Вопрос без ответа
Если собрать величайших химиков мира и попросить их ответить на один-единственный вопрос: сколько химических соединений могут образовать элементы периодической системы, то это высокоавторитетное собрание не даст даже приблизительного ответа.
Нам известно самое простое химическое соединение: молекула водорода; Проще и быть не может. Ведь водород — самый первый, самый легкий представитель таблицы Менделеева.
А самое сложное? Тут всякая определённость исчезает. Химии знакомы поистине гигантские молекулы, состоящие из десятков, сотен тысяч и даже миллионов атомов И никто не в состоянии сказать, существует ли вообще какой-нибудь лредел сложности.
Зато мы сравнительно точно можем подсчитать, сколько химических соединений известно. Но число, которое мы получим сегодня, завтра уже устареет. Ведь сейчас ежедневно в лабораториях земного шара синтезируется примерно десяток новых веществ. И с каждым годом эта дневная продукция возрастает.
Служба химической информации дает справку: всего выделено из природного сырья и получено искусственно около 2 миллионов химических соединений.
Количество весьма внушительное, но оказывается, что вклад обитателей Большого дома весьма различен.
Скажем, у благородных газов — гелия, неона и аргона — число соединений равно нулю. Для редкоземельного элемента прометия (его физики искусственно готовят в ядерных реакторах) достоверно получено лишь три соединения, да и то самые обычные: гидрат окиси, нитрат и хлорид. Не лучше положение и у других искусственных элементов. У некоторых ученым приходится подсчитывать число атомов… Где уж тут говорить о каких-либо соединениях!
Но есть в менделеевской таблице уникальный элемент. По количеству образуемых сложных веществ он занимает совершенно исключительное положение.
В Большом доме ему принадлежит квартира номер 6. Этот элемент — углерод.
Из двух миллионов разнообразнейших молекул 1 миллион 700 тысяч — молекулы, основу, каркас которых составляют атомы углерода. Изучает эти соединения громадный раздел химии — органическая химия. Соединения же всех прочих элементов входят в «сферу влияния» химии неорганической.
Получается, что органических веществ почти в шесть раз больше, чем неорганических.
Новое органическое вещество, как правило, синтезировать гораздо легче. Для неоргаников же было бы идеалом, если бы они каждый день могли рапортовать о получении хотя бы одного нового соединения. Правда, в последние годы перспективы стали более обнадеживающими.
Органикам помогает одна чудесная особенность атомов углерода.
Причина многообразия и ее следствия
Атомы этого элемента чрезвычайно легко могут образовывать цепи, выстраиваться в длинную шеренгу.
Самая короткая цепь содержит два углеродных атома, Например, молекула углеводорода этана насчитывает два звена в цепочке: Н3С—СН3. Самая длинная? Пока это не известно. Удалось получить соединение, где в цепи располагается 70 углеродных звеньев. (Нужно оговориться, что речь идет об обыкновенных соединениях, а не о полимерах. Там углеродные цепи имеют протяженность значительно большую.)
Ничего подобного мы не встретим у других элементов. Только кремний может позволить себе роскошь образовать шестизвенную цепочку. Да для германия ученые получили любопытное соединение — германоводород Ge3H8, где три металлических атома находятся в одной цепи. В семействе металлов это вообще единственный случай.
Словом, по способности к «цепеобразованию» углерод вне всякой конкуренции.
Но если бы углеродные цепочки были только линейные, органическая химия не знала бы столь баснословного количества соединений.
Цепи могут ветвиться. Могут замыкаться, образуя циклы — многоугольники. Из трех, четырех, пяти, шести и более атомов углерода.
В углеводороде бутане цепочка из четырех углеродных атомов:
Здесь атомы вытянуты «по струнке». Но они могут разместиться и так:
Число атомов то же самое, но связаны они друг с другом по-иному. И само вещество имеет другие свойства и называется иначе — изобутан. Короче: «Федот, да не тот».
Из пяти углеродных атомов, помимо линейной, можно сконструировать еще пять разветвленных цепей. Каждой «конструкции» будет отвечать самостоятельное химическое вещество.
Для таких разновидностей химических соединений, в которых содержатся одни и те же атомы, правда расположенные различными способами, химики придумали специальное название — изомеры. Их тем больше, чем больше атомов углерода в молекуле. Количество изомеров растет чуть ли не в геометрической прогрессии.
А органическая химия зачисляет в свой актив сотни тысяч новых соединений.
Химические кольца
Ходит немало легенд о том, как великие ученые делали свои великие открытия.
Рассказывали, что Ньютон предавался однажды раздумью в своем саду. К ногам его вдруг упало яблоко. Это навело гениального физика на мысль о законе всемирного тяготения.
Говорили, что Менделеев увидел периодическую систему во сне. Так что ему оставалось только проснуться и изобразить свое «сновидение» на бумаге.
Словом, об открытиях и их авторах измышлялось всякое.
Но идея, пришедшая в голову знаменитого немецкого химика Кекуле, была действительно навеяна довольно-таки любопытной картиной.
Ученые уже давно знали о бензоле — одном из важнейших органических соединений. Знали, что он состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода. Изучили многие его реакции.
И не ведали главного: как шестерка углеродных атомов располагается в пространстве.
Эта проблема не давала покоя Кекуле. А решил он ее так. Впрочем, дадим ему слово: «Я сидел и писал учебник, но работа не двигалась. Мысли мои витали где-то далеко. Атомы прыгали перед моими глазами. Мой умственный взор мог различить длинные ряды, извивающиеся подобно змеям. Но смотрите! Одна из змей схватила свой собственный хвост и в таком виде, как бы дразня, завертелась перед моими глазами. Как будто вспышка молнии разбудила меня…»
Случайный образ, возникший в сознании Кекуле, помог ему сделать вывод: углеродные цепи способны замыкаться, образовывать циклы.
Вслед за Кекуле химики стали изображать строение бензола следующим образом:
Бензольное кольцо сыграло в органической химии колоссальную роль.
Кольца могут содержать разные количества углеродных атомов. Кольца могут и сращиваться, образуя причудливые геометрические фигуры. В мире колец существует такое же разнообразие конструкций, как и среди незамкнутых цепей атомов углерода. Любая книга по органической химии чем-то напоминает учебник геометрии, ибо чуть ли не на каждой ее странице встретишь «геометрические фигуры» — структурные формулы сложных органических соединений.
Вот какие занятные «гармошки» могут образовывать бензольные кольца:
Левая «гармошка» — структурная формула нафталина. Правая — это антрацен, он содержится в каменном угле.
Третья возможность
Считалось, что элемент углерод един в трех лицах. Ученые это «триединство» именовали так: аллотропия. Иными словами, один и тот же элемент может существовать в трех аллотропных модификациях.
