Скачать fb2
Занимательно о химии

Занимательно о химии

Аннотация

    Авторы этой книги попытались рассказать о наиболее важных и интересных химических проблемах.
    Читатель из этой книги узнает, как устроена периодическая система и почему она так называется; как получают сложнейшие вещества и как работают с единичными атомами химических элементов.


Лев Григорьевич Власов Дмитрий Николаевич Трифонов Занимательно о химии




Вместо предисловия

    Дошла до нас старая как мир легенда… Один восточный владыка, просвещенный и мудрый, пожелал узнать все о народах, населяющих землю.
    Позвал он приближенных и объявил им:
    — Повелеваю написать мне историю всех народов. И рассказать в ней, как жили они раньше, как живут теперь. Чем они занимаются, какие войны вели и ведут. Какие ремесла и искусства расцветают в разных странах.
    И дал на это пять лет сроку.
    Молча поклонились приближенные. Со всего царства были собраны мудрейшие из мудрецов, и им объявили желание владыки.
    Говорят, неслыханного расцвета достигло в ту пору изготовление пергамента…
    Миновало пять лет, и явились приближенные во дворец.
    — Твое желание, о владыка, исполнено! Выгляни в окно, и ты увидишь то, чего хотел…
    Изумленный правитель протер глаза. Перед дворцом выстроился караван верблюдов. Такой длинный, что конец его терялся где-то за горизонтом. И на каждом верблюде по два громадных тюка. А в каждом тюке бережно упаковано по десять толстенных томов в прекрасных сафьяновых переплетах.
    — Что это? — удивился правитель.
    — Это всемирная история, — ответили приближенные. — По твоему повелению мудрейшие из мудрых писали ее не покладая рук в течение пяти лет!
    — Вы смеетесь надо мной! — рассердился владыка. — Да ведь я до конца своей жизни не успею прочесть и десятой доли того, что они написали! Нет, пусть напишут мне краткую историю. Но чтобы в ней было рассказано обо всех главных событиях!
    И дал на это год сроку.
    Минуло назначенное время, и снова показался у стен дворца караван. И было в нем всего десять верблюдов, и по два тюка на каждом верблюде, и по десять фолиантов в каждом тюке.
    Еще больше разгневался владыка.
    — Пусть напишут мне самое-самое главное, что было в истории всех народов во все времена. Сколько времени нужно на это?
    Тогда выступил вперед мудрейший из мудрецов и проговорил:
    — Завтра, о владыка, ты получишь то, что желаешь!
    — Завтра? — удивился правитель. — Хорошо. Но если обманешь, не сносить тебе головы!
    …Едва солнце взошло на лазурном небе и уснувшие на ночь цветы снова раскрылись во всем своем великолепии, как владыка потребовал к себе мудреца.
    Мудрец вошел, неся в руках маленький ларец из сандалового дерева.
    — Ты найдешь в нем, владыка, самое главное, что было в истории всех народов во все времена, — произнес мудрец, сгибаясь в низком поклоне.
    Правитель открыл крышку ларца. На бархатной подушке лежал маленький клочок пергамента. Там была написана всего лишь одна фраза: «Они рождались, жили и умирали».
    Вот какая старинная легенда дошла до нас. Мы невольно вспомнили ее, когда нам, авторам, предложили написать занимательную книжку о химии. И при этом добавили, что в бумаге (то бишь в объеме книги) нас ограничивают. Значит, надо писать о главном. А что самое главное в химии?
    «Химия — это наука о веществах и их превращениях».
    Ну как здесь не вспомнить клочок пергамента на дне сандалового ларца?
    Подумали мы, почесали затылки и решили. Все в химии главное. Одно, может, более главное, другое — менее. И опять же смотря для кого. Химик-неорганик, к примеру, считает, что пуп земли — неорганическая химия. Химик-органик придерживается мнения диаметрально противоположного. Нет на сей счет успокоительного единства взглядов.
    Само понятие «цивилизация» состоит из многих «слагаемых». И одним из самых главных среди них является химия.
    Она позволяет человеку добывать металлы из руд и минералов. Не было бы химии, не было бы и современной металлургии.
    Она извлекает из минерального, животного и растительного сырья вещества, одно другого чудесней и удивительней.
    Она не только копирует природу, подражает ей, а и — с каждым годом все более — начинает превосходить ее. Рождаются тысячи и десятки тысяч веществ, природе неизвестных. Со свойствами очень полезными и важными для практики, для жизни человека.
    Перечень добрых дел, которые творит химия, поистине неисчерпаем.
    Ведь все проявления жизни сопровождаются огромным множеством химических процессов. Познать суть жизнедеятельности без химии, без знания ее закономерностей невозможно.
    В эволюции человека химия сказала свое веское слово.
    Химия кормит нас, одевает, обувает, наконец, предоставляет блага, без которых немыслимо современное цивилизованное общество.
    Первые ракеты вырвались в околоземное пространство. Горючее для их двигателей, прочные и жаростойкие материалы для их конструкций дала химия.
    Если бы кому-нибудь пришло в голову написать о всей химии во всем ее многообразии и великолепии, то под угрозой оказались бы бумажные ресурсы даже высокоразвитого государства. К счастью, такая идея еще никого не осенила. А вот перед нами встала задачка подобного рода.
    Но мы нашли выход из положения. Мы решили писать понемногу о многом. Понемногу о разном. Это, конечно, в какой-то мере дело вкуса. Другие, вероятно, рассказали бы о другом, третьи — о третьем. Но ведь книжку-то пришлось писать нам. А потому не сетуйте на нас, если вдруг не прочтете в ней о том, о чем вам, именно вам, хотелось узнать.

Обитатели Большого дома




Периодическая система с птичьего полета

    Беглый взгляд, первое представление обычно мало что дают. Иногда оставляют наблюдателя равнодушным, иногда удивляют. Иногда заставляют воскликнуть, подобно некоему анекдотическому персонажу, увидевшему в зоопарке жирафа, — «не может быть!».
    Но и предварительное знакомство с предметом или явлением, так сказать взгляд с птичьего полета, нередко бывает полезным.
    Периодическую систему элементов Дмитрия Ивановича Менделеева никак не назовешь предметом или явлением. Она своеобразное зеркало, которое отражает содержание одного из величайших законов природы — периодического закона. Кодекса правил, которому подчиняется поведение ста с лишним элементов, встречающихся на Земле и полученных человеком искусственно. Своего рода распорядка, царящего в Большом доме химических элементов…
    Первый взгляд на него схватывает многое. Поначалу рождается удивление. Словно среди типовых крупноблочных строений вы увидели здание причудливой и вместе с тем изящной архитектуры.
    Чем же нас удивляет таблица Менделеева? Прежде всего тем, что ее периоды, ее этажи, спланированы очень неравномерно.
    В первом этаже, первом периоде таблицы Менделеева, клеток всего две. Во втором и третьем — по восемь. Четвертый и пятый устроены прямо-таки по гостиничному типу: восемнадцать комнат на каждом. На шестом и седьмом комнатушек и того больше — по тридцать две. Встречали вы когда-нибудь подобное строение?
    Но именно в таком виде предстает перед нами Большой дом химических элементов — периодическая система.
    Причуда архитектора? Ничуть! Любое здание строится в соответствии с законами физики. Иначе оно развалится от легкого дуновения ветерка.
    Столь же строгими физическими законами подкреплен и архитектурный замысел периодической системы. Они говорят: в каждом периоде таблицы Менделеева должно содержаться совершенно определенное число элементов. Например, в первом — два. Ни больше и ни меньше.
    Так утверждают физики, и химики с ними полностью согласны.


