Периодическая система с птичьего полета

Беглый взгляд, первое представление обычно мало что дают. Иногда оставляют наблюдателя равнодушным, иногда удивляют. Иногда заставляют воскликнуть, подобно некоему анекдотическому персонажу, увидевшему в зоопарке жирафа, — «не может быть!».

Но и предварительное знакомство с предметом или явлением, так сказать взгляд с птичьего полета, нередко бывает полезным.

Периодическую систему элементов Дмитрия Ивановича Менделеева никак не назовешь предметом или явлением. Она своеобразное зеркало, которое отражает содержание одного из величайших законов природы — периодического закона. Кодекса правил, которому подчиняется поведение ста с лишним элементов, встречающихся на Земле и полученных человеком искусственно. Своего рода распорядка, царящего в Большом доме химических элементов…

Первый взгляд на него схватывает многое. Поначалу рождается удивление. Словно среди типовых крупноблочных строений вы увидели здание причудливой и вместе с тем изящной архитектуры.

Чем же нас удивляет таблица Менделеева? Прежде всего тем, что ее периоды, ее этажи, спланированы очень неравномерно.

В первом этаже, первом периоде таблицы Менделеева, клеток всего две. Во втором и третьем — по восемь. Четвертый и пятый устроены прямо-таки по гостиничному типу: восемнадцать комнат на каждом. На шестом и седьмом комнатушек и того больше — по тридцать две. Встречали вы когда-нибудь подобное строение?

Но именно в таком виде предстает перед нами Большой дом химических элементов — периодическая система.

Причуда архитектора? Ничуть! Любое здание строится в соответствии с законами физики. Иначе оно развалится от легкого дуновения ветерка.

Столь же строгими физическими законами подкреплен и архитектурный замысел периодической системы. Они говорят: в каждом периоде таблицы Менделеева должно содержаться совершенно определенное число элементов. Например, в первом — два. Ни больше и ни меньше.

Так утверждают физики, и химики с ними полностью согласны.

Были иные времена. Физики ничего не утверждали, дела периодического закона их еще не начали волновать. Зато химиков, которые чуть не каждый год открывали новые элементы, весьма заботило, куда этих новичков поселить. И бывали здесь случаи неприятные, когда на одну-единственную клетку в таблице выстраивалась целая очередь претендентов.

Среди ученых встречались скептики, и в немалом количестве. Они вполне серьезно утверждали: здание таблицы Менделеева построено на песке. Например, немецкий химик Бунзен. Тот, что со своим другом Кирхгофом изобрел спектральный анализ. Но к периодическому закону Бунзен проявил удивительную научную близорукость. «С таким же успехом можно искать закономерности в цифрах биржевых бюллетеней!» — как-то в сердцах обронил он.

Еще до Менделеева делались попытки навести порядок среди хаоса шести с лишним десятков химических элементов. Но они были неудачными. Пожалуй, ближе всех к истине оказался англичанин Ньюлендс. Он провозгласил «закон октав». Как в музыке каждая восьмая нота повторяет первую, так и у Ньюлендса, расположившего элементы в ряд по величине атомных весов, свойства каждого восьмого были похожи на свойства первого. А вот реакция на открытие Ньюлендса: «Не пробовали ли вы располагать элементы в алфавитном порядке? Может, и в этом случае обнаружилась бы какая-нибудь закономерность?»

Что мог ответить бедняга Ньюлендс своему язвительному оппоненту?

На первых порах таблице Менделеева не везло. «Архитектура» периодической системы подвергалась яростным нападкам. Ибо многое в ней оставалось неясным и требовало объяснения. Легче было открыть пяток-другой новых элементов, чем найти им законное пристанище в таблице.

Только на первом этаже дело обстояло, казалось бы, благополучно: тут нечего было опасаться неожиданного наплыва квартирантов. Сейчас здесь обитают водород и гелий. Заряд ядра водородного атома равен +1, гелиевого +2. Ясно, что между ними нет и не может быть других элементов. Ведь в природе неизвестны ядра или другие частицы, заряды которых выражались бы дробными числами.

(Правда, в последние годы физики-теоретики упорно обсуждают вопрос о существовании кварков. Так называют первичные элементарные частицы, из которых могут быть построены все прочие, вплоть до протонов и нейтронов — строительного материала атомных ядер. Так вот: у кварков предполагаются дробные электрические заряды: +1/3 и –1/3. Если кварки действительно существуют, то картина «материального устройства» мира может предстать перед нами в новом обличье.)

Как астрономы оказали химикам медвежью услугу

«Никогда мне в голову не приходило, что периодическая система должна начинаться именно с водорода».

Чьи это слова? Да уж скорее всего они принадлежат кому-то из несметного легиона исследователей или просто любителей, кто ставил своей задачей создать новую, собственную периодическую систему. Перестроить ее на иной манер. Право же, всевозможных «периодических» систем появлялось на свет не меньше, чем проектов пресловутого перпетуум-мобиле — вечного двигателя.

Так вот, взятая в кавычки фраза написана самим Дмитрием Ивановичем Менделеевым. В его знаменитом учебнике «Основы химии», по которому учились десятки тысяч людей.

Почему же заблуждался автор периодического закона?

В его время такое заблуждение имело под собой все основания. Ведь элементы-то располагались в таблице в согласии с увеличением их атомных весов. Атомный вес водорода — 1,008, гелия — 4,003. А стало быть, почему не допустить существования элементов с атомными весами 1,5; 2; 3 и так далее? Или элементов легче водорода, чьи атомные веса меньше единицы?

Менделеев и многие другие химики вполне это допускали. И их поддерживали астрономы — представители науки, от химии весьма далекой. Поддерживали, правда, невольно. Это они впервые показали, что новые элементы можно открывать не только в лабораториях, анализируя земные минералы.

Англичанин Локьер и француз Жансен наблюдали в 1868 году полное солнечное затмение. Ослепительный блеск солнечной короны они пропустили через призму спектроскопа. И в сложном частоколе спектральных линий обнаружили такие, которые не могли принадлежать ни одному из элементов, известных на Земле. Так был открыт гелий, что по-гречески означает «солнечный». И только двадцать семь лет спустя английский физик и химик Крукс обнаружил гелий земной.

Пример этот оказался весьма заразительным. Астрономы направили трубы телескопов на далекие звезды и туманности. Результаты открытий скрупулезно публиковались в астрономических ежегодниках, а кое-какие перекочевали и на страницы химических журналов. Те, где речь шла о якобы открытых в безбрежных космических просторах новых элементах. Им давали звучные названия — короний и небулий, арконий и протофтор. Кроме названий, химики ничего о них не знали. Но, памятуя удачное завершение гелиевой эпопеи, спешили поместить небесных незнакомцев в периодическую систему. Перед водородом или в промежуток между водородом и гелием. В надежде, что новые Круксы когда-нибудь докажут земное существование корония и его не менее таинственных собратьев.

Но когда за периодическую систему взялись физики, они развеяли эти мечты. Атомный вес оказался ненадежной опорой для периодического закона. На смену пришел заряд ядра, порядковый номер элемента.

При переходе от элемента к элементу в периодической системе этот заряд увеличивается на единицу.

Прошло время, и более точные астрономические приборы развеяли миф о загадочных небулиях. Они оказались атомами давно известных элементов. Атомами, потерявшими часть своих электронов, а потому дающими непривычные спектры. «Визитные карточки» небесных незнакомцев оказались фальшивыми.

Двуликий элемент

Быть может, на школьном уроке по химии вы сами были свидетелями такого диалога.

Учитель:

— В какой группе периодической системы стоит водород?

Ученик:

— В первой. И вот почему: атом водорода имеет на своей единственной электронной оболочке всего один электрон. Так же, как другие элементы первой группы, щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Как и они, водород в химических соединениях проявляет положительную валентность, равную единице. Водород, наконец, может вытеснять некоторые металлы из их солей.

Правда? Нет, полуправда…

Химия — наука точная. Она не любит недомолвок. Пример водорода в этом четко убеждает.

Что общего у водорода со щелочными металлами? Только положительная валентность, равная единице. Только одинаковое устройство внешней электронной оболочки. А в остальном — ничего похожего. Водород — газ, водород — неметалл. Водород образует молекулу из двух атомов. Все же прочие элементы первой группы — классические металлы, самые энергичные в химических реакциях. Размахивая своим единственным электроном, водород лишь пытается рядиться под щелочные металлы. А по сути своей он им чужак.

Большой дом устроен так, что в каждом пролете друг над другом обитают родственные элементы. Они-то и составляют группы и подгруппы в периодической системе. Это закон для жильцов Большого дома. Попав в первую группу, водород этот закон невольно нарушает.

Куда же податься бедняге водороду? Но ведь в периодической системе целых девять групп, девять пролетов в Большом доме. И только в так называемой нулевой облюбовал себе квартиру гелий — сосед водорода по первому этажу. В остальных места свободны. Смотрите, сколько возможностей для перепланировки первого этажа, чтобы найти водороду истинное «место под солнцем»!

Быть может, поселить его во второй группе у щелочноземельных металлов во главе с бериллием? Нет, они-то уж совсем не питают к водороду никаких родственных чувств. Третья, четвертая, пятая, шестая также открещиваются от него. Седьмая? Стоп! Стоящие в ней галогены — фтор, хлор, бром и так далее — готовы протянуть водороду руку дружбы.

…Встречаются двое детей.

— Тебе сколько лет?

— Столько-то.

— И мне столько-то.

— А у меня есть велосипед!

— А у меня тоже!

— У тебя папа кто?

— Шофер!

— Ух ты, и у меня тоже!

— Давай дружить?

— Давай!

— Ты неметалл? — спрашивает фтор у водорода.

— Неметалл!

— Ты газ?

— Точно.

— Мы тоже, — говорит фтор, кивая на хлор.

— А у меня молекула состоит из двух атомов! — сообщает водород.

— Скажи-ка! — удивленно произносит фтор. — Прямо как у нас.

— А можешь ли ты проявлять отрицательную валентность, принимать добавочные электроны? Мы страшно любим это делать!

— Конечно! С теми же самыми щелочными металлами, которые меня недолюбливают, я образую водородные соединения — гидриды. И там моя валентность — минус единица.

— Ну что ж! Пристраивайся к нам! Будем дружить!

Поселяется водород в седьмой группе. Надолго ли? Познакомившись как следует со своим новым родственником, кто-нибудь из галогенов разочарованно замечает:

— А у тебя, брат, того… На внешней оболочке электронов-то маловато. Всего один… Как в первой группе. Шел бы ты лучше к щелочным металлам…

Вот ведь какая беда с водородом: мест много, а поселиться — прочно, надежно, с полным правом — негде. Так и просится на бумагу «химическая» пословица: «водород, водород — элемент наоборот: от щелочных металлов отстал и к галогенам не пристал».

Но почему? Где причина удивительной двуличности водорода? Почему водород ведет себя так необычно?

Характерные свойства всякого химического элемента проявляются тогда, когда он вступает в соединение с другими. При этом он отдает или приобретает электроны. Они либо уходят с внешней электронной оболочки, либо входят в нее. Когда элемент теряет все электроны с наружной оболочки, то предыдущие сохраняются обычно неизменными. У всех элементов, кроме водорода. Стоит ему расстаться со своим единственным электроном, как остается голое атомное ядро. Остается протон. Он-то и представляет собой ядро водородного атома (впрочем, не всегда протон, но до этой важной тонкости мы с вами еще доберемся). А это значит, что химия водорода как бы является единственной в своем роде химией элементарной частицы — протона. В случае водорода протон активно влияет на ход реакций, в которые вступает этот элемент.

Вот где разгадка столь непоследовательного поведения водорода.

Самый первый, самый удивительный…

Открыл водород знаменитый английский физик сэр Генри Кавендиш. Самый богатый из ученых и самый ученый из богачей, как сказал о нем современник. Мы бы добавили: самый педантичный из ученых. Рассказывают, что, когда Кавендиш брал книгу из собственной библиотеки, он расписывался в формуляре. Самый сосредоточенный из ученых, всецело поглощенный наукой, он слыл нелюдимом. Но эти качества и позволили ему обнаружить новый газ — водород. Поверьте, это было нелегкой задачей!

Открытие свершилось в 1766 году, а в 1783 году французский профессор Шарль запустил первый воздушный шар, наполненный водородом.

И для химиков водород оказался ценнейшей находкой. Он помог, наконец, понять, как построены кислоты и основания — эти важнейшие классы химических соединений. Он стал незаменимым лабораторным реактивом — осаждал металлы из растворов солей, восстанавливал металлические окислы. Хотите парадокс? Будь водород открыт не в 1766 году, а, скажем, на полстолетия позже (право же, такое могло случиться), развитие химии, и теоретической и практической, задержалось бы надолго.

Когда химики достаточно освоили водород, а практики стали использовать его для получения важных веществ, этот газ привлек внимание физиков. И те узнали массу сведений, которые сделали науку богаче во много раз.

Хотите в этом убедиться? Водород становится твердым при температуре более низкой, чем любые другие жидкости или газы (кроме гелия), при минус 259,1 градуса по Цельсию, — раз. Атом водорода позволил датскому физику Нильсу Бору разработать теорию распределения электронов вокруг атомного ядра, без чего нельзя было бы понять физического смысла периодического закона, — два. А эти факты создали почву для других величайших открытий.

Затем физики передали эстафету своим близким родственникам по профессии — астрофизикам. Они изучают состав и строение звезд. И астрофизики пришли к выводу, что водород во вселенной — это элемент номер один. Он главная составная часть Солнца, звезд, туманностей и основной «наполнитель» межзвездного пространства. Водорода в космосе больше, чем всех остальных химических элементов, вместе взятых. Не то что на Земле, где его менее одного процента.

Именно от водорода ведут ученые длинную цепочку превращений атомных ядер. Цепочку, которая привела к образованию всех химических элементов, всех атомов до единого. Наше Солнце, все звезды светят потому, что в них происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и выделяется огромное количество энергии. Видный химик на Земле, водород — выдающийся химик в космосе.

А вот еще одно удивительное свойство: атом водорода испускает радиоизлучение с длиной волны в 21 сантиметр. Это так называемая мировая константа, общая для всей вселенной. И ученые подумывают о том, нельзя ли организовать радиосвязь на водородной волне с другими обитаемыми мирами. Если там живут разумные существа, они должны иметь представление об этой величине: 21 сантиметр…

Сколько на земле водородов?

Получить Нобелевскую премию — высшая награда для ученого. Ученых в мире великое множество, но лишь немногим более ста удостоились этой чести. За самые выдающиеся из выдающихся открытий.

В почетный список попали в 1932 году Мэрфи, Юри и Брикведе.

Раньше думали, что на Земле существует только один водород. С атомным весом единица. Мэрфи и его коллеги обнаружили вдвое более тяжелого собрата водорода. Изотоп с атомным весом 2.

Изотопами называются такие разновидности атомов, у которых одинаковый заряд, но разные атомные веса. Или по-другому: в ядрах атомов изотопов содержится равное число протонов, но разное — нейтронов. Все химические элементы имеют изотопы: некоторые существуют в природе, некоторые получены искусственно с помощью ядерных реакций.

Изотоп водорода, ядро которого — голый протон, называется протий, и обозначают его так: 1Н. И это единственный пример атомного ядра, вообще не содержащего нейтронов (вот еще одна уникальная особенность водорода!).

Добавляем мы к этому протону-одиночке нейтрон, и перед нами ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия (2H, или D). Протия в природе не в пример больше, чем дейтерия, — свыше 99 процентов.

Но оказывается, существует и третья разновидность водорода (имеющая два нейтрона в ядре) — тритий (3Н, или Т). Он непрерывно рождается в атмосфере под действием космических лучей. Рождается, чтобы сравнительно быстро исчезнуть. Он радиоактивен и, распадаясь, превращается в изотоп гелия (гелий-3). Трития крайне мало: во всей земной атмосфере лишь 6 граммов. На 10 кубических сантиметров воздуха приходится один атом трития. А совсем недавно ученым удалось искусственно получить еще более тяжелые изотопы водорода — 4Н и 5Н. Они-то уж совсем неустойчивы.

То, что у водорода есть изотопы, не выделяет его среди химических элементов. Выделяет другое: изотопы водорода довольно заметно разнятся по свойствам, прежде всего по физическим. Изотопы других элементов почти совершенно неразличимы.

