Из которой читатель узнает, что железа на нашей планете много, а золота мало — обстоятельство хотя и общеизвестное, но тем не менее не очень понятное; уяснит причины этого неравноправия; получит ответ на ряд вопросов, касающихся распространенности химических элементов на земле и в космосе, а также пищу для размышлений.
Промах капитана Кроллициаса
— Капитан Кроллициас, вы обвиняетесь в том, что, приближаясь к Земле, пересекли кордон 3-22, не испросив на это разрешения таможенно-карантинного контроля. Вы обвиняетесь в том, что ваш космолет «Черная овечка» шел без опознавательных огней и без радиосигнализатора. Вам предъявляется обвинение также в том, что на предложение диспетчера перейти на лунную орбиту вы продолжали движение и были остановлены лишь патрульными кораблями. На эту акцию службе контроля пришлось затратить ракетного топлива на тридцать пять тысяч долларов. Вы не получите разрешения перейти на посадочную орбиту и будете вместе со своим экипажем болтаться здесь до тех пор, пока не объясните ваши действия и не погасите вашу задолженность таможенно-карантинному контролю.
— Сэр, клянусь, я не имел дурных намерений! Просто в самый ответственный момент в моем экипаже возникли… э-э… разногласия, и я вынужден был… э-э… наводить порядок. Мало того, что я обломал об этих болванов последний навигатор, — я ввел в непреднамеренный расход таможенный контроль. Тридцать пять тысяч долларов я внесу в штрафную службу не позже чем через три часа после приземления. И еще пожертвую столько же… нет, в два раза больше в фонд памяти космомиссионерам. Вот и все. Полагаю, вы удовлетворены моим разъяснением, сэр?
— Все? Вы по-ла-гаете, что это все? А по-моему, капитан Кроллициас, это даже не начало. Я не намерен покинуть вашу «Овечку» (бог мой, какие только уродливые названия не напридумывают эти недоучки из провинциальных космодромов!) до тех пор, пока контролю не станет ясным все. Ясным! Все! Начнем с драки. Не можете ли вы указать причину конфликта между членами возглавляемого вами экипажа?
— Сэр, я знаю об этом не больше вашего. Помню только, что я не мог докричаться никого из них и когда отправился на розыски, то обнаружил, что эти два оболтуса в кают-компании мордуют друг друга.
— Мистер Франциск Гиббер и мистер Михаэлис Троттер, благоволите сообщить контролю причину вашей ссоры, которая ведь привела к неслыханному нарушению правил движения в околоземном пространстве.
— Сэр, если бы Фрэнк-балда, то есть мистер… э-э-э… Гиббер, не нарушил первоначальный уговор, никакого мордобоя, то есть, виноват, ссоры, не было бы и в помине. Но посудите сами: заломить за подушку полтора миллиарда долларов!!! А ведь позавчера я проиграл ему эту самую подушку всего за миллиард двести пятьдесят миллионов!
— Миллиард двести пятьдесят миллионов? За подушку?! Так… Еще этого не хватало! Капитан Кроллициас, прошу вас предъявить справки психиатра о предполетном осмотре экипажа, а также интеллектуальные индексы господ Гиббера и Троттера.
— Сэр, они здоровы, как бетонные телеграфные столбы. А что до этих ин… ин… ин… туальных индексов, то у них этих индексов отродясь не существовало.
— Тогда, может быть, вы разъясните мне, что это за подушка ценой в полтора миллиарда долларов, о которой толкуют ваши матросы.
— Скажу, сэр, что Майк-дубина… то есть, простите, мистер Троттер… так вот, этот мистер Троттер действительно дубина! Имея на руках девятку и двух королей, он вздумал еще прикупать! Посудите сами, сэр, разве можно жадничать, имея на руках девятку и…
— Капитан Кроллициас, я требую от вас точных и кратких ответов на вопросы, которые ставит перед вами ТКК. Я спрашиваю вас о подушке ценой в полтора миллиарда долларов.
— Осмелюсь перебить вас, сэр: не полтора миллиарда, а лишь миллиард двести пятьдесят миллионов…
— Мистер Гиббер, я обращался с вопросом к капитану. И потом, вы считаете, что миллиард двести пятьдесят миллионов это «всего»? Итак, я еще раз спрашиваю вас, капитан: из чего сделана эта подушка?
— Из пуха, сэр, конечно, из пуха. Так вот, я и говорю: имея на руках девятку…
— Мистер Кроллициас, ТКК не интересуется раскладкой карт в азартных играх. Но зато нас интересует, почему ваш экипаж оценивает обычную пуховую подушку в такую непомерную сумму.
— Сэр, не понимаю, почему вы прицепились к этой проклятой подушке. Подушка как подушка. Позволю себе сообщить, что можно, конечно, сорвать банк, имея на руках девятку и два…
— Капитан, если вы не перестанете морочить мне голову побасенками, я велю конвою вышвырнуть вашу «Овечку» за орбиту Марса, а вы знаете, что я могу это сделать! Извольте рассказывать все по порядку.
— Слушаюсь, сэр! Мы подрядились доставить на Марс сто сорок бочек с гидразином и две цистерны с жидким кислородом. Сэр, вы отлично знаете этих закабалыциков из транспортных компаний — за пять месяцев болтанки мы должны были получить сущую безделицу: по три тысячи на нос, то есть на мой нос должно было прийтись немногим больше, но ведь все равно мало. Скажу, как на исповеди, сэр. Не полетел бы я туда, хотя и околачивался почти год без дела. Но как раз тогда Боб-кишкодер рассказал мне, что среди астероидов попадаются сделанные иочти из золота, из чистого золота. Он-то и дал мне координаты одного из таких астероидов. Вы мне не верите, сэр? Можете спросить об этом у Боба. Когда мы улетали, он сидел в луизвильской тюрьме и вряд ли уже вышел оттуда.
— Капитан Кроллициас, в круг обязанностей ТКК не входит допрос рецидивистов. Я еще раз прошу вас не отклоняться от существа разбираемого вопроса.
— Так вот, когда мы в порту Марс-УП сбросили эти сто сорок бочек и две цистерны…
— Сэр, я хочу сделать официальное заявление!
— Для этого есть необходимость перебивать допрос капитана Кроллициаса, мистер Троттер?
— Необходимость? Еще какая! Я ему хочу припомнить все — и ту штуковину, которой он охаживал нас с Фрэнком, и кормежку, и виски, которое можно пить только по приговору, и…
— Ну хорошо, Троттер, приступайте скорее к вашему заявлению! Господи, никогда не встречал такого трепливого экипажа!..
— Итак, сэр, пусть восторжествует справедливость! Я, Михаэлис Троттер, официально заявляю, что кэп скинул на Марс лишь сто тридцать бочек, а из кислородной цистерны закачал в баки «Овечки» сколько его душе захотелось, а душа его ненасытная!
— Сэр, не слушайте этого дебила, он мстит мне!
— При чем здесь месть? Спросите его, сэр, как он без этих бочек добрался бы до астероида. Нет, я тебе покажу, как ломать об меня нави… навигатор. Я тебе покажу!
— Продолжайте ваш рассказ, капитан, но будьте уверены, что вы дадите ТКК отчет о каждом килограмме вашего груза.
— Сэр, мне нет нужды ничего скрывать! За каждую из заимствованных мною бочек я могу заплатить по миллиону… нет, по десять миллионов, и после этого у меня еще останется на черный день, хо-хо! Так вот, мы очень быстро нашли этот астероид. Название у него скучное: МТ-25-40, но сам-то он оказался веселым. Еще бы! Глыба километров пять в диаметре и вся из золота! Нет, Боб меня не обманул! Когда он выйдет из тюрьмы…
— О господи, неужели таможенно-карантинный контроль интересует, как вы думаете благодарить вашего приятеля после отбытия последним наказания, не сомневаюсь, справедливого!