Три лица углерода — алмаз, графит и сажа. Они весьма не похожи друг на друга: «король твердости» алмаз, мягкие шелушащиеся чешуйки графита и матово-черный порошок сажи. Причина такого различия — неодинаковое расположение углеродных атомов в молекуле.
У алмаза они лежат в вершинах геометрической фигуры, именуемой тетраэдром. Атомы связаны здесь чрезвычайно прочно. Потому алмаз и отличается небывалой твердостью.
Атомы углерода в графите, напротив, имеют плоскостное расположение. Отдельные же плоскости связаны между собой довольно слабо. Благодаря этому графит мягок и легко расслаивается на чешуйки.
О строении сажи много спорили. Долгое время господствовало мнение, что сажа не является кристаллическим веществом. Ее рассматривали как аморфную разновидность углерода. И вот сравнительно недавно выяснилось: графит и сажа практически одно и то же. Их молекулярное устройство одинаково. Итак, остались алмаз и графит. Третьего не дано.
Ученые, однако, задались целью искусственно создать третью разновидность углерода. Задача формулировалась следующим образом.
В алмазе и графите цепочки атомов углерода замкнутые, хотя и по-разному расположены в пространстве. Но нельзя ли заставить углеродные атомы вытянуться в длинную линейную цепочку? Иными словами, нельзя ли получить полимерную молекулу, состоящую только из углеродов, расположенных на одной прямой?
Для изготовления любого химического продукта требуется исходное сырье. Для получения «углерода номер 3» выбор такого сырья однозначен.
Начальным продуктом может быть только ацетилен — соединение двух атомов углерода и двух атомов водорода, С2Н2.
Почему ацетилен? Да потому, что в его молекуле с атомами углерода связано наименьшее из возможных количество водородных атомов. А лишние водороды оказались бы помехой для синтеза.
У ацетилена есть еще одна особенность: он, как говорят химики, весьма реакционноспособен. Атомы углерода связаны в его молекуле тремя химическими связями (Н—С 
С—Н), причем две из них сравнительно легко разрываются и могут быть использованы на соединение с атомами других молекул, например, того же ацетилена.
Итак, первый шаг задуманного: из мономера — ацетилена приготовить полимер — полиацетилен.
Попытка эта не первая. Еще в прошлом веке немецкий химик Байер пытался провести такую реакцию. Но единственно, чего достиг, — получил учетверенную молекулу ацетилена — тетраацетилен. Однако она оказалась феноменально непрочной. Этим путем шли и другие химики разных стран. Увы, результаты их работ приносили лишь разочарование.
Только могущественные методы органического синтеза наших дней позволили, наконец, получить полиацетилен. Его родиной стал Советский Союз. Наши ученые создали новый класс органических соединений, так называемые полиины. Новорожденные вещества сразу нашли практическое применение, оказавшись превосходными полупроводниками.
Теперь предстоял второй шаг на пути к синтезу третьей разновидности углерода: изгнание из молекулы полиацетилена атомов водорода. Так, чтобы сохранилась цепочка из одних углеродов.
Процесс, с помощью которого хотели выгнать водородные атомы, на языке химиков носит длинное и нудное название — окислительная дегидрополиконденсация. Не будем вдаваться в объяснение сути процесса. В лабораторных дневниках его описание заняло десятки страниц, ибо освободить полиацетилен от водорода оказалось весьма непросто. Многие опыты кончались неудачей.
И все-таки советские ученые достигли блестящего успеха!
…Невзрачный, напоминающий сажу, черный порошок. Химический анализ показал: на 99 процентов он состоит из чистого углерода. На девяносто девять, но пока еще не на все сто.
Собственно, на пути к полной победе предстоит сделать еще один шаг. Нужно избавиться от этого пресловутого процента водорода. Именно он мешает углеродным атомам собраться в едином ровном строю, вытянуться в параллельные цепочки. Именно он последнее препятствие на пути к «углероду номер 3».
Синтезированную «почти третью» разновидность углерода химики назвали карбином. Он уже продемонстрировал свои удивительные способности. Прекрасный полупроводник, обладает фотоэлектрическими свойствами и потрясающе устойчив к нагреванию: полторы тысячи градусов для него ничто!
И мы уверены, недалеко время, когда «стопроцентный» карбин станет реальностью.
Кое-что о комплексных соединениях
Много великих химиков жило и творило в девятнадцатом столетии. Но трое из этого блестящего созвездия ученых — химики величайшие. Они сделали для своей науки больше чем кто бы то ни было. Они заложили основу современной химии.
Это Дмитрий Иванович Менделеев, открывший периодический закон и периодическую систему элементов.
Александр Михайлович Бутлеров, создавший теорию строения органических соединений.
Третий — немецкий химик Альфред Вернер. Его открытие умещается всего в два слова: «координационная теория». Оно — целая эпоха в развитии неорганической химии.
…Все началось с того, что химики стали изучать, как металлы взаимодействуют с аммиаком. Они брали обычную соль, например хлористую медь. Добавляли нашатырного спирта. Раствор выпаривали. Получали красивые сине-зеленые кристаллы. Анализировали их. Вещество имело простой состав, но эта простота оказывалась загадочной.
Формула хлористой меди — CuCl2. Здесь медь двухвалентна, все предельно ясно. Кристаллы «аммиачного» соединения тоже устроены не бог весть как сложно: Cu(NH3)2Cl2.
Но благодаря каким силам две молекулы аммиака прочно и надежно связываются с атомом меди? Ведь обе ее валентности израсходованы на связь с атомами хлора. Выходит, в этом соединении медь должна быть четырехвалентной?
А вот другой пример, аналогичное кобальтовое соединение Co(NH3)6Cl3. Кобальт, типичный трехвалентный элемент, здесь девятивалентен?!
Такие соединения синтезировались во множестве, и каждое из них представляло собой мину замедленного действия, заложенную в фундамент здания теории валентности.
Концы не сходились с концами. У многих металлов обнаруживались валентности совершенно необычные.
Альфред Вернер объяснил это странное явление.
Он полагал так: атомы, после того как насытили свои обычные, законные валентности, могут проявлять еще валентности дополнительные. Скажем, медь, затратив две основные валентности на атомы хлора, изыскивает две дополнительные для присоединения аммиака.
Соединения, подобные Cu(NH3)2Cl2, называют комплексными. Здесь комплексным является катион [Cu(NH3)2]2+. Во многих веществах сложное строение у аниона, например у K2[PtCl6] комплексный анион [PtCl6]2–.
Но сколько побочных валентностей может проявлять металл? Это количество определяется величиной координационного числа. Наименьшее его значение равно 2, наибольшее — 12. Так, в аммиачном соединении меди оно 2. Именно столько молекул аммиака присоединено к медному атому.
Загадка необычных валентностей была решена. Родился новый раздел неорганической химии — химия комплексных соединений.
