либби как-то сказал, что чуть ли не каждые 5 минут можно придумывать по два новых способа применения радиоизотопов. И тем не менее даже богатое воображение не в силах представить себе все способности мирного атома. Целый калейдоскоп возможностей, особенно если говорить о будущем!

Вполне вероятно, что радиоизотопы сослужат человечеству не меньшую службу, чем атомная энергия.

Атом… Сколько надежд, сколько опасений вызывает он у человечества XX столетия! Неисчерпаемый, он должен принести и принесет прогресс, счастье, мир. В этом уверены советские люди, строящие коммунизм. Пройдет немного времени, и история напишет гневную эпитафию военному атому, широко распахнув двери перед дружелюбными силами нового Геркулеса.

Посмотрите еще раз на систему химических элементов. Она начинается с водорода и кончается… Лет двадцать пять назад мы бы уверенно заявили, что в самом конце системы химических элементов Д. И. Менделеева стоит уран. Еще вчера мы бы сказали, что последним элементом является нобелий (порядковый номер 102), но сегодня уже синтезирован № 103 (лоуренсий). А что будет завтра?

Итак, верхняя граница системы смещается в сторону более тяжелых элементов, и о том, сколь долго она будет еще смещаться, мы поговорим дальше.

Сначала о нижней границе

С нижней границей, кажется, все в порядке. Водород всегда был самым легким из всех известных элементов. В самом деле, что называется химическим элементом?

«Совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра».

У водорода заряд ядра минимальный: 1. Таким образом, водород является первым химическим началом, или элементом, и вести разговор о нижнем пределе системы больше как будто бы нечего. Однако то, что не вызывает сомнений на первый взгляд, далеко не всегда ясно на самом деле.

Когда в 1869 году Менделеев открыл периодический закон, еще не были известны многие из химических элементов и решить вопрос об их количестве считалось невозможным.

Самым легким был водород; его атомный вес — единица. За ним шел литий, почти в семь раз более тяжелый. Гелий, который теперь занимает второе место в системе, тогда еще не обнаружили на Земле. За литием шли элементы с близкими атомными весами (⁹Be, ¹¹B, ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O и т. д.^[8]).

Менделеев, конечно, обратил внимание на столь большой разрыв в атомных весах соседних элементов, какой имел место между водородом и литием. Подобные разрывы обнаруживались и в некоторых других местах системы. Автор периодического закона совершенно справедливо считал, что решение этого вопроса раскроет внутреннюю природу элементов и приведет к выяснению их числа. По мнению Менделеева, некоторые элементы могли отсутствовать в системе из-за своей неустойчивости. Он писал, что есть немало элементов, «существование которых до некоторой степени подвержено сомнению, потому что нам не известна природа тех сил, которые производят так называемую элементарную форму материи». «Некоторые равновесия, — заключал Менделеев, — просто невозможны». Это было сказано задолго до открытия радиоактивности.

Указывал он и на то, что глубокое изучение физических и химических свойств урана — тогда последнего элемента — приведет к новым открытиям в физике и химии.

С 1875 года начали отыскиваться новые элементы, для которых Менделеев оставил пустые клетки в своей системе. В 1886 году был открыт уже третий из таких элементов — германий. Однако в том же году английский ученый Уильям Крукс говорил: «Мы смотрим на число элементов, на их отличительные свойства и спрашиваем себя: случайны или чем-нибудь обусловлены эти обстоятельства? Другими словами, могло ли быть только 7, или 700, или 7000 абсолютно различных элементов?»

Почему же возникали такие вопросы?

Прежде всего из-за неполноты тогдашних знаний о самих элементах. Периодический закон был открыт, а причина периодичности оставалась непонятной, так как в XIX веке почти ничего не знали о строении атома. Представление о заряде ядра появилось значительно позже, в начале второго десятилетия XX века. Раньше порядковый номер элемента был просто регистрационным номером в таблице элементов.

Поэтому не нужно удивляться тому, что Д. И. Менделеев мог делать уверенные предсказания только о недостающих внутри системы элементах на основании данных о всех соседях «невидимки». Но выйти за рамки системы он не мог.

Для иллюстрации сказанного приведем такой пример. Возьмем первые два периода системы элементов.

Если бы мы не знали, что порядковые номера химических элементов есть не что иное, как заряд ядра, который увеличивается ровно на единицу при переходе от одного элемента к другому, то не могли бы совершенно уверенно сказать, находятся ли еще какие-нибудь элементы между водородом и гелием и, точно так же, есть ли элементы выше водорода. Можно предполагать, например, существование в первом периоде элемента с атомным весом 3, аналогом которого являются фтор и другие галогены. Действительно, подобные предположения высказывались.