— Вы совершенно правы, сэр, абсолютно справедливого! Но разве об этом речь? Ведь мы наковыряли на этом МТ-25-40 тонн пять, а может быть, и все восемь отличнейшего, первосортного золота. Посмотрите сами! Конечно, нам пришлось повыкидывать с борта все лишнее — и посуду, и одежду, и постели, и даже… эй, Фрэнк, чего ты на меня вытаращился… да, и даже виски. Осталась лишь одна подушка, да и та потому, что ее вовремя не заметили. Вот и пришлось спать, положив голову на слитки из золота. Вы думаете, сэр, это приятно? Первые три дня, а потом, несмотря на то что тяжесть на этой колымаге всего три четверти земной, радости от спанья на золоте мало. Вот они и принялись отыгрывать подушку друг у друга. Хотя какая это игра — прикупать, имея на руках девятку и…
— Капитан Кроллициас, если вы еще раз заведете речь о карточной игре, я увеличу сумму вашего штрафа еще на десять тысяч долларов. Тем более, что, имея семнадцать очков, можно прикупать, даже следует прикупать — только так и поступают настоящие игроки, а не слюнтяи, которые… Впрочем, я отвлекся. Предъявите контролю образцы транспортируемого вами золота. Надеюсь, вы знаете, что за транспортируемые благородные металлы — пошлина двадцать две тысячи за тонну.
— Двадцать две тысячи? Хотя бы и двести! Теперь у меня одна забота: как бы сосчитать свою валюту. Хотя зачем мне это делать, заведу-ка я себе собственного банкира. А золото — вот оно!
— Интересно, интересно… Нет, это положительно интересно! Ну что ж, другого быть и не могло. Капитан Кроллициас, сколько груза вы с собой везете? Пять тонн ориентировочно? Что ж, остановимся на этой величине. Пять тонн, пять тонн… Капитан Кроллициас, за ваш груз вам следует заплатить таможенно-карантинному контролю семнадцать долларов и двадцать пять центов. Это, конечно, в дополнение к тридцати пяти тысячам долларов, которые вы задолжали ТКК за потраченное на вас горючее. Кстати, во избежание дальнейших недоразумений хочу предупредить сразу, что ваша «Овечка» вряд ли стоит больше десяти тысяч. Поэтому мне в высшей степени любопытно, где вы возьмете недостающие двадцать пять тысяч.
— Сэр, я имел честь сказать вам — деньги отныне меня не интересуют! Через три часа после приземления я откуплю подряд все ваши службы и контроли, и считайте, что я при этом ничего еще не потрачу!
— Через двадцать минут после приземления вы будете иметь случай лично выразить свою признательность вашему приятелю, Бобу-кишкодеру, так, кажется, вы его назвали, потому что…
3>>87
Знак «>>», как вы помните, означает «много больше». Нет, здесь ничего не перепутано, и «птички» направлены острием в нужную сторону. И 3 действительно много больше, чем 87…
…Прошлым летом в Приэльбрусье я услышал песню, которая имеет непосредственное отношение к теме этой главы. Группа туристов, оглашая криками окрестности, поднималась канаткой на Чегет. На верхней станции, пересчитав друг друга, туристы ухватились за гитары и над вечными снегами, многократно усиленное горным эхом, грянуло:
(Далее шли явно не относящиеся к делу строки, выражающие сожаление по поводу господней рассеянности и мечты о том, как, дескать, было бы на земле хорошо, если бы творец поступил наоборот.) По-видимому, следует начать с поверки поэзии алгеброй. То, что железа «много», а золота «мало», это, в общем, известно и без туристско-поэтического обобщения. А для серьезного разговора о распространенности химических элементов эти лирические определения, конечно, недостаточны. Следует обратиться к таблице распространенности химических элементов в земной коре. Но тут снова придется сделать отступление и пояснить несколько необычный термин «земная кора».
Можно сразу начать с обычно приводимого сравнения с апельсином, где апельсиновая кожура призвана моделировать земную кору. Кем-то верно замечено: каждое сравнение хромает. Очень точно сказано. Прежде всего наше сравнение неверно передает масштаб. Апельсиновая кожура по радиусу составляет не менее 10 % всего плода. Земной же корой считают толщу пород в 30 с небольшим километров, а это едва пятитысячная часть земного радиуса. Не «проходит» сравнение и по массе. Земная кора — это всего 0,8 % массы земного шара, меньше одного процента.
Если бы апельсиновая кожура составляла такую долю всего плода, можно было бы, сняв ее, разбирать сквозь нее буковки на подписях к почтовым маркам. Впрочем, это не мешает земной коре весить 50 миллиардов тонн — масса чудовищная и, вне всякого сомнения, человеческому воображению, даже самому пылкому, недоступная.
Итак, земная кора — тоненькая пленка на поверхности нашей планеты. Но на этой пленке живем и мы, и все живое на Земле. В этой пленке для нас все: и питье, и еда, и энергия, и полезные ископаемые. В ней все «жилые помещения» того громадного космического корабля, который называется «планета Земля».
У представителей каждой из многочисленных наук о Земле к земной коре свой интерес: кто изучает ее рельеф, кто — твердость, кто — колебания. В данном случае нам созвучны заботы геохимиков — они интересуются химическим составом земной коры, и прежде всего тем, из каких элементов она состоит. Результаты многолетних кропотливых исследований геохимики свели в таблицу, отражающую распространенность различных элементов в земной коре (часто величины распространенности называют кларками — по имени ученого Кларка, который одним из первых начал прикидывать, из чего состоит наружная оболочка планеты).
Утверждаю: рассмотрение этой таблицы может доставить минуты высокого наслаждения — и поучительностью, и многими неожиданностями, и… потом, это просто интересно.
В наш спортивный век прибегнем к спортивной же терминологии: отыщем элемент-чемпион, которого в земной коре содержится больше всего.
Золотым призером будет, конечно, не золото.
Золотым призером будет кислород. Многим памятен рисунок из школьного учебника химии, иллюстрирующий относительную распространенность элементов в земной коре: круг-каравай, разрезанный на сегменты-ломти.
Самый увесистый ломоть, почти половина каравая (точнее 49,13 %), приходится на долю кислорода. Да, этого элемента в земной коре столько, сколько всех остальных элементов, вместе взятых.
Не часто в спорте можно столкнуться с таким решительным преимуществом чемпиона. Действительно, серебряный призер — разумеется, не серебро, а кремний — показывает результат хотя и весьма почтенный, но почти вдвое худший, чем кислород. На долю кремния в земной коре природа отвела всего 26 %. И она в полной мере использует такую высокую распространенность кремния — мало какие из минералов или редких горных пород не содержат в своем составе кремния.
Приведенное двумя фразами выше утверждение, в котором величине содержания кремния в земной коре предшествовало слово «всего», отдает сильным привкусом снобизма, потому что бронзовый призер — алюминий — составляет только 7,45 % земной коры. И тут не стоило бы применять уничижительное «только», потому что, как мы увидим далее, подавляющее большинство элементов в смысле распространенности живут куда скромнее.
Итак, пьедестал почета занят полностью. Три призера, три победителя, на долю которых приходится 49,13+26,0+7,45=… 4/5 массы земной коры (точнее, 82,58 %).
90 элементов входит в состав земной коры: все элементы — от водорода (№ 1 в периодической системе Д. И. Менделеева) до урана (№ 92). В этом строю химических элементов, открытых на Земле, зияют две бреши: элемент № 43 — технеций и № 61 — проветий. В клетках, отведенных этим номерам, воцарились искусственные элементы, потому что в земной коре их нет, точнее — уже нет. Смысл выделенного наречия станет понятным, надеюсь, в следующей главе.
Итак, в конкурсе элементов — всего 90 участников. Л поскольку на долю троих из них приходится 4/5 массы земной коры, то и выходит, что 3 >> 87.
Тут следовало бы патетически возмутиться несправедливостью природы, которая…
Но, во-первых, природа всегда справедлива и ничего никогда не делает зря, а во-вторых, раз мы уже прибегли к спортивной терминологии, то давайте проведем зачет по олимпийской системе — выявим шестерку сильнейших.
Покопавшись в табличных данных, мы обнаружим сразу шесть претендентов на оставшиеся три «зачетных» места. Впрочем, четвертое место уверенно занимает железо, которого в земной коре 4,2 %. На пятое место выходит кальций (3,25 %). Но вот на шестой ступеньке теснятся сразу три элемента, распространенность которых почти одинакова: натрий (2,40 %) и кальций с магнием (по 2,35 %).
Восемь олимпийцев в сумме составляют 97,13 массы земной коры. Мы, можно сказать, только приступили к построению химических элементов «по росту», а места для маневра, считайте, уже не осталось. Да и о каком месте можно говорить, когда остальные 82 элемента принуждены, бедняги, втиснуться меньше чем в три процента массы земной коры.