Их ныне известно великое множество, более сотни тысяч. Их изучают во всех химических институтах и лабораториях мира. Ими интересуются не только химики-теоретики, которые хотят знать, как что устроено и почему так устроено.
Без комплексных соединений нет жизни. Ведь и гемоглобин, важная составная часть крови, и хлорофилл, основа жизнедеятельности растений, — комплексные соединения. Многие ферменты и энзимы устроены «по-комплексному».
Аналитики с помощью комплексных соединений проводят сложнейшие анализы самых различных веществ.
Химики получают многие металлы в очень чистом состоянии, беря в помощники комплексы. Их используют как ценные красители, ими умягчают воду. Словом, они вездесущи — комплексные соединения.
Сюрприз простого соединения
Освоить фотографию в наш век — дело более чем нехитрое. Оно, пожалуй, под силу и октябренку. Пусть он не будет знать всех тайн фотографического процесса. (Между нами говоря, кое-что неясно даже специалистам.) Но снимать и проявлять — тут требуется лишь небольшая практика да несколько добрых советов взрослых.
А поэтому мы не будем расписывать в подробностях, что нужно делать фотографу.
Он, например, хорошо знает, что иногда фотографии покрываются бурыми пятнами. Особенно когда они лежат на свету и долго хранятся. «Стало быть, — скажет фотограф, — в процессе проявления бумаги (или пластинки) изображение недозакрепилось».
По-научному это значит: пластинку или фотобумагу недостаточно держали в фиксирующем растворе.
Зачем нужен фиксаж? И на этот вопрос легко ответит всякий, кто хоть немного увлекался фото.
Чтобы удалить с поверхности пленки остатки бромистого серебра, которое не разложилось при действии света.
Фиксажей изобретено немало. Но самый дешевый, самый популярный из них — гипосульфит. Химики называют его тиосульфатом натрия.
Но сначала о сульфате. Он известен давным давно, и открыл его немецкий химик Иоганн Глаубер. Поэтому сульфат натрия именуют еще и глауберовой солью. Его формула Na2SO4 · 10H2O.
Химики любят изображать соединения в виде структурных формул. Безводный сульфат натрия они нарисуют так:
И даже новичок в химии, взглянув на формулу, легко увидит: сера здесь положительно шестивалентна, кислород — отрицательно двухвалентен.
Тиосульфат построен почти так же. За исключением одной детали — вместо атома кислорода стоит атом серы:
или так: 
Просто? Конечно. Но до чего же все-таки любопытное соединение этот тиосульфат! Оно содержит два атома серы разной валентности. Один несет заряд 6+, другой 2–. Не так уж часто сталкиваются химики с подобным явлением.
Даже в самом обыденном нередко кроется необычное.
Чего не знал Гемфри Дэви
Список научных трудов знаменитого английского химика Гемфри Дэви чрезвычайно обширен.
Он был не только талантливым ученым, но и весьма удачливым исследователем. За какую бы проблему ни брался Дэви, он почти всегда успешно ее разрешал. Он получил немало новых химических соединений. Разработал несколько новых методов исследования. Дэви, наконец, открыл четыре элемента — калий и натрий, магний и барий.
Среди его работ есть небольшое исследование. В нем сообщается о приготовлении простого химического соединения — гидрата хлора. Здесь к молекуле хлора присоединялось шесть молекул воды: Cl2 · 6H2O.
Дэви тщательно изучил свойства этого вещества. Но так и не узнал, что получил соединение совершенно нового типа. Соединение, в котором отсутствует химическая связь.
В этом убедились химики двадцатого столетия. Они пытались объяснить существование гидрата хлора с помощью современных представлений о валентности. И безуспешно: вещество оказалось крепким орешком.
И далеко не единственным.
Десятилетиями химики искали ответа на вопрос: так ли уж безнадежно инертны инертные газы или все-таки их можно заставить вступить в химическое взаимодействие? Мы с вами уже знаем, чем все кончилось. Но пока дело решалось, ученым удалось приготовить несколько гидратов аргона, криптона, ксенона и радона.
И в них обычная химическая связь отсутствовала. Между тем многие из них сравнительно прочные вещества.
Новую загадку загадало химикам простое органическое соединение, называемое мочевиной. Она охотно объединялась со многими углеводородами и спиртами. Эта странная «дружба» вызывала удивление: какие силы влекут друг к другу молекулу мочевины и спирта? Какие угодно, только не химические…
Как бы там ни было, новый класс соединений — веществ без химической связи — разрастался с пугающей быстротой.
Но оказалось, что в этом нет ничего сверхъестественного.
Две молекулы, вступающие в союз, неравноправны. Одна вступает как хозяин, другая же «приходит в гости».
Молекулы-хозяева образуют кристаллическую решетку. В решетке всегда есть пустоты, полости, не занятые атомами. В такие пустоты и входят молекулы-гости. Однако гостеприимство в данном случае довольно оригинальное. Пришельцы надолго засиживаются в гостях у хозяев, поскольку просто так не могут покинуть полости кристаллической решетки.
Так, молекулы газов хлора, аргона, криптона и других попадают, как в западню, в пустоты кристаллической структуры воды.
Химики называют теперь эти и ряд других веществ без химической связи между разными молекулами клатратнымй (или клеточными) соединениями включения.
26, 28, или нечто совсем удивительное
Называются эти вещества катенанами. От латинского слова «катена», что означает цепь.
Ну что ж: цепь так цепь. Кого этим удивишь? В словаре химика-органика понятие «цепь» употребляется едва ли не чаще прочих терминов.
Однако цепь цепи рознь. Мы с вами уже имели возможность убедиться, что всякие бывают цепочки — и линейные и разветвленные, подчас весьма хитроумные комбинации цепочек.
Но вдумайтесь: цепь в органических соединениях — понятие образное, но не очень-то строгое. Ведь в обиходе под цепью понимают нечто иное. Ее звенья не скреплены жесткой механической связью, а свободно входят одно в другое.
В сложных органических соединениях циклы как бы «припаяны» друг к другу. Например, три бензольных кольца в антрацене. Вроде бы цепочка из циклов. Цепочка, да не совсем…
Вот химики и стали ломать голову: а нельзя ли соединить отдельные циклы, как два звена сочленяются в обычной цепи? Скажем, так:
Словом, чтобы две циклические молекулы соединялись без участия химической связи, так сказать, чисто механически.
Эта заманчивая идея много лет вызревала в умах ученых. На их стороне была теория. Она не ставила непреодолимых препятствий для задуманного синтеза. Она даже высчитала, из скольких углеродных атомов должны состоять циклы, чтобы они могли сплестись подобающим образом.
У практики же дела долго обстояли не блестяще: на какой-то из стадий процесс синтеза заходил в тупик. И химикам приходилось пускаться на новые ухищрения.