У каждой разновидности водорода свое лицо. И, вступая в химические реакции, они ведут себя по-разному. Протий, например, активнее дейтерия. Изучая поведение изотопов водорода, ученые открыли совершенно новую область науки — химию изотопов. Ведь привычная нам химия имеет дело с элементами в целом, с совокупностью изотопов. А химия изотопов занимается отдельными изотопами. Она помогает исследователям постигать самые тонкие детали различных химических процессов.

Химия = физика + математика!

Что бы вы сказали про строителей, которые сперва построили здание, а уж когда подвели под крышу, дали проектировщикам задание: рассчитать, правильно ли все построено?

Это скорее эпизод из сказки о государстве, где все делалось наоборот…

Но именно такая судьба постигла периодическую систему элементов. Большой дом сначала был возведен, химические элементы расселены каждый в своей квартире. Химики взяли таблицу Менделеева на вооружение. А почему свойства элементов периодически повторяются, этого они долгое время обосновать не могли.

Объяснение дали физики. Они рассчитали конструкцию здания менделеевской системы на прочность. И выяснилась удивительная вещь: оно построено совершенно правильно. В соответствии со всеми законами «химической механики». Так что остается преклоняться перед поистине гениальной интуицией Менделеева, интуицией и глубочайшим знанием химии.

Физики начали с того, что решили подробно разобраться в строении атома.

Его сердце — ядро. Вокруг крутятся электроны. Их столько, сколько положительных зарядов в ядре. Скажем, у водорода — один, у калия — девятнадцать, у урана — девяносто два… Как кружатся? Хаотически, подобно рою ночных бабочек, вьющихся вокруг лампочки? Или в каком-то определенном порядке?

Чтобы это выяснить, ученым пришлось призвать на помощь новые физические теории и разработать новые математические методы. И вот что оказалось: электроны движутся вокруг ядра по определенным оболочкам, подобно планетам вокруг Солнца.

— Сколько электронов помещается на каждой оболочке? Сколько угодно или же ограниченное число? — спрашивали химики.

— Строго ограниченное! — отвечали физики. — Все электронные оболочки обладают конечной емкостью.

У физиков свои символы — обозначения электронных оболочек. Латинские буквы — K, L, M, N, O, P, Q. Так называют оболочки в порядке их удаления от ядра.

Физика вкупе с математикой подробно расписала, сколько электронов содержится в каждой из них.

В К-оболочке может быть 2 электрона, никак не больше. Первый из них появляется в атоме водорода, второй в атоме гелия. Потому-то первый период менделеевской таблицы состоит всего из двух элементов.

Значительно больше, а именно 8 электронов, способна вместить L-оболочка. Первый принадлежащий ей электрон мы обнаруживаем у атома лития, а последний — в атоме неона. Элементы от лития до неона образуют второй период системы Дмитрия Ивановича Менделеева.

А сколько электронов в следующих оболочках? В М-оболочке — 18, в N — 32, в О — 50, в Р — 72 и так далее.

Если два элемента имеют одинаково устроенные внешние электронные оболочки, то и свойства этих элементов подобны. Скажем, литий и натрий содержат на внешней оболочке по одному электрону. Поэтому они помещаются в одну и ту же группу периодической системы, в первую. Видите: номер группы равен числу валентных электронов у атомов входящих в нее элементов.

И вот вывод: одинаковое строение внешних электронных оболочек периодически повторяется. Потому периодически повторяются и свойства химических элементов.

Еще немного математики

Логика существует во всем. Даже в самом непонятном явлении есть своя логика. Поначалу она не всегда заметна. Тогда появляется несоответствие. Для любой теории, любой гипотезы несоответствие — дело неприятное. Оно либо выявит ошибочность теории, либо заставит крепко задуматься. И часто бывает, что раздумья помогают проникнуть глубже в суть непонятного.

Вот один из примеров подобного несоответствия. Только в первых двух периодах менделеевской таблицы соблюдается равенство: элементов в каждом из этих периодов ровно столько, сколько максимально содержит электронов соответствующая внешняя электронная оболочка. Так, у атомов элементов первого периода — водорода и гелия — заполняется К-оболочка. В ней не может быть больше двух электронов, и потому в первом периоде всего два элемента. В атомах элементов второго периода — от лития до неона — полностью формируется восьмиэлектронная оболочка, и потому второй период содержит восемь электронов.

Дальше картина усложняется.

Посчитайте, сколько элементов в следующих периодах. В третьем — 8, в четвертом — 18, в пятом — 18, в шестом — 32, в седьмом (пока что не завершенном) тоже должно быть 32. А в соответствующих оболочках? Здесь совсем другие цифры: 18, 32, 50, 72…

Не поспешили ли мы с выводом, что физики не обнаружили никаких изъянов в здании периодической системы, взявшись объяснить его устройство? Хорошо, если бы у обитателей каждого этажа Большого дома происходило заполнение определенной электронной оболочки и начиналось бы оно у щелочного металла, а кончалось у инертного газа. Емкость периода равнялась бы емкости электронной оболочки…

Увы, об этом мы вынуждены говорить в сослагательном наклонении: если бы да кабы… На деле баланс не сходится. Третий период менделеевской таблицы вмещает меньше обитателей, чем электронов в третьей оболочке, М-оболочке. И так далее.

Грустное несоответствие… Но в нем, в этом несоответствии, и заключается разгадка глубинной сущности периодической системы.

Смотрите: третий период завершился у аргона, но третья М-оболочка в его атоме еще не достроена. Ведь она должна содержать 18 электронов, а пока что тут всего 8. За аргоном следует калий. Это уже элемент четвертого периода, первый обитатель четвертого этажа, но, вместо того чтобы поместить очередной электрон в третью оболочку, атом калия предпочитает перекинуть его в четвертую, N-оболочку. Здесь нет никаких случайностей, а опять лишь строгая закономерность, установленная физиками. Просто не могут существовать атомы, у которых на внешней оболочке более 8 электронов. Сочетание 8 внешних электронов — устройство весьма прочное.

У кальция, ближайшего соседа калия, очередному электрону также «выгоднее» разместиться на внешней оболочке. При этом атом кальция будет обладать наименьшим запасом энергии, чем при любой другой комбинации распределения электронов. Но уже у скандия, следующего за кальцием, стремление продолжить застройку наружной оболочки атома исчезает. Его электрон «ныряет» в предыдущую, не достроенную ранее М-оболочку. А поскольку в ней осталось десять вакантных мест (ведь мы уже знаем, что максимальная емкость М-оболочки составляет 18 электронов), то на протяжении ряда из десяти элементов от скандия до цинка атомы постепенно достраивают М-оболочку. У цинка, наконец, все электроны М-оболочки в сборе. А далее начинает принимать электроны снова N-оболочка. Оказывается, на ней 8 электронов, и перед нами инертный газ криптон. У рубидия повторяется история уже знакомая: пятая оболочка появляется ранее, чём завершилась четвертая.

Такое ступенчатое заполнение электронных оболочек — «норма поведения» для обитателей таблицы Менделеева начиная с четвертого периода. Это основа железного распорядка Большого дома химических элементов.

Поэтому-то в нем выделяются главные и побочные подсекции. Те элементы, где заполняются внешние электронные оболочки, входят в состав главных подгрупп. У которых достраиваются предыдущие, принадлежат к побочным.

Но четвертая, N-оболочка строится не сразу. Напротив, ее заполнение растягивается на целых три этажа Большого дома. Первый относящийся к ней электрон появляется у калия, который обитает в квартире номер 19. А 32-й электрон вмещается в нее только у лютеция, представителя шестого периода таблицы. Его порядковый номер 71.

Как видите, несоответствие обернулось для нас положительной стороной. Пытаясь его объяснить, мы вместе с физиками глубже разобрались в строении периодической системы.

Как химики встретились с неожиданным

Есть у английского писателя Герберта Уэллса великолепный фантастический роман «Война миров». О нашествии на Землю посланцев Марса.

Вспомните: погиб последний марсианин, земная жизнь начала входить в обычную колею, и оправившиеся от потрясений ученые кинулись исследовать немногое, что осталось от неожиданных пришельцев соседней планеты. В том числе и таинственную черную пыль, служившую марсианам для истребления земной жизни.

После нескольких неудачных экспериментов, кончавшихся страшными взрывами, выяснили: злополучное вещество представляет собой соединение инертного газа аргона с каким-то неизвестным еще на Земле элементом.

Однако когда великий фантаст дописывал последние строки своего произведения, химики были абсолютно уверены, что аргон ни с чем и ни при каких условиях соединяться не может. Множество реальных опытов убедило их в этом.

Аргон назвали инертным газом. По-гречески «инертный» значит «бездеятельный». Аргон входит в состав целой плеяды химических ленивцев, которую составляют гелий, неон, криптон, ксенон, радон.

В периодической системе они образуют так называемую нулевую группу. Потому что валентность этих элементов равна нулю. Ни отдавать, ни принимать электроны атомы инертных газов не способны.

Как только не пытались воздействовать на них химики! И нагревали до температур, при которых самые тугоплавкие металлы становились бурлящей огненной жидкостью; и охлаждали до такого состояния, что инертные газы превращались в лед; и пропускали через них сильнейшие электрические разряды; и подвергали действию самых яростных химических реагентов. Тщетно!

Там, где другие элементы давно бы спасовали, вступили в химические соединения, инертные газы оставались бесстрастными. «Не тратьте понапрасну силы, — словно говорили они исследователям, — мы вовсе не желаем вступать в реакции. Мы выше этого!» И за свое высокомерие заслужили от химиков еще один титул: «благородные газы». Но, право же, в нем чувствуется оттенок иронии…

Крукс, который обнаружил в земных минералах гелий, мог гордиться: он подарил миру новый, реально существующий химический элемент. Химический?! Сэр Вильям Крукс дорого бы отдал за то, чтобы заставить гелий вести себя подобно другим обитателям таблицы Менделеева — соединяться с водородом, с кислородом, с серой. Чтобы почтенные профессора могли рассказывать со своих кафедр об окислах и солях гелия…

Но гелий, первый в группе инертных газов, не оправдал надежд. В самом конце прошлого столетия соотечественники Крукса Рамзай и Рэлей открыли неон и аргон, криптон и ксенон. Затем список химических лодырей завершил радон. Все они были элементами со своими атомными весами. Но, честное слово, рука не поднималась написать рядом со словами, скажем, «элемент аргон» слово «химический».

И ученые выселили высокомерное семейство благородных газов на окраину таблицы Менделеева, пристроили к ней новую секцию, нулевую группу. А в учебниках химии записали: есть среди химических элементов такие, что ни при каких условиях не способны вступать в соединения.

Ученые были огорчены: шесть элементов отнюдь не по их воле выпадали из сферы деятельности химической науки.

Разгадка, которая не принесла утешения

В растерянности на первых порах оказался и сам Дмитрий Иванович Менделеев. Поначалу он даже высказал «спасительную» мысль. Нет, аргон вовсе не новый элемент. Это очень своеобразное соединение азота, молекула которого состоит из трех атомов, N3. Подобно тому как наряду с кислородной молекулой O2 известна молекула озона O3.

Факты в конце концов убедили Менделеева в ошибке, и он признал правоту Рамзая. Все учебники мира называют теперь английского ученого первооткрывателем плеяды благородных газов. И никто не пытается это оспаривать.

…Двадцать лет томился в застенках Шлиссельбургской крепости народоволец Николай Морозов. В годы Советской власти он стал ученым с мировым именем. Крепкие стены каменного мешка не раздавили в нем воли к научному творчеству. Он постоянно и упорно работал, и рождались у него идеи и гипотезы одна другой смелее и оригинальнее. В крепости Морозов завершил исследование, посвященное периодической системе. И в нем он предсказал существование элементов, которые должны быть химически неактивными.

Когда Морозов вышел на свободу, инертные газы были уже открыты и нашли свое место в таблице элементов…

Рассказывают, что незадолго до смерти Менделеева его посетил Морозов и два наших великих соотечественника долго говорили о периодическом законе. Увы, содержание беседы неизвестно и, видимо, навсегда останется загадкой.

Немного не дожил Менделеев до раскрытия тайны инертности благородных газов. А тайна эта заключалась в следующем.

Физики, которые так часто приходили и приходят на помощь химикам, установили: внешняя оболочка, содержащая 8 электронов, чрезвычайно устойчива. Она своеобразный идеал прочности электронной оболочки. И следовательно, ей нет никакого резона терять или, наоборот, набирать себе лишние электроны.

Вот где основа «благородства» инертных газов: 8 электронов на внешней оболочке. Или 2 — в случае атома гелия. Двухэлектронная оболочка его не уступает в прочности восьмиэлектронной у других химических ленивцев.

И другое стало ясно химикам: пристройка к таблице Менделеева нулевой группы — не вынужденная мера. Без нее периодическая система выглядела бы зданием недостроенным. Ведь каждый ее период заканчивается инертным газом. Дальше начинается заполнение следующей электронной оболочки, вырастает очередной этаж Большого дома.

Видите, все объяснилось довольно просто. Благородные газы, несмотря на сей аристократический титул, обнаружили способность к практической деятельности: гелием стали заполнять воздушные шары и дирижабли, он начал помогать водолазам в борьбе с кессонной болезнью; аргоновые и неоновые рекламы расцветили ночные улицы городов.

Но, может, «все-таки она вертится!»? Может, физики чего-то недодумали, чего-то недорассчитали, а химики не использовали весь арсенал средств, заставляющих вещества реагировать друг с другом?

В поисках «сумасшедшей» идеи, или как инертные газы перестали быть инертными

— Две параллельные прямые никогда не пересекутся! — утверждала геометрия устами величайшего математика древности Эвклида.

— Нет, должны пересечься! — заявил в середине прошлого столетия русский ученый Николай Лобачевский.

И родилась новая геометрия — неэвклидова.

— Бред и фантазия! — так реагировали на нее на первых порах многие сильные научного мира сего.

Но без геометрии Лобачевского не было бы ни теории относительности, ни смелых представлений о том, каким законам подчиняется устройство вселенной.

Перу Алексея Толстого принадлежит роман «Гиперболоид инженера Гарина».

— Превосходная фантастика, — заявили о нем литературоведы всего мира.

— Фантазия, которая никогда не сможет стать реальностью! — вторили им ученые.

Лишь каких-то пятнадцать лет не дожил Толстой до момента, когда из кристалла рубина вырвался световой луч невиданной яркости и мощи и слово «лазер» вошло в лексикон отнюдь не одних только специалистов.

…Химики-энтузиасты упрямо верили в возможность покорить неслыханное упорство инертных газов. Если мы возьмем на себя труд полистать уже начавшие желтеть страницы научных журналов двадцатых, тридцатых, сороковых годов, нам попадется немало любопытных статей и заметок. Они подтвердят: химики не отказались от мечты вовлечь инертные газы в сферу своей деятельности.

С этих страниц смотрят на нас необычные формулы. Они повествуют об удивительных веществах, соединениях гелия со ртутью, палладием, платиной, другими металлами. Одно лишь плохо: это не те химические соединения, которые хотелось бы получить. Двухэлектронная оболочка гелия в них остается незыблемой, а существуют они только при очень низкой температуре. В царстве абсолютного нуля…

Дальше листаем химические журналы — еще новость: советский химик Никитин приготовил куда менее сказочные соединения ксенона и радона с водой, фенолом и некоторыми другими органическими жидкостями: Xe · 6Н2O, Rn · 6Н2О. Они устойчивы в обычных условиях, их нетрудно получить, но…

Но по-прежнему химическая связь здесь ни при чем. Атомы ксенона и радона свято блюдут совершенство своих внешних оболочек: 8 электронов было, 8 осталось. Больше пятидесяти лет прошло со времени открытия инертных газов, а «воз и ныне там».

…Завершится двадцатое столетие — самое бурное, самое памятное из всех прошедших веков человеческой истории. И ученые подведут итог тому, каких высот в этом столетии достигла научная мысль. В нескончаемом перечне выдающихся открытий на видном месте окажется «Получение химических соединений инертных газов». А какой-нибудь восторженный комментатор добавит: одно из самых сенсационных открытий.

Сенсация? Полно! Скорее романтическая история. Или даже история о том, как просто иногда может решиться проблема, которая десятилетиями мучила многих ученых своей неразрешимостью…

В наши дни химия напоминает могучее дерево с огромной, все разрастающейся кроной. Одному человеку уже не под силу изучать целую ветку. Чаще всего исследователь затрачивает годы, чтобы подробно ознакомиться с маленькой веточкой, с почкой, с чуть заметным ростком. Из тысяч таких исследований складывается знание о той или иной ветви.