Да, рассмотрение таблицы распространенности элементов в земной коре невольно заставляет смирить нашу гордыню: два важнейших элемента жизни — углерод и азот — не только не входят в число элементов-гигантов, но и не стоят даже близко к пьедесталу почета. Углерод занимает 11-е место, а азот, и вовсе сказать, 17-е.
Стоит ли теперь удивляться тому, что если большинство известных нам элементов и может чем-нибудь похвалиться, так это разве только количеством нулей в числах, выражающих содержание этих элементов в земной коре. Причем нули эти всегда стоят после запятой и их там много. Например, кадмия в земной коре пять десятитысячных долей процента: 0,0005 %. Впрочем, он далеко не чемпион по количеству нулей. А вот у радия их столько, что они, выстроенные в ряд, сужаются в далекой перспективе: 0,0000000002 %. Пользоваться этим числом, как видим, не очень удобно. Но если для подсчета нулей здесь еще хватит пальцев на руках, то в случае элемента франция подобный способ подсчета пришелся бы по душе разве только сороконожке: в числе, выражающем содержание в земной коре этого элемента, больше двух десятков нулей.
Геохимики, конечно, не прибегают к пальцам — ведь для записи таких чисел существует превосходный алгебраический способ, одинаково пригодный как для очень больших, так и малых величин. Содержание кадмия записывается совсем недлинно: 5∙10–4 %, распространенность радия выражается не менее лаконично: 2∙10–10. Столь же компактно записывается распространенность франция: 10–21.
Так дальше и будем писать.
Выражение состава земной коры через весовые (правильнее говорить — массовые) проценты — способ наиболее естественный, но, строго говоря, не очень строгий. Оправдывает этот невольный каламбур вопрос, по форме очень смахивающий на знаменитую задачу о железе и пухе:
«Где атомов больше: в килограмме водорода или в килограмме железа?»
В отличие от классической задачи, которой в детстве имеют обыкновение дурачить младших сестренок, здесь вопрос имеет совершенно точный физический смысл. Поэтому совершенно определенным и точным будет ответ: в килограмме водорода атомов в 56 раз больше, чем в килограмме железа, потому что именно во столько раз атомная масса водорода меньше атомной массы железа.
Вот почему так ли уж справедливо, характеризуя состав земной коры, сопоставлять массы образующих кору элементов? Ведь это сопоставление еще ничего не говорит об относительной распространенности атомов элементов. Поэтому часто состав земной коры выражают через атомные проценты: число всех атомов, входящих в состав земной коры, при этом считается равным ста процентам.
Кислород и в такой «атомной» таблице здесь не уступает своего лидирующего положения. Более того, его преимущество выглядит еще внушительнее: свыше половины атомов земной коры — это атомы кислорода, то есть на каждый из остальных 89 химических элементов приходится по атому кислорода и остается еще немножко…
Почти сказочное изменение судьбы, так сказать, феерический взлет при этом «атомном» способе выражения состава испытывает водород. Его довольно скромный (на фоне элементов-олимпийцев, конечно) один массовый процент превращается в 17,25 атомного процента — число, которое позволяет водороду уверенно выйти на второе место. Кремний же с его 16,11 атомного процента потеснен на третье место. Ну, а остальные олимпийцы и в этом случае не оставляют пьедестала почета; компания элементов-гигантов остается, можно сказать, в прежнем составе.
Чтобы покончить со способами выражения состава земной коры, остается рассказать еще об одном, с помощью которого если и не избавляются полностью от удручающего количества нулей в величинах распространенности, то, во всяком случае, значительно уменьшают его. Способ этот носит все признаки разумного психологического подхода к проблеме и невольно подводит к аналогии с образцами реклам, которыми, пишут, заполнены улицы больших итальянских городов: «Этот прекрасный мотороллер станет Вашим за сумму, всего впятеро превышающую стоимость перчаток, которые покупает у нас прекрасная Джина». Что и говорить, реклама неплоха. Тут и ссылка на то, что услугами торговой фирмы пользуется самая популярная звезда итальянского киноэкрана — несравненная Джина Лоллобриджида. Но главное, в рекламе нет больших чисел: напиши, что мотороллер стоит 80 тысяч лир — и эта цена отпугнет самого безрассудного транжира. Но вот одинокое числительное «пять» да еще в сравнении с какими-то перчатками — это совсем не страшно.
Если читатель не забыл пример с итальянской рекламой, то вернемся к очередному способу выражения состава земной коры, который может называться относительным. За единицу сравнения здесь берут миллион (106) атомов кремния и выражают распространенность остальных элементов по отношению к этой величине. В таких единицах распространенность кадмия выражается уже значительно менее громоздким числом: 0,11, означающим, что в земной коре на миллион атомов кремния приходится 0,11 атома кадмия. Распространенность брома выражается не «многонулевым» числом 0,00004, а гораздо более благовидным 2,16.
Какими бы интересными ни представились сведения о распространенности химических элементов в земной коре, утолить любознательность читателя они никак не могут. Если считать рассказ о распространенности элементов в природе драмой, то, собственно говоря, не началось как следует даже и первое действие. Пока лишь названы действующие лица — химические элементы, обозначено место действия — земная кора и только-только обозначился конфликт — неравномерность содержания элементов. До ответов же на волнующие «зрителя» вопросы «почему» еще далеко — они в четвертом действии. А ведь этих «почему» ох как много! Почему кислорода в земной коре много, а франция мало? Почему большинство известных нам химических элементов — лишь незначительная примесь к нескольким элементам-гигантам? Почему в число элементов-гигантов входят именно те химические элементы, а не другие? Почему… Но не хватит ли вопросов? Ведь на каждый из них придется отвечать. Вот и примемся за эту работу, начав, правда, с совсем другого вопроса.
Эрбия? Да, есть такой химический элемент, затерявшийся в трудно запоминаемом перечне так называемых редкоземельных элементов (элементы, занимающие в периодической системе Менделеева места с 57-го по 71-е). Можете не корить себя за химическую безграмотность: даже в фундаментальном трехтомном курсе неорганической химии эрбию отводится несколько строк, набранных к тому же петитом. Возникает искушение приписать непопулярность эрбия его малой распространенности в земной коре, что кстати, подтверждает и название семейства, к которому относится эрбий: «редкоземельные». Отыскав эрбий в таблице распространенности, мы как будто бы находим подтверждение нашему предположению: эрбия в земной коре 7∙10–5 атомных процента, семь стотысячных. Очень мало. Но поскольку мы еще не успели отодвинуть таблицу распространенности, то с удивлением убеждаемся, что многих из очень хорошо известных элементов в земной коре куда меньше, чем эрбия.
Много ли на земле эрбия?
За примерами ходить недалеко. Ртуть, надеюсь, никак нельзя отнести к малознакомым или очень уж редким элементам? Однако ее в земной коре в 100 (сто!) раз меньше, чем экзотического эрбия. Но может быть, эрбий по каким-то причинам обойденный элемент? Может быть, химики почему-либо гнушаются эрбием и именно этим объясняется непопулярность этого металла?
Посмотрим… Кто из вас держал в руках элемент иттрий? Никто? А слыхал кто об этом металле? Да, немногие… А ведь иттрия в земной коре целых 0,001 %! Не торопитесь говорить, что немного. Потому что «обычного» и очень хорошо известного брома в земной коре вдесятеро меньше, сурьмы же меньше в 100 раз, а висмута (того самого, чьи окислы составляют основу пудры) меньше, чем иттрия, в 1000 раз.
И уж совсем выразительный пример — элемент гафний. О нем химики узнали, можно сказать, совсем недавно, потому что он был открыт в 1923 году. Естественно было бы предполагать, что гафний отыскали позже остальных химических элементов потому, что его в земной коре мало. Конечно, с одной стороны, 4∙10–5 число и впрямь небольшое, но ведь и йод не назовешь редким элементом! Йод помянут здесь не случайно. Об этом элементе уместно вспомнить, потому что его в земной коре втрое меньше, чем гафния. А известен йод химикам без малого 200 лет. Да и вряд ли стали бы в аптеках продавать за копейки йодную настойку, если бы йод был таким уж редким элементом. Но, может быть, гафний тоже стоит недорого? Как бы не так! Покупка десяти граммов гафния подрывает месячный бюджет даже солидной лаборатории.
Вот и выходит, что… ничего не понятно. А вместо ответа на вопросы выплыла очередная проблема: какой элемент следует считать редким?
