Путешествие в Страну элементов: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В общем удастся, наконец, делать то, что давным-давно умеет делать природа. Как известно, в нашем организме не создаются сверхвысокие давления, не поднимается, как правило, выше 36,6 градуса температура, а реакции идут очень сложные и достаточно быстро. Это потому, что великий химик — природа подобрала соответствующие катализаторы. Мы их называем ферментами.

Но главное — неизмеримо расширится круг доступных химических превращений. Найдут спрос вещества, от которых ныне не знают, как избавиться. Наступит пора полного химического господства над веществом. Люди позабудут само слово «отбросы». Так же как в природе существует круговорот азота, воды, во «второй природе» будет круговорот веществ, бесконечно перерабатываемых и никогда не выбрасываемых. Людям станут доступны любые месторождения. Перед ними откроет свои богатства океан. Из морской воды с помощью специально подобранных групповых и специфически действующих катализаторов химики начнут выкачивать все содержащиеся там элементы и их соединения.

А может быть, этого и не понадобится. Владея в совершенстве теорией строения вещества, имея строгие количественные характеристики различных типов химических связей, используя законы катализа, да еще призвав на помощь могучие силы ядерной бомбардировки, человек будет творить химические соединения и даже элементы. Химико-физики и физико-химики будут кроить материю уверенной рукой, созидая то, что трудно отыскать и невыгодно добывать в недрах земли.

А какие материалы появятся в результате этих вполне предвидимых и реальных достижений науки, предсказать трудно. Ведь даже то, что синтезировано в настоящее время, сильно исчерпывает человеческую фантазию.

Предсказать трудно. Но если не отмахиваться от того, что сегодня кажется фантастичным, то все удивительные достижения неорганической химии представляются лишь как предыстория к свершениям будущего.

Мы говорили о привилегированных условиях, созданных на Земле стихийными силами природы для одного элемента — углерода и его соединений. Окружающий мир всем своим великолепием демонстрирует, на что способен один лишь «кирпичик» вселенной, когда попадает в родную ему среду. Он строит. Без устали, самозабвенно, совершенствуя свое мастерство, накапливая опыт.

Но ведь «кирпичиков» больше сотни. Среди них есть близкие к углероду по своей структуре и внешним проявлениям. Ничто не мешает предположить принципиальную возможность искусственно создать условия, в которых не углерод, а другой какой-то элемент, другие какие-то соединения окажутся в соответствующих привилегированных условиях. Допустим, кремний, германий, олово или сера… Или алюминий, бор, фтор… И тогда дух захватывает от одной лишь мысли: оживет мертвый мир, мир неорганики. Быть может, это сделает человек не на Земле, а на каких-то других планетах. Быть может, таким путем станут создаваться и сами небесные тела. Наконец, не исключено, что необходимые условия для «оживления» того или иного представителя таблицы Менделеева человек обнаружит, вступив на неведомую планету вселенной, где иные, чем на Земле, атмосфера, почва, иные растения и животные.

Нет пределов человеческому дерзанию. И неорганическая химия — благодарная для дерзаний почва.

Карта Страны элементов

В строгом порядке по периодам и группам, по рядам и подгруппам расположились обитатели этой «страны». Семь периодов, десять рядов, девять групп. Колонки латинских букв — символов элементов. Золото, серебро, платина, уран, радий… Настоящий «остров сокровищ»!

Перед нами периодическая система элементов Дмитрия Ивановича Менделеева — карта великой Страны элементов.

Право называть ее картой дает та громадная роль, которую играет периодическая система в науке вообще и особенно в химии. Современная химия немыслима без нее, потому что таблица элементов — итог накопленных знаний и план на будущее, повседневное руководство к действию и компас, указывающий единственно верное направление на всем пути развития химии. Нет, только с картой можно сравнить ее. Но карта точно укажет, куда идти, и ничего не скажет, например, о характере жителей страны. Всю глубину периодической системы нельзя передать никаким сравнением. Если это и карта, то «говорящая». Она и компас и путеводитель, вместе взятые!

Подобно тому как на географической карте мы прочитаем множество имен первооткрывателей, так и в периодической системе увековечены в названиях элементов имена величайших ученых, без открытий которых немыслим прогресс современной науки. Это Пьер и Мария Кюри, Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми и Дмитрий Менделеев. Имя великого русского ученого занимает особо почетное место в этом ряду корифеев науки. Его имя носит не только 101-й элемент, но и вся периодическая система, создателем которой он был. Именно этому человеку обязаны мы тем, что наше путешествие в Страну элементов не будет путешествием с завязанными глазами. И можно быть уверенным: периодическая система никогда не подведет нас, ибо она покоится на крепком фундаменте. В ее основании лежит открытый Менделеевым великий закон природы.

Но какая же разница между периодическим законом и периодической системой Менделеева? Та же, что и между земным шаром со всем многообразием его рельефа, флоры и фауны, с одной стороны, и отражением всего этого на глобусе, в атласе или на карте — с другой. Ясно, что глобус — очень приблизительная модель земного шара.

