Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Александр Евгеньевич Ферсман
Занимательная геохимия. Химия земли

© Ферсман А. Е., наследники, 2016

© Предисловие, примечания, оформление. ООО «Издательство «Пальмира», ПАО «Т8 Издательские Технологии», 2016

Предисловие

Уважаемые читатели! Перед вами – книга «Занимательная геохимия», принадлежащая перу выдающегося российского ученого-минералога и организатора науки академика А. Е. Ферсмана. Она удивительна во многих отношениях. Написанная в научно-популярном жанре, книга по замыслу автора предназначена скорее для молодых людей, выбирающих путь в жизни, нежели для взрослых, тем более специалистов в смежных геологических областях. Но ведь известно, что несколько поколений взрослых людей, включая состоявшихся геологов разных специальностей, зачитывались этой книгой. Мне известны даже те, кто брал ее в геологические экспедиции. И это многого стоит, «поскольку места мало в рюкзаке», как поется в известной песне!

Чтобы писать научно-популярную книгу, нужно быть специалистом в данной области. Ферсман – один из создателей геохимии, наряду с академиком В. И. Вернадским, американцем Ф. У. Кларком, норвежцем В. М. Гольдшмидтом и некоторыми другими учеными, заложившими основы этой науки в начале ХХ века. О ней можно рассказать профессионально, но скучно. Такие лекции и литература нам известны. К счастью, А. Е. Ферсман – мастер им же созданного неповторимого стиля, в котором нет профессорского менторства. Научная популяризация сочетается в нем с интригой путешествия за географические и научные горизонты, смелость прогнозов – сродни жюль-верновской, а прозорливость в ряде случаев доказана временем.

А. Е. Ферсман – мастер образного, но точного слова. Без художественных излишеств он создает напряженную, динамичную картину отношений исследователя и природы. «В этой постоянной смене химических процессов, в сложной цепи природных явлений минералог и геохимик схватывает лишь отдельные разрозненные странички, отдельные звенья… Из отрывков он воссоздает целые страницы, из отдельных страниц он составляет ту великую книгу химии Земли, которая рассказывает нам от начала до конца, как странствует атом в природе, с кем он делит общие пути, где он находит свою спокойную или беспокойную смерть в виде устойчивых кристаллов, где рассеянные атомы вечно меняют своих спутников, то вновь переходя в раствор, то бесконечно рассеиваясь в великом просторе природы».

Впрочем, в описаниях геохимических циклов, круговоротов, коловращений химических элементов А. Е. Ферсман всегда говорит о живом веществе, в том числе обо всем человечестве как органической (в прямом и переносном смыслах) части природы, преобразующее воздействие которой на лик Земли сравнимо с геологическими силами. В этом ощущается влияние ноосферной концепции В. И. Вернадского, воспринятой А. Е. Ферсманом. По-видимому, из нее следует его отчасти научно обоснованная, отчасти романтическая убежденность в неограниченных возможностях познания и разумного преобразования природы ради благополучия человечества. Отсюда же – его неоднократные призывы к молодежи, активно ориентирующие ее энергию в практическую область.

«Мы хотим… подчинить себе весь атом, подчинить его своей воле, воле торжествующего человека, превращающего все грозные и вредные силы природы в полезные. Мы хотим всю природу, всю менделеевскую таблицу элементов положить к ногам трудящегося человечества. Вот смысл и задача нашей геохимической работы, вот для чего мы хотим понять и добыть атом. Этими словами мы кончаем наш длинный рассказ. Но разве, друзья, может быть конец науке или учению? Будем с вами совершенно откровенны. Здесь, в самом конце нашей книги, мы, в сущности, оказались в начале наших знаний, и даже если несколько раз перечитаем эту книгу… попытаемся запомнить поведение отдельных элементов, все же должны будем сознаться, что мы только в самом начале». Со времени первого издания «Занимательной геохимии» прошло 60 лет. Многое изменилось в мире, но что-то важное, вдохновлявшее А. Е. Ферсмана на бесконечные экспедиции по огромной стране, создание научных институтов, лабораторий и минералогических заповедников, написание научных и научно-популярных книг, выступления на бесчисленных собраниях, сохранилось и в нас. Думаю, это глубокое понимание своего атомарного места в свободной геохимической и ноосферной эволюции Космоса. Этим пониманием проникнута книга Ферсмана, и именно оно не позволяет ей устаревать, ибо «Занимательная геохимия» рассказывает о вещах изначальных. Юрий Войтеховский

13.09.2015

Введение

Несколько лет назад я написал «Занимательную минералогию». Ко мне приходили десятки, сотни писем от учащихся, рабочих и различных специалистов. В этих письмах я видел столько неподдельного, живого увлечения камнем, его исследованием и историей его использования! В некоторых обращениях детей было вместе с тем так много молодого задора, смелости, бодрости, энергии… Меня увлекли эти письма, и я решил написать вторую книгу для юношества, для нашей будущей смены.