Как же в те годы решался вопрос о начале системы?

Опыт изучения легких элементов свидетельствовал, что все они широко распространены в природе. Поэтому высказывалось мнение о невозможности найти еще какие-либо новые, более легкие элементы. Однако начиная с 1894 года была открыта группа инертных газов, в том числе гелий, имеющий малый атомный вес (4). Вновь открытые элементы оказались химически недеятельными, а потому и малораспространенными. Таких элементов химики раньше не знали.

В течение десятков лет многие ученые высказывались в пользу идеи единства простых тел химии, считая все химические элементы построенными из одного, более легкого элемента, чем все до сих пор известные. Это было возрождением нашумевшей когда-то гипотезы Проута, полагавшего, что химические элементы построены из атомов водорода. Однако гипотеза Проута была опровергнута экспериментальными определениями величин атомных весов: у большинства элементов они вовсе не являются кратными атомному весу водорода.

Это было в начале XIX века, а в конце его стали говорить то о гипотетическом «протиле», то об элементе «коронии», спектр которого якобы наблюдался в солнечной короне. Поиски более легких элементов на Солнце объясняются, конечно, огромной температурой нашего светила, создающей условия для появления этих простых, как думали, элементов, из которых затем складываются более сложные.

Выдающиеся открытия в науке — открытие электрона, рентгеновых лучей, радиоактивности, взаимопревращаемости элементов — раскрыли природу химических элементов и показали, что атом состоит из ядра, заряженного положительно, и электронов, вращающихся вокруг ядра. Тогда-то и было утверждено положение о заряде ядра, которому равен порядковый номер элемента в системе. Итак, водород остался первым, так как заряд его ядра равен 1. И все же история с нижним пределом оказалась не совсем завершенной. «Виновником» этого был отчасти Менделеев. В 1906 году он поместил в системе элементов наряду с нулевой группой нулевой период, желая тем самым подчеркнуть существование элементов в еще большей степени, чем инертные газы, лишенных химической активности. В нулевой период вошли два гипотетических (предполагаемых) элемента X и Y, ставших выше водорода и имевших атомные веса 10^–6 для X и 0,4 для Y.

Надо сказать, что о существовании более легкого, чем водород, элемента Менделеев задумывался еще в 1871–1872 годах, понимая важность решения этого вопроса для объяснения причины периодичности и природы элементов.

Позднее на основе учения о строении атома было уточнено понятие о «химическом элементе» и первым из них признан водород. X и Y, как не соответствующие этому определению, изъяли из системы элементов.

Однако затишье наступило ненадолго. Когда были открыты протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов, появились попытки включить нейтрон в систему элементов. Предлагалось считать его элементом с порядковым номером, равным нулю. В подкрепление выдвигаемой точки зрения ссылались на менделеевские элементы X и Y. Один из химиков даже советовал назвать нейтрон «менделеевием».

Включить электрон в систему элементов химики пробовали еще ранее.

Отдельные ученые пытались ввести представление о циклах или сдвоенных периодах. Известно, что в системе элементов периоды по 8, 18 и 32 элемента повторяются дважды. Исключением является единственный (первый), состоящий из двух элементов. С введением нулевого периода нарушенная его отсутствием стройность системы восстанавливалась. Такая система хорошо подчиняется формуле: Z = 2(n₁² + n₂²), где n₁ — номер нечетного, а n₂ — четного ряда системы, a Z — число элементов в любом периоде.

Из каких же элементов состоит нулевой период? Ими оказываются электрон и нейтрон. Совершенно очевидно, что ни тот, ни другой не подходят под определение элемента. Ведь в нейтральном состоянии каждый из атомов какого-либо элемента имеет ядро и оболочку, состоящую из электронов. В периодической системе элементов как раз и выражается закономерное усложнение электронной оболочки с увеличением заряда ядра. При отсутствии этой совокупности (ядра и оболочки) мы переходим к качественно новому виду частиц материи. Действительно, ядра атомов и изотопов образуют свою систему, элементарные частицы — свою и т. д.