Надо заметить, что распространенность элемента в земной коре и его доступность не всегда идут рука об руку. Тут можно вспомнить одесского коммерсанта смутного 1919 года, который невиданно дешево продавал вагон яблочного повидла и вагон секундных стрелок. Совершив сделку, он охотно пояснял довольным покупателям, что повидло и стрелки… как бы вам сказать… некоторым образом перемешаны друг с другом.
Германия в земной коре в 25 тысяч раз больше, чем золота. Но в то время как золото встречается в самородном состоянии и, следовательно, можно (при хорошем везении, конечно) набрести на золотой слиток, германиевый самородок до сих пор еще никто не находил и, можно не сомневаться, не отыщет. Потому что германий, как и многие другие рассеянные элементы, находится в земной коре в «размазанном» состоянии. Так сказать, всюду и нигде. Поэтому химик, которому предстоит добывать элемент из земных недр, предпочтет журавля (золото) в руках синице (германий) в небе.
Термин «рассеянный» тут употреблен отнюдь не в том смысле, в каком им описывают ротозейство известного обитателя улицы Бассейной, а в его изначальном значении, основывающемся на слове «сеять» — раздроблять.
Далеко не каждому элементу дано образовывать свои минералы. Лишь те счастливчики, которым природа предоставила пристанище в виде минерала, да еще достаточно распространенного, относятся к элементам более или менее доступным, а следовательно, нередким. Тем же бедолагам химическим элементам, которые не образуют сколько-нибудь распространенных минералов, суждено мыкаться по земной коре, «нигде гнезда не свивая». Будучи более или менее равномерно распределены в породах, они хотя и обладают большой суммарной массой, но масса эта как бы «размазана» по всему веществу земной коры.
От того, встречается ли тот или иной элемент в земной коре в компактном или рассеянном состоянии, в значительной степени зависит доступность этого элемента.
Поэтому не следует судить о редкостности элемента на основании количества строк, отведенных ему в учебнике химии, или даже по, казалось бы, более объективному критерию — стоимости. Нет, беспристрастным свидетелем здесь может быть только таблица распространенности элементов.
В некоторых — но только некоторых — случаях можно установить довольно тесную зависимость распространенности элемента от его химических свойств. Пожалуй, наиболее выразительная иллюстрация этой зависимости — инертные газы.
Сейчас так много и так усердно пишут о сравнительно недавно открытых химических соединениях инертных газов с некоторыми элементами, например фтором, что может создаться впечатление: у этих газов только и забот, что соединиться с каким-либо элементом. В действительности атому фтора позаимствовать электрон (непременное условие образования химической связи) у ксенона не легче, чем Ходже Насреддину было отбирать сумку с долговыми расписками у ростовщика Джафара. В обычных условиях (а элементарный фтор в природе не встречается) инертные газы продолжают оставаться теми химическими гордецами, какими их знает химия вот уже лет восемьдесят — со времени открытия.
Вот почему инертные газы встречаются в природе только в элементарном состоянии. Но в отличие от золота, которое тоже практически не образует минералов, инертные газы — это все-таки газы, и поэтому им уготовано место только и только в атмосфере.
А газы эти медленно, но неотвратимо уходят в мировое пространство. Это обстоятельство не должно внушать тревогу относительно грядущей нехватки кислорода. Скорее нужно опасаться не утечки воздуха, а тревожного загрязнения атмосферы двигателями всяких сгораний. Кислород пока еще исправно поставляет земная флора. Азот же непрерывно поставляется многочисленными земными вулканами. Но инертным газам подкрепления ждать неоткуда (об одном исключении из этого бесспорного утверждения будет рассказано в следующей главе). Поэтому не надо удивляться такой мизерной распространенности инертных газов. Скорее следует радоваться, что они еще сохранились на планете.
Впрочем, случай с инертными газами единичен. Общим считать его никак нельзя. Иначе следовало бы предположить, что элементы с близкими химическими свойствами должны характеризоваться и близкими величинами распространенности. А знаете ли вы, что по химическим свойствам радий достаточно сильно смахивает на кальций? Но самый разнесчастный перуанский индеец не во столько раз беднее мультимиллиардера, во сколько раз радия в земной коре меньше, чем кальция! Нет, в проблеме распространенности элементов на одних химических свойствах не сыграешь…
Чем больше, тем меньше
Хочу предложить читателям вместе со мной заняться поисками закономерностей, определяющих распространенность элементов в земной коре. Не может быть, чтобы мы в конце концов не выяснили, почему же на Земле кремния много, а золота мало. Случайно ли это или закономерно? Итак, ищем закон.
От чего отталкиваться, когда речь идет о химических элементах, известно: от периодической системы Менделеева. Вот и вывесим ее на стену так, чтобы она все время была перед глазами.
Начнем с первой группы менделеевской таблицы. Итак, щелочные металлы. Заглядывая в таблицу распространенности химических элементов, выпишем против названия каждого из щелочных металлов величины их содержания в земной коре (проценты, конечно, атомные).
Первого из щелочных металлов, лития, в земной коре маловато — 0,02 %. Да, по сравнению со следующими щелочными металлами, элементами-гигантами натрием (1,82 %) и калием (1,05 %), литий совсем бедный родственник. Впрочем, в семье щелочных металлов не один литий — голытьба: рубидия в земной коре еще меньше, чем лития (0,007 %), а цезия и вовсе самая малость (9∙105 %). Что же касается последнего из щелочных металлов, франция, то о его распространенности, которую и термином-то этим совестно назвать, уже говорилось. Закономерности как будто бы никакой нет. Сначала мало, затем много, а потом снова мало. Напоминает эрудицию школьника или студента до, во время и после экзамена. Позвольте, а если отбросить литий, то… То начинает проглядываться довольно определенная закономерность: содержание щелочного металла в земной коре убывает по мере повышения порядкового номера в периодической системе, или, что одно и то же, атомной массы.
Эту пока что еще довольно смутную догадку о связи распространенности элемента с его порядковым номером следует тут же проверить. Обратимся к соседней группе менделеевской системы. Металлы этой группы «сверху вниз» идут в таком порядке: магний, кальций, стронций, барий, радий. Выпишем в том же порядке колонку величин распространенности: 1,72 — 1,41 — 0,01 — 0,006 — 2∙10–12. Комментарии? Вот их-то как раз и не нужно! И так ясно: распространенность химического элемента падает по мере увеличения порядкового номера. Позвольте, но ведь это почти закон. Нет, почему «почти»? Это самый настоящий закон! И к тому же (отбросим ненужную скромность!) — фундаментальный закон.
Похоже, что мы с вами молодцы: найти новый закон природы, да еще фундаментальный, — достижение, что ни говорите, не будничное.
Теперь остается одно — поверить эту пока что не очень четко просматривающуюся гармонию геометрией: составим график зависимости распространенности от порядкового номера элемента, и тогда можно отдыхать с приятным сознанием выполненного долга и ожиданием грядущих почестей.
Но отдыха не предвидится. Почестей тем более. То, что получается на графике, можно определить кратким, но зато предельно для данного случая выразительным словом — хаос.
О какой закономерности можно здесь говорить?! Точки скачут, как шарики в машине для игры в спортлото, и похоже, что закономерностей на графике не больше, чем в этой же почтенной игре.
Тут можно привести весь классический комплект горестных поговорок («Торговали — веселились…», «Не кричи «гоп», пока…»), можно пройтись по полной гамме приличествующих случаю печальных вздохов, а можно и просто сокрушенно махнуть рукой и согласиться с тем, что наука — удел немногих гениев, да и то озаренных свыше. Но не стоит всего этого делать. Право, не стоит. Мы и так впали в один из самых больших грехов, какие могут быть присущи научному работнику. Сначала, натолкнувшись на два пусть любопытных, но частных факта, мы решили, что открыли общий закон. И естественно, возликовали. А потом, обнаружив, что действительность не желает подчиняться этому походя придуманному нами закону, пришли в уныние и решили, что ни о каких закономерностях вообще говорить не приходится.
Скажу сразу: подобные эмоционально-психологические амплитуды в какой-то мере извинительны влюбленному, но совершенно противопоказаны научной работе.
Поэтому на какое-то время загоним эмоции в дальний угол души и с максимальной деловитостью рассмотрим диаграммы распространенности элементов в земной коре.