«Веточкой», которую изучал канадский химик Нейл Бартлетт, было соединение, на языке химии именуемое гексафторид платины, PtF6. Не случайно ученый уделял много внимания этому веществу. Соединения фтора с тяжелыми металлами — очень интересные вещества, очень нужные для науки и для практики. Например, для разделения изотопов урана — урана-235 и урана-238 — для нужд ядерной энергетики. Отделить один изотоп от другого — дело весьма сложное, но с помощью гексафторида урана UF6 их удается рассортировать. Кроме того, фтористые соединения тяжелых металлов — очень активные химические вещества.

Бартлетт подействовал на PtF6 кислородом и получил крайне любопытное соединение. Кислород в нем содержался в виде положительно заряженной молекулы O2. Молекулы, потерявшей один электрон. Что здесь удивительного? То, что оторвать электрон от кислородной молекулы чрезвычайно трудно. Нужно затратить много энергии. Шестифтористая платина оказалась способной отобрать электрон у кислородной молекулы.

Чтобы удалить электрон с внешней оболочки атомов инертных газов, также требуется весьма много энергии. Тут есть закономерность: чем тяжелее инертный газ, тем энергия меньше. И оказалось: заставить атом ксенона распрощаться с одним электроном все-таки проще, чем оторвать его от молекулы кислорода.

А значит… Вот где начинается самое интересное! Бартлетт решил заставить шестифтористую платину выступить в роли похитителя электрона у ксенонового атома. И достиг успеха — в 1962 году родилось первое в мире химическое соединение инертного газа. Выглядит оно так: XePtF6. И в достаточной степени устойчивое. Не то что какие-нибудь экзотические соединения гелия с платиной или ртутью.

Это едва заметное зернышко сразу дало побег. Побег, который стал расти со скоростью бамбука, — новое направление химии, химию инертных газов. Еще вчера многие серьезные ученые были скептиками; сегодня они держат в руках более тридцати настоящих химических соединений инертных газов. Главным образом фторидов ксенона, криптона и радона.

А стало быть, миф о незыблемости внешней электронной оболочки благородных газов рухнул!

Как построены молекулы различных соединений инертных газов? Ученые только-только начинают в этом разбираться. Выходит, что атомы могут располагать гораздо большим запасом валентных сил, чем считалось раньше.

На признании особой прочности, незыблемости восьмиэлектронной оболочки строились прежде представления о валентности. А теперь ученым приходится задуматься: так ли уж все ясно в этих теориях? Может, вам доведется вместе с ними обнаружить новые закономерности…

Новое несоответствие? Как с ним справиться?

…Рассказывают также: пришел в научно-исследовательский институт задумчивый человек с солидной папкой в руках. Разложил перед учеными свои бумаги. И тоном, не терпящим возражений, сказал:

— В таблице Менделеева должно быть лишь семь групп элементов — ни более и ни менее!

— Как так? — удивились видавшие виды ученые.

— А очень просто! Ведь в числе «семь» сокрыт великий смысл! Семь цветов радуги, семь нот в музыкальной гамме…

Ученые поняли, что имеют дело с не совсем нормальным человеком. И попытались обратить притязания новоявленного перестройщика менделеевской таблицы в шутку.

— Не забудьте, что в человеческой голове имеется семь отверстий! — улыбнулся один.

— И про семь пядей во лбу тоже! — произнес другой.

…Такой случай произошел как-то в одном из московских институтов.

Подобных случаев в истории периодической системы было видимо-невидимо. Перекроить ее пытались многократно. Иногда это имело определенный смысл. Но чаще всего оказывалось стремлением иных авторов соригинальничать.

В 1969 году великое открытие Менделеева празднует столетний юбилей. И надо же было так сложиться обстоятельствам, что накануне этой выдающейся даты даже серьезные химики начали задумываться: в периодической системе придется кое-что перестроить…

Были времена, когда у ученых язык не поворачивался назвать элементы нулевой группы химическими. Теперь иное дело. Элементы нулевой группы как-то неудобно стало именовать, инертными. Что ни месяц в химических журналах появляется несколько статей по химии инерт… виноваты, элементов нулевой группы. Из разных стран приходят сведения о синтезе новых химических соединений криптона, ксенона, радона… Двух-, четырех-, шестивалентный ксенон, четырехвалентный криптон — эти термины, столь сумасшедшие какое-то десятилетие назад, стали теперь обиходными.

— Над таблицей Менделеева навис кошмар фторидов ксенона! — ужаснулся один видный ученый.

Пусть сказано громко, однако развеять «кошмар» необходимо. Уже теперь… Но как?

Вот что предлагают ученые: понятие «нулевая группа» сдать в архив истории науки. А все некогда инертные газы поместить в восьмую. Благо у них на внешней оболочке 8 электронов…

Позвольте! Ведь восьмая группа уже существует, ее «встроил» в таблицу не кто иной, как сам Менделеев. Девять элементов в ней: железо, кобальт, никель, рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина.

С ней что прикажете делать?

Иными словами, химики лицом к лицу столкнулись с новым несоответствием. Привычные контуры менделеевской таблицы вот-вот должны измениться.

«Всегда что-то мешает» — гласит латинская пословица. Этой перемене контуров мешает «старая» восьмая группа. Куда ее переместить?

«Всесъедающий»

Так назвал его выдающийся советский ученый Александр Евгеньевич Ферсман. Ибо нет на свете элемента более яростного, нет в природе вещества химически более активного, чем герой настоящего очерка. И вообще вы не встретите его в природе в свободном виде, только лишь в форме соединений.

Его имя фтор. В переводе с греческого «разрушающий». Вот второй, не менее энергичный термин, характеризующий главную особенность этого представителя седьмой группы таблицы Менделеева.

Кто-то сказал однажды: «Путь к свободному фтору вел через человеческие трагедии…» Это не красивая фраза. Сто четыре элемента обнаружили люди В поисках новых простых веществ исследователи преодолели множество трудностей, пережили массу разочарований, становились жертвами курьезных ошибок. Погоня за следами неизвестных элементов отнимала у ученых много сил.

Фтор, элемент фтор в свободном виде, отнимал жизни.

Велик скорбный перечень борцов, пострадавших при попытках получить свободный фтор. Член Ирландской академии наук Нокс, французский химик Никлес, бельгийский исследователь Лайет — вот жертвы «всесъедающего». А сколько ученых получили серьезные травмы? Среди них выдающиеся химики французы Гей-Люссак и Тенар, англичанин Гем фри Дэви… Несомненно, существовали и безвестные исследователи, которым фтор отомстил за дерзкую попытку выделить его из соединений.

Когда Анри Муассан 26 июня 1886 года докладывал Парижской академии наук, что ему удалось, наконец, получить свободный фтор, один глаз ученого был закрыт черной повязкой…

Француз Муассан первым узнал, что представляет собой элемент фтор в свободном виде. И что греха таить, многие химики попросту боялись работать с этим элементом.

Ученые двадцатого столетия нашли способы обуздать ярость фтора, отыскали пути поставить его на службу человеческой практике. Химия этого элемента стала теперь большой самостоятельной областью неорганической химии.

Грозный «джинн из бутылки» был укрощен. И труды многочисленных борцов за свободный фтор окупались сторицей.

Во многих образцах современных холодильников рабочей охлаждающей жидкостью является фреон. Химики называют это вещество сложнее: дифтордихлорметан. Фтор — непременная его составная часть.

«Разрушающий», оказывается, способен образовывать соединения, которые фактически ничто не может сокрушить. Они не горят и не гниют, не растворяются ни в щелочах, ни в кислотах, свободный фтор бессилен их разрушить, они почти не чувствительны к арктическому холоду и мало реагируют на внезапную резкую смену температур. Одни из них — жидкости, другие — твердые вещества. Общее их имя фторуглероды, соединения, выдумать которые оказалось не под силу самой природе. Их получил человек. Очень полезным оказался союз углерода с фтором. Фторуглероды применяют как охлаждающие жидкости в моторах, для пропитки специальных тканей, как смазочные масла с очень продолжительным сроком действия, в качестве изоляционных материалов, как вещества для конструирования различных аппаратов химической промышленности.

Когда ученые искали пути к овладению энергией ядра, им понадобилось разделить изотопы урана: уран-235 и уран-238. И такую сложнейшую задачу исследователям удалось, об этом уже говорилось, разрешить с помощью интересного соединения — шестифтористого урана.

Именно фтор помог химикам доказать, что инертные газы вовсе уж не такие химические ленивцы, как считалось десятилетиями. Первое появившееся на свет соединение инертного газа ксенона было его соединение со фтором.

Таковы успехи трудовой деятельности фтора.

«Философский камень» Геннинга Брандта

Жил да был в средние века в немецком городе Гамбурге купец Геннинг Брандт. Мы не знаем, сколь изобретателен был он в своих торговых операциях, однако с уверенностью можем сказать, что о химии имел самые примитивные представления.

Но и он не устоял перед соблазном попытаться сразу стать богачом. Дело было за малым: найти пресловутый «философский камень», который, по верованиям алхимиков, и булыжник мог превратить в золото.

…Шли годы. Все реже вспоминали торговые люди имя Брандта, и когда вспоминали, грустно покачивали головами. А он тем временем растворял, перемешивал, просеивал, прокаливал разные минералы и снадобья, и его руки были покрыты незаживающими ожогами от кислот и щелочей.

В один прекрасный вечер бывшему купцу улыбнулась фортуна. На дне реторты осело какое-то вещество, белое как снег. Оно быстро сгорало, образуя густой удушливый дым. И самое любопытное — светилось в темноте. Холодный свет был настолько ярок, что позволял читать старинные алхимические трактаты (они теперь заменяли Брандту деловые бумаги и расписки).

…Так, случайно, открыли новый химический элемент фосфор. В переводе с греческого это слово означает «несущий свет», «светоносец».

Многие светящиеся составы основной своей частью имеют фосфор. Помните знаменитую баскервилльскую собаку, за которой так долго охотился Шерлок Холмс? Ее пасть была намазана фосфором.

Никакой другой представитель менделеевской таблицы не обладает столь своеобразной особенностью.

Ценных и важных качеств у фосфора хоть отбавляй.

Немецкий химик Молешотт некогда сказал: «Без фосфора нет мысли». И это действительно так, потому что в мозговых тканях содержится много сложных фосфорных соединений.

Но без фосфора нет и самой жизни. Без него не могли бы протекать дыхательные процессы, мышцы не могли бы запасать энергию. Наконец, фосфор — один из важнейших строительных «кирпичиков» любого живого организма. В самом деле, основная составляющая часть костей — фосфорнокислый кальций.

Ну скажите, чем не «философский камень», позволяющий превращать неживое в живое?

И наконец, почему фосфор светится?

Над кусочком белого фосфора — облако фосфорных паров. Они окисляются, и при этом выделяется большая энергия. Она возбуждает атомы фосфора, а благодаря этому и возникает свечение.

Запах свежести, или пример того, как количество переходит в качество

Легко дышится после грозы. Прозрачный воздух словно напоен свежестью.

Это не только поэтический образ. При грозовых разрядах образуется в атмосфере газ озон. Он-то и делает воздух чище.

Озон — тот же кислород. Только молекула кислорода содержит два атома элемента, а в молекуле озона их три. О2 и О3 — казалось бы, атомом кислорода меньше, атомом больше, какая разница?

Разница огромная: озон и кислород совершенно непохожие вещества.

Без кислорода нет жизни. Напротив, озон в больших концентрациях способен убить все живое. Он, после фтора, сильнейший окислитель. Соединяясь с органическими веществами, озон моментально разрушает их. Все металлы, кроме золота и платины, под действием озона быстро превращаются в окислы.

Он двулик! Убийца живого, озон в то же время во многом способствует существованию жизни на Земле.

Этот парадокс легко объяснить. Солнечное излучение неоднородно. В его состав входят так называемые ультрафиолетовые лучи. Если бы все они достигали земной поверхности, жизнь на ней стала бы невозможной. Ибо эти лучи, несущие огромную энергию, смертоносны для живых организмов.

К счастью, до поверхности Земли добирается лишь малая доля солнечного ультрафиолета. Большая же часть теряет свою силу в атмосфере на высоте 20–30 километров. На этом рубеже в воздушном одеяле планеты содержится много озона. Он-то и поглощает ультрафиолетовые лучи. (Кстати, одна из современных теорий происхождения жизни на Земле приурочивает появление первых организмов ко времени формирования озонового слоя в атмосфере.)

Но людям необходим озон и на Земле. И в больших количествах.

Им — и в первую очередь химикам — крайне нужны тысячи и тысячи тонн озона.

Изумительную окислительную способность озона с удовольствием взяла бы на вооружение химическая промышленность.

Озону поклонились бы и нефтяники. Нефть многих месторождений содержит серу. Сернистые нефти доставляют много хлопот, хотя бы тем, что быстро разрушают аппаратуру, например котельные топки на электростанциях. С помощью озона было бы легко обессеривать такие нефти. А за счет этой серы производство серной кислоты удалось бы удвоить, если не утроить.

Мы пьем хлорированную водопроводную воду. Она безвредна, но ее вкус — это отнюдь не вкус родниковой воды. В питьевой воде, обработанной озоном, погибнут все болезнетворные микробы. И не будет досадного привкуса.

Озон может обновлять старые автомобильные шины, отбеливать ткани, целлюлозу, пряжу. Он многое может. И потому ученые и инженеры работают над созданием мощных промышленных озонаторов.

Вот он какой, озон! O3 ничуть не менее важен, чем O2.

Философская мысль давно сформулировала принцип диалектики: переход количества в качество. Пример кислорода и озона — один из самых ярких примеров проявления диалектики в химии.

Ученым известна еще и молекула из четырех атомов кислорода, O4. Правда, этот «квартет» крайне неустойчив и о его свойствах еще почти ничего не знают.

Проще простого, удивительнее удивительного…

Шла до войны на экранах кинотеатров веселая комедия «Волга-Волга». И был в ней неунывающий водовоз, который распевал, подстегивая ленивых лошадей:

Зрители улыбались, песенка даже вошла в поговорку.

А если хотите, в этой непритязательной напевке скрыт, как говорят философы, глубочайший подтекст.

Ибо вода для жизни — это вещество номер один. H2O. Атом кислорода плюс два атома водорода. Едва ли не первая химическая формула, которую узнает каждый. Попробуем себе представить, какой вид имела бы наша планета, исчезни с нее внезапно вода.

…Мрачные зияющие «глазницы» морских и океанских впадин, покрытых толстым слоем солей, некогда растворенных в воде. Пересохшие русла рек, навек замолкнувшие родники. Горные породы, рассыпавшиеся в прах: ведь в их состав входило большое количество воды. Ни кустика, ни цветочка, ни единого живого существа на мертвой Земле. И над ней безоблачное небо жуткого, необычного цвета.

Казалось бы, простейшее соединение, а без воды никакая жизнь — ни разумная, ни неразумная — невозможна.

Давайте разберемся — почему?

Прежде всего вода самое что ни на есть удивительное химическое соединение на свете.

Когда Цельсий изобрел свой термометр, он положил в основу устройства две величины, или две константы: температуру кипения воды и температуру ее замерзания. Первую посчитал равной 100 градусам, вторую — нулю. И разделил промежуток между этими крайними точками на 100 частей. Так появился на свет первый прибор для измерения температуры.

Но что бы подумал Цельсий, если бы знал: на деле-то вода должна замерзать отнюдь не при нуле градусов, а кипеть не при ста?

Современные ученые установили: вода в этом случае выступает в роли великого обманщика. Она самое аномальное соединение на земном шаре.

Вот что говорят ученые: вода должна закипать при температуре на 180 градусов более низкой. При минус 80 градусах. Во всяком случае, закипать при подобной антарктической температуре предписывают ей правила распорядка, царящие в периодической системе.

Свойства элементов, входящих в ту или иную группу периодической системы, изменяются довольно закономерно, когда мы переходим от легких элементов к тяжелым. Скажем, температуры кипения. Свойства соединений меняются тоже не бог весть как. Они зависят от положения элементов, из которых построены молекулы, в таблице Менделеева. В том числе и свойства водородных соединений, гидридов элементов, входящих в одну и ту же группу.