Новое соединение родилось в прекрасный апрельский день 1964 года. Его сотворили два немецких химика, Люттрингхауз и Шилл. Для этого потребовалось двадцать последовательных химических операций, двадцать стадий.
Соединение состоит из двух циклических молекул, связанных друг с другом, подобно звеньям цепи. Одно звено содержит 26, другое — 28 углеродных атомов. Отсюда и столь прозаическое название вещества: катенан 26, 28.
Два сцепленных кольца — это уже вчерашний день катенановой химии. Ученые теперь работают над получением еще более причудливых образований из колец, например такого:
или такого: 
Здесь мы видим модели трехзвенных катенанов. У верхнего среднее звено должно содержать 26 атомов углерода, а крайние — по 20. Для сложного переплетения трех колец (нижний катенан) они должны состоять как минимум из 30 атомов каждое.
Внешний вид старшего в новом семействе — катенана 26, 28 до удивления обычен: белый кристаллический порошок, плавящийся при 125 градусах.
Известны ли катенаны в природе? В ней все целесообразно, она не растрачивает свои способности попусту. Если природные катенаны существуют, они должны выполнять какую-то функцию.
Это-то и предстоит выяснить ученым.
Похвальное слово жидкости Кадэ
В 1760 году малоизвестный французский химик Кадэ, сам того не подозревая, вошел в историю.
В своей лаборатории он провел (нам неведомо — зачем) вот какой химический опыт.
Кадэ нагрел уксуснокислую соль калия с окисью мышьяка. Что при этом получилось, он так никогда и не узнал. Причиной тому было образовавшееся вещество, которое имело поистине дьявольский характер.
Это была черная густая жидкость. Она дымилась на воздухе. Легко воспламенялась. И в довершение всего обладала совершенно непереносимым запахом.
Жидкость Кадэ изучили лет семьдесят спустя. И обнаружили, что ее главные составные части — мышьяковистые соединения. Соединения в высшей степени своеобразные.
Чтобы это своеобразие оценить, вспомним, что все органические соединения отличаются одной главнейшей особенностью: в их основе лежат цепи из атомов углерода — прямые, разветвленные или замкнутые. Правда, в эти цепи могут вклиниваться атомы некоторых других элементов. Но таких элементов (органогенов) очень немного: кислород, азот, водород, сера, ну еще фосфор.
Мышьяк к ним уж никак не принадлежит.
В состав жидкости Кадэ входило вещество, названное дикакодилом (от греческого слова «какадос» — зловонный). Оно было построено так, что атомы мышьяка прочно затесались между атомами углерода:
Органические соединения, в которых углеродные цепи включают в себя атомы элементов — неорганогенов (металлов и неметаллов), именуют ныне элементоорганическими соединениями (в случае металлов — металлоорганическими).
Стало быть, Кадэ синтезировал первое в мире элементоорганическое соединение.
Теперь подобных веществ известно более 15 тысяч. Элементоорганика, металлоорганика стала большой самостоятельной областью химии. Одной из важнейших ее глав.
Она перекинула мостик между химией органической и химией неорганической. И лишний раз подчеркнула, сколь условно подразделение наук в наше время.
В самом деле, какая же это органика, если ей приходится изучать соединения, где важнейшую роль играют металлы — типичные представители неживой природы?
И напротив, какая же это неорганика, если многие подвластные ей вещества все же во многих своих проявлениях чистейшей воды органические производные?
Особый интерес для науки представляют металлоорганические соединения. Обязательное условие их существования — связь между атомом металла и атомом углерода.
Почти все металлы главных подгрупп Большого дома могут входить в состав металлоорганических соединений.
Свойства этих веществ чрезвычайно разнообразны.
Одни со страшной силой взрываются даже при температурах много ниже нуля. Другие, напротив, обладают завидной термической устойчивостью.
Одни чрезвычайно активны химически, тогда как другие не очень-то подвержены всевозможным внешним воздействиям.
И все до единого ядовиты. Кроме металлоорганических соединений германия. Их безобидность остается пока загадкой.
Диапазон применения элементоорганических соединений чрезвычайно широк и практически неисчерпаем. Где только они не «работают»! С их помощью получают пластмассы и каучуки, изготовляют полупроводники и сверхчистые металлы. Они выступают в роли лекарственных препаратов и средств для борьбы с вредителями растений, они входят в состав ракетных и моторных топлив. Они являются, наконец, ценнейшими химическими реактивами и катализаторами, позволяя проводить многие важные процессы.
В нашей стране сложилась крупнейшая школа химиков-элементооргаников. Ею руководит академик Александр Николаевич Несмеянов. Недавно за свои работы он был удостоен Ленинской премии.
Повесть о ТЭСе
ТЭС — это сокращение. Так называют соединение, для практической деятельности человека полезное чрезвычайно. Оно помогает экономить бензин. Правда, никто еще не подсчитал, сколько именно литров сэкономил ТЭС за всю свою историю. Но, без сомнения, подсчет дал бы весьма внушительное число.
Так что ж в конце концов такое это загадочное ТЭС? Химик скажет: металлоорганическое соединение углеводорода этана с металлическим свинцом. Отнимите у каждой из четырех молекул этана (C2H6) по атому водорода и присоедините углеводородные остатки (этилы — С2Н5) к одному-единственному атому свинца. Вот тогда вы и получите вещество с довольно простой формулой Pb(C2H5)4. Его называют тетраэтилсвинец, а сокращенно ТЭС.
ТЭС — это тяжелая жидкость чуть зеленоватого цвета, с еле уловимым запахом свежих фруктов, но отнюдь не безвредная. Она относится к числу сильных ядов. Сам по себе ТЭС особого интереса не представляет. Вещество как вещество, химику известны куда более любопытные соединения. Но стоит в бак с автомобильным бензином добавить всего полпроцента ТЭСа, как начинаются чудеса.
Сердце автомобиля или самолета — двигатель внутреннего сгорания. Принцип его работы прост. В цилиндре сжимается смесь бензина с воздухом. Затем она воспламеняется с помощью электрической искры. Происходит взрыв, выделяется энергия, а за счет ее и работает двигатель.
Многое зависит от степени сжатия смеси. Чем оно сильнее, тем выше мощность мотора. И тем экономнее расходуется топливо. Это — в идеале. А в действительности смесь не может сжаться достаточно сильно. Отсюда возникают «заболевания» двигателя: неполное, неравномерное сгорание топлива приводит к перегреву двигателя, к быстрому изнашиванию его деталей. Да и расход бензина неоправданно возрастает.
Инженеры вносили в конструкцию двигателей всевозможные улучшения, химики старались изготовить более чистые сорта бензина. «Заболевание» в какой-то мере поддавалось излечению, но не до конца. Моторы продолжали «стучать» и перегреваться; неравномерные взрывы смеси (детонация) укорачивали сроки их службы.