В стремлении включить в систему элементов нулевой период сказалось желание наглядно представить все ту же идею единства материи, взаимосвязь различных частиц материи. Ведь электрон, нейтрон, протон и гелий (их иногда называют «праэлементами») являются как бы составной частью всех элементов. В последнее время развитие этого вопроса привело к тому, что на страницах научных журналов стали появляться публикации «периодических систем элементов и антиэлементов». Под последними понимаются материальные образования, состоящие из позитронов (которые являются антиэлектронами: электрон — e^–, позитрон — e⁺) и антиядер, составленных, в свою очередь, из антипротонов и антинейтронов, которые тоже теперь открыты.

Химики же в своей работе используют пока обычную «классическую» систему элементов, начинающуюся с водорода — первого химического элемента.

Теперь о верхней границе

Было время — и тянулось оно, надо сказать, весьма долго, — когда таблицу элементов замыкал элемент уран. За ним начиналось Неизвестное. Беспокойная мысль ученых не могла ответить на вопрос, почему в природе не обнаружены элементы тяжелее урана. Может, они невообразимо редки, может, не существует вообще, — недаром же Менделеев завещал грядущим поколениям ученых особое внимание обратить на уран. «От последнего в списке элементов можно ожидать всяких сюрпризов», — говорил великий ученый. Это предвидение начало сбываться уже при его жизни. Ведь именно с ураном оказалось связанным открытие явления радиоактивности.

Элементы конца периодической системы неустойчивы — к такому выводу пришли ученые в начале XX века. Простая логика подсказывала, что трансурановые элементы обладали, по-видимому, невысокими периодами полураспада и потому не сохранились до нашего времени. Вот почему менделеевская система обрывается на уране. Но это было лишь качественное объяснение.

Чтобы дать отсутствию трансурановых элементов в природе более строгое научное объяснение, нам придется сделать некоторое отступление.

Все элементы конца таблицы Менделеева, начиная с полония, радиоактивны. Но лишь уран и торий сохранились и по сей день с той поры, как образовалась солнечная система. Существующие в природе их изотопы (торий-232, уран-235, уран-238) имеют периоды полураспада, превышающие возраст Земли, равный 5 миллиардам лет. Остальные же радиоактивные элементы — полоний, радий, актиний и другие — гораздо менее долговечны. Те их количества, которые мы сейчас обнаруживаем в земной коре, представляют собой продукты распада долго живущих изотопов урана и тория. Они являются вторичными элементами. Супруги Кюри выделили из иоахимстальской руды вторичные радий и полоний, Дебьерн открыл вторичный актиний.

Чему же обязаны уран и торий своей сравнительно огромной долговечностью? Казалось бы, чем дальше расположен элемент в периодической системе, тем он неустойчивее. А на деле периоды полураспада изотопов урана и тория превосходят периоды полураспада всех прочих изотопов радиоактивных элементов в миллионы и десятки миллионов раз.

Ответ дадут нам некоторые закономерности ядерной физики.

46 радиоизотопов входят в ряды радиоактивных превращений урана-238, урана-235 и тория-232; 34 из них являются альфа-активными.

Испускание ядер гелия — главный вид распада у тяжелых элементов, и именно у них альфа-распад проявляется весьма энергично. Для каждого альфа-активного изотопа характерна своя величина энергии распада. Чем выше эта энергия, тем менее долговечен изотоп, тем меньше период его полураспада.

Физики измеряют эту энергию в специальных единицах — электроновольтах. Так, у астата-213 эта энергия составляет 9,2 миллиона электроновольт (Мэе), а у тория-232 — 4,05 Мэе. Первый погибает, не успев родиться, живет сотые доли секунды; второй теряет половину атомов за астрономически большой срок — 10 миллиардов лет. Как будто противоречие: более легкий элемент оказывается куда менее устойчивым, чем более тяжелый. Парадокс. Но физика, и особенно ядерная, гораздо богаче парадоксами, чем какая-нибудь другая наука.

И вот как он решается. Изучая атомное ядро, ученые пришли к выводу, что в ядрах имеются особые протонные и нейтронные оболочки. Восьмиэлектронные оболочки инертных газов оказываются весьма устойчивыми. Это и обуславливает «благородство» инертных газов. Ядра, содержащие заполненные протонные или нейтронные оболочки, также резко выделяются по своим качествам. Например, ядра со 126 нейтронами значительно устойчивее своих соседей. Изотопы полония, астата, радона, франция находятся, выражаясь на языке ядерной физики, в области нейтронной оболочки из 126 нейтронов. Что для нас особенно важно, этот факт сильно влияет на величины энергий альфа-распада.

У всех изотопов, имеющих более 126 нейтронов, эти энергии сначала резко возрастают. По аналогии с обычной химией, когда каждый ион стремится достичь электронной структуры инертного газа, ядра как бы желают заполучить устойчивую 126-нейтронную оболочку. Вот почему элементы от полония до радия так неустойчивы по отношению к альфа-распаду.