Воду можно назвать гидридом кислорода. Кислород — член шестой группы. Здесь располагаются сера, селен, теллур, полоний. Молекулы их гидридов устроены одинаково с молекулой воды: H2S, H2Se, H2Te, H2Рo. Для каждого из них известны температуры кипения, они довольно правильно изменяются при переходе от серы к ее более тяжелым собратьям. И вот что оказывается: температура кипения воды из этого ряда весьма резко выпадает. Она гораздо выше, чем ей положено. Вода словно не желает считаться с правилами поведения, что установлены для таблицы Менделеева. На 180 градусов откладывает она процесс своего перехода в парообразное состояние. И это первая удивительная аномалия воды.

Вторая связана с ее замерзанием. Статут периодической системы предписывает: вода должна затвердевать при температуре 100 градусов ниже нуля. Вода это требование жестоко нарушает и превращается в лед при нуле градусов.

И вот к какому любопытному выводу приводит это своеволие воды: на Земле ее жидкое и твердое состояние является ненормальным. «По штату» ей следовало бы пребывать лишь в виде пара. Вообразите себе мир, где свойства воды подчинялись бы строгим закономерностям периодической системы. Для фантастов этот уникальный факт — весьма благодатная почва для написания увлекательных романов и повестей. Для нас же с вами, как и для ученых, лишнее подтверждение, что менделеевская таблица куда более сложное сооружение, чем может показаться на первый взгляд. И характеры ее обитателей очень уж напоминают характеры живых людей, их просто нельзя ограничить определенными рамками. У нашей воды характер своевольный…

Но почему?

Потому, что молекулы воды устроены особенным образом и благодаря этому обладают необычайно сильной способностью притягиваться друг к другу. Тщетно мы стали бы искать в стакане воды молекулы-одиночки. Они образуют группы, которые ученые называют ассоциациями. И формулу воды правильнее было бы записать (H2O)n, где n — обозначает число молекул в ассоциации.

Разрываются эти ассоциативные связи между молекулами воды с очень большим трудом. Потому она и плавится и кипит при гораздо более высоких температурах, чем следовало бы ожидать.

«Лед неокрепший на речке студеной…»

В 1913 году печальное известие облетело весь мир. Погиб, столкнувшись с айсбергом, гигантский океанский лайнер «Титаник». По-разному объясняли эксперты причины катастрофы. Сошлись на том, что в тумане капитан не разглядел огромную плавающую ледяную гору и, налетев на нее, корабль окончил свое земное существование.

Если мы посмотрим на это прискорбное событие глазами химика, то придем к весьма неожиданному выводу: «Титаник» пал жертвой еще одной аномалии воды.

Устрашающие ледяные глыбы — айсберги плавают, подобно пробке, на поверхности воды. Глыбы в десятки тысяч тонн.

И все потому, что лед легче воды.

Попробуйте расплавить любой металл и в расплав бросить кусок того же металла: он моментально утонет. В твердом состоянии любое вещество имеет большую плотность, чем в жидком. Лед и вода — удивительное исключение из этого правила. Не будь этого исключения, все водоемы средних широт быстро промерзли бы до дна: все живое бы тут погибло.

Вспомните некрасовские стихи:

Стукнут сильные морозы, лед окрепнет. Потянется по реке зимняя дорога. Но под толстым слоем льда, как и прежде, будет струиться вода. Река не промерзнет до дна.

Лед, твердое состояние воды, — вещество исключительно своеобразное. Существует несколько видов льдов. В природе известен один, тот, что плавится при нуле градусов. Ученые в лабораториях, применяя высокие давления, получили еще шесть ледяных разновидностей. Самый сказочный из них (лед VII), найденный при давлении больше 21 700 атмосфер, можно было бы назвать раскаленным льдом. Он плавится при температуре 192 градуса выше нуля, при давлении в 32 тысячи атмосфер.

Казалось, что может быть обыденнее картины таяния льда. Но какие удивительные вещи при этом происходят!

Любое твердое вещество после плавления начинает расширяться. Вода же, получающаяся при таянии льда, ведет себя совсем иначе: она сжимается и лишь затем, если температура продолжает повышаться, начинает расширяться. Это происходит опять-таки из-за сильной способности молекул воды взаимно притягиваться. При четырех градусах выше нуля такая способность проявляется особенно резко. А потому при этой температуре вода обладает наибольшей плотностью; потому наши реки, пруды и озера даже при самых жестоких холодах не промерзают до дна.

Вы радуетесь приходу весны, восхищаетесь прекрасными деньками золотой осени. Радостная весенняя капель и багряный убор лесов…

Опять же аномальное свойство воды!

Чтобы растаял лед, нужно много тепла. Несравненно больше, чем для плавления любого другого вещества, взятого в таком же количестве.

Когда вода замерзает, это тепло снова выделяется. Лед и снег, отдавая тепло обратно, подогревают землю и воздух. Они смягчают резкий переход к суровой зиме и позволяют осени воцариться на несколько недель. Весной же таяние льда задерживает наступление знойных дней.

Сколько вод на земле?

Три изотопа водорода нашли в природе ученые. И каждый из них может вступать в соединение с кислородом. Стало быть, можно говорить о трех сортах воды — протиевой, дейтериевой и тритиевой: H2O, D2O и T2O.

Но могут быть и «смешанные» воды, когда в состав молекул входит, скажем, атом протия и атом дейтерия или атом дейтерия и атом трития. Тогда список вод увеличивается. HDO, HTO и DTO.

Но и кислород, входящий в состав воды, также представляет собой смесь трех изотопов: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Самый распространенный из них — первый.

Если мы учтем эти разновидности кислорода, количество возможных вод увеличится еще на 12. Черпнув кружку воды из озера или реки, вы, наверное, и не подозреваете, что имеете дело с восемнадцатью различными сортами воды.

Так что вода, откуда бы мы ее ни взяли, представляет собой смесь различных молекул. От самой легкой — H2O16 до самой тяжелой — T2O18. Химики могут приготовить каждую из восемнадцати вод в чистом виде.

Изотопы водорода заметно различаются по своим свойствам. А как ведут себя разные сорта вод? Они тоже кое в чем непохожи друг на друга. Например, отличны их плотности, температуры замерзания и кипения.

И в то же время содержание различных вод в природе всегда и всюду разное.

Например, в воде, налитой из водопроводного крана, тяжелой дейтериевой воды D2O содержится 150 граммов на тонну. А в тихоокеанской заметно больше: около 165 граммов. В тонне льда кавказских ледников тяжелой воды на 7 граммов больше, чем в кубическом метре речной воды. Словом, по своему изотопному составу вода повсеместно различается. Так происходит потому, что в природе непрерывно протекает грандиозный процесс изотопного обмена. Разные изотопы водорода или кислорода в различных условиях непрерывно замещают друг друга.

Нет ли какого-либо другого природного соединения, у которого насчитывалось бы столь же большое количество разновидностей? Нет.

Конечно, мы имеем дело главным образом с протиевой водой. Но и прочие воды никак нельзя сбрасывать со счетов. Кое-какие из них находят широкое применение в практике. Особенно тяжелая вода D2O. Ее используют в ядерных реакторах для замедления нейтронов, вызывающих деление урана. Кроме того, ученые пользуются разными сортами воды в исследованиях по химии изотопов.

Восемнадцать сортов — и не больше? Оказывается, разновидности вод могут быть куда более многочисленными. Ведь, кроме природных изотопов кислорода, существуют и радиоактивные, искусственно приготовленные: кислород-14, кислород-15, кислород-19 и кислород-20. А недавно увеличилось количество новых водородов: мы уже говорили о 4Н и 5Н.

Стоит принять во внимание искусственные изотопы водорода и кислорода, как в перечне всевозможных вод окажется более сотни наименований. Впрочем, вы сами можете легко подсчитать точное их количество…

Вода «живая», животворная, вездесущая…

Через бесчисленное множество сказок разных народов красной нитью прошла легенда о «живой» воде. Она исцеляла раны и оживляла мертвых. Давала трусу смелость и стократно увеличивала силы храброго.

И не случайно приписывал человек воде столь магические свойства. То, что мы с вами живем на Земле, что вокруг нас зеленые леса и цветущие поля, что летом мы катаемся на лодках и бегаем по лужам под дождем, а зимой участвуем в лыжных и конькобежных соревнованиях, — все это дело рук воды. Точнее — способности ее молекул притягиваться друг к другу, образуя ассоциации. Это одно из условий возникновения и развития жизни на нашей планете.

История Земли — это прежде всего история воды. Она беспрерывно меняла и меняет облик нашей планеты.

Вода — величайший в мире химик. Без ее участия не обходится ни один природный процесс: будь то образование новой горной породы, нового минерала или сложнейшая биохимическая реакция, протекающая в организме растения или животного.

Химикам в лабораториях нечего было бы делать без воды. Ведь изучая свойства веществ, их превращения, получая новые соединения, они только в редких случаях обходятся без воды. Вода — один из самых лучших растворителей, которые только известны. А чтобы заставить многие вещества вступить в реакцию, их прежде всего надо перевести в раствор.

Что происходит с веществом, когда оно растворяется? Силы, которые действуют на его поверхности между молекулами и атомами, в воде ослабевают в сотни раз. Молекулы и атомы вещества начинают отрываться от поверхности и переходить в воду. Кусок сахара в стакане чаю распадается на отдельные молекулы. Поваренная соль — на заряженные частицы, ионы натрия и хлора. Так уж устроена молекула воды, что обладает очень сильной способностью оттягивать к себе атомы и молекулы растворяющегося тела. Гораздо более сильной, чем многие другие растворители.

Нет на Земле породы, которая могла бы противостоять разрушающему действию воды. Даже граниты хоть и медленно, но неотвратимо поддаются ее действию. Растворенные ею примеси уносятся в моря и океаны. Вот почему эти гигантские водоемы соленые. А ведь сотни миллионов лет назад вода в них была пресной…

Сосулькины секреты

Малыши так и тянутся к сосулькам. Ведь они очень красивы, блестящие ледяные стерженьки.

Из детской ручонки сосулька моментально перекочевывает в рот. Неужели вкусно? Но ребенок не на шутку огорчится, если его лишить этого удовольствия.

Забавная ребячья прихоть? Нет, дело куда серьезнее.

В одной лаборатории поили цыплят. Одной группе наливали в блюдечко обычную воду, другой — талую, с плавающими льдинками.

Опыт — проще и не придумаешь. Результаты же его удивительны. Обычную воду цыплята пили спокойно и чинно. Около блюдечка с талой происходила форменная драка. Талую воду цыплята поглощали с жадностью, словно это было что-то необыкновенно вкусное.

Через полтора месяца подопытных цыплят взвесили. Те, что пили талую воду, были гораздо тяжелее, больше прибавили в весе, чем цыплята, в чей рацион входила вода обычная.

Словом, талая вода обладает чудесными свойствами. Она чрезвычайно полезна живым организмам. Почему?

Поначалу думали так: в талой воде больше дейтерия. А тяжелая вода в небольших концентрациях благотворно влияет на развитие живых организмов. Но в таком объяснении была лишь доля истины…

Теперь ищут разгадку в другом, в самом процессе таяния.

Лед имеет кристаллическую структуру. Однако и вода — это в общем жидкий кристалл. Ее молекулы расположены не в беспорядке, а образуют строгий ажурный каркас. Построенный, правда, иначе, чем у льда.

При таянии льда его структура сохраняется долго. Талая вода по внешнему виду — жидкость, а молекулы в ней все еще расположены «по-ледяному». Благодаря этому химическая активность талой воды как бы возрастает. Она с большой легкостью принимает участие во множестве биохимических процессов. Попадая в организм, она легче, нежели обычная, соединяется с разными веществами.

Ученые считают, что структура воды в организме очень похожа на структуру льда. Обычная вода, попав в организм, должна перестраиваться. Для талой этого не требуется. Организму не приходится затрачивать лишней энергии.

Роль талой воды в жизни, видимо, очень велика.

Кое-что из области языкознания, или «две большие разницы»

Без слов нет речи, без букв нет слов. Изучение любого языка мы начинаем с алфавита. В каждом алфавите — две категории букв: гласные и согласные. Не будь тех или иных — звучная человеческая речь рассыпалась бы… Правда, в каком-то научно-фантастическом романе жители неведомой планеты изъяснялись звуками, состоящими сплошь из согласных букв. Но чего не придумают фантасты!

Природа говорит с нами на языке химических соединений. А любое из них — своеобразное сочетание химических «букв». Тех элементов, которые существуют на Земле. Количество таких «слов» превышает три миллиона. «Букв» же в химическом «алфавите» всего около сотни.

Есть в этом «алфавите» «буквы» гласные и согласные. Все химические элементы издавна подразделяются на две группы: неметаллы и металлы.

Неметаллов значительно меньше, чем металлов. Соотношение между ними выражается прямо-таки баскетбольным счетом — 21 : 83… Совсем как в человеческой речи: гласных звуков куда меньше, нежели согласных.

Сочетание одних лишь гласных звуков в человеческой речи редко выражает что-либо членораздельное: чаще всего оно сродни бессмысленному завыванию.

В химическом языке объединения только «гласных» (неметаллов) встречаются сплошь да рядом. И все живое на Земле обязано своим существованием именно соединениям неметаллов друг с другом.

Ученые недаром называют четыре главных неметалла — углерод, азот, кислород и водород — органогенами. То есть дающими начало органической жизни. Если добавить сюда еще фосфор и серу, этими шестью «кирпичиками» практически и ограничивается весь набор материалов, которые природа использует для строительства белков и углеводов, жиров и витаминов, — словом, всех химических соединений жизни.

Два неметалла — кислород и кремний (две «гласных» химического «алфавита»), объединяясь, дают вещество, которое на языке химии записывается SiO2, двуокись кремния. Она-то и представляет собой основу основ земной тверди, своеобразный цемент, не дающий горным породам и минералам рассыпаться в прах.

Закончить список «гласных» химического «алфавита» не представляет труда: в него включаются еще галогены, редкие газы нулевой группы (гелий и его собратья) да три не очень широко известных элемента: бор, селен и теллур.

Однако если бы мы сказали, что все живое на Земле построено лишь из неметаллов, то впали бы в ошибку.

В человеческом организме ученые обнаружили более 70 различных химических элементов: все неметаллы и множество металлов — начиная от железа и кончая радиоактивными элементами, в том числе ураном.

Языковеды давно обсуждают вопрос, почему в человеческой речи согласные звуки преобладают над гласными.

Химики выясняют: с какой такой стати существуют в периодической системе «две большие разницы» — неметаллы и металлы. В эти два отряда попадают порой элементы, совершенно чуждые друг другу. И все-таки в чем-то похожие.

Почему «две большие разницы»?

Некий шутник как-то заметил, что людей отличают от животных прежде всего два замечательных качества: чувство юмора и чувство исторического опыта. Человек может посмеяться над собственной неудачей и не попадет впросак там, где уже попал однажды. Мы бы упомянули еще одно качество: задавать себе вопрос «почему» и пытаться дать на него ответ.

И этим самым словечком «почему» мы сейчас воспользуемся.

Почему, например, неметаллы не разбросаны по разным этажам и секциям Большого дома, а сгруппировались в определенном месте; металлы — это металлы, и неметаллы — это неметаллы, и какая между ними разница. Начнем с последнего «почему».

Когда два элемента (нам сейчас безразлично каких) вступают друг с другом в химическое взаимодействие, наружные электронные оболочки их атомов перестраиваются. Атом одного элемента электроны отдает, другого — принимает.

Так вот в этом важнейшем законе химии и кроется различие между металлами и неметаллами.

Неметаллы способны к действиям противоположным: как правило, они могут приобретать электроны, но способны их и отдавать. Они достаточно гибки в своем поведении и в зависимости от обстоятельств могут менять свой облик. Выгоднее им принять электроны — неметаллы предстанут в виде отрицательных ионов. В противном случае на свет появляются ионы положительные. Только фтор и кислород практически не знают компромиссов — они берут электроны и никогда не отдают их.

Металлы же не в пример менее «дипломатичны», более постоянны в своих стремлениях. Девиз, которому они следуют неукоснительно: отдавать, и только отдавать электроны. Становиться положительно заряженными ионами. Приобретать лишние электроны — совсем не их стихия. Такова железная норма поведения металлических элементов.

Вот основная разница между металлами и неметаллами.

