Занимательно о химии - Власов Лев Григорьевич. Страница 32
Примеру фосфора последовал мышьяк, потом некоторые другие неметаллы. И каждый раз ученые отмечали разительные перемены в свойствах. Тяжелая рука сверхвысокого давления меняла эти свойства прямо на глазах. С точки зрения физики ничего необычного здесь не происходило. Попросту сверхвысокое давление перекраивает кристаллическую структуру элементов и их соединений. Делает их более металличными.
Так родился сугубо физический термин: «металлизация давлением».
…Придет время, и космонавты вступят на поверхность Луны, Марса, Венеры. Затем придет очередь иных, более далеких и еще более загадочных миров. Люди много раз будут сталкиваться с необычным, неожиданным, неведомым.
Но нас сейчас интересует лишь одна частность.
Всюду ли химические элементы одинаковы? Простирается ли могущество периодического закона и таблицы Менделеева на все без исключения космические тела? Или же гениальное творение русского ученого действует только в ограниченных, земных рамках?
Да простит нас читатель, что мы столь часто ставим вопросительные знаки! Но право же, ставить вопросы куда легче, чем давать на них ответы.
Философы придерживаются вполне определенного мнения. Они считают так. Периодический закон и периодическая система одинаковы для всего мироздания. В этом их всеобщность. Одинаковы, но при одной существенной оговорке: там, где окружающие условия не слишком сильно отличаются от земных, где температура и давления не измеряются многозначными числами.
В этом их ограниченность.
«Прежде чем считать звезды, посмотри под ноги», — гласит одна восточная поговорка.
Так ли уж хорошо знаем мы нашу грешную планету? К сожалению, очень мало. Мы плохо осведомлены о том, как устроен земной шар внутри, из каких веществ состоят его далекие глубины.
Здесь еще полным-полно всяких гипотез, и ни одной из них нельзя отдать предпочтения.
Правда, буровые скважины достигли уже семикилометровой глубины! И уже начат штурм глубин еще более внушительных. В пятнадцать-двадцать километров. Но примите во внимание, что радиус Земли составляет 6300 километров.
Другая восточная поговорка гласит: «Чтобы узнать вкус ореха, его надо раскусить».
Грубо говоря, наша планета устроена подобно ореху. Сверху скорлупа — земная кора; внутри ядро. В Земле между корой и ядром залегает толстенная прокладка — так называемая мантия.
С грехом пополам мы знаем, из чего состоит земная скорлупа. Даже не скорлупа, а та тонкая, нежная кожурка, которая обволакивает сверху молодой орех. Как построена мантия и тем более ядро — пока уравнение со многими неизвестными.
Решительно утверждать можно лишь одно. Вещества, слагающие земные толщи, совершенно необычные. Ведь чем ближе к центру Земли, тем сильнее давление вышележащих слоев. В ядре давления достигают астрономической величины — 3 миллионов атмосфер.
Кстати, о земном ядре. Ученые не одно столетие спорят о его устройстве. Сколько ученых — столько и гипотез.
Одни считают, что планета имеет железо-никелевое ядро. Другие смотрят иначе. По их мнению, строительный ядерный материал — минерал оливин. В обычных условиях он представляет собой смесь силикатов магния, железа и марганца. Чудовищное давление внутри ядра превращает оливин в своеобразную металлоподобную материю. Наконец, третьи идут еще дальше. Они утверждают: центральная часть ядра состоит из водорода, сжатого до полного отвердения и потому имеющего необычные металлические свойства. Четвертые…
Лучше поставим точку. «Чтобы узнать вкус ореха, надо его раскусить». Но до земного ядра добраться удастся не скоро.
Мы знаем о его устройстве куда меньше, чем о составе атомного ядра. Это ли не парадокс?
Да, неизвестное у нас под ногами! Настоящая кладовая чудес для химика: элементы в необычных кристаллических состояниях; неметаллы, превратившиеся в металлы; самые разнообразные соединения, свойства которых даже трудно себе представить…
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.
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.