Так и периодическая система. Она может более или менее точно выражать сущность периодического закона. Она может меняться по форме. Элементы можно располагать веером и по спирали, концентрическими кругами или «волнами», можно придумать массу вариантов периодической системы, но нельзя изменить ее основы — периодического закона.

Итак, перед нами периодическая система. Любой химик уверенно ориентируется в Стране элементов, глядя на ее карту. Вся левая и вся нижняя часть таблицы — это металлы, причем стоящий в левом нижнем углу франций — «самый металличный», самый активный из них. В правом верхнем углу расположился фтор — царь неметаллов, а царство их — правая верхняя часть таблицы. Сразу видно, что металлов значительно больше. Есть в системе и элементы, сочетающие в себе свойства как металлов, так и неметаллов. Они расположены в середине таблицы.

Глубокий смысл имеет номер группы: он указывает высшую возможную валентность для элементов каждой группы. Самые легкие, имеющие низкий удельный вес металлы — литий, натрий и их ближайшие соседи; самый тяжелый металл — осмий, расположенный в противоположном углу таблицы. Наиболее схожи между собой элементы, расположенные в одной группе и особенно в одной подгруппе. Например, помещающиеся в одной подгруппе второй группы периодической системы щелочноземельные металлы кальций, стронций, барий и радий настолько похожи друг на друга, что можно без особого труда охарактеризовать любой из них, хорошо зная химические свойства какого-нибудь одного и умея пользоваться периодической системой.

Но это, разумеется, не означает, что умение пользоваться периодической системой избавляет нас от детального изучения каждого элемента. Нет, конечно. Ведь любой из них обладает множеством свойств, характерных только для него одного.

Каждый школьник знает, что с помощью периодической системы можно охарактеризовать любой элемент. Однако не всегда это легко сделать.

Как рассказать о свойствах элемента, если, например, водород занимает в таблице два места (его можно поставить и в группу щелочных металлов и в группу галогенов) и, наоборот, сразу 14 элементов-лантаноидов теснятся в одной-единственной клеточке лантана? Чем объяснить необычный вид восьмой группы? А с другой стороны, какое «волшебство» позволяет химикам предсказать, что будет особенно трудно отделить цирконий от гафния, а ниобий от тантала?

На все эти и множество других вопросов нельзя ответить до тех пор, пока не ясно, на чем основан столь строгий порядок в мире элементов, отражением которого является периодическая система. Другими словами, нам необходимо выяснить, в чем причина периодичности изменения свойств элементов. На этот вопрос мы и постараемся ответить.

Представим себе, что должен был чувствовать химик первой половины XIX века, оказавшись лицом к лицу с морем научных фактов. Естественно прежде всего попытаться привести эти факты в систему. В противном случае заниматься химией было бы так же трудно, как, скажем, пользоваться огромным словарем, в котором слова расположены не по алфавиту, а в полном беспорядке.

Если мы заглянем в старые книги по химии, то увидим, что каждый ученый строил такую систему, как хотел. Одному казалось правильным брать за основу некоторые физические свойства элементов (теплопроводность, удельный вес, твердость). Другие пытались расположить элементы в один непрерывный ряд, руководствуясь при этом величиной и знаком заряда, обнаруживаемого при электрохимических опытах. И так далее. Короче говоря, каждый старался найти то единственное свойство, опираясь на которое можно было бы привести в порядок накопленные знания. Но химия не желала вмещаться в прокрустово ложе бесчисленных искусственных систем, так как ни одна из них не могла охватить всего многообразия взаимоотношений между элементами.

Менделеев и поставил перед собой задачу найти, наконец, то свойство элемента, которое бы теснейшим образом было связано со всеми остальными и тем самым могло послужить основой естественной системы элементов.

Долгие годы, предшествовавшие открытию периодического закона, ученый занимался этим вопросом и, наконец, пришел к выводу: свойства химических элементов должны определяться их массой, атомным весом. Но как? Какому закону должна подчиняться эта зависимость? Ведь сказать, например, что объем и давление газов — величины взаимосвязанные, значит сказать очень мало. Другое дело, если мы скажем, что они связаны (по закону Бойля — Мариотта) обратной зависимостью. Мало утверждать, что зависимость существует. Важно найти, по какому закону химические свойства связаны с атомным весом.

Менделеев прежде всего сгруппировал элементы по признаку их химического сходства. Получилось 19 групп. Некоторые из этих групп состояли только из 2 элементов, другие — из 3 и 4. В группе щелочных металлов оказалось 5 элементов.

Затем группы были помещены рядом друг с другом, и в каждой из них элементы расположены в порядке возрастания атомных весов. Получившаяся картина была не новой. Сходные по химическим свойствам группы элементов были известны давно. Теперь задача заключалась в том, чтобы найти связь между несходными группами. И вот тут-то, меняя местами уже целые группы, размещая их так, чтобы рядом оказывались несходные элементы с близкими атомными весами, Менделеев, наконец, нашел, что искал. Получилась та самая картина, которую мы видим на цветной вклейке.

Отсюда ясно: свойства элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов, повторяются через определенные интервалы, периоды.

«Свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов», — так сформулировал Менделеев вновь открытый закон природы. Днем рождения периодического закона мы считаем 1 марта 1869 года.