Впрочем, дотошные химики и в этом строжайшем правиле отыскали исключения. Есть и в обществе металлов непостоянные характеры. Два (пока!), всего два металла обнаружили «неметаллическую» особенность. Астат и рений (они обитают в 85-й и 75-й клетках таблицы Менделеева) известны в виде отрицательно одновалентных ионов. Этот факт словно бросает маленькую тень на удивительно целеустремленную семью металлов…

Ну, а какие вообще атомы легче отдают электроны и какие легче принимают? Атомам, у которых на внешней оболочке мало электронов, сподручнее их отдавать, а тем, у кого много, выгоднее приобретать, чтобы поскорее там оказалось 8 электронов. Щелочные металлы держат снаружи один-единственный электрон. Расстаться с ним для этих металлов — пустое дело. А расстались, глядишь, обнажилась устойчивая электронная оболочка ближайшего инертного газа. Потому-то щелочные металлы — самые химически активные среди всех известных металлов. И «самый-самый» среди них — франций (клетка номер 87). Ведь чем тяжелее элемент в группе, тем больше размеры его атома и тем слабее ядро удерживает единственный наружный электрон.

В царстве неметаллов наиболее яростен фтор. У него во «внешних сферах» семь электронов. Восьмого как раз не хватает для идиллии. И он с жадностью отнимает его почти у любого элемента периодической системы, ничто не может устоять перед бешеным натиском фтора.

Другие неметаллы принимают электроны кто легче, кто труднее. И понятно теперь, почему группируются они главным образом в верхнем правом углу таблицы: ведь у них снаружи много электронов, а такая картина может быть только у атомов, стоящих ближе к концу периодов.

Еще два «почему»

Металлов так много, а неметаллов так мало на Земле? Металлы гораздо больше похожи друг на друга, чем неметаллы? В самом деле, трудно спутать по внешнему виду, скажем, серу и фосфор или йод и углерод. Но даже опытный глаз не всегда сразу определяет, какой металл перед нами: ниобий или тантал, калий или натрий, молибден или вольфрам.

…От перемены мест слагаемых сумма не меняется. Это едва ли не самый «железный» принцип арифметики. Для химии, когда она начинает копаться в устройстве электронных оболочек атомов, этот принцип подходит далеко не всегда…

Все идет гладко, пока мы имеем дело с элементами второго и третьего периодов менделеевской таблицы.

У каждого элемента этих периодов новые электроны входят во внешнюю оболочку атомов. Приплюсовался очередной электрон — глядишь, и свойства элемента совсем другие, нежели у его предшественника. Кремний не похож на алюминий, сера на фосфор. Металлические свойства быстро сменяются неметаллическими, потому что чем больше у атома электронов во внешней оболочке, тем неохотнее он с ними расстается.

Но вот четвертый период. Калий, кальций — металлы первого сорта. Ожидаем: вот-вот за ними должны появиться неметаллы.

Не тут-то было! Нам придется разочароваться. Ибо, начиная со скандия, очередные электроны идут не во внешнюю оболочку, а в предыдущую. «Слагаемые» меняются местами. Меняется и «сумма». Сумма свойств элементов.

Вторая снаружи оболочка более консервативна. Она в меньшей степени влияет на химические особенности элементов, чем внешняя. Разница в их облике становится не такой разительной.

Скандий словно «вспоминает», что третья электронная оболочка осталась у него недостроенной. В ней-то должно быть 18 электронов, а пока скопилось 10. Калий и кальций об этом точно «забыли» и свои очередные электроны разместили в четвертой оболочке. Со скандия справедливость начинает восстанавливаться.

На протяжении ряда из десяти элементов застраивается предыдущая оболочка. Внешняя остается неизменной. Всего 2 электрона на ней, такая «малость» электронов во внешней сфере атома — особенность металлов. А потому на «перегоне» скандий — цинк содержатся только металлы: какой им резон принимать на внешнюю оболочку электроны, вступая в соединения? Внешних-то электронов всего-навсего два. Взаимодействуя с другими, эти элементы запросто расстаются со своими электронами, да еще не прочь и позаимствовать их из достраивающейся предыдущей оболочки. Потому-то и способны они проявлять различные положительные валентности. Скажем, марганец может быть двух-, трех-, четырех-, шести- и даже семивалентным, положительно валентным.

Точно такую же картину мы наблюдаем и в последующих периодах менделеевской таблицы.

Вот почему металлов так много и почему они похожи друг на друга больше, чем неметаллы.

Некоторая несуразица

Слышал ли кто-нибудь о шестивалентном кислороде? Или семивалентном фторе? Никто и никогда.

Мы вовсе не хотим прослыть пессимистами. Но тем не менее с уверенностью заявляем: с такими ионами кислорода и фтора химии не придется иметь дела.

Этим элементам совсем невыгодно сразу сбрасывать такое большое количество электронов. Куда легче добрать — два или один, — чтобы образовалась устойчивая восьмиэлектронная оболочка. А потому известно очень мало соединений, в которых кислород проявлял бы положительную валентность. Так, удалось получить окисел F2O, где кислород положительно двухвалентен. Этот факт уже из области химической экзотики. Соединения положительно валентного фтора тоже большая редкость.

В «Правилах распорядка Большого дома» есть один важный пункт: высшая положительная валентность элемента равна номеру группы, где он располагается.

Кислород и фтор порядок нарушают. Между тем они навсегда прописались в шестой и седьмой группах. И ни разу не вставал вопрос об их переселении. Поскольку по всем другим статьям химическое поведение кислорода и фтора ничем не отличается от образа жизни их более тяжелых соседей в других этажах Большого дома.

И все-таки некоторая несуразица налицо. Химики о ней хорошо знают, но не придают ей значения. Ибо архитектура менделеевской таблицы от этого не терпит никакого ущерба.

Увы, есть еще несуразица. И на этот раз повнушительнее.

В средние века рудокопы находили иногда странные руды. Они были очень похожи на железные. Но вот беда: выплавить из них железо никак не удавалось. Рудокопы объясняли свои неудачи проделками нечистой силы — зловредных карликов кобольдов и престарелого насмешника черта Ника.

Потом, конечно, выяснилось, что нечисть здесь ни при чем. Руды содержали не железо, а два других похожих на него металла. В память о былых заблуждениях их так и назвали — кобальт и никель.

В те же средние века на берегу реки Платино дель Пино в Южной Америке испанские завоеватели обнаружили странное металлическое вещество, блестящее и тяжелое, которое не растворялось ни в каких кислотах. Загадочный металл получил имя платины. А спустя три столетия выяснилось, что платина встречается в природе всегда вместе с пятью спутниками — рутением, родием, палладием, осмием и иридием. Все эти шесть редких металлов трудно отличить друг от друга. Дружную когорту стали именовать семейством платиновых металлов.

Настало время, когда их пришлось расселять в Большом доме.

Вы ждете теперь, наверное, занятного повествования о том, как это было сложно и как ученые постепенно, с трудностями, большими и малыми, справлялись?

Нет, все оказалось очень просто…

Об оригинальности в архитектуре

Приходилось ли вам видеть дом, где все пролеты, все секции одинаковы, спроектированы по типовому проекту, а одна выстроена иначе? Словно рассчитывал и возводил ее другой архитектор, обладающий иной творческой фантазией.

Вряд ли вам встречалось что-нибудь подобное.

А вот Большой дом как раз такое любопытное строение. Одну из его секций Менделеев сконструировал своеобразно. Добавим от себя: вынужден был так сделать.

Эта секция — восьмая группа периодической системы. Входящие в нее элементы располагаются по три. Притом не на каждом этаже, а только в больших периодах таблицы. В одном железо, кобальт и никель, в двух других платиновые металлы.

Менделеев всячески пытался найти для них более подходящие места. Но таких мест не оказывалось. И ему пришлось пристраивать к периодической системе дополнительную, восьмую группу.

Почему восьмую? Да потому, что последней до тех пор была седьмая, где разместились галогены.

Однако номер группы в этом случае имеет значение чисто формальное.

Валентность плюс восемь в восьмой группе — редкое исключение, а никак не правило. Только рутений и осмий с трудом пытаются установить соответствие: для них известны неустойчивые окислы RuO4 и OsO4.

Все же остальные металлы подобных «высот» не достигают, как ни пытались им помочь ученые.

Разгадку давайте поищем вместе.

Обратим внимание и на такой факт: платиновые металлы в химические реакции вступают с большим трудом. Поэтому посудой, сделанной из платины, химики теперь часто пользуются для своих экспериментов. Платина и ее спутники как бы «благородные газы» среди металлов. И неспроста титул «благородные» закрепился за ними с давних пор. И в природе они встречаются в свободном, самородном состоянии.

Или взять железо. Обычное, оно ведет себя как элемент средней химической активности. Чистое — очень устойчиво.

(Вот, кстати, повод для размышлений. Быть может, многие элементы, а не только металлы, в сверхчистом состоянии отличаются высокой сопротивляемостью к химическим воздействиям.)

Повинна в «благородстве» платиновых металлов не внешняя, а предыдущая электронная оболочка их атомов.

Ей не хватает очень немногого, чтобы завершиться, заполниться восемнадцатью электронами. Оказывается, восемнадцатиэлектронная оболочка — конструкция тоже достаточно прочная. А благодаря этому платиновые металлы не склонны отдавать с нее электроны. Приобретать они тоже не могут, ведь все-таки они металлы.

Такая «нерешительность» и объясняет все дело.

И все же восьмая группа не очень увязывается с логикой менделеевской таблицы. Чтобы устранить подобную несуразицу, химики предлагают объединить восьмую и нулевую группы в одну.

Насколько справедлив такой шаг, покажет будущее.

Четырнадцать близнецов

Их называют лантаноидами. Называют потому, что все они — общим числом четырнадцать — «лантаноподобны», похожи на лантан и друг на друга почти как две капли воды. Благодаря такому удивительному химическому подобию их всех помещают в одну-единственную клетку, клетку лантана, которая значится в таблице под номером 57.

Нет ли здесь недоразумения? Ведь и сам Менделеев и многие другие ученые рассуждали так: каждому элементу свойственно одно, вполне определенное место в периодической системе.

А в этом случае в одну клетку втиснулись целых полтора десятка ее обитателей, все они оказались элементами третьей группы и шестого периода.

Нельзя ли попробовать рассортировать их по другим группам?

Пробовали. Многие химики, в том числе и сам Дмитрий Иванович. Помещали церий в четвертую группу, празеодим — в пятую, неодим — в шестую и так далее. Но никакой логики в этом распределении не обнаруживалось. В главных и побочных подгруппах таблицы Менделеева стоят сходные элементы. А церий имел мало общего с цирконием, празеодим и неодим были чужаками по отношению к ниобию и молибдену. И другие редкоземельные элементы (таково общее название лантана и лантаноидов) не находили себе родственников в соответствующих группах. Зато они очень похожи, подобно братьям-близнецам.

Когда химикам задавали вопрос, в какие же клетки таблицы поместить лантаноиды, ученые недоуменно пожимали плечами. Да и что они могли ответить, если не знали, в чем причина удивительного сходства лантаноидов!

А объяснение это оказалось довольно простым.

В периодической системе есть такие любопытные группы элементов, атомы которых устроены весьма своеобразно. У них, этих атомов, очередные электроны попадают не во внешнюю и даже не в предыдущую оболочки. У них электроны, подчиняясь строгим законам физики, просачиваются в третью снаружи оболочку.

Там они чувствуют себя весьма уютно. И покидать свои места ни при каких обстоятельствах не желают. В химических реакциях принимают участие только в очень редких случаях.

Поэтому все лантаноиды, как правило, исключительно трехвалентны. Поскольку имеют 3 электрона на внешних оболочках.

Что лантаноидов четырнадцать — ни больше, ни меньше, — тоже не случайно. В третьей снаружи оболочке, которая в их атомах застраивается, есть 14 вакантных мест, ранее остававшихся незаполненными.

Вот почему химики сочли возможным разместить все лантаноиды в одной-единственной клетке вместе с лантаном.

Мир металлов и его парадоксы

Восемь с лишним десятков элементов периодической системы — металлы. В целом они друг на друга похожи больше, чем неметаллы. И в то же время не счесть неожиданностей в металлическом царстве.

Например, какого цвета различные металлы?

Металлурги знай себе твердят: есть черные, есть цветные. К черным относят железо и его сплавы. К цветным — все остальные, кроме благородных: «их величеств» серебра, золота, платины и ее спутников.

Грубое это деление, и сами металлы категорически выступают против такой уравниловки.

Каждому металлу свойствен особый цветовой оттенок. У темной, матовой или серебристой основы всегда существует определенная подцветка. В этом ученые убедились, изучая металлы в очень чистом состоянии. Ведь многие из них, оказавшись на воздухе, рано или поздно покрываются тончайшей пленкой окисла, которая маскирует истинную расцветку. Чистые же металлы дают богатейшую цветовую гамму. И внимательный глаз различает металлы с синеватым, голубоватым, зеленоватым оттенком, с красноватым и желтоватым отливом, темно-серые, как морская вода осенним пасмурным днем, и блестящие серебристые, отражающие солнечные лучи, точно зеркало.

Окраска металла зависит от многого. В том числе и от способа обработки. По-разному выглядит металл, полученный спеканием отдельных металлических крупинок, и тот же металл, приготовленный в виде слитка.

Когда металлы сравнивают друг с другом по весу, различают легкие, средние и тяжелые.

Среди этих «весовых категорий» есть свои рекордсмены.

Литий, натрий, калий не тонут в воде. Они легче ее. Плотность лития, например, почти в два раза меньше плотности воды, равной единице. Если бы литий не был таким активным элементом, он оказался бы прекрасным материалом для самых различных конструкций. Представляете себе пароход или автомобиль, целиком сделанный из лития? К сожалению, химия накладывает запрет на такую заманчивую возможность.

«Абсолютный чемпион» среди металлов по весу — осмий. Один кубический сантиметр этого благородного металла весит 22,6 грамма. Чтобы уравновесить осмиевый кубик, на другую чашку весов пришлось бы положить, скажем, три кубика меди, два кубика свинца или четыре кубика иттрия. Такими же высокими показателями отличаются ближайшие соседи осмия — платина и иридий. Благородные металлы оказываются и самыми тяжеловесными.

Твердость металлов вошла в поговорку. Про волевого, принципиального человека говорят, что у него «железный характер». Но в мире металлов дело обстоит несколько иначе.

Железо вовсе не котируется в качестве образца твердости. Пальма первенства принадлежит здесь хрому, который этой своей особенностью лишь немного уступает алмазу. Вот, кстати, парадокс: чемпионы по твердости среди химических элементов — отнюдь не металлы. В шкале сравнительной твердости на первом месте стоят углерод в форме алмаза и кристаллический бор. Железо же скорее мягкий металл: оно в два раза менее твердо, чем хром. А наши знакомые легковесы — щелочные металлы — почти так же мягки, как воск.

Металлы-жидкости, металл-газ (!)

Все металлы — вещества твердые, твердые в той или иной степени. Это общее правило. Однако есть исключения.

Некоторые металлы скорее представляют собой жидкости. Крупинки галлия или цезия легко бы расплавились на ладони, потому что температура их плавления немногим менее 30 градусов. Франций, который пока в виде чистого металла не приготовлен, плавился бы уже при комнатной температуре. А вот всем известная ртуть — классический пример жидкого металла. Она замерзает при минус 39 градусах, почему и применяется для изготовления самых разнообразных термометров.

В этом отношении сильным конкурентом ртути оказывается галлий. И вот благодаря каким обстоятельствам. Ртуть закипает сравнительно быстро, примерно при 300 градусах. Значит, измерять высокие температуры с помощью ртутных термометров нельзя. А чтобы галлий превратился в пар, нужна температура 2000 градусов. Ни один металл не может так долго оставаться в жидком состоянии, иметь такую разницу между температурами плавления и кипения. Кроме галлия. Потому-то он настоящая находка для изготовления высокотемпературных термометров.

Еще один штрих, на сей раз совершенно удивительный. Ученые теоретически доказали: если бы существовал тяжелый аналог ртути (элемент с очень большим порядковым номером, неизвестный на Земле обитатель воображаемого восьмого этажа Большого дома). то его естественное состояние при обычных условиях было бы газообразное. Газ, обладающий химическими свойствами металла! Удастся ли когда-нибудь ученым познакомиться с таким уникумом?