В результате долгих размышлений ученые пришли к выводу: детонацию можно подавить, заставить смесь сгорать равномерно, но сделать это удастся, лишь изменив каким-то путем свойства самого топлива.
Каким?
Ответ на этот вопрос упорно искал американский инженер Томас Миджли. Сначала он предложил совершенно неожиданный выход из положения: бензин надо… окрасить в красный цвет. Тогда топливо приобретет способность поглощать больше тепла, станет более летучим. И смесь бензина с воздухом удастся сжать сильнее.
Миджли «окрасил» бензин, добавив к нему немного йода. И, о радость, бензин действительно стал детонировать меньше. Но стоило исследователю вместо йода употребить обычную краску, как двигатель снова оказался во власти прежних бед.
Стало быть, цвет здесь ни при чем. Однако огорчение Миджли оказалось кратковременным. Его осенила блестящая мысль: вероятно, существуют вещества, ничтожные добавки которых существенно повышают качество бензина.
Йод делал это лишь в слабой степени. Нужно было искать другие вещества, простые и сложные. Ученые испробовали десятки и сотни соединений. Практики и теоретики работали бок о бок. Теоретики, наконец, пришли к очень важному заключению. Вещества-антидетонаторы следует искать среди соединений элементов с большим атомным весом. Например, стоит испытать соединения свинца.
Но как ввести свинец в бензин? Ни сам металл, ни его соли в бензине нерастворимы. Существует один-единственный способ: взять какое-нибудь органическое соединение свинца.
Тогда-то и было произнесено впервые слово «тетраэтилсвинец», ТЭС. Это случилось в 1921 году.
Добавки (и притом ничтожные) ТЭСа к бензину действительно оказались чудесными. Качество горючего резко улучшилось. Смесь бензина с воздухом удалось сжать в два раза сильнее. А это означало, что при той же скорости машины расход бензина сократился вдвое. «Сердца» автомобилей и самолетов стали работать без перебоев.
А вот любопытная экономическая справка: мировое производство ТЭСа ныне столь велико, что создается угроза довольно быстрого исчерпания естественных ресурсов свинца.
У ТЭСа есть одно неприятное качество — высокая токсичность. Вы, вероятно, видели на баках многих грузовых автомобилей предостерегающую надпись: «Этилированный бензин — яд!» С бензином, содержащим ТЭС, нужно обращаться очень осторожно.
ТЭС — пионер среди антидетонаторов топлива. Он остался важнейшим среди них и в настоящее время. Но ученые серьезно подумывают о его замене другим веществом, столь же эффективным, но совершенно безвредным.
Одно из них уже найдено. Его именуют ЦТМ. Если хотите узнать, что это такое, прочтите следующий рассказ.
Необычные бутерброды
Металлоорганических соединений в наши дни известно очень много: одним десятком тысяч здесь уже не ограничишься. Но лет пятнадцать назад в металлоорганике существовал досадный провал. Химикам никак не удавалось включить в органические молекулы так называемые переходные металлы. Металлы, которые в периодической системе Менделеева располагаются в побочных подгруппах. А таких металлов без малого пять десятков. Если и доводилось химикам получать их органические соединения, то они оказывались чрезвычайно непрочными, эдакой «металлоорганической экзотикой».
В 1951 году вмешался в дело (как это не раз бывало в истории науки) Его Величество Случай. Английский химик Паусон дал задание своему студенту Кили. Нельзя сказать, чтобы задание было таким уж сложным. Кили надлежало синтезировать углеводород с довольно длинным названием: дициклопентадиенил. Для этого требовалось спарить два пятичленных углеродных цикла. Иными словами, из двух соединений с формулой С5Н5 получить одно: С10Н8 (предполагалось, что 2 атома водорода должны отщепиться).
Кили знал, что такая реакция пойдет только в присутствии катализатора, и выбрал хлористое железо.
В одно прекрасное утро Паусон и Кили от удивления развели руками. Продуктом реакции оказалась не бесцветная жидкость, а красивые оранжевые кристаллы, притом весьма стойкие. Они выдерживали нагревание почти до 500 градусов — дело в органике далеко не столь уж частое.
Но удивление учителя и ученика возросло еще боле, когда таинственные кристаллы подвергли химическому анализу. Действительно, было чему поражаться: кристаллы содержали углерод, водород и… железо. Типичный переходный металл железо «запросто» объединился с типичными органическими веществами.
И формула этого железоорганического соединения оказалась необычной:
Оба кольца (циклопентадиены) — правильные плоские пятиугольники. Они словно два ломтя хлеба, между которыми вложена «закуска» — атом железа. Такого рода соединения называют «Сандвичевыми» (так как их строение напоминает английский сандвич).
Ферроцен (это имя дали нашему железоорганическому соединению) стал первым представителем семейства «сандвичевых».
Строение ферроцена мы для простоты изобразили сугубо схематично в одной плоскости; в действительности же его молекула имеет более сложную пространственную структуру.
Синтез ферроцена оказался одной из крупнейших сенсаций в современной химии. И теоретикам и практикам пришлось пересмотреть многие считавшиеся незыблемыми представления о возможностях металлоорганики.
Ферроцен родился в 1951 году. Ныне же таких «ценов» несколько десятков. «Сандвичевые» соединения получены почти для всех переходных металлов.
Пока они представляют интерес для химиков-теоретиков. Что до практического использования, здесь еще много неясного. Однако…
Тут-то и наступает очередь познакомиться с ЦТМ.
Полное название этого вещества очень длинное, но легко запоминается, потому что звучит наподобие детской считалки:
И строение его молекулы нетрудно изобразить:
Просто вместо другого «куска хлеба» (циклопентадиенильного кольца) «закуска» (атом марганца) связана с тремя молекулами окиси углерода.
ЦТМ — прекрасный антидетонатор. Лучше нашего старого знакомца ТЭСа. И по своим рабочим характеристикам и потому еще, что почти безвреден. Он проходит всестороннюю практическую проверку. Уже мчатся грузовики с буквами ЦТМ на бензобаках.
Полная замена ТЭСа на ЦТМ, как подсчитали экономисты, может дать годовую экономию в 3 миллиарда рублей. Но это не самый главный выигрыш — здоровее и чище станет воздух наших городов.
Странные причуды угарного газа
Соединение совсем нехитрое. Всего один атом углерода и один кислорода. В быту называется угарным газом, в науке — окисью углерода. Весьма ядовито, в химические реакции вступает неохотно — вот краткая характеристика вещества с примитивной формулой CO.
