Удивительные элементы

Нам бы очень хотелось рассказать о всех химических элементах: о тех, которые существуют на Земле, и о тех, которые получены искусственно. Мы совершили бы удивительное путешествие по удивительной стране — периодической системе элементов, шаг за шагом, клетка за клеткой... От первой до сто пятой. Но чтобы привести этот план в исполнение, понадобилась бы внушительного объема книжка, во всяком случае никак не тоньше 3-го тома Детской энциклопедии.

Может быть, целесообразно пойти по другому пути: попытаться предельно коротко рассказать о самых важных чертах каждого из ста пяти химических элементов; отыскать в каждом элементе свою «изюминку». Давайте попытаемся...

Вот водород — первый в менделеевской таблице. Самый легкий газ. Самый распространенный элемент во Вселенной. Важнейшее термоядерное топливо звезд. Один из главных «ключей» ко многим законам химии.

А гелий с его необычной историей? Элемент, который сначала был обнаружен на Солнце и лишь спустя 27 лет найден на Земле. Инертный газ, он до сих пор не вступил ни в одно из химических соединений. Жидкий гелий не перестает поражать физиков. Его удивительное свойство сверхтекучести заставило пересмотреть многие классические представления физики. Литий... Хотя его название происходит от греческого слова, означающего камень, он значительно легче воды. Другого подобного металла нет на Земле. Бериллий. Что это — металл или неметалл? Он входит и в состав оснований, и в состав кислот. За ним следует бор. Его соединения применяются чрезвычайно широко: это и всем известная борная кислота, но это и эффективное топливо для ракет.

Сказать коротко об углероде — невозможно. Углерод — это вся органическая химия, около 3 млн. химических соединений. Углерод — это жизнь на Земле, а быть может, и на других планетах во Вселенной. Право же, избранный нами путь неудачен. Разве заслуживает скороговорки железо? Элемент, который, образно говоря, сделал человека человеком. Когда люди научились выплавлять железо из руд и делать из него простейшие орудия, тогда и началась история современной «цивилизации».

Разве сухая протокольная сводка опишет поистине детективную историю редкоземельных элементов, которые ныне именуются лантаноидами? Долгое время их считали редкими, экзотическими, ненужными для человеческой практики. А оказалось: они вовсе не редкие, без них не взлетит современный самолет, не заработает ядерный реактор.

Так во всем мире принято обозначать важнейшие элементы.

Разве можно рассказать в нескольких словах об уране? Этот элемент, пожалуй больше чем какой-либо другой, помог людям проникнуть в тайны материи. Открытие явления радиоактивности и овладение ядерной энергией — все это самым непосредственным образом связано с ураном. Поэтому мы решили посвятить небольшие очерки пяти химическим элементам периодической системы Д. И. Менделеева и рассказать о них так, чтобы юный читатель сумел получить достаточно полное впечатление. Но каким именно пяти?

Математика поможет нам. Исходная предпосылка такая: дано 105 элементов. Сколько можно составить из этого количества комбинаций, содержащих по 5 элементов каждая? Выбрать пять элементов из ста пяти можно способами, число которых равно: 96 560 646, т. е. почти 100 млн. способов! А нам из этих 100 млн. нужно выбрать один-единственный. Составить одну комбинацию из 5 химических элементов.

Можно смешать 105 карточек с написанными на них числами и наугад вытащить пять. Однако подобная затея рискованна: ведь может случиться так, что «счастливыми» окажутся порядковые номера одних, например, галогенов. Это очень интересная группа элементов. Но описывать только их было бы несправедливо по отношению к другим представителям периодической системы.

Необходим какой-то критерий отбора. Из статьи «Великий закон» вы знаете, что все известные в настоящее время элементы с точки зрения строения их атомов разделяются на четыре большие совокупности: s-, р-, d- и f-элементы. В их атомах заполняются электронные подоболочки, отвечающие определенным значениям орбитального квантового числа l, равного соответственно 0, 1, 2, 3.

Это обстоятельство существенно облегчает нашу задачу. А дальше мы позволим себе быть немного субъективными. Те элементы, которые мы включили в пятерку «избранных», кажутся нам заслуживающими пристального внимания. И не потому, что они самые интересные: ведь в периодической системе нет неинтересных элементов. Они очень своеобразны, каждый по-своему. Вот их порядковые номера: 9, 14, 22, 87, 94. Вот их названия: фтор (F), кремний (Si), титан (Ti), франций (Fr), плутоний (Рu).

В чем же их своеобразие, если сказать о нем в нескольких словах? Фтор — самый агрессивный, самый химически активный неметалл. Академик А. Е. Ферсман однажды очень метко назвал его всесъедающим. Кремний — основа земной тверди, «скелет» огромного количества минералов и горных пород, дающий начало многим искусственным материалам с удивительными свойствами. Титан — металл, который в самом прямом смысле оправдывает свое название; без него немыслима современная техника. Франций — самый редкий на Земле элемент и самый химически активный из всех металлов. Плутоний — искусственно полученный элемент, детище ядерной физики, основа ядерной энергетики. С точки зрения строения атома франций является s-элементом, фтор и кремний — p-элементами, титан — d-элементом, плутоний — f-элементом. А теперь поближе познакомьтесь с выбранными пятью элементами.

Загадка водорода

Не следует считать, что у водорода только одна загадка, и не следует думать, что у других элементов все известно, изучено и никаких загадок больше не осталось. Нет, загадочное в мире безгранично. Но вот перед учеными встала одна поистине замечательная загадка. Стоит хорошенько подумать, что может принести людям ее решение.

Пожалуй, наиболее знаком всем школьникам водород. И это справедливо — водорода в мире больше, чем всех остальных элементов, вместе взятых; водород изучен, пожалуй, лучше всех. Его свойства подробно описаны в учебниках: при температуре ниже —241°С его можно превратить в легкую, прозрачную, бесцветную жидкость, кипящую при — 252,8°С. При быстром испарении жидкий водород затвердевает, образуя кубические кристаллы. Твердый водород плавится при —259,2°С. Твердый водород образует молекулярную решетку и тока не проводит. Но вот что рассчитали и предсказали теоретики. При достаточно высоком давлении водород должен превратиться в металл. Это, конечно, очень интересно, но еще не это самое поразительное. Оказывается, металлический водород должен обладать сверхпроводимостью. Но и это не самое удивительное. Расчет показал, что можно ожидать, что сверхпроводящие свойства металлического водорода должны сохраняться вплоть до комнатной температуры. А самое неожиданное и замечательное — теоретики совершенно серьезно обсуждают и надеются на возможность того, что водород, подвергнутый раз чудовищному давлению — не менее чем до 250 ГПа (250 - 10⁹ Па) — и превратившийся в сверхпроводящий металл, может остаться в таком состоянии и после снятия давления. Такое метастабильное состояние может оказаться достаточно устойчивым. Астрофизики совершенно уверены, что металлический водород находится в недрах планет-гигантов: Юпитера и Сатурна. Стоит помечтать о том, как преобразится жизнь на Земле, если сбудется мечта ученых об овладении металлическим, сверхпроводящим водородом. Хотя и очень трудно себе представить водородные электропровода и электродвигатели из водорода, но вспомните, сколько невозможных предсказаний науки оправдалось.

перейти к началу страницы