Свинцовую проволоку можно расплавить в пламени спички. Оловянная фольга, брошенная в огонь, моментально превращается в каплю жидкого олова. А вот чтобы превратить в жидкость вольфрам, тантал или рений, приходится поднимать температуру выше 3000 градусов. Эти металлы расплавить труднее, чем все прочие. Вот почему нити накаливания в электрических лампах делают из вольфрама и рения.

Температуры кипения некоторых металлов достигают поистине грандиозных величин. Скажем, гафний закипает при 5400 градусах (!) — это почти температура поверхности Солнца.

Необычные соединения

Какое первое химическое соединение сознательно получил человек?

Историки науки не могут ответить с полной определенностью.

Мы рискнем сделать собственное предположение.

Первым веществом, которое люди приготовляли, заранее зная, что они хотят получить, было… соединение двух металлов — меди и олова. Мы сознательно не употребили слово «химическое». Потому что соединение меди и олова (а это самая обыкновенная, всем известная бронза) необычное. Оно называется сплавом.

Древние люди научились сначала выплавлять металлы из их руд, а уже затем сплавлять друг с другом.

Так на заре цивилизации появились зерна одной из отраслей будущей науки химии. Ее называют теперь металлохимия, или химия металлов.

Строение соединений металлов с неметаллами обычно определяется валентностью входящих в них элементов. Скажем, в молекуле поваренной соли содержится положительно одновалентный натрий и отрицательно одновалентный хлор. В молекуле аммиака NH3 отрицательно трехвалентный азот связан с тремя положительно одновалентными атомами водорода.

Химические соединения металлов друг с другом (их называют интерметаллическими соединениями) законам валентности обычно не подчиняются. Их состав не связан с валентностью реагирующих элементов. Поэтому формулы интерметаллических соединений выглядят довольно странно, например MgZn5, KCd7, NaZn12 и так далее. Одна и та же пара металлов часто может образовывать несколько интерметаллических продуктов, скажем, натрий с оловом дают девять таких удивительных образований.

Металлы могут взаимодействовать между собой, как правило, в расплавленном состоянии. Но не всегда сплавляемые металлы образуют друг с другом химические соединения. Иногда один металл просто растворяется в другом. Образуется однородная смесь неопределенного состава, ее не удается выразить четкой химической формулой. Такую смесь именуют твердым раствором.

Сплавов огромное количество. И никто еще не взял на себя труд хотя бы приблизительно подсчитать, сколько их уже известно и сколько вообще может быть получено. Здесь снова «пахнет» миллионами, как в мире органических соединений.

Известны сплавы, состоящие из доброго десятка металлов, и каждая новая добавка по-своему влияет на свойства. Известны сплавы из двух металлов — биметаллические, но в зависимости от того, сколько какого компонента взято, свойства будут различными.

Одни металлы сплавляются очень легко и в любой пропорции. Таковы бронза и латунь (сплав меди с цинком). Другие ни при каких условиях не желают сплавляться, например медь с вольфрамом. Ученые все же приготовили их сплав, но необычным путем, методом так называемой порошковой металлургии: спеканием медного и вольфрамового порошка под давлением.

Существуют сплавы жидкие при комнатной температуре и сплавы исключительно жаростойкие, которые охотно берет на вооружение космическая техника. Немало, наконец, таких сплавов, что не разрушаются под действием даже самых сильных химических реагентов, и сплавов, по твердости лишь немного уступающих алмазу…

Первый кибернетик в химии

Кибернетические машины могут многое. Они научились играть в шахматы; предсказывать погоду; выяснять, что происходит в недрах далеких звезд; производить расчеты совершенно невообразимой трудности. Только умей задать им программу действий. И все крепче становится дружба кибернетики с большой химией. Огромные заводы-автоматы, управляемые счетно-вычислительными машинами. Множество химических процессов, о которых исследователям все становится известным ранее, чем эти процессы осуществят на практике…

Но есть в распоряжении химиков одна совершенно необычная «кибернетическая» машина. Она была изобретена около ста лет назад, когда и само слово «кибернетика» отсутствовало в языках народов мира.

Эта удивительная машина — периодическая система элементов.

Она позволила ученым делать то, на что ранее не отваживались даже самые дерзкие из исследователей. Периодическая система дала возможность предсказывать существование элементов, еще не известных, еще не открытых в лабораториях. Мало предсказывать. Она выдавала данные о том, какими свойствами будут обладать эти незнакомцы. Окажутся они металлами или неметаллами. Будут тяжелыми, как свинец, или легкими, как натрий. В каких земных рудах и минералах следует искать неизвестные элементы. Даже на эти вопросы давала ответ «кибернетическая» машина, изобретенная Менделеевым.

В 1875 году французский ученый Поль Лекок де Буабодран сообщил коллегам важную новость. В цинковой руде ему удалось обнаружить примесь нового элемента, маленькую крупинку весом не более грамма. Опытный исследователь со всех сторон изучил свойства галлия (такое имя получил «новорожденный»). И как полагается, напечатал об этом статью.

Прошло немного времени, и почта доставила Буабодрану конверт со штемпелем Санкт-Петербурга. В коротком письме французский химик прочитал, что корреспондент целиком и полностью согласен с его результатами. Кроме одной детали: удельный вес галлия должен быть не 4,7, а 5,9.

Под текстом стояла подпись: Д. Менделеев.

Буабодран заволновался. Неужели русский титан химии опередил его в открытии нового элемента?

Нет, Менделеев не держал в руках галлия. Он просто умело воспользовался периодической системой. Ученый уже давно знал, что в таблице, на том месте, где нашел место галлий, должен был рано или поздно оказаться неизвестный элемент. И предварительное имя дал ему Менделеев: «экаалюминий». И химическую природу исключительно точно предсказал, зная свойства его соседей по периодической системе…

Вот как Менделеев стал первым «программистом» в химии. Еще с добрый десяток неизвестных элементов предсказал Менделеев и с большей или меньшей полнотой описал их свойства. Их имена: скандий, германий, полоний, астат, гафний, рений, технеций, франций, радий, актиний, протактиний. И к 1925 году многие из них были успешно открыты.

«Кибернетическая машина» застопорилась

В двадцатых годах нашего столетия физика и химия могли похвастать грандиозными успехами. За каких-то два десятилетия эти науки едва ли не достигли большего, чем за всю предшествующую историю человечества.

А дело открытия новых элементов вдруг застопорилось. В периодической системе было еще несколько «пробелов», которые предстояло заполнить. Им соответствовали клетки с номерами 43, 61, 85 и 87.

Но что же это за странные элементы, которые никак не хотели вселяться в периодическую систему?

Незнакомец первый. Элемент седьмой группы. Его порядковый номер 43. Расположен в таблице между марганцем и рением. И по свойствам должен быть подобен этим элементам. Искать его следовало в марганцевых рудах.

Незнакомец второй. Собрат редкоземельных элементов, во всем на них обязанный походить. Порядковый номер 61.

Незнакомец третий. Самый тяжелый галоген. Старший брат йода. Он мог стать сюрпризом для химиков. Еще бы, у него не исключались слабые свойства металла! И галоген и металл — великолепный пример двуликого элемента. Его ожидала квартира номер 85 Большого дома.

Незнакомец четвертый. Ох, какой интересный элемент! Самый яростный, самый активный металл, который легко плавился бы в ладони. Самый тяжелый из щелочных металлов. Номер его 87.

Ученые составили весьма подробные досье на таинственных незнакомцев. Шерлок Холмс отыскивал преступника по пеплу выкуренных сигар, по частичкам глины, приставшим к подошвам. Но его приемы не шли ни в какое сравнение с точнейшими методами химиков, научившихся распознавать мельчайшие количества неизвестных веществ.

Хитроумного сыщика всегда сопровождала удача. Химикам же не везло. Сколько ни преследовали они загадочных незнакомцев, упорно не желавших въезжать в уготованные им квартиры, ученых ждали одни лишь разочарования.

Незнакомцев искали всюду: в пепле сигар и в золе растений; в самых редких, самых экзотических минералах — гордости минералогических музеев; в воде морей и океанов. Увы!

На полку нерешенных проблем легло «Дело о таинственном исчезновении химических элементов № 43, 61, 85, 87». «Унылое дело», как сказали бы иные следователи.

Неужели природа выкинула неожиданный трюк: исключила эти элементы из списка простых веществ, существующих на нашей планете? По странной, свойственной ей, природе, прихоти…

Действительно, попахивало какой-то мистикой. Чудес, как известно, на свете не бывает, но четыре квартиры Большого дома необъяснимым образом продолжали пустовать.

Они заполнились лишь тогда, когда ученые научились искусственно приготовлять химические элементы.

Как один элемент превратить в другой

Бесчисленное множество химических реакций происходит в окружающем нас мире. Все они подчиняются власти химии электронных оболочек. Атом может приобрести электроны, может отдать их — он станет отрицательно или положительно заряженным ионом. Атом может в совокупности с сотнями и тысячами других построить гигантскую молекулу. Но он останется носителем свойств того же самого элемента. Два с лишним миллиона соединений образует углерод. И в каждом из них, будь то углекислый газ CO2 или сложнейший антибиотик, углерод остается углеродом.

Чтобы превратить один элемент в другой, нужно перестроить ядра его атомов. Нужно изменить заряд ядра.

Химики, проводя химические процессы, используют высокую температуру и большое давление, применяют катализаторы — небольшие добавки различных веществ, ускоряющих течение реакции.

Тысячами градусов и сотнями тысяч атмосфер атомное ядро перестроить не удается. Превратить один элемент в другой таким путем невозможно.

Это под силу новой науке — ядерной химии.

У ядерной химии — свои методы. Ее «температуры и давления» — это протоны и нейтроны, ядра тяжелого изотопа водорода (дейтроны) и ядра атомов гелия (альфа-частицы), наконец, ионы легких элементов таблицы Менделеева — бора и кислорода, неона и аргона. Ее химические аппараты — ядерные реакторы, где рождаются некоторые бомбардирующие частицы, и ускорители (сложные физические установки, где частицы разгоняются до больших скоростей). Ведь чтобы проникнуть в атомное ядро, частица-снаряд (особенно если она положительно заряжена) должна обладать большой энергией; тогда ей легче преодолеть отталкивающее действие заряда ядра. У ядерной химии своя символика, но уравнения ее реакций записываются и подобно «обычным» химическим уравнениям.

Эта новая наука позволила заселить пустовавшие клетки таблицы Менделеева.

Греческое слово «технетос», что значит «искусство», вошло в название первого элемента, искусственно приготовленного человеком. В конце 1936 года быстрый поток дейтронов, ускоренных в циклотроне, обрушился на пластинку из молибдена. Стремительные дейтроны, как нож сквозь масло, пробились через электронные оболочки и достигли ядра. Дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, при столкновении с ядром распался, нейтрон отлетел в сторону, а протон застрял в ядре. Тем самым заряд ядра увеличился на единицу. Значит, молибден, обитающий в клетке номер 42, превратился в своего правого соседа — элемент номер 43.

Подобно тому, как в обычной химии одно и то же соединение можно получить разными способами, так и в ядерной химии один и тот же элемент удается искусственно приготовить с помощью различных ядерных реакций.

Тот же технеций люди научились создавать в количествах, измеряемых килограммами, на самой удивительной в мире фабрике. Эта фабрика — ядерный реактор. Здесь вырабатывается энергия деления урановых ядер под действием медленных нейтронов.

Ядра урана распадаются на разнообразные осколки, каждое на два. Осколки — ядра атомов элементов середины таблицы Менделеева. Уран, делясь, порождает элементы, которые обитают более чем в 30 клетках периодической системы — от 30 номера до 64. В том числе и технеций. И еще один странный элемент, тщетные поиски которого в земной коре длились десятилетиями. Прометий, обитатель 61-й клетки.

Ядерная химия предоставила в распоряжение ученых элементы тяжелее урана. При делении урановых ядер, кроме осколков, вылетает много нейтронов. Они могут поглотиться неразделившимися ядрами. Так возникает возможность синтеза элементов с порядковыми номерами 93, 94 и далее, трансурановых элементов.

Много способов получения таких элементов знает ядерная химия. Ныне трансурановых элементов известно 12: нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделеевий и лоуренсий. И курчатовий — самый тяжелый трансурановый элемент, недавно (в 1964 году) синтезированный группой советских физиков во главе с Г. Н. Флеровым. Название одному из трансуранов, с порядковым номером 102, пока не дано.

Представьте себе удивление каменщика, который сегодня возвел каменную кладку нового этажа дома, а завтра обнаружил, что вся его работа исчезла. Именно в таком положении находятся исследователи, изучающие химические свойства тяжелых трансуранов. Эти элементы крайне неустойчивы, время их жизни измеряется минутами и даже секундами. Работая с обычными элементами, химик нисколько не стеснен рамками времени. Когда же в его руки попадают короткоживущие представители таблицы Менделеева, в особенности тяжелые трансураны, каждая минута исследования начинает цениться на вес золота. Мало того что изучаемые объекты вот-вот исчезнут. Их в распоряжении химика мизерные количества, иногда буквально считанные атомы.

А потому необходимы специальные методы работы. Ими ведает новая молодая ветвь химии — радиохимия, химия радиоактивных элементов.

Смерть и бессмертие в мире элементов

Пришло время, когда химики сделались своеобразными археологами. Они научились измерять возраст различных минералов земной коры, подобно тому как археолог определяет, сколько веков назад изготовлено какое-нибудь бронзовое украшение или глиняный сосуд.

Оказалось, что возраст иных минералов превышает четыре с половиной миллиарда лет. Они так же стары, как и сама планета Земля. Но ведь минералы — это химические соединения. Они состоят из элементов. Стало быть, элементы практически бессмертны…

Не кажется ли вам нелепой сама постановка вопроса: может ли элемент умереть? Ведь смерть — это печальный удел живых существ…

Нет, этот вопрос не бессмыслен, как может показаться на первый взгляд.

Есть такое физическое явление: радиоактивность. Оно состоит в том, что элементы (а точнее, ядра их атомов) могут самопроизвольно разрушаться. Одни ядра исторгают из своих недр электроны. Другие — испускают так называемые альфа-частицы (ядра гелия). Третьи — разваливаются на две примерно равные половинки: этот процесс именуют спонтанным делением.

Все ли элементы радиоактивны? Нет, не все. Главным образом те, что стоят в конце периодической системы, начиная с полония.

Распадаясь, радиоактивный элемент не исчезает вовсе. Он превращается в другой. Эти цепочки радиоактивных превращений могут быть очень длинными.

Например, из тория и урана в конце концов образуется устойчивый свинец. А на этом пути рождается и погибает добрый десяток радиоактивных элементов.

Радиоактивные элементы живучи в разной степени. Одни, прежде чем исчезнуть полностью, существуют десятки миллиардов лет. Жизнь других настолько коротка, что измеряется минутами и даже секундами. Ученые оценивают живучесть радиоактивных элементов с помощью специальной величины: периода полураспада. В этот промежуток времени взятое количество радиоактивного элемента распадается ровно наполовину.

Периоды полураспада урана и тория равны нескольким миллиардам лет.

Совсем иначе обстоит дело с их предшественниками по таблице Менделеева — протактинием, актинием, радием и францием, радоном, астатом и полонием. Их жизнь куда короче: во всяком случае, не больше 100 тысяч лет. А раз так, то возникает неожиданное недоразумение.

Почему, собственно, эти короткоживущие элементы существуют на Земле? Ведь нашей планете что-то около 5 миллиардов лет… За этот трудно вообразимый срок должны были сотни раз исчезнуть и радий и актиний и иже с ними.

Однако живут. И прячутся в земных минералах испокон веку… Словно природа имеет в своем распоряжении «живую» воду, не дающую им погибать.

Дело в другом: просто-напросто они непрерывно рождаются вновь, потому что их питает вечный источник. Земные запасы урана и тория. Ведь пока эти «патриархи» среди радиоактивных элементов совершают долгий и сложный путь превращений в устойчивый свинец, они походя превращаются в промежуточные элементы. И получается, что среди химических элементов мы можем выделить две большие группы — первичных и вторичных.

К первичным относятся все нерадиоактивные элементы и уран с торием, у которых периоды полураспада превышают возраст Земли. Они были свидетелями образования солнечной системы.

Остальные — вторичные.

И все-таки наступит момент, когда периодическая система недосчитается нескольких элементов. Уран и торий — вечный источник вторичных элементов. Однако относительно вечный. Когда-то с лика Земли исчезнут и они. Исчезнут полностью эдак через сотню миллиардов лет. А вместе с ними уйдут в небытие и продукты их радиоактивных превращений.