…Так было или не совсем так, но в 1916 году на одном немецком химическом заводе произошло событие малоинтересное. Понадобился кому-то старый-престарый стальной баллон (в нем лет пять кряду под давлением хранили смесь двух газов — водорода и окиси углерода). Его вскрыли, газы выпустили, а на дне баллона обнаружили немного жидкости светло-коричневого цвета, с неприятным, каким-то «пыльным» запахом.
Оказалось, что жидкость эта — известное, но очень редкое химическое соединение атома железа с пятью молекулами угарного газа. Пентакарбонил железа Fe(CO)5 — так именовалось оно в химических справочниках.
(Кстати, о судьбах научных открытий. Пентакарбонил железа в один и тот же день — 15 июня 1891 года — получили двое ученых: Бертло во Франции и Монд в Англии. Право, такие совпадения встречаются не столь уж часто.)
Разобрались, как возникло вещество в баллоне. Здесь не было ничего сверхъестественного. Водород сделал внутреннюю железную поверхность вместилища чрезвычайно активной, восстановив окислы железа до металла. Угарный газ, находясь под давлением, прореагировал с железом. Изучив механизм реакции, химики на этом же заводе сконструировали аппарат, в котором можно было получать килограммы вещества.
Дело в том, что пентакарбонил оказался нужным для практики. Он неплохо зарекомендовал себя в качестве антидетонатора (прямо скажем, везет нам на них!). Было даже создано специальное горючее с добавкой пентакарбонила железа — так называемый моталин. Но недолго проездили автомобили на моталине. Пентакарбонил слишком легко разлагался на составные части, и железный порошок забивал поршневые кольца двигателей. А тут еще подоспело открытие ТЭСа…
Отметим про себя легкость разложения пентакарбонила железа и обратимся на время к проблемам несколько иного плана.
Карбонилов теперь известно множество: для хрома и молибдена, вольфрама и урана, кобальта и никеля, марганца и рения. По свойствам эти соединения различаются: одни — жидкости, другие — твердые тела; одни — неустойчивы, другие, напротив, достаточно прочны.
Но есть у них одно общее и весьма любопытное качество: обычные представления о валентности неприменимы для объяснения строения карбонилов.
Вспомните: в комплексных соединениях к ионам металлов присоединяются нейтральные молекулы, притом в различном количестве. Поэтому в химии комплексных соединений пользуются понятием не валентности, а координационного числа. Оно показывает, сколько молекул, атомов или сложных ионов связано с центральным атомом.
Карбонилы еще более своеобразные плоды выдумки природы. В них с нейтральными молекулами связаны нейтральные атомы. Валентность металлов в этих соединениях приходится считать равной нулю! Ведь окись углерода — нейтральная молекула.
Вот еще один из парадоксов химии, и, признаться, он до сих пор не имеет строгого теоретического объяснения.
На этом мы закончим маленький теоретический экскурс.
Карбонилы металлов оказались лакомым кусочком для практики.
Например, в роли катализаторов.
Но это амплуа карбонилов не самое главное. Есть кое-что и поважнее.
Вернемся еще раз на тот самый завод, на складе которого был найден старый баллон, на дне которого обнаружилась непонятная жидкость, которая оказалась пентакарбонилом железа, который…
«Который», словом, начали получать чуть ли не в промышленном масштабе. Но вот однажды рабочий, приставленный к аппарату синтеза, замечтался, и началась утечка пентакарбонила. Пары вещества оседали на стальной лист, лежавший неподалеку. Рабочий, наконец, обнаружил аварию и быстро ее ликвидировал, нечаянно столкнув лист в пролет здания.
Охотничья байка гласит: «Раз в год и палка стреляет». Стальной лист, мирно лежавший на солнце, упав вниз, взорвался.
Специальная «комиссия по расследованию» провела не одно заседание, прежде чем эксперты констатировали: лист «взорвался» потому, что был покрыт чрезвычайно мелким порошком железа. Всякие измельченные порошки вообще склонны к взрыву — взрывает, например, мучная пыль, сахарная пудра.
Железный порошок на листе образовался в результате разложения пентакарбонила.
Приготовление мельчайших металлических порошков путем разложения карбонилов металлов чрезвычайно заинтересовало ученых.
Они выяснили, что такие порошки отличаются весьма своеобразными свойствами. Размеры их частиц исключительно малы, чуть более микрона. Например, порошок железа можно получить в виде пышной железной «ваты», состоящей из прочных металлических цепочек.
Укладываясь на горячей поверхности, карбонилы образуют на ней весьма прочную и тонкую пленку. И при всем этом порошки и пленки обладают ценнейшими магнитными и электрическими свойствами, что открыло им широкую дорогу в радиотехнику и электронику.
Карбонильные порошки привлекательны и для порошковой металлургии.
Красное и зеленое
Они оба — сложнейшие органические вещества. Чтобы изобразить их структурные формулы, понадобилась бы целая страница в нашей книжке. Оба они комплексные соединения, притом необычные: единственный атом металла славно затерялся в центре сложного ажурного каркаса, состоящего из нескольких циклов. Химики называют такие соединения внутрикомплексными.
Они — это гемоглобин и хлорофилл. Красный цвет крови, зеленая окраска растений — их рук дело. Эти два вещества держат ключи ко всему живому на Земле.
«Стержень» гемоглобина — атом железа. Кровь разных животных содержит различные гемоглобины, но устроены в основе своей они одинаково. В крови человека около 750 граммов гемоглобина.
Гемоглобин переносит кислород от органов дыхания к тканям организма.
Хлорофилл устроен почти так же. Но атом металла в нем иной, это атом магния. Жизненная функция хлорофилла очень ответственна и сложна. С его помощью растения ассимилируют углекислый газ из воздуха.
Химики лишь начинают познавать сущность механизма работы гемоглобина и хлорофилла. Видимо, очень существенную роль играют центральные атомы металлов — железа и магния.
Но оказывается, у природы чрезвычайно богатая фантазия. Железо и магний — вовсе не единственные металлы, которые могут забираться внутрь порфинового скелета (так называется органический каркас, общий для гемоглобина и хлорофилла). В амплуа металлического «стержня» могут выступать медь, марганец и ванадий.
Обитают на Земле существа с… голубой кровью. Это некоторые виды моллюсков. В гемоглобине их крови железо отсутствует; его место занимает медь.
Вот какие удивительные экспонаты обнаруживаются в нашем химическом музее!
Все в одном
В начале 30-х годов нашего века геохимики высказали очень интересную гипотезу. В любом природном образце, утверждали они, будь то осколок камня, деревянный брусок, щепоть земли, капля воды — словом, всюду можно отыскать атомы всех до единого химических элементов, известных на Земле.
Такое предположение поначалу показалось фантастическим. Но взор аналитической химии с каждым годом становился все острее. Методы анализа позволяли обнаруживать миллионные и миллиардные доли грамма веществ. И выяснилось, что если идея геохимиков верна и не на все сто процентов, то, во всяком случае, не так уж далека от истины.