Да, воистину «вначале был хаос»! Соединяя в различных сочетаниях точки на диаграмме, можно, как на средневековых картах неба, получить любые фигуры. Но до обобщений, да еще научных, здесь далеко. Поэтому не будем прибегать к такому малопочтенному занятию, напоминающему предновогоднее гадание засидевшихся девиц, а отметим факты бесспорные.
Прежде всего мы замечаем, что из двух соседних, то есть различающихся порядковым номером 1, элементов один обязательно содержится в земной коре в количестве, во много раз большем, чем другой. Отметив это, мы сразу обращаем внимание на то, что из двух элементов-соседей почти всегда более распространен элемент с четным порядковым номером.
Различие в распространенности четных и нечетных элементов особенно четко проявляется в начале периодической системы. Первые 14 четных элементов распространены в земной коре втрое больше, чем первые 14 нечетных. Да и то репутацию нечетных значительно поддерживает алюминий. Не будь содержание этого металла в земной коре так велико, дела нечетных были бы вовсе никудышными.
В проблеме четных и нечетных самое впечатляющее, пожалуй, — это распространенность так называемых редкоземельных элементов: пятнадцати близнецов с порядковыми номерами от 57-го до 71-го, которые тем не менее занимают и таблице Менделеева… одну клетку. Эти редкоземельные элементы, почти неразличимые по всем химическим и очень многим физическим свойствам, практически всегда присутствующие в месторождениях и минералах вместе, «всей компанией», эти неразлучные элементы-близнецы, оказывается, не равны перед природой по величинам их распространенности в земной коре. Правило, которое здесь соблюдается так строго, что его впору возвести в ранг закона, гласит: любой из четных редкоземельных элементов встречается в земной коре в количествах, значительно превосходящих своих нечетных соседей. Исключений не наблюдается ни в одном — ни в одном! — случае. Этот пример достаточно ясно показывает, что не химические свойства, вернее, не только они определяют распространенность элементов.
Итак, четным элементам, и это мы установили бесспорно, живется куда вольготнее, чем их нечетным собратьям. Но даже среди «зажиточных» четных элементов выделяются по своей распространенности элементы-гиганты: кислород, кремний, кальций, железо.
Не может быть, чтобы этих великанов не объединяло что-нибудь общее! У нас с вами достанет юмора, чтобы не сопоставлять цвет, запах или вкус этих элементов. Да и то сказать — медные дверные ручки, на вкус которых часто ссылаются герои юмористических рассказов, в действительности никаким вкусом, как и подавляющее большинство металлов, не обладают…
Но что же тогда сопоставлять? Атомный номер? Но с ним мы уже имели дело. Другую основную характеристику элемента — атомную массу? Попробуем… Выписываем атомные массы элементов-гигантов: 16, 28, 40, 56. Что общего у этих чисел? Разве только то, что все они без остатка делятся на 4.
Случайность? Но случайно можно разве только с приятелем в кино встретиться. Да и то, если разобраться, случайности в этой встрече не так уж много, потому что оба прогуливали один и тот же урок… Нет, делимость на 4 выплыла здесь не случайно! Впрочем, сейчас на этом обстоятельстве, которое для читателя носит пока что чисто арифметический оттенок, останавливаться не будем, но запомнить его прошу.
Хотя желаемая четкая закономерность распространенности химического элемента в зависимости от порядкового номера отсутствует, но четкая тенденция несомненна: с повышением порядкового номера распространенность химических элементов все же уменьшается. Выходит, были мы правы тогда, когда утверждали, что повышение порядкового номера должно вести к уменьшению содержания элемента в земной коре. Но только тогда мы хотели вывести это правило методом кавалерийского наскока, который хорош в маневренной войне, но почти всегда бесплоден в науке — она, наука, чаще и успешнее пользуется методом планомерной осады. Как видим, разобравшись в исключениях из этого правила и уяснив некоторые важные обстоятельства, мы пришли к правильной картине, которая оказалась не такой простой, как нам хотелось бы, но, в общем, достаточно выразительной.
Итак, чем сложнее ядро атома химического элемента, тем этого элемента в земной коре меньше. Как утверждают врачи, у худых больше шансов стать долгожителями, чем у тучных. Не случайно расчетливые американские страховые компании берут с толстяков гораздо большую сумму страховки, чем с их поджарых однолетков.
Сформулировав хотя и приблизительное, но для первой прикидки удовлетворительное правило распространенности химических элементов, можем с известным удовлетворением подвести итоги нашей работы. Мы установили, какие элементы распространены в земной коре более других. Определили, какие признаки присущи этим наиболее распространенным элементам. Нашли, что между распространенностью элемента, его порядковым номером и массовым числом существует несомненная связь.
Замечу сразу, что это не так уж мало. Найти бесспорный факт для ученого значит не меньше, чем для домашней хозяйки купить доброкачественные продукты, ибо без доброкачественных овощей не сварить хорошего супа, а без достоверных фактов не создать хорошей теории. Поэтому имеются все основания для хорошего настроения.
Однако того удовлетворения, на которое можно было рассчитывать, согласитесь, мы не ощущаем. Потому что мы нашли ответ лишь на вопросы «как», «каким образом». Но вот почему четные элементы природе более любы, чем нечетные? Почему распространенность элемента уменьшается с увеличением его атомного номера? Почему элементы-гиганты имеют атомную массу, кратную четырем?
Но — и от этого никуда не деться — ответы на вопросы, начинающиеся с «почему», в науке ценятся гораздо выше, чем ответы на вопросы, начинающиеся с «как». Именно поэтому я не могу сказать, что в проблеме распространенности химических элементов мы проделали хотя бы половину работы. Если не все, то, во всяком случае, очень многое еще впереди.
Делись на 4 без остатка…
Об избытке производимой в наше время научной информации говорят нынче все. Действительно, информации становится многовато. И, несомненно, часть ее избыточна, а стало быть, вредна.
Проблема избыточной информации уже успела выплеснуться на страницы научно-популярной, научно-художественной, а подчас и просто художественной периодики. А недавно в одной из статей некий журналист-максималист с категоричностью, выдающей его молодость, предложил упразднить… названия химических элементов:
«Разве, говоря о химических элементах и их соединениях, не достаточно ограничиться указанием на порядковый номер химического элемента? Разве, отметив, что речь идет, например, об элементе № 8, мы тем самым однозначно не определили, что это кислород? Зачем же эта возня с названиями? Тем более, что вредный обычай присваивать химическим элементам названия подчас приводит к размолвкам в среде ученых. Вот я и предлагаю: давайте оставим за химическими элементами только номера, упразднив названия. Право, информации в выражении «соединение элемента № 11 с элементом № 17» ничуть не меньше, чем в выражении «хлористый натрий».
Наш журналист, в общем, не очень оригинален. Пишут, что в Нью-Йорке подавляющее большинство улиц обозначается номерами. Что ж, давайте перенесем этот обычай к нам, и тогда в погожий весенний вечер юноша, стоя с любимой на улице 13 угол 26-й, будет ей жарко нашептывать:
«Моя дорогая, любимая! Люблю тебя безумно!»
И услышит в ответ:
«Зачем столько лишних слов? Сказав «люблю», зачем еще говорить «любимая»? И потом, если «любимая», то, следовательно, и «дорогая» — к чему же повторения?! А «безумно» — тут не только избыточная, но и вовсе неверная информация, ведь ты в здравом уме. Если же считать, что… Но куда же ты, Миша?»
Да, не всегда избыточная информация — лишняя…
И тем не менее здравый смысл в заключениях автора есть.
Порядковый номер действительно полностью определяет, о каком химическом элементе идет речь. Уточним: важно здесь то, что, как известно всем, порядковый номер соответствует числу протонов в ядре атома химического элемента. Сказав: «атомное ядро этого элемента содержит 17 протонов», мы тем самым дали понять, что речь идет о хлоре, потому что у хлора, и только у него, в ядре атома насчитывается 17 протонов; ибо 16 протонов — это ядро атома серы, а 18 — аргона.
Сведения о числе протонов в атомном ядре не представляют сколько-нибудь явной информации о массовом числе элемента. В ядре, в состав которого входит 17 протонов, может содержаться еще, например, 18 нейтронов, а может быть, и все 20. Разница большая!
В первом случае элемент будет иметь атомную массу 35, а во втором — 37. Кстати, а какую атомную массу имеет хлор, ведь речь идет именно о нем? Таблица свидетельствует, что атомная масса этого элемента равная 35,46.
