Удивительная химия глубин!
А пока же, как не без остроумия заметил советский ученый А. Ф. Капустинский, наша химия остается еще весьма «поверхностной» наукой.
Однако сохраняет ли периодическая система элементов свою силу и в самых глубоких толщах? Да, пока не меняется электронная структура атомов. Пока электроны размещаются на тех оболочках, где им положено быть.
Но «статус-кво» сохраняется до поры до времени.
Когда одно и то же вовсе не одно и то же
Нет, мы еще не распрощались со сверхвысоким давлением. Сейчас оно преподнесет нам новый сюрприз.
Электронное окружение ядра — конструкция довольно прочная. Она может потерять несколько электронов, и тогда атом становится ионом. Этот процесс происходит сплошь да рядом при химических взаимодействиях.
Она может лишиться многих электронов, может, наконец, растерять их все, так что останется «голое» ядро. Такое наблюдается при температурах в миллион градусов. Например, в звездах.
Но вот задачка другого рода. Общее число электронов не меняется, иным становится их расположение. Они по-другому размещаются на электронных оболочках. А если электроны сгруппировались не так, как обычно, то изменятся и свойства атома, свойства элемента.
Это, так сказать, текст под иллюстрацией. Теперь сама иллюстрация.
Вам не составит труда изобразить атом калия. У него четыре оболочки. Ближайшие к ядру (K и L) заполнены до отказа: первая содержит 2, вторая 8 электронов. На них при обычных условиях больше электронов не поместится. Зато две другие далеки от завершения. На M-оболочке всего 8 электронов (когда положено 18), а N-оболочка вообще только начала застраиваться (1 электрон), причем раньше, чем нацело закончилась предыдущая.
У калия впервые отмечается непоследовательное, ступенчатое формирование электронных оболочек.
Но мы можем вообразить и такой случай. Собственный, «калиевый» электрон, вместо того чтобы входить в четвертую оболочку, начал продолжать третью (ведь в ней-то осталось еще десять вакантных мест).
Фантастика? В обычных условиях — да. Но стоит вступить в действие сверхвысоким давлениям, как ситуация может измениться.
При сверхвысоких давлениях электронное окружение ядра сильно сжимается. Тогда-то и становятся возможными всякого рода «провалы» внешних электронов в глубже лежащие незаполненные оболочки.
Скажем, наружный электрон калия из четвертой оболочки вдавливается в третью. И в M-оболочке будет теперь девять электронов.
Что же получается? Порядковый номер калия (19) тот же. Количество электронов такое же. Словом, никакого превращения элементов не произошло.
И в то же время наш старый знакомый щелочной металл калий перестает быть нашим знакомым. Вместо него появляется некто неизвестный, с тремя оболочками вместо четырех, с девятью электронами на внешней оболочке вместо столь привычного одного. А стало быть, и химический характер «новокалия» придется изучать с самого начала.
Каким окажется этот характер, можно лишь догадываться: еще никто не держал в руках и крупицы «калия-оборотня».
Если же сверхвысокое давление будет наращивать мощь, то и другие, идущие за калием, элементы потеряют свое привычное лицо. Ступенчатое заполнение электронных оболочек — закон для менделеевской таблицы — исчезнет. Пока одна оболочка не кончит свое строительство, следующая останется пустой.
…Это будет тоже периодическая система. Другая, не менделеевская. Ее обитатели (кроме элементов первых трех периодов) окажутся иными. Ее «щелочными» металлами станут медь и прометий, «благородными газами» — никель и неодим, у которых закончат формирование соответствующие внешние оболочки.
Вот какой может оказаться «глубинная» химия! Необычные валентности, странные свойства, удивительные соединения…
Заманчиво? Чрезвычайно! Реально? Кто знает… Вероятно, здесь опять потребуется «сумасшедшая» идея — ведь речь идет о получении материи совершенно нового типа. Положим, что она действительно существует при сверхвысоких давлениях. В обыкновенных же условиях она должна приобрести форму обычных элементов.
Задержать, «заморозить» такой переход — вот в чем задача. Удастся ее решить, и мы получим фактически еще одну науку химию. Химию номер два.