    Были иные времена. Физики ничего не утверждали, дела периодического закона их еще не начали волновать. Зато химиков, которые чуть не каждый год открывали новые элементы, весьма заботило, куда этих новичков поселить. И бывали здесь случаи неприятные, когда на одну-единственную клетку в таблице выстраивалась целая очередь претендентов.
    Среди ученых встречались скептики, и в немалом количестве. Они вполне серьезно утверждали: здание таблицы Менделеева построено на песке. Например, немецкий химик Бунзен. Тот, что со своим другом Кирхгофом изобрел спектральный анализ. Но к периодическому закону Бунзен проявил удивительную научную близорукость. «С таким же успехом можно искать закономерности в цифрах биржевых бюллетеней!» — как-то в сердцах обронил он.
    Еще до Менделеева делались попытки навести порядок среди хаоса шести с лишним десятков химических элементов. Но они были неудачными. Пожалуй, ближе всех к истине оказался англичанин Ньюлендс. Он провозгласил «закон октав». Как в музыке каждая восьмая нота повторяет первую, так и у Ньюлендса, расположившего элементы в ряд по величине атомных весов, свойства каждого восьмого были похожи на свойства первого. А вот реакция на открытие Ньюлендса: «Не пробовали ли вы располагать элементы в алфавитном порядке? Может, и в этом случае обнаружилась бы какая-нибудь закономерность?»
    Что мог ответить бедняга Ньюлендс своему язвительному оппоненту?
    На первых порах таблице Менделеева не везло. «Архитектура» периодической системы подвергалась яростным нападкам. Ибо многое в ней оставалось неясным и требовало объяснения. Легче было открыть пяток-другой новых элементов, чем найти им законное пристанище в таблице.
    Только на первом этаже дело обстояло, казалось бы, благополучно: тут нечего было опасаться неожиданного наплыва квартирантов. Сейчас здесь обитают водород и гелий. Заряд ядра водородного атома равен +1, гелиевого +2. Ясно, что между ними нет и не может быть других элементов. Ведь в природе неизвестны ядра или другие частицы, заряды которых выражались бы дробными числами.
    (Правда, в последние годы физики-теоретики упорно обсуждают вопрос о существовании кварков. Так называют первичные элементарные частицы, из которых могут быть построены все прочие, вплоть до протонов и нейтронов — строительного материала атомных ядер. Так вот: у кварков предполагаются дробные электрические заряды: +1/3 и –1/3. Если кварки действительно существуют, то картина «материального устройства» мира может предстать перед нами в новом обличье.)

Как астрономы оказали химикам медвежью услугу

    «Никогда мне в голову не приходило, что периодическая система должна начинаться именно с водорода».
    Чьи это слова? Да уж скорее всего они принадлежат кому-то из несметного легиона исследователей или просто любителей, кто ставил своей задачей создать новую, собственную периодическую систему. Перестроить ее на иной манер. Право же, всевозможных «периодических» систем появлялось на свет не меньше, чем проектов пресловутого перпетуум-мобиле — вечного двигателя.
    Так вот, взятая в кавычки фраза написана самим Дмитрием Ивановичем Менделеевым. В его знаменитом учебнике «Основы химии», по которому учились десятки тысяч людей.
    Почему же заблуждался автор периодического закона?
    В его время такое заблуждение имело под собой все основания. Ведь элементы-то располагались в таблице в согласии с увеличением их атомных весов. Атомный вес водорода — 1,008, гелия — 4,003. А стало быть, почему не допустить существования элементов с атомными весами 1,5; 2; 3 и так далее? Или элементов легче водорода, чьи атомные веса меньше единицы?
    Менделеев и многие другие химики вполне это допускали. И их поддерживали астрономы — представители науки, от химии весьма далекой. Поддерживали, правда, невольно. Это они впервые показали, что новые элементы можно открывать не только в лабораториях, анализируя земные минералы.
    Англичанин Локьер и француз Жансен наблюдали в 1868 году полное солнечное затмение. Ослепительный блеск солнечной короны они пропустили через призму спектроскопа. И в сложном частоколе спектральных линий обнаружили такие, которые не могли принадлежать ни одному из элементов, известных на Земле. Так был открыт гелий, что по-гречески означает «солнечный». И только двадцать семь лет спустя английский физик и химик Крукс обнаружил гелий земной.
    Пример этот оказался весьма заразительным. Астрономы направили трубы телескопов на далекие звезды и туманности. Результаты открытий скрупулезно публиковались в астрономических ежегодниках, а кое-какие перекочевали и на страницы химических журналов. Те, где речь шла о якобы открытых в безбрежных космических просторах новых элементах. Им давали звучные названия — короний и небулий, арконий и протофтор. Кроме названий, химики ничего о них не знали. Но, памятуя удачное завершение гелиевой эпопеи, спешили поместить небесных незнакомцев в периодическую систему. Перед водородом или в промежуток между водородом и гелием. В надежде, что новые Круксы когда-нибудь докажут земное существование корония и его не менее таинственных собратьев.
    Но когда за периодическую систему взялись физики, они развеяли эти мечты. Атомный вес оказался ненадежной опорой для периодического закона. На смену пришел заряд ядра, порядковый номер элемента.
    При переходе от элемента к элементу в периодической системе этот заряд увеличивается на единицу.
    Прошло время, и более точные астрономические приборы развеяли миф о загадочных небулиях. Они оказались атомами давно известных элементов. Атомами, потерявшими часть своих электронов, а потому дающими непривычные спектры. «Визитные карточки» небесных незнакомцев оказались фальшивыми.

Двуликий элемент

    Быть может, на школьном уроке по химии вы сами были свидетелями такого диалога.
    Учитель:
    — В какой группе периодической системы стоит водород?
    Ученик:
    — В первой. И вот почему: атом водорода имеет на своей единственной электронной оболочке всего один электрон. Так же, как другие элементы первой группы, щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Как и они, водород в химических соединениях проявляет положительную валентность, равную единице. Водород, наконец, может вытеснять некоторые металлы из их солей.
    Правда? Нет, полуправда…
    Химия — наука точная. Она не любит недомолвок. Пример водорода в этом четко убеждает.
    Что общего у водорода со щелочными металлами? Только положительная валентность, равная единице. Только одинаковое устройство внешней электронной оболочки. А в остальном — ничего похожего. Водород — газ, водород — неметалл. Водород образует молекулу из двух атомов. Все же прочие элементы первой группы — классические металлы, самые энергичные в химических реакциях. Размахивая своим единственным электроном, водород лишь пытается рядиться под щелочные металлы. А по сути своей он им чужак.
    Большой дом устроен так, что в каждом пролете друг над другом обитают родственные элементы. Они-то и составляют группы и подгруппы в периодической системе. Это закон для жильцов Большого дома. Попав в первую группу, водород этот закон невольно нарушает.


    Куда же податься бедняге водороду? Но ведь в периодической системе целых девять групп, девять пролетов в Большом доме. И только в так называемой нулевой облюбовал себе квартиру гелий — сосед водорода по первому этажу. В остальных места свободны. Смотрите, сколько возможностей для перепланировки первого этажа, чтобы найти водороду истинное «место под солнцем»!
    Быть может, поселить его во второй группе у щелочноземельных металлов во главе с бериллием? Нет, они-то уж совсем не питают к водороду никаких родственных чувств. Третья, четвертая, пятая, шестая также открещиваются от него. Седьмая? Стоп! Стоящие в ней галогены — фтор, хлор, бром и так далее — готовы протянуть водороду руку дружбы.
    …Встречаются двое детей.
    — Тебе сколько лет?
    — Столько-то.
    — И мне столько-то.
    — А у меня есть велосипед!
    — А у меня тоже!
    — У тебя папа кто?
    — Шофер!
    — Ух ты, и у меня тоже!
    — Давай дружить?
    — Давай!
    — Ты неметалл? — спрашивает фтор у водорода.
    — Неметалл!
    — Ты газ?
    — Точно.
    — Мы тоже, — говорит фтор, кивая на хлор.
    — А у меня молекула состоит из двух атомов! — сообщает водород.
    — Скажи-ка! — удивленно произносит фтор. — Прямо как у нас.
    — А можешь ли ты проявлять отрицательную валентность, принимать добавочные электроны? Мы страшно любим это делать!
    — Конечно! С теми же самыми щелочными металлами, которые меня недолюбливают, я образую водородные соединения — гидриды. И там моя валентность — минус единица.
    — Ну что ж! Пристраивайся к нам! Будем дружить!
    Поселяется водород в седьмой группе. Надолго ли? Познакомившись как следует со своим новым родственником, кто-нибудь из галогенов разочарованно замечает:
    — А у тебя, брат, того… На внешней оболочке электронов-то маловато. Всего один… Как в первой группе. Шел бы ты лучше к щелочным металлам…
    Вот ведь какая беда с водородом: мест много, а поселиться — прочно, надежно, с полным правом — негде. Так и просится на бумагу «химическая» пословица: «водород, водород — элемент наоборот: от щелочных металлов отстал и к галогенам не пристал».
    Но почему? Где причина удивительной двуличности водорода? Почему водород ведет себя так необычно?
    Характерные свойства всякого химического элемента проявляются тогда, когда он вступает в соединение с другими. При этом он отдает или приобретает электроны. Они либо уходят с внешней электронной оболочки, либо входят в нее. Когда элемент теряет все электроны с наружной оболочки, то предыдущие сохраняются обычно неизменными. У всех элементов, кроме водорода. Стоит ему расстаться со своим единственным электроном, как остается голое атомное ядро. Остается протон. Он-то и представляет собой ядро водородного атома (впрочем, не всегда протон, но до этой важной тонкости мы с вами еще доберемся). А это значит, что химия водорода как бы является единственной в своем роде химией элементарной частицы — протона. В случае водорода протон активно влияет на ход реакций, в которые вступает этот элемент.
    Вот где разгадка столь непоследовательного поведения водорода.