Один, два, много…

Примерно такими были счетные способности первобытного человека. Его математический аппарат насчитывал всего две количественные величины — «много — мало».

Почти таким же критерием пользовались люди лет сто назад, когда пытались оценивать, сколько каких элементов припасено нашей планетой в ее «закромах».

Широко используются в практике, скажем, свинец, цинк, серебро, стало быть, их много. Значит, это элементы распространенные. А редкие земли (лантаноиды) потому и редкие, что на Земле почти не встречаются. Их мало.

Вот как легко было рассуждать какое-то столетие назад.

Право же, первые ревизоры кладовых химических элементов занимались работой не очень обременительной. Вспоминая об их «деятельности», наши современники весело улыбаются.

Да и как же не улыбнуться, если теперь они точно могут ответить на вопрос: сколько чего? Если они даже могут сказать, сколько атомов каждого элемента содержится в земной коре. Они наверняка знают, что пресловутых редких земель в минералах планеты лишь немногим меньше, чем свинца, цинка и серебра, вместе взятых.

Скрупулезная «бухгалтерия» запасов химических элементов началась с научного подвига. Его совершил американский ученый Фрэнк Кларк. Он проделал более пяти с половиной тысяч химических анализов. Самых различных минералов — из тропиков и из тундры. Самых разнообразных вод — из глухого таежного озера и Тихого океана. Исследовал образцы всевозможных почв с разных концов света.

Двадцать лет продолжался этот титанический труд. Благодаря Кларку и другим ученым человечество получило вполне четкое представление, каких элементов на Земле больше всего.

Так родилась наука геохимия. Она поведала людям такие удивительные истории, какие раньше не могли и присниться.

Вот что оказалось: первые 26 представителей менделеевской таблицы — от водорода до железа — практически образуют всю земную кору. Они составляют 99,7 процента от ее веса. Только «жалких» три десятых процента приходится на долю остальных 67 элементов, встречающихся в природе.

Чего же больше всего на Земле?

Не железа, не меди, не олова, хотя человек пользовался ими тысячелетиями и запасы этих металлов представлялись огромными, неисчерпаемыми. Больше всего — кислорода. Если на одну чашу воображаемых весов положить земные ресурсы кислорода, а на другую — всех прочих элементов, чаши почти уравновесятся. Почти наполовину земная кора состоит из кислорода. Где его только нет: в водах, в атмосфере, в огромном количестве горных пород, в любом животном и растении — всюду кислород играет весьма видную роль.

Четвертая часть земной «тверди» — кремний. Основа основ неорганической природы.

Дальше элементы Земли по своим запасам располагаются в таком порядке: алюминий — 7,4 процента; железо — 4,2; кальций — 3,3; натрий — 2,4; калий и магний — 2,35; водород — 1,0; титан — 0,6.

Вот первая десятка химических элементов в нашей планете.

А чего на Земле всего меньше?

Очень мало золота, платины и ее спутников. Поэтому они и ценятся так дорого.

Но любопытный парадокс: золото было первым из металлов, который стал известен человеку. Платину открыли, когда и слыхом не слыхивали ни о кислороде, ни о кремнии, ни об алюминии.

У благородных металлов есть уникальная особенность. Они встречаются в природе не в виде соединений, а в самородном состоянии. Не надо затрачивать никаких усилий на выплавку. Потому-то их нашли на Земле, именно нашли в столь давние времена.

Однако приз за редкость все-таки принадлежит не им. Этой печальной награды удостаиваются вторичные радиоактивные элементы.

Мы вправе назвать их элементами-призраками.

И геохимики говорят: полония на Земле всего-навсего 9600 тонн, радона и того меньше — 260 тонн, актиния — 26 тысяч тонн. Радий и протактиний настоящие гиганты среди призраков: их в общей сложности около 100 миллионов тонн, но в сравнении с золотом и платиной это ничтожно малое количество. А вот астат и франций неудобно причислить даже к призракам, они нечто еще менее материальное. Земные запасы астата и франция измеряются (смешно сказать!)… миллиграммами.

Имя самого редкого элемента на Земле — астат (69 миллиграммов на всю толщу земной коры). Комментарии, как говорится, излишни.

Первые трансурановые элементы — нептуний и плутоний — тоже, оказывается, существуют на Земле. Они рождаются в природе благодаря очень редким ядерным реакциям урана со свободными нейтронами. Эти призраки «тянут» на сотни и тысячи тонн. А вот о прометии и технеции, в появлении которых также повинен уран (ему свойствен процесс самопроизвольного деления, когда ядра распадаются на два примерно равных осколка), о них прямо-таки нечего сказать. Ученые нашли еле заметные следы технеция, а прометий все еще пытаются отыскать в урановых минералах. Еще не изобрели таких весов, на которых можно было бы взвесить земные «запасы» прометия и технеция.

Справедливо ли поступила природа?

Вот как утверждают теперь ученые: в образце любого минерала можно обнаружить присутствие всех химических элементов, известных в природе. Всех до единого. Правда, в весьма различной пропорции. Но почему одних много, других чрезвычайно мало?

В периодической системе все элементы обладают полнейшим равноправием. Каждый занимает свое определенное место. Когда же речь заходит о земных запасах элементов, это равноправие исчезает как дым.

Легкие элементы таблицы Менделеева, во всяком случае первые три десятка ее представителей, составляют основную массу земной коры. Но и среди них отсутствует равенство. Одних — больше, других — меньше. Скажем, бор, бериллий и скандий принадлежат к числу весьма редких элементов.

Пока Земля существует, на ней произошел кое-какой «переучет» запасов элементов. Исчезло немало урана и тория из-за их радиоактивности. Улетучилась в мировое пространство большая часть инертных газов и водорода. Но общая картина не изменилась.

Ученый наших дней записывает: распространенность химических элементов в земной коре закономерно убывает от легких элементов к средним и далее — к тяжелым. Но всякое бывает. Например, тяжелого свинца гораздо больше, чем многих легких представителей менделеевской таблицы.

Почему так? Почему не всех поровну? Может, природа поступила несправедливо, «накопив» одни элементы и не позаботившись о запасах других?

Нет, существуют законы, в согласии с которыми одних элементов на Земле много, других мало. Признаться честно, мы этих законов до конца не знаем. И довольствуемся лишь предположениями.

Ведь сами-то химические элементы не существовали всегда. Вселенная так устроена, что непрерывно в разных ее местах происходит гигантский, ни с чем не сравнимый по своей грандиозности процесс образования, синтеза элементов. Космические ядерные реакторы, космические ускорители — это звезды. В недрах некоторых из них идет «варка» химических элементов.

Там господствуют невиданные температуры, невообразимые давления. Там стихия законов ядерной химии, царство ядерно-химических реакций, превращающих один элемент в другой, легкие — в тяжелые. И они таковы, эти законы, что одни элементы образуются с большей легкостью и в более внушительном количестве; другие — труднее и потому в меньшей пропорции.

Все зависит от прочности атомных ядер. На сей счет у ядерной химии вполне определенное мнение. Ядра изотопов легких элементов содержат почти одинаковое число протонов и нейтронов. Эти элементарные частицы образуют здесь весьма прочные сооружения. И легкие ядра легче синтезируются. Природе вообще свойственно стремление создавать системы с наибольшей устойчивостью. Легче синтезируются, но с меньшей охотой вступают в ядерные реакции, чтобы дать дорогу созданию ядер с большими зарядами. У последних количество нейтронов уже заметно превышает запасы протонов, и потому ядра средней и большой массы не могут похвастать особой устойчивостью. Они сильнее подвержены всяким случайностям, легче склонны к превращениям и потому не способны накапливаться в слишком большом количестве.

Ядерно-химические законы таковы, что чем выше заряды ядер, тем труднее эти ядра синтезируются и, следовательно, тем меньше их образуется.

Химический состав нашей Земли — это словно безмолвный слепок, немое отражение динамики законов, которые управляют процессом происхождения элементов. Когда ученые до конца познают эти законы, станет понятным, почему так по-разному распространены различные химические элементы.

Тропою ложных солнц

В 80-х годах прошлого столетия один зарубежный химический журнал опубликовал любопытную заметку. Малоизвестный научному миру автор сообщал в ней о том, что ему удалось обнаружить сразу два новых элемента. И имена он дал им звучные: космий и неокосмий. В ту пору открытие новых элементов было явлением прямо-таки массовым. Иные исследователи даже не удосуживались придумывать «новорожденным» названия, а обозначали их буквами греческого алфавита.

Выяснилось вскоре, что «первооткрыватель» космия и неокосмия просто-напросто посмеялся над этой эпидемией открытий. Его заметка была чем-то вроде первоапрельской шутки. Автор носил фамилию Косман.

…Сто четыре элемента расположились в таблице Менделеева. Сто четыре истинных открытия элементов зафиксировала история науки. Рядом с этим перечнем существует другой, не в пример более длинный, насчитывающий несколько сот названий. Этакие «святцы» мертворожденных элементов, тех, что появились на свет в результате заблуждений, ошибок опытов, а то и просто недобросовестности иных исследователей.

Долог и тернист был путь открывателей элементов. Подобен тропе, продирающейся сквозь дебри и теряющейся среди узких, обрывистых скал… А рядом пролегла другая — торная тропа. Но это тропа ложных солнц, ложных открытий химических элементов.

Какие только курьезы и парадоксы не встречались на ней! Случай с Косманом — буквально капля в море.

Англичанин Крукс выделил из иттрия целое скопище новых простых веществ, назвав их метаэлементами. А на деле это были смеси давно известных элементов.

Немец Свинне искал трансурановые элементы в образцах так называемой космической пыли, собранной в ледниках Гренландии известным полярным путешественником Норденшельдом. И поспешил сообщить, что-де удалось ему найти в этой пыли элемент с порядковым номером 108… Истина вскоре взяла реванш. Незадачливый исследователь просто был в плену неверной теоретической идеи.

А как не вспомнить англичанина Фриенда, который организовал специальную экспедицию в Палестину, чтобы в безжизненных водах Мертвого моря «выловить» следы 85-го и 87-го элементов? Или американца Аллисона: этот неудачник, когда ученые терялись в догадках, почему отсутствуют на Земле тяжелые аналоги йода и цезия, вдруг стал открывать их всюду. В любых растворах и минералах, которые проверял с помощью своего нового метода. Метод оказался порочным. Глаза исследователя при работе слишком утомлялись, и утомление рождало призраки.

Даже великие люди не избежали ошибок на тропе ложных солнц. Итальянцу Ферми показалось, что в уране, обстрелянном нейтронами, возникает сразу несколько трансурановых элементов. На деле то были осколки деления ядер урана — элементы середины периодической системы.

И в наши дни эта пресловутая тропа еще не кончилась. В 1958 году группа ученых в Стокгольме синтезировала новый элемент, номер 102. В честь изобретателя динамита его назвали нобелий. Советские и американские исследователи эти результаты опровергли. И теперь ученые шутят: от нобелия остался один символ — «No», что по-английски означает «нет». Хотя другими способами теперь в СССР и в США достоверно получены изотопы сто второго элемента.

Судьба одного из ста четырех…

Это маленькая повесть о судьбе химического элемента.

Он занимает квартиру под номером 92. Его имя уран.

Оно говорит само за себя. Ведь с ураном связано два величайших открытия науки всех времен и народов. Открытие радиоактивности и деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. Уран дал людям ключ к освоению ядерной энергии. Уран помог им получить элементы, неизвестные природе: трансураны, технеций и прометий.

Исторические документы свидетельствуют: биография урана началась 24 сентября 1789 года.

Всякое случалось в истории открытия химических элементов. Бывало и такое, когда автора открытия невозможно назвать — он остался безвестным. А порой список «первооткрывателей» нового элемента выглядел весьма солидно. «Крестный отец» урана установлен твердо — берлинский химик Мартин Клапрот, один из основателей аналитической химии. Обстоятельства сыграли с ним не очень веселую шутку — Мартин Генрих Клапрот оказался лишь одним из «крестных отцов» героя нашего повествования.

Исстари знавали люди смоляную обманку и считали ее рудой цинка и железа. Зоркий глаз Клапрота-аналитика заподозрил в ней примесь неизвестного металла, и подозрению этому суждено было сбыться. Новый элемент явился в виде черного порошка с металлическим блеском. В честь планеты Уран, незадолго до этого открытой астрономом Гершелем, получил он свое имя.

С той поры целых полстолетия никто не сомневался в достоверности Клапротова открытия. Никто не смел усомниться в правоте величайшего химика-аналитика Европы. Элемент уран шествовал по страницам учебников химии.

В 1843 году это победное шествие слегка притормозил французский химик Эжен Пелиго. Он доказал, что не элемент уран держал в руках Клапрот. Всего-навсего окись урана. Беспристрастные историки отметили позже: Пелиго можно считать вторым «крестным отцом» элемента.

Но и тогда не завершился список «крестных» урана. Третьим был Дмитрий Иванович Менделеев.

Уран никак поначалу не хотел помещаться в его таблицу. Собственно, место ему отводилось. В третьей группе. Между кадмием и оловом, там, где стоит теперь индий. Это место диктовалось величиной атомного веса урана. Но не свойствами. По своим свойствам уран выглядел случайным пришельцем в уготованной ему клетке.

Менделеев решил: атомный вес урана определен неправильно. И увеличил его в полтора раза. Уран оказался в шестой группе таблицы. Последним в ряду элементов. Так состоялось третье «рождение» урана.

А экспериментаторы вскоре подтвердили правоту Менделеева.

Где твое место, уран?

Нет в менделеевской системе элементов вообще без места. Есть элементы без определенного места. Скажем, самый первый из них — водород. Ведь до сих пор не пришли ученые к единому мнению: куда поместить элемент номер 1 — в первую ли, в седьмую ли группу таблицы Менделеева…

Аналогичным образом сложилась и судьба урана.

Но разве Менделеев не решил вопрос о его месте окончательно, раз и навсегда?!

В течение десятилетий никто не оспаривал положения урана в шестой группе периодической системы. Как самого тяжелого собрата хрома, молибдена и вольфрама. Оно казалось незыблемым.

Пришли иные времена. В ряду элементов уран перестал быть последним. Справа от него выстроилась целая когорта трансурановых элементов, полученных искусственно. И встал вопрос о том, куда их расселить в менделеевской таблице. В каких ее группах и каких клетках расставить символы трансуранов. После долгих споров многие ученые пришли к выводу: их нужно поместить всех вместе, в одной группе, в одной клетке.

Не с неба упало такое решение: подобное уже случалось в менделеевской таблице. В ее шестом периоде. Ведь все лантаноиды общим числом 14 располагают в третьей группе, в одной клетке лантана.

Периодом ниже должна появиться такая же картина — это давно предсказывали физики. В седьмом периоде, говорили они, должно существовать семейство элементов, подобное лантаноидам. Семейство, чье имя — актиноиды. Потому что начинаться оно будет сразу же после актиния. Он в таблице стоит как раз под лантаном.

Стало быть, все трансурановые элементы — члены этого семейства. Не только они, но и уран и его ближайшие левые соседи — протактиний и торий. Им всем надлежало покинуть старые, обжитые места в шестой, пятой и четвертой группах. И перебраться в третью.

Почти сто лет назад Менделеев выселил уран из этой группы. Теперь он снова оказался в ней. Но уже с новым «видом на жительство». Вот какие курьезы встречаются в жизни периодической системы.

Физики согласны с таким положением дел. Химики же — не все и не полностью, потому что в третьей группе уран по своим свойствам такой же чужак, каким был во времена Менделеева. И для тория с протактинием третья группа не подходит.

Где твое место, уран? Ученым еще придется об этом поспорить.

Маленькие истории из области археологии

Когда человек впервые стал применять для своих нужд железо? Ответ, казалось бы, сам собой напрашивается: когда научился выплавлять железо из руд. Историки даже установили приблизительную дату этого великого события. Дату наступления на Земле «железного века».

А век-то этот, он наступил раньше, чем первобытный металлург в примитивной домне добыл первые килограммы железа. К такому выводу пришли химики, вооруженные могущественными методами анализа.

Первые куски железа, которыми воспользовались наши предки, в самом прямом смысле упали с неба. В так называемых железных метеоритах всегда, кроме железа, содержится никель и кобальт. Анализируя состав некоторых древнейших железных орудий, химики обнаружили в них присутствие соседей железа по таблице Менделеева — кобальт и никель.