Далее влияние «магической» оболочки ослабевает, и энергии альфа-распада уменьшаются. А это, в свою очередь, приводит к росту периодов полураспада. У тория, протактиния и урана ее влияние ничтожно, но протактиний подводит то, что он элемент нечетный, а они, как правило, менее устойчивы, чем их четные соседи.

Но за ураном должна сказываться другая тенденция — более тяжелые ядра по самой своей природе будут представлять малоустойчивые образования. Они слишком перегружены нейтронами и протонами и, образно говоря, «разваливаются под действием собственной тяжести». Действительно, у нептуния, плутония и последующих трансуранов энергия альфа-распада возрастает. Поэтому они недолговечны; поэтому уран долгое время оставался последним элементом периодической системы.

То, что мы рассказали, хорошо известно теперь; ученые начала XX века ничего не знали об этом, ибо сама наука о превращении элементов только лишь зарождалась, и ничьи уста не произносили еще столь привычного нам термина «ядерная физика». Исследователи вслепую шли по проторенной дорожке — искали заурановые элементы в земных минералах. Иные тешили себя мечтой обнаружить хотя бы ближайших соседей урана, другие прибегали к эффектным, но на деле совершенно беспочвенным научным спекуляциям.

…Пожалуй, одной из наиболее оригинальных в истории человечества была небольшая экспедиция в Гренландию, состоявшаяся в начале 20-х годов нашего века. Ученые бороздили бескрайние просторы «ледяного острова» отнюдь не ради географических исследований. Их цель была так же проста, как и непонятна на первый взгляд. Они стремились собрать побольше странного сероватого пепла, который местами четко выделялся на ослепительно сверкавших под солнцем льдах. Полагали, что эта своеобразная полярная «пыль» имеет космическое происхождение.

В ней немецкий ученый Рихард Свинне рассчитывал обнаружить элементы тяжелее урана. У исследователя была своеобразная концепция относительно трансурановых элементов, основанная на сложных, мало кому понятных умозаключениях. Он считал, что некоторые трансураны будут довольно устойчивыми, например элементы № 108 и 110.

Затея (здесь трудно подобрать другое слово) Свинне потерпела крах. С тех пор поиски трансурановых элементов в природе представляли собой долгую цепь неудач и разочарований. В конце концов нептуний и плутоний обнаружили в земных минералах, но в количествах, представляющих скорее теоретический интерес. Весь нептуний и плутоний, содержащиеся на нашей планете, легко погрузить на средней руки самоходную баржу.

Практически имеет смысл говорить лишь об искусственном получении трансурановых элементов. В 1940 году были синтезированы нептуний и плутоний, в 1961 году мир узнал о «рождении» сто третьего элемента, лоуренсия. Иными словами, за какое-то двадцатилетие ядерная физика преуспела в «наращивании» периодической системы элементов.

Говоря о верхней границе периодической системы, мы должны теперь иметь в виду предел синтеза новых элементов. Где тот последний элемент, выше которого ядерный синтез уже не будет иметь смысла?

Где же последний элемент таблицы Менделеева?

Тут мы снова сделаем маленькое отступление. Если проследить за историей открытия изотопов радиоактивных элементов, выявляется любопытная деталь. Сначала ученые обнаруживали изотопы с большими периодами полураспада (сотни и десятки лет, годы и дни). Потом проникли в область часов и минут. Далее им удалось «поймать» изотопы, которые жили секунды и десятые доли секунды. Подобно тому как совершенствование микроскопа позволяло ученым разглядывать все более и более мелкие частицы, развитие радиометрической техники давало возможность «засекать» изотопы с более короткими периодами полураспада. Следовательно, чем совершеннее станет аппаратура, тем более короткоживущие изотопы удастся обнаружить. Только когда изотоп будет распадаться фактически в момент образования (период полураспада окажется порядка 10^–20 секунды), никакие экспериментальные ухищрения уже не позволят его зафиксировать.

У какого же по счету трансуранового элемента следует ждать изотопа с подобным периодом полураспада?

Какие виды радиоактивного превращения свойственны тяжелым ядрам?

Во-первых, альфа-распад, испускание ядер гелия; о его закономерностях мы уже сказали ранее несколько слов.