Самый первый, самый удивительный…

    Открыл водород знаменитый английский физик сэр Генри Кавендиш. Самый богатый из ученых и самый ученый из богачей, как сказал о нем современник. Мы бы добавили: самый педантичный из ученых. Рассказывают, что, когда Кавендиш брал книгу из собственной библиотеки, он расписывался в формуляре. Самый сосредоточенный из ученых, всецело поглощенный наукой, он слыл нелюдимом. Но эти качества и позволили ему обнаружить новый газ — водород. Поверьте, это было нелегкой задачей!
    Открытие свершилось в 1766 году, а в 1783 году французский профессор Шарль запустил первый воздушный шар, наполненный водородом.


    И для химиков водород оказался ценнейшей находкой. Он помог, наконец, понять, как построены кислоты и основания — эти важнейшие классы химических соединений. Он стал незаменимым лабораторным реактивом — осаждал металлы из растворов солей, восстанавливал металлические окислы. Хотите парадокс? Будь водород открыт не в 1766 году, а, скажем, на полстолетия позже (право же, такое могло случиться), развитие химии, и теоретической и практической, задержалось бы надолго.
    Когда химики достаточно освоили водород, а практики стали использовать его для получения важных веществ, этот газ привлек внимание физиков. И те узнали массу сведений, которые сделали науку богаче во много раз.
    Хотите в этом убедиться? Водород становится твердым при температуре более низкой, чем любые другие жидкости или газы (кроме гелия), при минус 259,1 градуса по Цельсию, — раз. Атом водорода позволил датскому физику Нильсу Бору разработать теорию распределения электронов вокруг атомного ядра, без чего нельзя было бы понять физического смысла периодического закона, — два. А эти факты создали почву для других величайших открытий.
    Затем физики передали эстафету своим близким родственникам по профессии — астрофизикам. Они изучают состав и строение звезд. И астрофизики пришли к выводу, что водород во вселенной — это элемент номер один. Он главная составная часть Солнца, звезд, туманностей и основной «наполнитель» межзвездного пространства. Водорода в космосе больше, чем всех остальных химических элементов, вместе взятых. Не то что на Земле, где его менее одного процента.


    Именно от водорода ведут ученые длинную цепочку превращений атомных ядер. Цепочку, которая привела к образованию всех химических элементов, всех атомов до единого. Наше Солнце, все звезды светят потому, что в них происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и выделяется огромное количество энергии. Видный химик на Земле, водород — выдающийся химик в космосе.
    А вот еще одно удивительное свойство: атом водорода испускает радиоизлучение с длиной волны в 21 сантиметр. Это так называемая мировая константа, общая для всей вселенной. И ученые подумывают о том, нельзя ли организовать радиосвязь на водородной волне с другими обитаемыми мирами. Если там живут разумные существа, они должны иметь представление об этой величине: 21 сантиметр…

Сколько на земле водородов?

    Получить Нобелевскую премию — высшая награда для ученого. Ученых в мире великое множество, но лишь немногим более ста удостоились этой чести. За самые выдающиеся из выдающихся открытий.
    В почетный список попали в 1932 году Мэрфи, Юри и Брикведе.
    Раньше думали, что на Земле существует только один водород. С атомным весом единица. Мэрфи и его коллеги обнаружили вдвое более тяжелого собрата водорода. Изотоп с атомным весом 2.
    Изотопами называются такие разновидности атомов, у которых одинаковый заряд, но разные атомные веса. Или по-другому: в ядрах атомов изотопов содержится равное число протонов, но разное — нейтронов. Все химические элементы имеют изотопы: некоторые существуют в природе, некоторые получены искусственно с помощью ядерных реакций.
    Изотоп водорода, ядро которого — голый протон, называется протий, и обозначают его так: 1Н. И это единственный пример атомного ядра, вообще не содержащего нейтронов (вот еще одна уникальная особенность водорода!).


    Добавляем мы к этому протону-одиночке нейтрон, и перед нами ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия (2H, или D). Протия в природе не в пример больше, чем дейтерия, — свыше 99 процентов.
    Но оказывается, существует и третья разновидность водорода (имеющая два нейтрона в ядре) — тритий (3Н, или Т). Он непрерывно рождается в атмосфере под действием космических лучей. Рождается, чтобы сравнительно быстро исчезнуть. Он радиоактивен и, распадаясь, превращается в изотоп гелия (гелий-3). Трития крайне мало: во всей земной атмосфере лишь 6 граммов. На 10 кубических сантиметров воздуха приходится один атом трития. А совсем недавно ученым удалось искусственно получить еще более тяжелые изотопы водорода — 4Н и 5Н. Они-то уж совсем неустойчивы.
    То, что у водорода есть изотопы, не выделяет его среди химических элементов. Выделяет другое: изотопы водорода довольно заметно разнятся по свойствам, прежде всего по физическим. Изотопы других элементов почти совершенно неразличимы.
    У каждой разновидности водорода свое лицо. И, вступая в химические реакции, они ведут себя по-разному. Протий, например, активнее дейтерия. Изучая поведение изотопов водорода, ученые открыли совершенно новую область науки — химию изотопов. Ведь привычная нам химия имеет дело с элементами в целом, с совокупностью изотопов. А химия изотопов занимается отдельными изотопами. Она помогает исследователям постигать самые тонкие детали различных химических процессов.

Химия = физика + математика!

    Что бы вы сказали про строителей, которые сперва построили здание, а уж когда подвели под крышу, дали проектировщикам задание: рассчитать, правильно ли все построено?
    Это скорее эпизод из сказки о государстве, где все делалось наоборот…
    Но именно такая судьба постигла периодическую систему элементов. Большой дом сначала был возведен, химические элементы расселены каждый в своей квартире. Химики взяли таблицу Менделеева на вооружение. А почему свойства элементов периодически повторяются, этого они долгое время обосновать не могли.
    Объяснение дали физики. Они рассчитали конструкцию здания менделеевской системы на прочность. И выяснилась удивительная вещь: оно построено совершенно правильно. В соответствии со всеми законами «химической механики». Так что остается преклоняться перед поистине гениальной интуицией Менделеева, интуицией и глубочайшим знанием химии.
    Физики начали с того, что решили подробно разобраться в строении атома.
    Его сердце — ядро. Вокруг крутятся электроны. Их столько, сколько положительных зарядов в ядре. Скажем, у водорода — один, у калия — девятнадцать, у урана — девяносто два… Как кружатся? Хаотически, подобно рою ночных бабочек, вьющихся вокруг лампочки? Или в каком-то определенном порядке?
    Чтобы это выяснить, ученым пришлось призвать на помощь новые физические теории и разработать новые математические методы. И вот что оказалось: электроны движутся вокруг ядра по определенным оболочкам, подобно планетам вокруг Солнца.
    — Сколько электронов помещается на каждой оболочке? Сколько угодно или же ограниченное число? — спрашивали химики.
    — Строго ограниченное! — отвечали физики. — Все электронные оболочки обладают конечной емкостью.
    У физиков свои символы — обозначения электронных оболочек. Латинские буквы — K, L, M, N, O, P, Q. Так называют оболочки в порядке их удаления от ядра.
    Физика вкупе с математикой подробно расписала, сколько электронов содержится в каждой из них.
    В К-оболочке может быть 2 электрона, никак не больше. Первый из них появляется в атоме водорода, второй в атоме гелия. Потому-то первый период менделеевской таблицы состоит всего из двух элементов.
    Значительно больше, а именно 8 электронов, способна вместить L-оболочка. Первый принадлежащий ей электрон мы обнаруживаем у атома лития, а последний — в атоме неона. Элементы от лития до неона образуют второй период системы Дмитрия Ивановича Менделеева.
    А сколько электронов в следующих оболочках? В М-оболочке — 18, в N — 32, в О — 50, в Р — 72 и так далее.
    Если два элемента имеют одинаково устроенные внешние электронные оболочки, то и свойства этих элементов подобны. Скажем, литий и натрий содержат на внешней оболочке по одному электрону. Поэтому они помещаются в одну и ту же группу периодической системы, в первую. Видите: номер группы равен числу валентных электронов у атомов входящих в нее элементов.
    И вот вывод: одинаковое строение внешних электронных оболочек периодически повторяется. Потому периодически повторяются и свойства химических элементов.