Действительно, интересно: в камне, поднятом на берегу реки, мы находим кремний и алюминий, калий и цинк, серебро и уран — чуть ли не всю периодическую систему Менделеева. Конечно, большинство элементов будет содержаться в количестве считанных атомов — любопытен сам факт.
Наивно было бы думать, что в найденном камне все элементы входят в состав какого-то одного соединения. Отнюдь нет! Мы имеем дело со сложной смесью сложных химических веществ. Главную роль в них играют кремний, алюминий и кислород. Остальных же элементов меньше, а многие вообще составляют ничтожную примесь.
Так в природе. А в химической лаборатории? Могут ли ученые приготовить соединение, в молекулу которого входили бы все элементы менделеевской таблицы?
Химикам приходилось получать очень сложные вещества, состоящие более чем из десятка элементов. Но немногим более. И никто пока еще не ставил себе задачу создать такую молекулярную постройку, где химическими узами связались бы все обитатели Большого дома. Не только потому, что руки не дошли, да и для практики это малоинтересно. Соорудить такую молекулу-монстра чрезвычайно трудно.
Трудно, но, по-видимому, возможно.
Редкое химическое соединение удается получить в один прием, провести реакцию в одну стадию. Если бы мы задались целью построить молекулу, объемлющую все химические элементы, потребовались бы многие десятки, а то и сотни стадий. Столь сложное «здание» можно воздвигнуть только по частям.
Мы не беремся изобразить на бумаге формулу даже простейшего варианта гипотетического «всеэлементного» соединения. Просто потому, что никто еще не продумал путей его создания.
Когда нет проекта, нет чертежей сооружения, его невозможно представить себе отчетливо. Можно только фантазировать.
Самый необычный атом, самая необычная химия
Вот символ этого удивительного атома — Ps. Но не пытайтесь отыскать его в менделеевской таблице. Потому что это вовсе не атом какого-либо химического элемента.
И живет он ничтожное мгновение — меньше одной десятимиллионной доли секунды. Однако про него нельзя сказать, что он радиоактивен.
Ps расшифровывается как позитроний. Его устройство чрезвычайно просто.
Возьмите атом водорода, наипростейший атом химического элемента. Один электрон вращается вокруг одного-единственного протона.
Атом позитрония возникает при определенных видах радиоактивных превращений, которые сопровождаются испусканием позитрона. На какое-то, очень короткое, время позитрон с электроном образуют устойчивую систему.
В позитронии роль протона исполняет элементарная частица позитрон. Это антипод электрона. У позитрона такие же размеры, та же масса, и отличается он лишь тем, что имеет противоположный (положительный) заряд.
Если позитрон и электрон сталкиваются, то им обоим приходит конец. Они, как говорят физики, аннигилируют. Иными словами: превращаются в ничто. А если быть более точными — в излучение.
Но перед тем как исчезнуть, два непримиримых врага короткое мгновение существуют рядом друг с другом. Тогда и рождается атом-призрак позитроний. Атом без ядра, так как электрон и позитрон вращаются вокруг общего центра тяжести.
Кому интересен позитроний? Ну, казалось бы, только физикам-теоретикам; может, еще писателям-фантастам, которые ищут новые типы горючего для своих звездолетов.
Но вот недавно в США вышла в свет толстенная книжка под названием «Химия позитрония». Это никакой не фантастический роман. Книга написана серьезными учеными и толкует о том, как исследователи используют необычный атом для своих нужд.
Во время своей короткой жизни позитроний способен вступить в химическую реакцию. Особенно легко он реагирует с химическими соединениями, у которых сохранились свободные валентности. Эти неиспользованные вакансии и занимают атомы позитрония.
С помощью специальных приборов химики прослеживают характер распада позитрония, забравшегося в молекулу вещества. Оказывается, в зависимости от строения молекулы он распадается по-разному. Это позволяет химикам исследовать тонкие детали молекулярных конструкций, решать многие сложные и спорные вопросы, где другие методы бессильны.
Еще раз про алмаз
В нашем химическом музее алмаз все-таки не самый главный экспонат. Для уникума он слишком бесхитростен. Его своеобразный углеродный скелет ныне никого не удивляет. Еще в семнадцатом столетии химики совершенно элементарно сожгли алмазный кристалл с помощью солнечных лучей и обыкновеннейшей лупы…
Химики давно размышляли о другом. Нельзя ли графит превратить в алмаз? Ведь и тот и другой — это углерод. Дело оставалось за малым: найти возможность графитовый углеродный каркас перестроить в алмазный, из очень мягкого материала приготовить очень твердый. Ничего не отнимая и ничего не добавляя.
В конце концов такую возможность нашли. Это весьма занятная история, и в свое время мы о ней поведаем. Пока же отметим: чтобы изготовить искусственный алмаз, понадобились гигантские давления.
Потому в качестве героя настоящего очерка мы выбираем давление. Да не какое-нибудь обычное — в одну, две, десять атмосфер, а давление сверхвысокое. Когда на квадратный сантиметр поверхности давят силы в десятки и сотни тысяч килограммов.
Итак, сверхвысокие давления позволяют получать вещества, ранее невиданные.
Скажем, во времена алхимиков известны были две разновидности фосфора — белый и красный. Теперь к ним добавилась третья — черный фосфор. Самый тяжелый, самый плотный, он проводит электрический ток ничуть не хуже многих металлов. Фосфор, типичный неметалл, превратился под влиянием сверхвысоких давлений в почти что металлическое вещество. И притом устойчивое.
Примеру фосфора последовал мышьяк, потом некоторые другие неметаллы. И каждый раз ученые отмечали разительные перемены в свойствах. Тяжелая рука сверхвысокого давления меняла эти свойства прямо на глазах. С точки зрения физики ничего необычного здесь не происходило. Попросту сверхвысокое давление перекраивает кристаллическую структуру элементов и их соединений. Делает их более металличными.
Так родился сугубо физический термин: «металлизация давлением».
…Придет время, и космонавты вступят на поверхность Луны, Марса, Венеры. Затем придет очередь иных, более далеких и еще более загадочных миров. Люди много раз будут сталкиваться с необычным, неожиданным, неведомым.
Но нас сейчас интересует лишь одна частность.
Всюду ли химические элементы одинаковы? Простирается ли могущество периодического закона и таблицы Менделеева на все без исключения космические тела? Или же гениальное творение русского ученого действует только в ограниченных, земных рамках?
Да простит нас читатель, что мы столь часто ставим вопросительные знаки! Но право же, ставить вопросы куда легче, чем давать на них ответы.