Слово о пользе анализа
Сказал некогда Михайло Ломоносов: «Широко распростирает химия руки свои…» Двести с лишним лет назад он гениальным своим чутьем понял значение этой науки для грядущих поколений.
И век двадцатый — нагляднейший тому пример. Химия ныне «существо» многорукое. Не всякий академик сразу, за один присест, перечислит все ее отрасли. А чуть ли не каждый год рождаются все новые и новые.
Но есть нечто, без чего любая химическая «рука» повисла бы безжизненной плетью.
Это нечто — химический анализ.
Он помог химикам открыть очень многие существующие на Земле элементы.
Он позволил разобраться в том, какие составные части входят в химические соединения, простые и сложные. От поваренной соли до белков.
Он расшифровал состав горных пород и минералов и помог геохимикам завести скрупулезный бухгалтерский учет земных ресурсов химических элементов.
Ему во многом обязана химия. В том, что сделалась точной наукой. И в самых разнообразных областях человеческой деятельности он первый помощник. Подтверждений тому не счесть.
Скажем, идет выплавка железа из руды в доменной печи. И от того, сколько углерода окажется в полученном металле, будут в сильной степени зависеть его свойства. Так, если углерода более 1,7 процента, мы получим чугун, интервал от 1,7 до 0,2 процента будет отвечать различным маркам сталей, а когда углерода менее 0,2 процента, получается ковкое железо.
В чем разница между чугуном и сталью, латунью и бронзой? Сколько меди в медном купоросе? Много ли калия в минерале карналлите? На все эти и им подобные вопросы мы можем ответить благодаря химическому анализу. Два главных вопроса стоят перед ним: какие элементы входят в состав изучаемого вещества и в каких соотношениях. На первый отвечает анализ качественный, на второй — количественный.
А сколько существует различных анализов, сразу не скажет и опытный специалист.
Чтобы порох был хорошим
Кто изобрел черный (дымный) порох? Легенда утверждает, что швейцарский монах Бертольд Шварц. По мнению ученых, порох знали еще китайцы задолго до нашей эры.
Приготовить черный порох не ахти как трудно: нужно смешать в определенных пропорциях серу, селитру, древесный мелко истолченный уголь. Причем все эти компоненты должны быть высокого качества.
А как его оценить, это качество?
Хороша ли, плоха ли селитра — пороходелы определяли на вкус.
Вот любопытный рецепт «вкусового» анализа селитры, найденный в архиве старинных документов: «Если селитра солона и горька, то она не добра, а только она на языке покусывает и сладка слышится, то такова селитра добра».
Право же, про хорошего пороходела можно было бы сказать: «Он пуд селитры съел!»
Качество серы определяли способом еще более оригинальным.
Кусочек серы сжимали в руке и подносили к уху. Если слышалось легкое потрескивание, сера считалась годной. В противном случае ее выбрасывали, так как она содержала много примесей.
Почему же трещит чистая сера? Ее теплопроводность очень мала. Кусок серы в руке слегка нагревается, в нем появляются участки с разной температурой. В веществе возникают напряжения, хрупкая сера разваливается на кусочки, потому и слышится слабый треск. Загрязненная же сера имеет гораздо большую теплопроводность и поэтому гораздо прочнее. Вот, так сказать, научная основа химического анализа на слух.
Словом, основными аналитическими приборами у химиков прошлого были органы чувств. Это даже нашло отражение в названиях некоторых простых и сложных веществ. Например, бериллий прежде именовали глицием, потому что его соли сладковаты. От латинского слова «сладкий» происходит и название глицерин. А вот природный сульфат натрия называют мирабилитом, что означает «горький».
Как был открыт германий
В начале марта 1886 года в Петербург на имя Дмитрия Ивановича Менделеева пришло письмо. В нем говорилось:
«Милостивый государь!
Разрешите мне при сем передать Вам оттиск сообщения, из которого следует, что мной обнаружен новый элемент „германий“. Сначала я был того мнения, что этот элемент заполняет пробел между сурьмой и висмутом в Вашей замечательно проникновенно построенной периодической системе и что этот элемент совпадает с Вашей экасурьмой, но все указывает на то, что здесь мы имеем дело с экасилицием.