Еще немного математики

    Логика существует во всем. Даже в самом непонятном явлении есть своя логика. Поначалу она не всегда заметна. Тогда появляется несоответствие. Для любой теории, любой гипотезы несоответствие — дело неприятное. Оно либо выявит ошибочность теории, либо заставит крепко задуматься. И часто бывает, что раздумья помогают проникнуть глубже в суть непонятного.
    Вот один из примеров подобного несоответствия. Только в первых двух периодах менделеевской таблицы соблюдается равенство: элементов в каждом из этих периодов ровно столько, сколько максимально содержит электронов соответствующая внешняя электронная оболочка. Так, у атомов элементов первого периода — водорода и гелия — заполняется К-оболочка. В ней не может быть больше двух электронов, и потому в первом периоде всего два элемента. В атомах элементов второго периода — от лития до неона — полностью формируется восьмиэлектронная оболочка, и потому второй период содержит восемь электронов.
    Дальше картина усложняется.
    Посчитайте, сколько элементов в следующих периодах. В третьем — 8, в четвертом — 18, в пятом — 18, в шестом — 32, в седьмом (пока что не завершенном) тоже должно быть 32. А в соответствующих оболочках? Здесь совсем другие цифры: 18, 32, 50, 72…
    Не поспешили ли мы с выводом, что физики не обнаружили никаких изъянов в здании периодической системы, взявшись объяснить его устройство? Хорошо, если бы у обитателей каждого этажа Большого дома происходило заполнение определенной электронной оболочки и начиналось бы оно у щелочного металла, а кончалось у инертного газа. Емкость периода равнялась бы емкости электронной оболочки…
    Увы, об этом мы вынуждены говорить в сослагательном наклонении: если бы да кабы… На деле баланс не сходится. Третий период менделеевской таблицы вмещает меньше обитателей, чем электронов в третьей оболочке, М-оболочке. И так далее.
    Грустное несоответствие… Но в нем, в этом несоответствии, и заключается разгадка глубинной сущности периодической системы.
    Смотрите: третий период завершился у аргона, но третья М-оболочка в его атоме еще не достроена. Ведь она должна содержать 18 электронов, а пока что тут всего 8. За аргоном следует калий. Это уже элемент четвертого периода, первый обитатель четвертого этажа, но, вместо того чтобы поместить очередной электрон в третью оболочку, атом калия предпочитает перекинуть его в четвертую, N-оболочку. Здесь нет никаких случайностей, а опять лишь строгая закономерность, установленная физиками. Просто не могут существовать атомы, у которых на внешней оболочке более 8 электронов. Сочетание 8 внешних электронов — устройство весьма прочное.
    У кальция, ближайшего соседа калия, очередному электрону также «выгоднее» разместиться на внешней оболочке. При этом атом кальция будет обладать наименьшим запасом энергии, чем при любой другой комбинации распределения электронов. Но уже у скандия, следующего за кальцием, стремление продолжить застройку наружной оболочки атома исчезает. Его электрон «ныряет» в предыдущую, не достроенную ранее М-оболочку. А поскольку в ней осталось десять вакантных мест (ведь мы уже знаем, что максимальная емкость М-оболочки составляет 18 электронов), то на протяжении ряда из десяти элементов от скандия до цинка атомы постепенно достраивают М-оболочку. У цинка, наконец, все электроны М-оболочки в сборе. А далее начинает принимать электроны снова N-оболочка. Оказывается, на ней 8 электронов, и перед нами инертный газ криптон. У рубидия повторяется история уже знакомая: пятая оболочка появляется ранее, чём завершилась четвертая.
    Такое ступенчатое заполнение электронных оболочек — «норма поведения» для обитателей таблицы Менделеева начиная с четвертого периода. Это основа железного распорядка Большого дома химических элементов.
    Поэтому-то в нем выделяются главные и побочные подсекции. Те элементы, где заполняются внешние электронные оболочки, входят в состав главных подгрупп. У которых достраиваются предыдущие, принадлежат к побочным.
    Но четвертая, N-оболочка строится не сразу. Напротив, ее заполнение растягивается на целых три этажа Большого дома. Первый относящийся к ней электрон появляется у калия, который обитает в квартире номер 19. А 32-й электрон вмещается в нее только у лютеция, представителя шестого периода таблицы. Его порядковый номер 71.
    Как видите, несоответствие обернулось для нас положительной стороной. Пытаясь его объяснить, мы вместе с физиками глубже разобрались в строении периодической системы.

Как химики встретились с неожиданным

    Есть у английского писателя Герберта Уэллса великолепный фантастический роман «Война миров». О нашествии на Землю посланцев Марса.
    Вспомните: погиб последний марсианин, земная жизнь начала входить в обычную колею, и оправившиеся от потрясений ученые кинулись исследовать немногое, что осталось от неожиданных пришельцев соседней планеты. В том числе и таинственную черную пыль, служившую марсианам для истребления земной жизни.
    После нескольких неудачных экспериментов, кончавшихся страшными взрывами, выяснили: злополучное вещество представляет собой соединение инертного газа аргона с каким-то неизвестным еще на Земле элементом.
    Однако когда великий фантаст дописывал последние строки своего произведения, химики были абсолютно уверены, что аргон ни с чем и ни при каких условиях соединяться не может. Множество реальных опытов убедило их в этом.
    Аргон назвали инертным газом. По-гречески «инертный» значит «бездеятельный». Аргон входит в состав целой плеяды химических ленивцев, которую составляют гелий, неон, криптон, ксенон, радон.
    В периодической системе они образуют так называемую нулевую группу. Потому что валентность этих элементов равна нулю. Ни отдавать, ни принимать электроны атомы инертных газов не способны.
    Как только не пытались воздействовать на них химики! И нагревали до температур, при которых самые тугоплавкие металлы становились бурлящей огненной жидкостью; и охлаждали до такого состояния, что инертные газы превращались в лед; и пропускали через них сильнейшие электрические разряды; и подвергали действию самых яростных химических реагентов. Тщетно!
    Там, где другие элементы давно бы спасовали, вступили в химические соединения, инертные газы оставались бесстрастными. «Не тратьте понапрасну силы, — словно говорили они исследователям, — мы вовсе не желаем вступать в реакции. Мы выше этого!» И за свое высокомерие заслужили от химиков еще один титул: «благородные газы». Но, право же, в нем чувствуется оттенок иронии…
    Крукс, который обнаружил в земных минералах гелий, мог гордиться: он подарил миру новый, реально существующий химический элемент. Химический?! Сэр Вильям Крукс дорого бы отдал за то, чтобы заставить гелий вести себя подобно другим обитателям таблицы Менделеева — соединяться с водородом, с кислородом, с серой. Чтобы почтенные профессора могли рассказывать со своих кафедр об окислах и солях гелия…
    Но гелий, первый в группе инертных газов, не оправдал надежд. В самом конце прошлого столетия соотечественники Крукса Рамзай и Рэлей открыли неон и аргон, криптон и ксенон. Затем список химических лодырей завершил радон. Все они были элементами со своими атомными весами. Но, честное слово, рука не поднималась написать рядом со словами, скажем, «элемент аргон» слово «химический».
    И ученые выселили высокомерное семейство благородных газов на окраину таблицы Менделеева, пристроили к ней новую секцию, нулевую группу. А в учебниках химии записали: есть среди химических элементов такие, что ни при каких условиях не способны вступать в соединения.
    Ученые были огорчены: шесть элементов отнюдь не по их воле выпадали из сферы деятельности химической науки.

Разгадка, которая не принесла утешения

    В растерянности на первых порах оказался и сам Дмитрий Иванович Менделеев. Поначалу он даже высказал «спасительную» мысль. Нет, аргон вовсе не новый элемент. Это очень своеобразное соединение азота, молекула которого состоит из трех атомов, N3. Подобно тому как наряду с кислородной молекулой O2 известна молекула озона O3.
    Факты в конце концов убедили Менделеева в ошибке, и он признал правоту Рамзая. Все учебники мира называют теперь английского ученого первооткрывателем плеяды благородных газов. И никто не пытается это оспаривать.
    …Двадцать лет томился в застенках Шлиссельбургской крепости народоволец Николай Морозов. В годы Советской власти он стал ученым с мировым именем. Крепкие стены каменного мешка не раздавили в нем воли к научному творчеству. Он постоянно и упорно работал, и рождались у него идеи и гипотезы одна другой смелее и оригинальнее. В крепости Морозов завершил исследование, посвященное периодической системе. И в нем он предсказал существование элементов, которые должны быть химически неактивными.
    Когда Морозов вышел на свободу, инертные газы были уже открыты и нашли свое место в таблице элементов…
    Рассказывают, что незадолго до смерти Менделеева его посетил Морозов и два наших великих соотечественника долго говорили о периодическом законе. Увы, содержание беседы неизвестно и, видимо, навсегда останется загадкой.
    Немного не дожил Менделеев до раскрытия тайны инертности благородных газов. А тайна эта заключалась в следующем.
    Физики, которые так часто приходили и приходят на помощь химикам, установили: внешняя оболочка, содержащая 8 электронов, чрезвычайно устойчива. Она своеобразный идеал прочности электронной оболочки. И следовательно, ей нет никакого резона терять или, наоборот, набирать себе лишние электроны.