Философы придерживаются вполне определенного мнения. Они считают так. Периодический закон и периодическая система одинаковы для всего мироздания. В этом их всеобщность. Одинаковы, но при одной существенной оговорке: там, где окружающие условия не слишком сильно отличаются от земных, где температура и давления не измеряются многозначными числами.
В этом их ограниченность.
Неизвестное под ногами
«Прежде чем считать звезды, посмотри под ноги», — гласит одна восточная поговорка.
Так ли уж хорошо знаем мы нашу грешную планету? К сожалению, очень мало. Мы плохо осведомлены о том, как устроен земной шар внутри, из каких веществ состоят его далекие глубины.
Здесь еще полным-полно всяких гипотез, и ни одной из них нельзя отдать предпочтения.
Правда, буровые скважины достигли уже семикилометровой глубины! И уже начат штурм глубин еще более внушительных. В пятнадцать-двадцать километров. Но примите во внимание, что радиус Земли составляет 6300 километров.
Другая восточная поговорка гласит: «Чтобы узнать вкус ореха, его надо раскусить».
Грубо говоря, наша планета устроена подобно ореху. Сверху скорлупа — земная кора; внутри ядро. В Земле между корой и ядром залегает толстенная прокладка — так называемая мантия.
С грехом пополам мы знаем, из чего состоит земная скорлупа. Даже не скорлупа, а та тонкая, нежная кожурка, которая обволакивает сверху молодой орех. Как построена мантия и тем более ядро — пока уравнение со многими неизвестными.
Решительно утверждать можно лишь одно. Вещества, слагающие земные толщи, совершенно необычные. Ведь чем ближе к центру Земли, тем сильнее давление вышележащих слоев. В ядре давления достигают астрономической величины — 3 миллионов атмосфер.
Кстати, о земном ядре. Ученые не одно столетие спорят о его устройстве. Сколько ученых — столько и гипотез.
Одни считают, что планета имеет железо-никелевое ядро. Другие смотрят иначе. По их мнению, строительный ядерный материал — минерал оливин. В обычных условиях он представляет собой смесь силикатов магния, железа и марганца. Чудовищное давление внутри ядра превращает оливин в своеобразную металлоподобную материю. Наконец, третьи идут еще дальше. Они утверждают: центральная часть ядра состоит из водорода, сжатого до полного отвердения и потому имеющего необычные металлические свойства. Четвертые…
Лучше поставим точку. «Чтобы узнать вкус ореха, надо его раскусить». Но до земного ядра добраться удастся не скоро.
Мы знаем о его устройстве куда меньше, чем о составе атомного ядра. Это ли не парадокс?
Да, неизвестное у нас под ногами! Настоящая кладовая чудес для химика: элементы в необычных кристаллических состояниях; неметаллы, превратившиеся в металлы; самые разнообразные соединения, свойства которых даже трудно себе представить…
Удивительная химия глубин!
А пока же, как не без остроумия заметил советский ученый А. Ф. Капустинский, наша химия остается еще весьма «поверхностной» наукой.
Однако сохраняет ли периодическая система элементов свою силу и в самых глубоких толщах? Да, пока не меняется электронная структура атомов. Пока электроны размещаются на тех оболочках, где им положено быть.
Но «статус-кво» сохраняется до поры до времени.
Когда одно и то же вовсе не одно и то же
Нет, мы еще не распрощались со сверхвысоким давлением. Сейчас оно преподнесет нам новый сюрприз.
Электронное окружение ядра — конструкция довольно прочная. Она может потерять несколько электронов, и тогда атом становится ионом. Этот процесс происходит сплошь да рядом при химических взаимодействиях.
Она может лишиться многих электронов, может, наконец, растерять их все, так что останется «голое» ядро. Такое наблюдается при температурах в миллион градусов. Например, в звездах.
Но вот задачка другого рода. Общее число электронов не меняется, иным становится их расположение. Они по-другому размещаются на электронных оболочках. А если электроны сгруппировались не так, как обычно, то изменятся и свойства атома, свойства элемента.
Это, так сказать, текст под иллюстрацией. Теперь сама иллюстрация.
Вам не составит труда изобразить атом калия. У него четыре оболочки. Ближайшие к ядру (K и L) заполнены до отказа: первая содержит 2, вторая 8 электронов. На них при обычных условиях больше электронов не поместится. Зато две другие далеки от завершения. На M-оболочке всего 8 электронов (когда положено 18), а N-оболочка вообще только начала застраиваться (1 электрон), причем раньше, чем нацело закончилась предыдущая.
У калия впервые отмечается непоследовательное, ступенчатое формирование электронных оболочек.
Но мы можем вообразить и такой случай. Собственный, «калиевый» электрон, вместо того чтобы входить в четвертую оболочку, начал продолжать третью (ведь в ней-то осталось еще десять вакантных мест).
Фантастика? В обычных условиях — да. Но стоит вступить в действие сверхвысоким давлениям, как ситуация может измениться.
При сверхвысоких давлениях электронное окружение ядра сильно сжимается. Тогда-то и становятся возможными всякого рода «провалы» внешних электронов в глубже лежащие незаполненные оболочки.
Скажем, наружный электрон калия из четвертой оболочки вдавливается в третью. И в M-оболочке будет теперь девять электронов.
Что же получается? Порядковый номер калия (19) тот же. Количество электронов такое же. Словом, никакого превращения элементов не произошло.
И в то же время наш старый знакомый щелочной металл калий перестает быть нашим знакомым. Вместо него появляется некто неизвестный, с тремя оболочками вместо четырех, с девятью электронами на внешней оболочке вместо столь привычного одного. А стало быть, и химический характер «новокалия» придется изучать с самого начала.
Каким окажется этот характер, можно лишь догадываться: еще никто не держал в руках и крупицы «калия-оборотня».
Если же сверхвысокое давление будет наращивать мощь, то и другие, идущие за калием, элементы потеряют свое привычное лицо. Ступенчатое заполнение электронных оболочек — закон для менделеевской таблицы — исчезнет. Пока одна оболочка не кончит свое строительство, следующая останется пустой.
…Это будет тоже периодическая система. Другая, не менделеевская. Ее обитатели (кроме элементов первых трех периодов) окажутся иными. Ее «щелочными» металлами станут медь и прометий, «благородными газами» — никель и неодим, у которых закончат формирование соответствующие внешние оболочки.
Вот какой может оказаться «глубинная» химия! Необычные валентности, странные свойства, удивительные соединения…
Заманчиво? Чрезвычайно! Реально? Кто знает… Вероятно, здесь опять потребуется «сумасшедшая» идея — ведь речь идет о получении материи совершенно нового типа. Положим, что она действительно существует при сверхвысоких давлениях. В обыкновенных же условиях она должна приобрести форму обычных элементов.
Задержать, «заморозить» такой переход — вот в чем задача. Удастся ее решить, и мы получим фактически еще одну науку химию. Химию номер два.