Эта обескураживающая дробность могла бы навести на мысль, что в ядре атома хлора содержится 18,46 нейтрона. Но, во-первых, мы знаем, что нейтрон и пополам-то разделить нельзя, не то что на сотые доли. А во-вторых, к чему притворное удивление — и так всем известно, в чем дело. Природный хлор состоит из двух изотопов: хлор-35 (тот, у которого в ядре атома 18 нейтронов) и хлор-37 (тот, у которого в ядре атома 20 нейтронов). Соотношение же между хлором-35 и хлором-37 таково, что приводит к средней атомной массе 35,5. Кстати, каждый пятиклассник, знакомый с правилом пропорций, может подсчитать, исходя из средней атомной массы хлора, что в природных соединениях этого элемента содержится 75,5 % хлора-35 и, стало быть, 24,5 % хлора-37.
Вряд ли стоит напоминать, что количество протонов в атомном ядре полностью определяет строение электронной оболочки и, следовательно, химические свойства элемента. Таким образом, в химическом отношении разные изотопы одного элемента неразличимы.
Да, конечно, весь этот разговор был затеян для того, чтобы читатель вспомнил, что такое изотопы. Потому что наш рассказ о распространенности химических элементов должен свестись к распространенности изотопов. Это будет более правильный подход, который сулит больше шансов на успех, чем «глобальное» рассмотрение.
Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь нескольких изотопов: двух (например, уже упоминавшийся хлор, который состоит из изотопов с массовыми числами 35 и 37), трех (например, кислород, который образован изотопами 16, 17, 18), а нередко и больше. Например, то, что мы называем одним словом «кальций», в действительности представляет целый выводок изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. Рекорд многочисленности принадлежит олову — под этим названием объединяется целый десяток изотопов с массовыми числами от 112 по 124.
А теперь можно набросать канву — в подражание Феликсу Кривину — басни в прозе. Кислород, подбоченясь, презрительно бросает трудяге-алюминию:
— Ты, братец, посторонись, много тут вас, мелкопоместных!
— А кто же вы будете, ваше высокоблагородие? — робея, спрашивает алюминий.
— Я кислород! Кислород-17! — высокомерно и напыщенно заявляет гордец.
И алюминий, которого подводит его необразованность, униженно отступает на обочину, не ведая, что содержание этого кислорода-17 в земной коре по сравнению с алюминием не просто незначительно, а и вовсе ничтожно.
Мораль басни ясна: неверно говорить о распространенности химического элемента вообще — надо учитывать содержание в земной коре каждого из изотопов в отдельности.
Для того чтобы установить закономерности распространения в земной коре изотопов, займемся поначалу игрой «чет-нечет». Учтем, что число протонов в ядре атома может быть либо четным, либо нечетным. То же можно сказать и о числе нейтронов. Отсюда следует, что по классификации «чет-нечет» возможны четыре типа ядер, которые для наглядности сведем в табличку:
Разложим все известные нам изотопы по полочкам. И сразу выяснится прелюбопытное обстоятельство. Полка I («чет-чет») забита, что называется, доверху, изотопа лишнего приткнуть некуда. Полки III и IV заставлены совсем свободно, а вот полка II, считайте, совсем пуста: какие-то жалкие 4 изотопа, которые не сразу-то и заметишь.
Итак, природе особенно любы атомы, ядра которых содержат четные числа протонов и нейтронов. К противоположной комбинации («нечет-нечет») природа относится с нескрываемым отвращением. Но природа, как верховный судья, обязана быть беспристрастной. И если она отошла от этого принципа, открыто отдав симпатии типу ядер «чет-чет», надо полагать, у нее на это имеются серьезные основания.
Попробуем ввести классификацию изотопов по другому признаку. Признак этот на первый взгляд может показаться несколько искусственным. Но раньше я предупреждал, что нам придется еще говорить о делимости массовых чисел на 4,— речь сейчас идет именно об этом признаке.
Не надо вспоминать очень несложное правило делимости на 4, чтобы догадаться: в этой системе классификации может быть четыре типа изотопов. К первому из них относятся изотопы, чьи массовые числа делятся на 4 без остатка. Примерами могут служить кислород-16 или кремний-28. Назовем этот тип «4p». Изотопы, массовые числа которых при делении на 4 будут давать в остатке 1, обозначим 4p+1 (пример: хлор-37). Очевидно, что, помимо этих типов, возможны еще два: 4p+2 (например, азот-14) и, наконец, 4p+3 (алюминий-27).
Справедливости ради отмечу, что существует несколько изотопов, которые не подпадают под эту систему классификации. Это те, массовое число которых меньше четырех, то есть в данном случае они вообще состоят лишь из одного «остатка». Изотопов этих очень немного, и можно было бы вообще о них не вспоминать, если бы в их число не попадал такой важный, как можно об этом догадаться, водород-1 («обычный» водород в отличие от тяжелого водорода с массовым числом 2 — дейтерия).
Прежде всего бросается в глаза, что в тех случаях, когда какой-либо химический элемент состоит из смеси нескольких изотопов, то всегда (за очень редкими исключениями, которые только подчеркивают справедливость общего правила) абсолютно преобладающим будет изотоп типа 4p.
Примеры, подтверждающие это правило, можно отыскать, ткнув наугад в таблицу Менделеева. Куда попали мы пальцем? Клетка № 8, кислород. Уже упоминалось, что этот элемент состоит из трех изотопов: 16, 17 и 18. Так вот, кислорода-16 (тип 4p) в природном кислороде и всех его соединениях содержится 99,76 %. Стоит ли теперь приводить жалкие величины содержания остальных изотопов кислорода?
У кальция шесть изотопов, которые перечислялись раньше. На долю кальция-40 (4p!) приходится 96,9 %. Как видим, остальные пять изотопов должны довольствоваться малым, очень малым…
Конечно, очень хотелось бы вести повествование таким образом, чтобы каждый раз подводить читателя к каким-то неожиданным выводам, непрерывно читателя удивляя, а то и поражая. Удивление, конечно, хорошо, но на нем одном в науке не выедешь. Надобно еще и размышление. Все приведенные факты предназначались обосновать вывод: большинство атомов, из которых состоит земная кора, относится к типу 4p.
Да, 75 % земной коры «делится без остатка на 4». Вывод после всего сказанного о преобладании изотопов типа 4p не неожиданный, а все-таки удивительный. Чем объяснить пока что совершенно непонятную склонность природы к числу 4? Влечение тем более загадочное, что эти 75 % выглядят совсем уж внушительно на фоне жалких 0,01 % и 0,05 % (содержание в земной коре типов 4p+1 и 4p+2). Несколько более благополучен тип 4p+3 — его в земной коре 8 %. Этой своей, впрочем, относительной зажиточности тип 4p+3 целиком обязан алюминию, который (атомная масса единственного изотопа алюминия составляет 27) относится к числу наиболее мощных элементов-гигантов. И наконец, 17 % атомов земной коры приходится на долю внеклассификационного водорода.
А ответа на вопрос «почему» все нет. И тянет попытать счастья с другими числами. Скажем, попробовать классифицировать изотопы по признаку делимости на 8. Или на 16. А может быть, что-нибудь интересное получится, если в качестве делителя взять «счастливое» число 7? Или «несчастливое» 13? Если продолжать игру, то можно докатиться до подмены объективных законов естествознания игрой в магические числа.
«Магические числа»? Слова эти у меня вырвались нечаянно, но как нельзя более чем кстати. Ведь именно этот термин можно встретить на страницах учебников ядерной физики в разделе, посвященном устойчивости атомных ядер. Там же и приводятся эти «магические числа»: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126.
«Магия» в данном случае относится к количеству протонов или нейтронов в ядре атома. Но неужели физика да еще такой современный ее раздел, как учение об атомном ядре, имеет что-либо общее с магией, хиромантией и прочей ложнотаинственной заумью?
«Магическими» физики назвали эти числа потому, что атомные ядра, содержащие названные числа протонов и нейтронов, наиболее устойчивы.
Но, как мы сейчас убедимся, эти числа волшебны и для геохимии. Впрочем, читатель, наверное, уже сам заметил, что наиболее распространенные в земной коре изотопы так или иначе связаны с «магическими числами».
Чемпион чемпионов по распространенности — кислород. Весь встречающийся в земной коре кислород, можно сказать, состоит из изотопа с массовым числом 16.