    Вот где основа «благородства» инертных газов: 8 электронов на внешней оболочке. Или 2 — в случае атома гелия. Двухэлектронная оболочка его не уступает в прочности восьмиэлектронной у других химических ленивцев.
    И другое стало ясно химикам: пристройка к таблице Менделеева нулевой группы — не вынужденная мера. Без нее периодическая система выглядела бы зданием недостроенным. Ведь каждый ее период заканчивается инертным газом. Дальше начинается заполнение следующей электронной оболочки, вырастает очередной этаж Большого дома.


    Видите, все объяснилось довольно просто. Благородные газы, несмотря на сей аристократический титул, обнаружили способность к практической деятельности: гелием стали заполнять воздушные шары и дирижабли, он начал помогать водолазам в борьбе с кессонной болезнью; аргоновые и неоновые рекламы расцветили ночные улицы городов.
    Но, может, «все-таки она вертится!»? Может, физики чего-то недодумали, чего-то недорассчитали, а химики не использовали весь арсенал средств, заставляющих вещества реагировать друг с другом?

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

    — Две параллельные прямые никогда не пересекутся! — утверждала геометрия устами величайшего математика древности Эвклида.
    — Нет, должны пересечься! — заявил в середине прошлого столетия русский ученый Николай Лобачевский.
    И родилась новая геометрия — неэвклидова.
    — Бред и фантазия! — так реагировали на нее на первых порах многие сильные научного мира сего.
    Но без геометрии Лобачевского не было бы ни теории относительности, ни смелых представлений о том, каким законам подчиняется устройство вселенной.
    Перу Алексея Толстого принадлежит роман «Гиперболоид инженера Гарина».
    — Превосходная фантастика, — заявили о нем литературоведы всего мира.
    — Фантазия, которая никогда не сможет стать реальностью! — вторили им ученые.
    Лишь каких-то пятнадцать лет не дожил Толстой до момента, когда из кристалла рубина вырвался световой луч невиданной яркости и мощи и слово «лазер» вошло в лексикон отнюдь не одних только специалистов.
    …Химики-энтузиасты упрямо верили в возможность покорить неслыханное упорство инертных газов. Если мы возьмем на себя труд полистать уже начавшие желтеть страницы научных журналов двадцатых, тридцатых, сороковых годов, нам попадется немало любопытных статей и заметок. Они подтвердят: химики не отказались от мечты вовлечь инертные газы в сферу своей деятельности.
    С этих страниц смотрят на нас необычные формулы. Они повествуют об удивительных веществах, соединениях гелия со ртутью, палладием, платиной, другими металлами. Одно лишь плохо: это не те химические соединения, которые хотелось бы получить. Двухэлектронная оболочка гелия в них остается незыблемой, а существуют они только при очень низкой температуре. В царстве абсолютного нуля…
    Дальше листаем химические журналы — еще новость: советский химик Никитин приготовил куда менее сказочные соединения ксенона и радона с водой, фенолом и некоторыми другими органическими жидкостями: Xe · 6Н2O, Rn · 6Н2О. Они устойчивы в обычных условиях, их нетрудно получить, но…
    Но по-прежнему химическая связь здесь ни при чем. Атомы ксенона и радона свято блюдут совершенство своих внешних оболочек: 8 электронов было, 8 осталось. Больше пятидесяти лет прошло со времени открытия инертных газов, а «воз и ныне там».
    …Завершится двадцатое столетие — самое бурное, самое памятное из всех прошедших веков человеческой истории. И ученые подведут итог тому, каких высот в этом столетии достигла научная мысль. В нескончаемом перечне выдающихся открытий на видном месте окажется «Получение химических соединений инертных газов». А какой-нибудь восторженный комментатор добавит: одно из самых сенсационных открытий.
    Сенсация? Полно! Скорее романтическая история. Или даже история о том, как просто иногда может решиться проблема, которая десятилетиями мучила многих ученых своей неразрешимостью…
    В наши дни химия напоминает могучее дерево с огромной, все разрастающейся кроной. Одному человеку уже не под силу изучать целую ветку. Чаще всего исследователь затрачивает годы, чтобы подробно ознакомиться с маленькой веточкой, с почкой, с чуть заметным ростком. Из тысяч таких исследований складывается знание о той или иной ветви.
    «Веточкой», которую изучал канадский химик Нейл Бартлетт, было соединение, на языке химии именуемое гексафторид платины, PtF6. Не случайно ученый уделял много внимания этому веществу. Соединения фтора с тяжелыми металлами — очень интересные вещества, очень нужные для науки и для практики. Например, для разделения изотопов урана — урана-235 и урана-238 — для нужд ядерной энергетики. Отделить один изотоп от другого — дело весьма сложное, но с помощью гексафторида урана UF6 их удается рассортировать. Кроме того, фтористые соединения тяжелых металлов — очень активные химические вещества.
    Бартлетт подействовал на PtF6 кислородом и получил крайне любопытное соединение. Кислород в нем содержался в виде положительно заряженной молекулы O2. Молекулы, потерявшей один электрон. Что здесь удивительного? То, что оторвать электрон от кислородной молекулы чрезвычайно трудно. Нужно затратить много энергии. Шестифтористая платина оказалась способной отобрать электрон у кислородной молекулы.
    Чтобы удалить электрон с внешней оболочки атомов инертных газов, также требуется весьма много энергии. Тут есть закономерность: чем тяжелее инертный газ, тем энергия меньше. И оказалось: заставить атом ксенона распрощаться с одним электроном все-таки проще, чем оторвать его от молекулы кислорода.
    А значит… Вот где начинается самое интересное! Бартлетт решил заставить шестифтористую платину выступить в роли похитителя электрона у ксенонового атома. И достиг успеха — в 1962 году родилось первое в мире химическое соединение инертного газа. Выглядит оно так: XePtF6. И в достаточной степени устойчивое. Не то что какие-нибудь экзотические соединения гелия с платиной или ртутью.


    Это едва заметное зернышко сразу дало побег. Побег, который стал расти со скоростью бамбука, — новое направление химии, химию инертных газов. Еще вчера многие серьезные ученые были скептиками; сегодня они держат в руках более тридцати настоящих химических соединений инертных газов. Главным образом фторидов ксенона, криптона и радона.
    А стало быть, миф о незыблемости внешней электронной оболочки благородных газов рухнул!
    Как построены молекулы различных соединений инертных газов? Ученые только-только начинают в этом разбираться. Выходит, что атомы могут располагать гораздо большим запасом валентных сил, чем считалось раньше.
    На признании особой прочности, незыблемости восьмиэлектронной оболочки строились прежде представления о валентности. А теперь ученым приходится задуматься: так ли уж все ясно в этих теориях? Может, вам доведется вместе с ними обнаружить новые закономерности…

Новое несоответствие? Как с ним справиться?

    …Рассказывают также: пришел в научно-исследовательский институт задумчивый человек с солидной папкой в руках. Разложил перед учеными свои бумаги. И тоном, не терпящим возражений, сказал:
    — В таблице Менделеева должно быть лишь семь групп элементов — ни более и ни менее!
    — Как так? — удивились видавшие виды ученые.
    — А очень просто! Ведь в числе «семь» сокрыт великий смысл! Семь цветов радуги, семь нот в музыкальной гамме…
    Ученые поняли, что имеют дело с не совсем нормальным человеком. И попытались обратить притязания новоявленного перестройщика менделеевской таблицы в шутку.
    — Не забудьте, что в человеческой голове имеется семь отверстий! — улыбнулся один.
    — И про семь пядей во лбу тоже! — произнес другой.
    …Такой случай произошел как-то в одном из московских институтов.
    Подобных случаев в истории периодической системы было видимо-невидимо. Перекроить ее пытались многократно. Иногда это имело определенный смысл. Но чаще всего оказывалось стремлением иных авторов соригинальничать.
    В 1969 году великое открытие Менделеева празднует столетний юбилей. И надо же было так сложиться обстоятельствам, что накануне этой выдающейся даты даже серьезные химики начали задумываться: в периодической системе придется кое-что перестроить…


    Были времена, когда у ученых язык не поворачивался назвать элементы нулевой группы химическими. Теперь иное дело. Элементы нулевой группы как-то неудобно стало именовать, инертными. Что ни месяц в химических журналах появляется несколько статей по химии инерт… виноваты, элементов нулевой группы. Из разных стран приходят сведения о синтезе новых химических соединений криптона, ксенона, радона… Двух-, четырех-, шестивалентный ксенон, четырехвалентный криптон — эти термины, столь сумасшедшие какое-то десятилетие назад, стали теперь обиходными.
    — Над таблицей Менделеева навис кошмар фторидов ксенона! — ужаснулся один видный ученый.
    Пусть сказано громко, однако развеять «кошмар» необходимо. Уже теперь… Но как?
    Вот что предлагают ученые: понятие «нулевая группа» сдать в архив истории науки. А все некогда инертные газы поместить в восьмую. Благо у них на внешней оболочке 8 электронов…
    Позвольте! Ведь восьмая группа уже существует, ее «встроил» в таблицу не кто иной, как сам Менделеев. Девять элементов в ней: железо, кобальт, никель, рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина.
    С ней что прикажете делать?
    Иными словами, химики лицом к лицу столкнулись с новым несоответствием. Привычные контуры менделеевской таблицы вот-вот должны измениться.
    «Всегда что-то мешает» — гласит латинская пословица. Этой перемене контуров мешает «старая» восьмая группа. Куда ее переместить?