А в железных рудах Земли они встречаются далеко не всегда.

Бесспорен ли этот вывод? На сто процентов утверждать не беремся… Познавать древность — дело исключительно нелегкое. Зато здесь можно столкнуться с неожиданностями удивительными.

Вот какую пилюлю преподнесли однажды археологи историкам химии.

…В 1912 году профессор Оксфордского университета Гюнтер производил раскопки древнеримских развалин близ Неаполя и обнаружил стеклянную мозаику удивительной красоты. За два тысячелетия окраска стекол, казалось, совсем не потускнела.

Гюнтер заинтересовался составом красок, которые применялись древними римлянами. Два образчика бледно-зеленоватого стекла отправились в путешествие. В Англии они попали в руки химика Маклея.

Проведен анализ: ничего неожиданного не обнаружено. Разве что содержится какая-то примесь в количестве около полутора процентов. И объяснить ее природу Маклей затрудняется.

Тут в дело вмешивается случай. Кому-то приходит в голову испытать образец примеси на радиоактивность. Мысль оказывается более чем удачной, потому что примесь действительно радиоактивна. Какой же элемент является ее причиной?

Наступает очередь химиков — и те докладывают: неизвестная примесь есть не что иное, как окись урана.

Открытие ли это Америки? Пожалуй, нет. Соли урана давненько применяются для окраски стекол. Вот пример первого практического применения урана. В римских же стеклах уран, по-видимому, оказался случайно.

Временно в этой истории ставится точка. Проходят десятилетия, и забытый факт попадает в поле зрения американского археолога и химика Келея.

Келей проводит большую работу, повторяет анализы, сопоставляет данные. И приходит выводу: присутствие урана в древнеримских стеклах не случайность, скорее закономерность. Римляне были знакомы с минералами урана и пользовались ими для практических нужд. В частности, для окраски стекол.

Не здесь ли истоки биографии урана?

Уран и его профессии

Девяносто второй элемент менделеевской таблицы в двадцатом столетии стал едва ли не самым знаменитым. Потому что именно он заставил работать ядерный реактор. Он дал людям ключ к овладению энергией принципиально нового типа.

И добывают теперь уран в больших количествах: более сорока тысяч тонн за год во всем мире. Ядерной энергетике этого пока вполне хватает.

Но вот парадокс: непосредственно («по назначению») используется не более 5 процентов добытого урана. Остальные 95 называют отвальным ураном. Он уже непосредственно не годится в работу, так как содержит слишком мало изотопа урана-235. Того, что служит основным ядерным горючим.

Так неужели труды геологов, горняков и химиков во многом затрачиваются вхолостую?

Напрасное опасение: у урана немало других, «неядерных» профессий. Просто неспециалисты о них мало знают. А зря. Уран с интересом изучают биологи. Оказывается, девяносто второй просто необходим для нормального развития растений. Он, например, заметно увеличивает содержание сахара в моркови и свекле, а также в некоторых фруктах. Уран помогает развиваться ценным почвенным микроорганизмам.

Уран нужен и животным. Ученые проделали интересный опыт. Крыс в течение года подкармливали небольшими количествами урановых солей. Содержание элемента оставалось в организме практически неизменным. Никаких вредных последствий не наблюдалось. Между тем вес животных увеличился почти в два раза.

Исследователи считают, что уран очень сильна способствует усвоению фосфора, азота и калия — важнейших жизненных элементов.

Уран в медицине? Это одно из самых старых практических амплуа элемента. Его солями пытались лечить разные болезни: диабет, всевозможные кожные заболевания, наконец, опухоли. И небезуспешно. Сейчас «уранотерапия» снова на повестке дня.

В металлургии уран находит любопытное использование. Его сплав с железом (ферроуран) добавляют в сталь для удаления кислорода и азота. Ферроуран позволяет изготовлять стали, которые могут работать при очень низких температурах. А вот ураноникелевые стали весьма устойчивы даже к самым сильным химическим реагентам, например к «царской водке» (смеси азотной и соляной кислот).

Как катализаторы многих химических реакций уран и его соединения также очень интересны и своеобразны. Синтез аммиака из азота и водорода проводят иногда с помощью карбида урана. Окислы урана ускоряют процессы окисления метана кислородом, получения метилового и этилового спиртов из окиси углерода и водорода, приготовления уксусной кислоты. Немало продуктов органической химии удается получить, используя урановые катализаторы.

Химия урана необычно богата. В своих соединениях он может выступать в различных валентных состояниях: шести-, пяти-, четырех- и трехвалентном. Соединения урана различной валентности настолько отличаются друг от друга, что можно говорить как бы о химии четырех различных элементов.

Недостроенное здание?

Много добрых слов посвятили мы периодической системе и ее великому архитектору. И вдруг спохватились: а ведь здание-то не достроено. Седьмой его этаж возведен чуть больше чем наполовину. На нем должно быть 32 квартиры, а оборудовано всего 17. Да и квартиранты здесь какие-то странные: сразу и не поймешь, проживают ли они или нет. Словом, сплошная фантасмагория.

Химики и физики давно уже спорят: имеет ли таблица Менделеева логический конец? Или, проще говоря, какой порядковый номер должен иметь самый последний элемент?

Лет сорок назад на страницах специальных серьезных статей и книг по физике замелькало число 137. Один крупный ученый даже написал брошюру, которую прямо так и озаглавил «Магическое число 137».

Чем же оно примечательно?

В атомах самая близкая к ядру электронная оболочка не располагается всегда на одном и том же расстоянии от него. Растет ядерный заряд, и радиус оболочки становится меньше. В атоме урана она куда ближе к ядру, чем, скажем, в атоме калия. В конце концов должен наступить момент, когда и ядро и ближняя к нему оболочка будут одного размера. А что произойдет в этом случае с ее электронами?

Они «упадут» на ядро, поглотятся им. Но когда в ядро извне проникает отрицательный заряд, общий положительный заряд ядра уменьшается на единицу. Стало быть, образуется элемент, порядковый номер которого на единицу меньше.

Вот он — предел числа элементов. Самой последней в Большом доме оказывается квартира номер 137.

Потом, лет десять назад, физики убедились в ошибке. Они проделали более точные расчеты. И показали: электрон рухнет на ядро с зарядом что-то около 150.

Видите, сколь радужны перспективы достройки Большого дома! Сколько новых элементов, сколько неожиданных открытий поджидает химиков в будущем! Более сорока квартирантов ожидают ордера на въезд в здание, заложенное Менделеевым.

Увы, пока это лишь сказка, заманчивая, но еще несбыточная фантазия.

Вычисляя порядковый номер самого последнего элемента, ученые не принимали во внимание одного существеннейшего обстоятельства. Не потому, что забыли. Просто хотели посмотреть, что было бы, если бы…

Если бы не было явления радиоактивности. Если бы ядра с очень большими зарядами были так же устойчивы, как ядра весьма многих элементов, обитающих на Земле.

Радиоактивность — полновластный хозяин среди элементов тяжелее висмута. Только одним она определяет долгие жизненные сроки, другим отводит мгновения.

У сто четвертого элемента, курчатовия, период полураспада всего три десятых секунды.

У сто пятого, сто шестого? Наверное, и того меньше. И где-то недалеко печальный барьер: ядро нового элемента погибнет, едва успев родиться. Хорошо еще, если им окажется сто десятый…

Сама природа, ее строгие физические закономерности повинны в том, что здание таблицы Менделеева остается недостроенным.

Но ведь сколько было примеров, когда человек побеждал природу!

Гимн современным алхимикам

Злосчастных алхимиков средневековья пытали по всем правилам испанской инквизиции и сжигали на кострах.

Современных «ядерных» алхимиков с почтением цитируют и награждают Нобелевскими премиями.

Те верили слишком во многое, не ведали, что творят. Их «теорией» были заклинания и молитвы да слепая убежденность в чудесных свойствах таинственного философского камня.

Эти не верят ни в бога, ни в черта. Они верят в силу человеческого разума и бесконечную изобретательность рук человеческих. Они признают добротную, строгую физическую теорию, где много физики, много математики и еще больше дерзких предположений и гипотез.

Алхимики наших дней хотят пробиться в область очень тяжелых элементов.

Но не уподобляются ли они строителям воздушных замков? Ведь только что мы упомянули, что для элементов с порядковыми номерами около 110 радиоактивность определяет более чем жесткие сроки существования.

Так-то оно так, да не совсем. Великий датский физик Нильс Бор высказался однажды о пользе «сумасшедших» идей. Только они, по мнению ученого, способны перевернуть бытующие представления о мироздании.

Есть такие идеи и у создателей сверхтяжелых элементов. Только, пожалуй, «сумасшедшего» в этих идеях не больше, чем, скажем, в теории относительности. Они глубоко продуманы, имеют под собой прочный физический фундамент, выверены тщательными математическими расчетами.

И суть их такова: в области ядер с большими зарядами должны существовать своеобразные «островки устойчивости». Это не значит, что расположенные на них элементы вовсе не будут подвержены радиоактивному распаду. Они просто окажутся более живучими, чем соседи, и просуществуют такой отрезок времени, что удастся не только синтезировать эти элементы, но и исследовать их основные свойства.

Один из таких «островков» — элемент с порядковым номером 126.

Пока все это теория. Теперь дело за практикой. Как изготовить сто двадцать шестой?

Обычные методы ядерной химии бессильны. Ни нейтроны, ни дейтроны, ни альфа-частицы, ни даже ионы легких элементов — аргона, неона, кислорода — здесь не помогут. Потому что нет подходящего элемента-мишени. Все доступные слишком далеко отстоят от номера 126.

И приходится изобретать необычайные методы.

Вот какой оригинальный способ обсуждают сейчас ученые: обстрелять уран ураном. Разогнать ионы урана на специальном ускорителе и обрушить их потом на урановую мишень.

Что получится? Два ядра урана сольются в одно чудовищно сложное ядро. Уран несет заряд, равный 92. Значит, ядро-гигант будет обладать зарядом 184. Оно не имеет не только возможности существовать, но даже права на существование. И моментально развалится на два осколка, с разными массами и разными зарядами. Весьма вероятно, что один из них окажется ядром с зарядом 126…

Такова идея. Было бы ошибкой не верить в то, что она осуществится. Ибо такова жизнь.

На краю Ойкумены

Когда это случится, неизвестно. Но случится. Человек одержит великую победу над природой, быть может, самую большую за всю свою историю.

Он научится управлять радиоактивностью. Неустойчивые элементы сумеет сделать устойчивыми. И наоборот, заставит распадаться самые что ни на есть прочные ядра.

Эту гипотезу пока не взяли на вооружение авторы научно-фантастических романов. А ученые все еще недоуменно пожимают плечами: сейчас они еще не видят практических и теоретических путей к обузданию радиоактивной стихии.

Но мы убеждены, что когда-нибудь эти пути будут найдены. Пусть самым неведомым способом. Таким же неведомым, как атомная электростанция для питекантропов, как метко выразился однажды автор одной научно-популярной книги.

Предположим: желаемое, наконец, осуществилось. Тогда синтез сверх тяжелых элементов перестанет быть проблемой. Ученые получат в свое распоряжение десятки новых обитателей Большого дома. Химики яростно примутся за их изучение.

И столкнутся с неожиданным.

Впрочем, «неожиданным» не совсем то слово. В чем эта неожиданность будет заключаться, известно даже сейчас.

Можем ли мы предсказать свойства, ну, скажем, уже упомянутого элемента номер 126?

Да, и без особого труда.

Вообще-то говоря, мысленно продолжать периодическую систему при желании можно сколь угодно далеко. Ведь физический принцип ее построения в общем и целом ясен. Одному из авторов этих строк некий умелец демонстрировал таблицу, содержащую тысячу элементов. На законный вопрос: «А почему, собственно, тысячу, а не две или не десять?» — «изобретатель» смущенно ответил: «Да, понимаете, бумаги не хватило…»

Но это из области курьезов. Про сто двадцать шестой элемент мы можем сказать совершенно серьезно и определенно: он будет относиться к новому семейству элементов, семейству поразительному. Такого химики еще не видывали.

Семейство начнется у элемента номер 121. И все его восемнадцать членов будут похожи друг на друга несравненно больше, чем наши старые знакомые лантаноиды. Странные жители Большого дома станут различаться между собой едва ли в большей степени, чем изотопы одного и того же элемента.

И все потому, что в атомах элементов этого семейства происходит заполнение четвертой снаружи оболочки, а три внешние устроены совершенно одинаково. Какой хоть сколько-нибудь заметной разницы химических свойств можно ожидать в этом случае?

Один из рассказов мы назвали «Четырнадцать близнецов». Если бы мы решили описать свойства предполагаемого семейства, то, право же, над заголовком пришлось бы поломать голову. «Восемнадцать абсолютно одинаковых» или «Восемнадцать — и все на одно лицо». Ведь слово «близнецы» здесь, как любят говорить физики, «не работает».

Но наша книга не научно-фантастическое произведение. Воздержимся от конкретных характеристик. Подождем лучших времен…

Да, еще проблема: как разместить в периодической системе восемнадцать «абсолютно одинаковых»?

Честно скажем: отчетливо мы себе это не представляем. Тем более что до сих пор не утихают споры о месте лантаноидов и актиноидов, а это все же дело более простое.

Мы желаем тебе, читатель, долгой жизни. Но полагаем, однако, что, когда вопрос о месте восемнадцати в Большом доме приобретет практический интерес, тебя уже не будет на свете. А вот твоим потомкам, близким ли, далеким, им-то уж наверняка придется искать ответ.

«Святцы» элементов

Один чудак, когда ему рассказали о звездах, о том, как они устроены и почему светят, воскликнул: «Это я все понимаю! А каким образом астрономы узнали, как различные звезды называются?»

Звездные каталоги насчитывают сотни тысяч «окрещенных» небесных светил. Но не думайте, что для всех придуманы звучные имена вроде «Бетельгейзе» или «Сириус». Для обозначения звезд астрономы предпочитают пользоваться своеобразным шифром — комбинацией букв и цифр. Иначе нельзя. Иначе запутаешься. А по шифру специалист легко определит, в каком месте небосвода звезда находится и к какому спектральному классу принадлежит.

Химических элементов несравненно меньше, чем звезд. Но и здесь за названиями скрываются волнующие истории открытий. И нередко химик, найдя новый элемент, вставал в тупик: как же «окрестить» «новорожденного»?

Важно было придумать название, которое хоть что-то говорило о свойствах элемента. Это, если хотите, деловые имена. От них не веет романтикой. Например, водород (по-гречески «рождающий воду»), кислород («рождающий кислоты»), фтор («разрушающий»), фосфор («несущий свет»). В названиях запечатлелись важные свойства элементов.

Некоторые элементы наименованы в честь планет солнечной системы — селен и теллур (от греческих слов «Селена» — Луна и «Теллурис» — Земля), уран, нептуний и плутоний.

Кое-какие названия заимствованы из мифологии.

Вот тантал. Так звали любимого сына Зевса. За преступление перед богами Тантал был сурово наказан. Он стоял по горло в воде, и над ним свисали ветви с сочными, ароматными плодами. Но едва он хотел напиться, как вода утекала от него; едва желал утолить голод и протягивал руку к плодам — ветви отклонялись в сторону. Пытаясь выделить элемент тантал из руд, химики перенесли не меньшие муки, прежде чем терпение их было вознаграждено…

Титан и ванадий — их название тоже следствие влияния греческих мифов.

Известны элементы, чьи имена даны в честь различных государств или стран света. Например, германий, галлий (Галлия — старинное название Франции), полоний (в честь Польши), скандий (в честь Скандинавии), франций, рутений (Рутения — латинское название России), европий и америций. А вот элементы, названные в честь городов: гафний (в честь Копенгагена), лютеций (так в старину именовали Париж), берклий (в честь города Беркли в США), иттрий, тербий, эрбий, иттербий (их имена происходят от Иттерби — маленького городка в Швеции, где впервые был обнаружен минерал, содержащий эти элементы).

Наконец, в названиях элементов увековечены имена великих ученых: кюрий, фермий, эйнштейний, менделеевий, лоуренсий.

Только имя одного искусственно полученного элемента — сто второго — до сих пор еще не внесено в метрику.

О происхождении названий элементов древности до сих пор спорят ученые, и неясно окончательно, почему, скажем, сера называется серой, железо — железом, олово — оловом.

Видите, сколько любопытного в «святцах» химических элементов.