Но ведь ядро этого изотопа содержит 8 протонов («магическое число») и 8 нейтронов (еще «магическое число»). Серебряный призер распространенности — кремний, атомная масса которого равна 28 — «магическое число»! Достаточно распространенный элемент кальций наиболее богат изотопом 40 — снова дважды «магическое число» (2x20).
На этот раз мы окончательно прекращаем манипулировать с числами, не то у читателя и впрямь может возникнуть представление, что все учение о законах распространенности химических элементов в земной коре сводится к числовым комбинациям.
А ведь с помощью манипуляций с числами, как известно, можно предсказать (и предсказывали!) что угодно: начало мировой войны, землетрясение в Исламбаде, пришествие антихриста и рождение очередного Наполеона.
Но как бы то ни было, из всего сказанного с очевидностью вытекает, что распространенность химического элемента связана со свойствами атомного ядра. И поэтому геохимик, пытаясь получить ответ на вопрос «почему», без услуг физики, ядерной физики, обойтись никак не может.
Брать быка за рога…
Частицы, составляющие атомное ядро, стягивают в одно целое ядерные силы — физики это установили давно. Научились они и подсчитывать величину энергии связи. А узнав общую величину энергии связи, совсем просто подсчитать долю энергии, приходящуюся на одну частицу, — удельную энергию связи частиц в ядре.
В сущности, эта новая для нас характеристика атомного ядра описывает стабильность химического элемента: понятно, что чем удельная энергия связи больше, тем устойчивее этот химический элемент. Устойчивость… распространенность… Согласитесь, что между этими словами что-то общее есть, несомненно есть…
Впрочем, если бы мы захотели уловить какую-либо закономерность между удельной энергией связи и зарядом ядра химического элемента, то были бы столь же обескуражены, как и в случае распространенности. «Как и в случае распространенности»… Нет, не случайно мы соединили эти два слова — устойчивость и распространенность!
Но теперь, наученные горьким опытом, не будем преждевременно сокрушаться по поводу отсутствия строгих закономерностей. Потому что мы очень скоро установим, что, как и в случае распространенности, наибольшей энергией связи характеризуются кислород, кремний, кальций, железо… Все те же элементы-гиганты! Случайное совпадение? Но проблема случайного в природе уже обсуждалась, и вывод был как будто бы определенным. А раз так, то сопоставим распространенность и удельную энергию связи (устойчивость) повнимательнее.
Да, несомненно, самые устойчивые химические элементы наиболее распространены в земной коре. Правда, здесь не все понятно. И самое главное: почему наибольшей энергией связи характеризуется железо, а более всего в земной коре все же кислорода?
Что ж, запомним эту особенность железа. Запомним и в будущем постараемся в ней разобраться.
Приученный уже относиться к числу 4 с настороженностью, читатель несомненно заметит, что изотопы, находящиеся на зубцах графика, все, без исключения, принадлежат к типу 4p. В самом деле, каждый из изотопов типа 4p обладает удельной энергией связи заметно большей, чем его соседи. Взять хотя бы кислород, слева от которого в периодической системе стоит азот, а справа — фтор. Созерцая эту троицу, можно сказать лишь одно: Гулливер (кислород) среди лилипутов (его соседи). Эта литературная реминисценция вполне оправданна: удельная энергия связи частиц в ядрах азота и фтора впятеро меньше, чем у кислорода.
Можно было бы, конечно, позавидовать счастливцу кислороду: у него, дескать, и распространенность наибольшая, и удельная энергия связи гораздо внушительнее, чем у других изотопов с близкой атомной массой. Но, впадая в постыдный грех зависти, не совершаем ли мы при этом еще и логическую ошибку? Правильным ли будет замечание: «Везет же артисту Н. — и тенор у него прекрасный, и выигрышную во всех отношениях партию Ленского ему поручили…» Понятно, что именно потому тенор Н. будет петь «Куда, куда вы удалились…», что у него отменный голос, а вот гораздо менее счастливый в вокальном отношении М. поет лишь «Ви роза…».
Так, быть может, потому кислород относится к элементам-гиган-там, что удельная энергия связи у него выше, чем у других изотопов с близкими массовыми числами? «Может быть…» А если без предположений, наверняка?
Пытаясь получить ответ «наверняка», не следует брать быка за рога. А надо отметить одну любопытную особенность этих «делящихся на 4 без остатка» элементов. Во-первых, у подавляющего большинства из них число протонов равно числу нейтронов. А во-вторых, эти числа четные.
Комбинация 2 протона-|-2 нейтрона в силу законов микромира энергетически особенно выгодна. Этот квартет неразлучен не только в ядре. Даже при ядерных катаклизмах — при радиоактивном распаде элемента — эта компания старается не разлучаться: вспомним альфа-распад. Ведь альфа-частица, вылетающая из ядра, — это и есть содружество двух протонов и двух нейтронов.
Итак, природе выгодно создавать ядра, состоящие из четного числа протонов и четного числа нейтронов, то есть «делящиеся на 4 без остатка». Слово «выгодно» здесь и в одной из предыдущих фраз приведено без кавычек. Они, кавычки, здесь не нужны. Потому что природа всегда следует путем наибольшей энергетической выгоды. А поскольку этот путь предопределен основным законом природы — законом сохранения энергии, — то это та самая выгода, которая никак не служит синонимом слова «корысть». Выходит, нет у природы особенного стремления к четным числам, а есть четкий физический закон, согласно которому строят жизнь химические элементы.
Наконец, достаточно просто объясняются и числа, которые физики прозвали «магическими» (помните: 2, 8, 20…). Частицы, образующие атомное ядро, располагаются не произвольно, а в таком же строгом порядке, как электроны, вращающиеся вокруг ядра. И так же, как и в случае электронов, в атомном ядре существуют оболочки, наполнение каждой из которых отвечает определенному «магическому» числу. Поэтому и здесь, несмотря на столь интригующий эпитет, как видим, ничего таинственного нет.
Пока что получается, как в романе с замысловатой, но не очень профессионально построенной интригой: на протяжении всего романа автор накручивает самые невероятные события, а когда становится очевидным, что узлов завязано столько, что развязывать их — дело безнадежное, автор заталкивает всех героев в лифт, который, конечно же, обрывается, и автор с облегчением выводит слово «конец».
Но анализ закономерностей распространенности химических элементов, увы, не роман. Сюжеты здесь придумывает не автор, а природа, которая, к сожалению (а вернее всего, к счастью), не склонна к эффектам.
Из всех определений понятия «наука» (а имя им — легион) мне больше всего по душе такое: настоящей наукой следует считать такую область знаний, где ответ на один вопрос рождает по крайней мере два других вопроса.
И один из таких вопросов возникает немедленно. Утверждалось, что чем прочнее связаны частицы в ядре атома, тем этого элемента в природе больше. Но ведь чемпион по величине удельной энергии связи — железо. А этот элемент в иерархии распространенности только четвертый. Как можно это объяснить?
Честно говоря, вопросов здесь гораздо больше. Но и этот один показывает, что наука о распространенности химических элементов — настоящая наука, и, более того, наука интересная.
Последний комплимент геохимии не освобождает нас от поисков ответа на поставленный вопрос. Итак, будем решать, кто все же настоящий чемпион: кислород или железо?
«Лучший портной»
Хочется вспомнить старую и, в общем-то, хорошо известную историю, не потерявшую от этого, впрочем, аромата поучительности. На одной из окраинных улочек дореволюционного провинциального местечка жили трое портных, конечно же конкурировавших друг с другом. Желая подчеркнуть свое превосходство, первый портной намалевал вывеску: «Лучший портной в городе». Второй не остался в долгу, и его хибара украсилась вывеской: «Лучший портной в Расеи». Что оставалось третьему? Претендовать на мировое господство? И над домиком укрепилось гордое: «Лучший портной на ефтой улице».
До сих пор речь шла о распространенности химических элементов в земной коре, которая и по объему и по массе составляет лишь очень малую часть земного шара. Можно ли считать, что картина относительной распространенности химических элементов в земной коре, установленная для земной коры, будет справедлива для планеты в целом? Не приходится сомневаться в том, что это было бы слишком смелое и неоправданное обобщение. Как неправомерно было бы судить о знаниях учащихся всего класса, вызвав наудачу одного лишь Тяпкина, так же нельзя считать, что химический состав тоненького поверхностного слоя позволяет судить о распространенности химических элементов на всей планете в целом. Может быть, кислород и впрямь чемпион лишь «на ефтой улице»?