«Всесъедающий»

    Так назвал его выдающийся советский ученый Александр Евгеньевич Ферсман. Ибо нет на свете элемента более яростного, нет в природе вещества химически более активного, чем герой настоящего очерка. И вообще вы не встретите его в природе в свободном виде, только лишь в форме соединений.
    Его имя фтор. В переводе с греческого «разрушающий». Вот второй, не менее энергичный термин, характеризующий главную особенность этого представителя седьмой группы таблицы Менделеева.
    Кто-то сказал однажды: «Путь к свободному фтору вел через человеческие трагедии…» Это не красивая фраза. Сто четыре элемента обнаружили люди В поисках новых простых веществ исследователи преодолели множество трудностей, пережили массу разочарований, становились жертвами курьезных ошибок. Погоня за следами неизвестных элементов отнимала у ученых много сил.
    Фтор, элемент фтор в свободном виде, отнимал жизни.
    Велик скорбный перечень борцов, пострадавших при попытках получить свободный фтор. Член Ирландской академии наук Нокс, французский химик Никлес, бельгийский исследователь Лайет — вот жертвы «всесъедающего». А сколько ученых получили серьезные травмы? Среди них выдающиеся химики французы Гей-Люссак и Тенар, англичанин Гем фри Дэви… Несомненно, существовали и безвестные исследователи, которым фтор отомстил за дерзкую попытку выделить его из соединений.
    Когда Анри Муассан 26 июня 1886 года докладывал Парижской академии наук, что ему удалось, наконец, получить свободный фтор, один глаз ученого был закрыт черной повязкой…
    Француз Муассан первым узнал, что представляет собой элемент фтор в свободном виде. И что греха таить, многие химики попросту боялись работать с этим элементом.
    Ученые двадцатого столетия нашли способы обуздать ярость фтора, отыскали пути поставить его на службу человеческой практике. Химия этого элемента стала теперь большой самостоятельной областью неорганической химии.


    Грозный «джинн из бутылки» был укрощен. И труды многочисленных борцов за свободный фтор окупались сторицей.
    Во многих образцах современных холодильников рабочей охлаждающей жидкостью является фреон. Химики называют это вещество сложнее: дифтордихлорметан. Фтор — непременная его составная часть.
    «Разрушающий», оказывается, способен образовывать соединения, которые фактически ничто не может сокрушить. Они не горят и не гниют, не растворяются ни в щелочах, ни в кислотах, свободный фтор бессилен их разрушить, они почти не чувствительны к арктическому холоду и мало реагируют на внезапную резкую смену температур. Одни из них — жидкости, другие — твердые вещества. Общее их имя фторуглероды, соединения, выдумать которые оказалось не под силу самой природе. Их получил человек. Очень полезным оказался союз углерода с фтором. Фторуглероды применяют как охлаждающие жидкости в моторах, для пропитки специальных тканей, как смазочные масла с очень продолжительным сроком действия, в качестве изоляционных материалов, как вещества для конструирования различных аппаратов химической промышленности.
    Когда ученые искали пути к овладению энергией ядра, им понадобилось разделить изотопы урана: уран-235 и уран-238. И такую сложнейшую задачу исследователям удалось, об этом уже говорилось, разрешить с помощью интересного соединения — шестифтористого урана.
    Именно фтор помог химикам доказать, что инертные газы вовсе уж не такие химические ленивцы, как считалось десятилетиями. Первое появившееся на свет соединение инертного газа ксенона было его соединение со фтором.
    Таковы успехи трудовой деятельности фтора.

«Философский камень» Геннинга Брандта

    Жил да был в средние века в немецком городе Гамбурге купец Геннинг Брандт. Мы не знаем, сколь изобретателен был он в своих торговых операциях, однако с уверенностью можем сказать, что о химии имел самые примитивные представления.
    Но и он не устоял перед соблазном попытаться сразу стать богачом. Дело было за малым: найти пресловутый «философский камень», который, по верованиям алхимиков, и булыжник мог превратить в золото.
    …Шли годы. Все реже вспоминали торговые люди имя Брандта, и когда вспоминали, грустно покачивали головами. А он тем временем растворял, перемешивал, просеивал, прокаливал разные минералы и снадобья, и его руки были покрыты незаживающими ожогами от кислот и щелочей.
    В один прекрасный вечер бывшему купцу улыбнулась фортуна. На дне реторты осело какое-то вещество, белое как снег. Оно быстро сгорало, образуя густой удушливый дым. И самое любопытное — светилось в темноте. Холодный свет был настолько ярок, что позволял читать старинные алхимические трактаты (они теперь заменяли Брандту деловые бумаги и расписки).
    …Так, случайно, открыли новый химический элемент фосфор. В переводе с греческого это слово означает «несущий свет», «светоносец».
    Многие светящиеся составы основной своей частью имеют фосфор. Помните знаменитую баскервилльскую собаку, за которой так долго охотился Шерлок Холмс? Ее пасть была намазана фосфором.
    Никакой другой представитель менделеевской таблицы не обладает столь своеобразной особенностью.
    Ценных и важных качеств у фосфора хоть отбавляй.
    Немецкий химик Молешотт некогда сказал: «Без фосфора нет мысли». И это действительно так, потому что в мозговых тканях содержится много сложных фосфорных соединений.
    Но без фосфора нет и самой жизни. Без него не могли бы протекать дыхательные процессы, мышцы не могли бы запасать энергию. Наконец, фосфор — один из важнейших строительных «кирпичиков» любого живого организма. В самом деле, основная составляющая часть костей — фосфорнокислый кальций.
    Ну скажите, чем не «философский камень», позволяющий превращать неживое в живое?
    И наконец, почему фосфор светится?
    Над кусочком белого фосфора — облако фосфорных паров. Они окисляются, и при этом выделяется большая энергия. Она возбуждает атомы фосфора, а благодаря этому и возникает свечение.

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

    Легко дышится после грозы. Прозрачный воздух словно напоен свежестью.
    Это не только поэтический образ. При грозовых разрядах образуется в атмосфере газ озон. Он-то и делает воздух чище.
    Озон — тот же кислород. Только молекула кислорода содержит два атома элемента, а в молекуле озона их три. О2 и О3 — казалось бы, атомом кислорода меньше, атомом больше, какая разница?
    Разница огромная: озон и кислород совершенно непохожие вещества.
    Без кислорода нет жизни. Напротив, озон в больших концентрациях способен убить все живое. Он, после фтора, сильнейший окислитель. Соединяясь с органическими веществами, озон моментально разрушает их. Все металлы, кроме золота и платины, под действием озона быстро превращаются в окислы.
    Он двулик! Убийца живого, озон в то же время во многом способствует существованию жизни на Земле.
    Этот парадокс легко объяснить. Солнечное излучение неоднородно. В его состав входят так называемые ультрафиолетовые лучи. Если бы все они достигали земной поверхности, жизнь на ней стала бы невозможной. Ибо эти лучи, несущие огромную энергию, смертоносны для живых организмов.