Во-вторых, спонтанное, или самопроизвольное, деление ядер; оно в малой степени проявляется уже у урана и тория (например, период полураспада урана-238 по спонтанному делению составляет 8·10¹⁵ лет), а начиная с фермия (№ 100) становится весьма вероятным. (Так фермий-255 имеет период полураспада по спонтанному делению равный 20 годам.)

В-третьих, наконец, превращение ядра путем захвата электрона с ближайшей K-оболочки, так называемый K-захват.

Какая же из этих возможностей окажется роковой для сверхтяжелых трансурановых элементов? Для какой из них период полураспада ранее всего достигнет критического минимума — 10^–20 секунды.

Сразу покончим с K-захватом. Представим себе, что тяжелые ядра были бы подвержены только этому виду превращений. Тогда можно было бы беспрепятственно синтезировать все новые и новые элементы, вплоть до поистине ядра-гиганта с зарядом, равным 137. Лишь у его атома K-оболочка настолько бы приблизилась к ядру, что электрон немедленно «провалился» бы в ядро и заряд уменьшился на единицу.

Но вся беда в том, что альфа-распад и спонтанное деление у сверхтяжелых ядер куда более вероятны, нежели K-захват, и именно им суждено определить верхнюю границу периодической системы. Значит, остается обсудить первые две возможности. Сразу оговоримся, что теория пока не может указать, у каких изотопов появится минимально возможный период полураспада по альфа-излучению или спонтанному делению. Теория дает пока лишь вероятные интервалы значений.

Уже начиная с нептуния, энергия альфа-распада изотопов возрастает, и уменьшаются соответственно периоды полураспада. Ученые предсказывают, что у изотопов элементов с зарядом ядра, равным 104, «долговечность» не будет превышать миллионной доли секунды. Однако у ядер, расположенных в этой области, появится устойчивая оболочка из 152 нейтронов. Изотопы с большим числом нейтронов окажутся еще более подверженными альфа-распаду. По-видимому, у элементов с зарядами ядер 105–107 периоды полураспада изотопов по альфа-излучению будут весьма близкими к минимальному критическому значению.

Со спонтанным делением вопрос обстоит так. Выдающийся американский ученый, «отец» трансурановых элементов Гленн Сиборг показал, что периоды полураспада по спонтанному делению зависят от величины отношения Z²/A, где Z заряд, а A — массовое число изотопа. Чем больше это отношение, тем меньше период полураспада. Для урана-238 оно равно, например, 35,5. Изотоп, который бы распался мгновенно, должен иметь Z²/A, равное 47. Это должно случиться у изотопов с зарядами ядер 114–116 и массовыми числами 280–282. Таким образом, последний элемент в таблице Менделеева, образно говоря, скорее погибнет от альфа-распада, нежели от спонтанного деления.

Были времена, когда открытие нового химического элемента оказывалось событием и химики начинали подробно изучать его свойства, искать возможности практического применения. Но в книге об истории открытия элементов глава о трансуранах будет носить совершенно особый характер. Если свойства нептуния и плутония изучены хорошо, а плутоний к тому же — одно из основных ядерных горючих, если написаны монографии по химии америция и кюрия, то мало что можно сказать об остальных трансурановых элементах. Пока еще они достояние только физики. Ведь в самом деле, о каком изучении свойств можно говорить, если ученые синтезировали сначала лишь 17 (!) атомов сто первого элемента — менделеевия, а для сто второго и сто третьего счетчик зафиксировал лишь единичные атомы.

К концу периодической системы как бы исчезает привычное нам представление о химическом элементе. Но это ни в коей мере не грозит величественному зданию таблицы Менделеева, и с прежней силой звучат слова автора периодического закона: «Будущее не разрушение закону периодичности, а только расширение и развитие обещает!»

Журнал немецкого химического общества.

Кроме того, Мозли, наконец, разрешил давний спор о местонахождении в системе K и Ar, Co и Ni, J и Te, твердо установив, что порядковый номер Co — 27, Ni — 28, Ar — 18, K — 19, Te — 52, a J — 53.

Удельной называется тяга, которая приходится на каждый килограмм израсходованного в одну секунду топлива.

Более тщательными опытами установлено, что в растениях присутствуют в виде следов многие другие элементы, играющие важную роль в их жизнедеятельности.

Разумеется, речь идет о периоде полураспада данного радиоактивного изотопа. Когда говорят о T½ элемента, то имеют в виду его наиболее долго живущий изотоп.

Массовое число — целое число, наиболее близкое к атомному весу данного изотопа.

Критическая масса — минимальное количество делящегося материала, в котором еще может идти цепная реакция.

Здесь приводятся приблизительные атомные веса элементов.