Да, так оно и получается. Если рассмотреть таблицу, в которой сведены данные о распространенности химических элементов во всем нашем земном шаре, а не только в поверхностном слое, мы увидим, что железо занимает там уверенно и бесспорно первое место. Оказывается, что Земля более чем на 1/3 состоит из 26-го элемента: на его долю приходится почти 37 % массы планеты. Кислород же вынужден потесниться на вторую ступеньку пьедестала почета — его вклад в массу планеты около 30 %. Третье место уверенно занимает кремний (14,9 %). Далее, солидно поотстав от золотого и серебряного призеров, но с хорошим отрывом от преследователей идет магний (6,7 %), за ним устремляется алюминий (3,0 %) и, наконец, на последней ступеньке олимпийского зачета стоят, обнявшись, два элемента — никель и кальций (по 2,9 %).
Рассматривая этот строй элементов-победителей, мы уже не станем дивиться, не станем недоумевать по поводу несправедливостей природы. Теперь уже многое понятно. Конечно же, первое место, которое заняло железо, полностью отвечает устойчивости его атомного ядра. Все закономерно и справедливо: первый по величине удельной энергии связи — первый и по распространенности на нашей планете.
Следующих три призера тоже занимают свои места по праву — это все наши старые знакомые элементы-гиганты, относящиеся к привилегированному клану элементов типа 4p.
Нельзя пояснить причину различия химических составов земной коры и планеты в целом, не коснувшись, хотя бы мимоходом, проблемы строения Земли. Специалисты-геологи различают в нашей планете столько слоев, из которых, по их мнению, весьма убедительному и справедливому, состоит Земля, что, подбирая сравнение, иллюстрирующее современную модель Земли, ничего лучше капусты не придумаешь. Но вряд ли нам нужна такая детализация. Достаточно запомнить, что Земля состоит из коры, мантии, которая простирается на глубину приблизительно до 3000 километров, и ядра, название которого достаточно красноречиво говорит о его положении.
Мантия состоит в основном из окислов. Так что кислорода там, разумеется, хватает. Что же касается тех элементов, с которыми соединен кислород, то гадать о них после всего сказанного об элементах-гигантах не приходится. Это железо, магний, кальций и, конечно же, кремний. Нигде торжество типа 4p не проявляется так ярко и празднично, как в химическом составе мантии!
Ядро же нашей планеты — это железо с довольно значительной примесью никеля и, возможно, некоторой примесью кремния и серы. Если учесть, что ядро по объему составляет немногим меньше 20 %, а по массе немногим больше 30 % земного шара, то не приходится удивляться, что железо с таким преимуществом выходит на первое место в табеле распространенности химических элементов на нашей планете.
Поскольку в определенные периоды существования Земля (или, по крайней мере, отдельные ее зоны) была расплавлена, легкие химические элементы и их соединения, так сказать, всплывали наверх, а тяжелые опускались вниз. Именно поэтому в земной коре и верхних слоях мантии так много легкого металла алюминия. И поэтому так мало алюминия в нижних слоях мантии и, уж конечно, совсем нет его в земном ядре. И потому никеля и других «тяжелых» элементов в мантии и в ядре гораздо больше, чем в коре.
«Всю-тo я Вселенную…»
Сегодня мы позволяем себе удивляться лишь самому необычному: рекордному запуску космического корабля, открытию неизвестного дотоле крупного млекопитающего, проигрышу хоккейной команды ЦСКА. Хорошо ли это или плохо? Смотря для кого. Дело в том, что ученым положено удивляться, так сказать, но штату, потому что без удивления невозможно сделать, пожалуй, самого пустячного открытия.
Вот почему я приглашаю вас вместе со мной остановить свое внимание на одном факте, известном, впрочем, достаточно давно, но тем не менее удивительном и удивляющем.
Скажите, разве не достойно изумления то обстоятельство, что химический состав Солнца, да что там Солнца — химический состав звезд, даже тех, что отстоят от нас на расстоянии многих и многих тысяч световых лет, известен нам с гораздо большей доскональностью, чем состав глубинных областей нашей планеты.
…Поначалу человеку, не осведомленному в астрономических делах и заботах, разглядывание звезд в телескоп представляется зряшным делом: наводишь на звезду трубу телескопа, такого громадного, что ожидаешь: сейчас во-о-он та далекая мерцающая горошина превратится в яблоко, на худой конец в крупную вишню. Но вы с разочарованием видите маленькую точку, размеры которой, пожалуй, по сравнению с оригиналом даже уменьшились, по-видимому, за счет того, что пропадает окружающий «оригинал» ореол. Да, умом вы воспринимаете объяснение, согласно которому звезды находятся так чудовищно далеко, что самые мощные телескопы оказываются бессильными перед такими расстояниями. Да, умом можно понять многое, но сердцем…
Впрочем, астрономы наводят телескопы на звезды вовсе не ради подобных сомнительных, а для них, профессионалов, и вовсе смешных сентенций. Астрономы приспосабливают к телескопу спектрограф и добывают с помощью этого тендема много поучительнейших сведений.
Тут уместно было бы поговорить о спектроскопии — замечательном методе физики и химии, который позволяет определять, из каких элементов состоит нагретое до высокой температуры тело. При этом совершенно безразлично, находится ли исследуемый объект здесь, на лабораторном столе, или в созвездии Водопаса, за много-много световых лет от Земли. Световое излучение, попадая в спектроскоп, независимо от расстояния, которое оно проходит, несет точную, я бы сказал — даже исчерпывающую информацию о составе исследуемого тела. Да, разговор о спектроскопии был бы весьма поучительным, но о спектральном анализе, его зарождении, развитии и успехах уже рассказал точно, ясно и интересно М. Бронштейн в книге «Солнечное вещество», которую с полным основанием можно считать классикой научно-художественного жанра.
Астрономы утверждают, что большая часть материи Вселенной сосредоточена в звездах. Хотя в последнее время появились гипотезы, которые утверждают, что «холодной» материи во Вселенной гораздо больше, чем считали прежде и считают нынче, можно полагать, что звездного, «горячего» вещества все же больше. Поэтому, изучая химический состав звезд, можно составить достаточно полное представление о распространенности элементов во Вселенной.
Все закономерности распространенности, отмеченные ранее, здесь также соблюдаются в полной мере: вот два наших старых знакомых кислород и железо и здесь возвышаются над прочими «неудачниками». И конечно же, наблюдается закономерное уменьшение распространенности с увеличением порядкового номера.
Такая наглядная «плакатность» закономерностей, отражающих зависимость космической распространенности химических элементов от свойств атомного ядра, связана с тем, что в звездах отсутствуют многие из тех факторов, которые «путают карты» и искажают картину распространенности элементов на планетах. Так, например, здесь, в космосе, содержание инертных газов закономерно укладывается на кривую, в то время как для земной коры этим элементам отвечали глубокие провалы на графике.
Но вот что действительно необычно в космической распространенности химических элементов — это громадные всплески, отвечающие двум самым легким элементам: водороду и гелию. Если высокая распространенность гелия еще соответствует правилу «4p», то столь высокое содержание водорода — а его во Вселенной во много раз больше, чем всех остальных элементов, вместе взятых, — не согласуется со всеми теми закономерностями, о которых шла речь. Причина такого возвышения водорода над прочими химическими элементами известна досконально и в четвертой главе о ней будет рассказано достаточно много.
Хочу думать, что мы потрудились не зря и что закономерности распространенности химических элементов и в земной коре, и в планете в целом, и во Вселенной нам понятны больше, чем вначале. А это именно то, что требуется от науки. Значит, пока все обстоит хорошо…
Окончание
…потому что вас сразу отвезут в ту же тюрьму, где содержится ваш приятель с этим изящным прозвищем. И там вы будете иметь предостаточно времени, чтобы ликвидировать свое невежество, удивительное даже для капитана захудалой транспортной колымаги. Уж я позабочусь, чтобы вам в камеру доставили не только Библию, но и две-три популярные книжонки, из которых вы дознаетесь, что золота мало не только на Земле. А кроме того, может быть, вы научитесь, как с помощью элементарных химических реакций отличить золото, настоящее золото, от соединения сурьмы с серой, которое и впрямь походит на самородное золото, хотя этим сходством можно было затуманивать головы обывателей разве что в дремучем XX веке.