    К счастью, до поверхности Земли добирается лишь малая доля солнечного ультрафиолета. Большая же часть теряет свою силу в атмосфере на высоте 20–30 километров. На этом рубеже в воздушном одеяле планеты содержится много озона. Он-то и поглощает ультрафиолетовые лучи. (Кстати, одна из современных теорий происхождения жизни на Земле приурочивает появление первых организмов ко времени формирования озонового слоя в атмосфере.)
    Но людям необходим озон и на Земле. И в больших количествах.
    Им — и в первую очередь химикам — крайне нужны тысячи и тысячи тонн озона.
    Изумительную окислительную способность озона с удовольствием взяла бы на вооружение химическая промышленность.
    Озону поклонились бы и нефтяники. Нефть многих месторождений содержит серу. Сернистые нефти доставляют много хлопот, хотя бы тем, что быстро разрушают аппаратуру, например котельные топки на электростанциях. С помощью озона было бы легко обессеривать такие нефти. А за счет этой серы производство серной кислоты удалось бы удвоить, если не утроить.
    Мы пьем хлорированную водопроводную воду. Она безвредна, но ее вкус — это отнюдь не вкус родниковой воды. В питьевой воде, обработанной озоном, погибнут все болезнетворные микробы. И не будет досадного привкуса.
    Озон может обновлять старые автомобильные шины, отбеливать ткани, целлюлозу, пряжу. Он многое может. И потому ученые и инженеры работают над созданием мощных промышленных озонаторов.
    Вот он какой, озон! O3 ничуть не менее важен, чем O2.
    Философская мысль давно сформулировала принцип диалектики: переход количества в качество. Пример кислорода и озона — один из самых ярких примеров проявления диалектики в химии.
    Ученым известна еще и молекула из четырех атомов кислорода, O4. Правда, этот «квартет» крайне неустойчив и о его свойствах еще почти ничего не знают.

Проще простого, удивительнее удивительного…

    Шла до войны на экранах кинотеатров веселая комедия «Волга-Волга». И был в ней неунывающий водовоз, который распевал, подстегивая ленивых лошадей:
Потому что без воды —
И ни туды и ни сюды…

    Зрители улыбались, песенка даже вошла в поговорку.
    А если хотите, в этой непритязательной напевке скрыт, как говорят философы, глубочайший подтекст.
    Ибо вода для жизни — это вещество номер один. H2O. Атом кислорода плюс два атома водорода. Едва ли не первая химическая формула, которую узнает каждый. Попробуем себе представить, какой вид имела бы наша планета, исчезни с нее внезапно вода.
    …Мрачные зияющие «глазницы» морских и океанских впадин, покрытых толстым слоем солей, некогда растворенных в воде. Пересохшие русла рек, навек замолкнувшие родники. Горные породы, рассыпавшиеся в прах: ведь в их состав входило большое количество воды. Ни кустика, ни цветочка, ни единого живого существа на мертвой Земле. И над ней безоблачное небо жуткого, необычного цвета.
    Казалось бы, простейшее соединение, а без воды никакая жизнь — ни разумная, ни неразумная — невозможна.
    Давайте разберемся — почему?
    Прежде всего вода самое что ни на есть удивительное химическое соединение на свете.
    Когда Цельсий изобрел свой термометр, он положил в основу устройства две величины, или две константы: температуру кипения воды и температуру ее замерзания. Первую посчитал равной 100 градусам, вторую — нулю. И разделил промежуток между этими крайними точками на 100 частей. Так появился на свет первый прибор для измерения температуры.


    Но что бы подумал Цельсий, если бы знал: на деле-то вода должна замерзать отнюдь не при нуле градусов, а кипеть не при ста?
    Современные ученые установили: вода в этом случае выступает в роли великого обманщика. Она самое аномальное соединение на земном шаре.
    Вот что говорят ученые: вода должна закипать при температуре на 180 градусов более низкой. При минус 80 градусах. Во всяком случае, закипать при подобной антарктической температуре предписывают ей правила распорядка, царящие в периодической системе.
    Свойства элементов, входящих в ту или иную группу периодической системы, изменяются довольно закономерно, когда мы переходим от легких элементов к тяжелым. Скажем, температуры кипения. Свойства соединений меняются тоже не бог весть как. Они зависят от положения элементов, из которых построены молекулы, в таблице Менделеева. В том числе и свойства водородных соединений, гидридов элементов, входящих в одну и ту же группу.
    Воду можно назвать гидридом кислорода. Кислород — член шестой группы. Здесь располагаются сера, селен, теллур, полоний. Молекулы их гидридов устроены одинаково с молекулой воды: H2S, H2Se, H2Te, H2Рo. Для каждого из них известны температуры кипения, они довольно правильно изменяются при переходе от серы к ее более тяжелым собратьям. И вот что оказывается: температура кипения воды из этого ряда весьма резко выпадает. Она гораздо выше, чем ей положено. Вода словно не желает считаться с правилами поведения, что установлены для таблицы Менделеева. На 180 градусов откладывает она процесс своего перехода в парообразное состояние. И это первая удивительная аномалия воды.
    Вторая связана с ее замерзанием. Статут периодической системы предписывает: вода должна затвердевать при температуре 100 градусов ниже нуля. Вода это требование жестоко нарушает и превращается в лед при нуле градусов.
    И вот к какому любопытному выводу приводит это своеволие воды: на Земле ее жидкое и твердое состояние является ненормальным. «По штату» ей следовало бы пребывать лишь в виде пара. Вообразите себе мир, где свойства воды подчинялись бы строгим закономерностям периодической системы. Для фантастов этот уникальный факт — весьма благодатная почва для написания увлекательных романов и повестей. Для нас же с вами, как и для ученых, лишнее подтверждение, что менделеевская таблица куда более сложное сооружение, чем может показаться на первый взгляд. И характеры ее обитателей очень уж напоминают характеры живых людей, их просто нельзя ограничить определенными рамками. У нашей воды характер своевольный…
    Но почему?
    Потому, что молекулы воды устроены особенным образом и благодаря этому обладают необычайно сильной способностью притягиваться друг к другу. Тщетно мы стали бы искать в стакане воды молекулы-одиночки. Они образуют группы, которые ученые называют ассоциациями. И формулу воды правильнее было бы записать (H2O)n, где n — обозначает число молекул в ассоциации.
    Разрываются эти ассоциативные связи между молекулами воды с очень большим трудом. Потому она и плавится и кипит при гораздо более высоких температурах, чем следовало бы ожидать.

«Лед неокрепший на речке студеной…»

    В 1913 году печальное известие облетело весь мир. Погиб, столкнувшись с айсбергом, гигантский океанский лайнер «Титаник». По-разному объясняли эксперты причины катастрофы. Сошлись на том, что в тумане капитан не разглядел огромную плавающую ледяную гору и, налетев на нее, корабль окончил свое земное существование.
    Если мы посмотрим на это прискорбное событие глазами химика, то придем к весьма неожиданному выводу: «Титаник» пал жертвой еще одной аномалии воды.
    Устрашающие ледяные глыбы — айсберги плавают, подобно пробке, на поверхности воды. Глыбы в десятки тысяч тонн.
    И все потому, что лед легче воды.
    Попробуйте расплавить любой металл и в расплав бросить кусок того же металла: он моментально утонет. В твердом состоянии любое вещество имеет большую плотность, чем в жидком. Лед и вода — удивительное исключение из этого правила. Не будь этого исключения, все водоемы средних широт быстро промерзли бы до дна: все живое бы тут погибло.
    Вспомните некрасовские стихи:
Лед неокрепший на речке студеной,
Словно как тающий сахар лежит…

    Стукнут сильные морозы, лед окрепнет. Потянется по реке зимняя дорога. Но под толстым слоем льда, как и прежде, будет струиться вода. Река не промерзнет до дна.
    Лед, твердое состояние воды, — вещество исключительно своеобразное. Существует несколько видов льдов. В природе известен один, тот, что плавится при нуле градусов. Ученые в лабораториях, применяя высокие давления, получили еще шесть ледяных разновидностей. Самый сказочный из них (лед VII), найденный при давлении больше 21 700 атмосфер, можно было бы назвать раскаленным льдом. Он плавится при температуре 192 градуса выше нуля, при давлении в 32 тысячи атмосфер.
    Казалось, что может быть обыденнее картины таяния льда. Но какие удивительные вещи при этом происходят!
    Любое твердое вещество после плавления начинает расширяться. Вода же, получающаяся при таянии льда, ведет себя совсем иначе: она сжимается и лишь затем, если температура продолжает повышаться, начинает расширяться. Это происходит опять-таки из-за сильной способности молекул воды взаимно притягиваться. При четырех градусах выше нуля такая способность проявляется особенно резко. А потому при этой температуре вода обладает наибольшей плотностью; потому наши реки, пруды и озера даже при самых жестоких холодах не промерзают до дна.
    Вы радуетесь приходу весны, восхищаетесь прекрасными деньками золотой осени. Радостная весенняя капель и багряный убор лесов…
    Опять же аномальное свойство воды!
    Чтобы растаял лед, нужно много тепла. Несравненно больше, чем для плавления любого другого вещества, взятого в таком же количестве.
    Когда вода замерзает, это тепло снова выделяется. Лед и снег, отдавая тепло обратно, подогревают землю и воздух. Они смягчают резкий переход к суровой зиме и позволяют осени воцариться на несколько недель. Весной же таяние льда задерживает наступление знойных дней.

Сколько вод на земле?

    Три изотопа водорода нашли в природе ученые. И каждый из них может вступать в соединение с кислородом. Стало быть, можно говорить о трех сортах воды — протиевой, дейтериевой и тритиевой: H2O, D2O и T2O.
    Но могут быть и «смешанные» воды, когда в состав молекул входит, скажем, атом протия и атом дейтерия или атом дейтерия и атом трития. Тогда список вод увеличивается. HDO, HTO и DTO.
    Но и кислород, входящий в состав воды, также представляет собой смесь трех изотопов: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Самый распространенный из них — первый.
    Если мы учтем эти разновидности кислорода, количество возможных вод увеличится еще на 12. Черпнув кружку воды из озера или реки, вы, наверное, и не подозреваете, что имеете дело с восемнадцатью различными сортами воды.
    Так что вода, откуда бы мы ее ни взяли, представляет собой смесь различных молекул. От самой легкой — H2O16 до самой тяжелой — T2O18. Химики могут приготовить каждую из восемнадцати вод в чистом виде.
    Изотопы водорода заметно различаются по своим свойствам. А как ведут себя разные сорта вод? Они тоже кое в чем непохожи друг на друга. Например, отличны их плотности, температуры замерзания и кипения.
    И в то же время содержание различных вод в природе всегда и всюду разное.
    Например, в воде, налитой из водопроводного крана, тяжелой дейтериевой воды D2O содержится 150 граммов на тонну. А в тихоокеанской заметно больше: около 165 граммов. В тонне льда кавказских ледников тяжелой воды на 7 граммов больше, чем в кубическом метре речной воды. Словом, по своему изотопному составу вода повсеместно различается. Так происходит потому, что в природе непрерывно протекает грандиозный процесс изотопного обмена. Разные изотопы водорода или кислорода в различных условиях непрерывно замещают друг друга.
    Нет ли какого-либо другого природного соединения, у которого насчитывалось бы столь же большое количество разновидностей? Нет.
    Конечно, мы имеем дело главным образом с протиевой водой. Но и прочие воды никак нельзя сбрасывать со счетов. Кое-какие из них находят широкое применение в практике. Особенно тяжелая вода D2O. Ее используют в ядерных реакторах для замедления нейтронов, вызывающих деление урана. Кроме того, ученые пользуются разными сортами воды в исследованиях по химии изотопов.
    Восемнадцать сортов — и не больше? Оказывается, разновидности вод могут быть куда более многочисленными. Ведь, кроме природных изотопов кислорода, существуют и радиоактивные, искусственно приготовленные: кислород-14, кислород-15, кислород-19 и кислород-20. А недавно увеличилось количество новых водородов: мы уже говорили о 4Н и 5Н.
    Стоит принять во внимание искусственные изотопы водорода и кислорода, как в перечне всевозможных вод окажется более сотни наименований. Впрочем, вы сами можете легко подсчитать точное их количество…

Вода «живая», животворная, вездесущая…

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


    И не случайно приписывал человек воде столь магические свойства. То, что мы с вами живем на Земле, что вокруг нас зеленые леса и цветущие поля, что летом мы катаемся на лодках и бегаем по лужам под дождем, а зимой участвуем в лыжных и конькобежных соревнованиях, — все это дело рук воды. Точнее — способности ее молекул притягиваться друг к другу, образуя ассоциации. Это одно из условий возникновения и развития жизни на нашей планете.
    История Земли — это прежде всего история воды. Она беспрерывно меняла и меняет облик нашей планеты.
    Вода — величайший в мире химик. Без ее участия не обходится ни один природный процесс: будь то образование новой горной породы, нового минерала или сложнейшая биохимическая реакция, протекающая в организме растения или животного.
    Химикам в лабораториях нечего было бы делать без воды. Ведь изучая свойства веществ, их превращения, получая новые соединения, они только в редких случаях обходятся без воды. Вода — один из самых лучших растворителей, которые только известны. А чтобы заставить многие вещества вступить в реакцию, их прежде всего надо перевести в раствор.
    Что происходит с веществом, когда оно растворяется? Силы, которые действуют на его поверхности между молекулами и атомами, в воде ослабевают в сотни раз. Молекулы и атомы вещества начинают отрываться от поверхности и переходить в воду. Кусок сахара в стакане чаю распадается на отдельные молекулы. Поваренная соль — на заряженные частицы, ионы натрия и хлора. Так уж устроена молекула воды, что обладает очень сильной способностью оттягивать к себе атомы и молекулы растворяющегося тела. Гораздо более сильной, чем многие другие растворители.
    Нет на Земле породы, которая могла бы противостоять разрушающему действию воды. Даже граниты хоть и медленно, но неотвратимо поддаются ее действию. Растворенные ею примеси уносятся в моря и океаны. Вот почему эти гигантские водоемы соленые. А ведь сотни миллионов лет назад вода в них была пресной…

Сосулькины секреты

    Малыши так и тянутся к сосулькам. Ведь они очень красивы, блестящие ледяные стерженьки.
    Из детской ручонки сосулька моментально перекочевывает в рот. Неужели вкусно? Но ребенок не на шутку огорчится, если его лишить этого удовольствия.
    Забавная ребячья прихоть? Нет, дело куда серьезнее.
    В одной лаборатории поили цыплят. Одной группе наливали в блюдечко обычную воду, другой — талую, с плавающими льдинками.
    Опыт — проще и не придумаешь. Результаты же его удивительны. Обычную воду цыплята пили спокойно и чинно. Около блюдечка с талой происходила форменная драка. Талую воду цыплята поглощали с жадностью, словно это было что-то необыкновенно вкусное.
    Через полтора месяца подопытных цыплят взвесили. Те, что пили талую воду, были гораздо тяжелее, больше прибавили в весе, чем цыплята, в чей рацион входила вода обычная.
    Словом, талая вода обладает чудесными свойствами. Она чрезвычайно полезна живым организмам. Почему?
    Поначалу думали так: в талой воде больше дейтерия. А тяжелая вода в небольших концентрациях благотворно влияет на развитие живых организмов. Но в таком объяснении была лишь доля истины…
    Теперь ищут разгадку в другом, в самом процессе таяния.
    Лед имеет кристаллическую структуру. Однако и вода — это в общем жидкий кристалл. Ее молекулы расположены не в беспорядке, а образуют строгий ажурный каркас. Построенный, правда, иначе, чем у льда.
    При таянии льда его структура сохраняется долго. Талая вода по внешнему виду — жидкость, а молекулы в ней все еще расположены «по-ледяному». Благодаря этому химическая активность талой воды как бы возрастает. Она с большой легкостью принимает участие во множестве биохимических процессов. Попадая в организм, она легче, нежели обычная, соединяется с разными веществами.
    Ученые считают, что структура воды в организме очень похожа на структуру льда. Обычная вода, попав в организм, должна перестраиваться. Для талой этого не требуется. Организму не приходится затрачивать лишней энергии.
    Роль талой воды в жизни, видимо, очень велика.

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

    Без слов нет речи, без букв нет слов. Изучение любого языка мы начинаем с алфавита. В каждом алфавите — две категории букв: гласные и согласные. Не будь тех или иных — звучная человеческая речь рассыпалась бы… Правда, в каком-то научно-фантастическом романе жители неведомой планеты изъяснялись звуками, состоящими сплошь из согласных букв. Но чего не придумают фантасты!
    Природа говорит с нами на языке химических соединений. А любое из них — своеобразное сочетание химических «букв». Тех элементов, которые существуют на Земле. Количество таких «слов» превышает три миллиона. «Букв» же в химическом «алфавите» всего около сотни.
    Есть в этом «алфавите» «буквы» гласные и согласные. Все химические элементы издавна подразделяются на две группы: неметаллы и металлы.
    Неметаллов значительно меньше, чем металлов. Соотношение между ними выражается прямо-таки баскетбольным счетом — 21 : 83… Совсем как в человеческой речи: гласных звуков куда меньше, нежели согласных.
    Сочетание одних лишь гласных звуков в человеческой речи редко выражает что-либо членораздельное: чаще всего оно сродни бессмысленному завыванию.
    В химическом языке объединения только «гласных» (неметаллов) встречаются сплошь да рядом. И все живое на Земле обязано своим существованием именно соединениям неметаллов друг с другом.
    Ученые недаром называют четыре главных неметалла — углерод, азот, кислород и водород — органогенами. То есть дающими начало органической жизни. Если добавить сюда еще фосфор и серу, этими шестью «кирпичиками» практически и ограничивается весь набор материалов, которые природа использует для строительства белков и углеводов, жиров и витаминов, — словом, всех химических соединений жизни.