Последние годы я работал в другой области, гораздо более трудной, гораздо более отвлеченной, – моя мысль увлекла меня в замечательный мир – мир бесконечно малых, ничтожных крупинок, из которых сложена вся природа и сам человек.

По окончании университета мне пришлось принимать участие в создании новой науки, которую мы называем геохимией. Мы создавали ее, не сидя за листом бумаги в удобном кабинете, – эта наука рождалась из множества точных наблюдений, опытов, измерений; она рождалась в борьбе за новое понимание нашей жизни и природы; и прекрасны были те минуты, когда завершались отдельные новые главы этой науки будущего.

Что же занимательного я буду рассказывать о геохимии, да и что это за наука? Почему не просто химия, а геохимия? И почему о ней пишет не химик, а геолог, минералог, кристаллограф?

Ответ на этот вопрос читатель получит, в сущности, не в первом очерке; нет, там будет сказано о многом, но кратко. Поймет глубину и занимательность геохимии только тот, кто дочитает книгу до конца.

Тогда он скажет: «Вот что такое геохимия, какая интересная, но трудная наука! Как мало я еще знаю и химию, и геологию, да и минералогию, чтобы полностью понять ее!» Но понять ее стоит, так как будущее геохимии значительнее, чем это предполагают: именно она вместе с физикой и химией подчинит воле человека величайшие запасы энергии и вещества.

Прежде чем закончить введение, я хочу обратиться к читателям с несколькими советами, как читать эту книгу. Ведь мало сказать, что надо читать, – часто еще гораздо важнее сказать, как надо читать, каким образом надо изучать книги и научиться извлекать из них больше пользы. Одни книги читаются запоем, когда интересный рассказ увлекает вас и вы не можете оторваться от него, пока не прочтете последнюю страницу. Так читают, например, занимательные приключенческие романы. Другие книги надо изучать: в них читатель найдет изложение отдельных наук, научных проблем или научных данных, описание явлений природы, сообщение о научных выводах. Такие книги нужно читать, вникая в каждое слово, не пропуская ни отдельных страниц, ни даже строк или слов.

Наша же книга не увлекательный роман и не научный трактат. Она построена по особому плану. Ее четыре части одна за другой переходят от общих вопросов физики и химии к вопросам геохимии и ее будущего. Читатель, который мало знаком с основами этих наук, должен читать книгу неторопливо и внимательно, быть может, даже перечитывать заинтересовавшие его или трудные страницы. Но если читатель знает физику и химию, он может перескакивать через отдельные очерки, которые ему знакомы: автор старался каждый очерк сделать самостоятельным целым, по возможности не зависимым от других. Книга пригодна и для углубления знаний по химии или геологии.

А. Е. Ферсман

Учащимся очень полезно читать отдельные главы во время прохождения общего курса химии, так как каждая из этих глав может в значительной части иллюстрировать те или иные сухие страницы учебника химии.

Изучая металлоиды, можно попутно прочесть главу о фосфоре и сере; изучая черные металлы – познакомиться с главами о железе и о ванадии.

При изучении геологии точно так же надо было бы пользоваться соответственными главами, освещающими большие химические проблемы распространения элементов в земной коре. Особый интерес в этом отношении представляют главы, посвященные описанию земной коры, и главным образом часть третья – «История атома в природе».

Те, кто изучает химию, увидят, что в своем изложении я коснулся лишь немногих химических элементов: только пятнадцать элементов описаны сколько-нибудь детально, но я и не стремился дать полную химическую характеристику и историю всех элементов в мироздании, в глубинах земной коры, на земной поверхности и в руках человека.

Я хотел осветить только отдельные, наиболее существенные черты «поведения» самых обычных и полезных элементов, живущих вокруг нас своей сложной химической жизнью среди незаметных и постоянных химических процессов земли. Я уверен, что можно написать много страниц о каждом химическом элементе. Может быть, читателю придет желание самому попытаться написать историю какого-либо элемента, о котором я ничего не сказал. Мне кажется, что это была бы полезная практическая задача, и если кто-либо, заинтересовавшись, например, куском металлического хрома, его судьбой, его месторождениями и ролью в промышленности, попытался бы пойти по этому пути, то он мог бы написать ряд интересных страниц из истории этого элемента и осветить поведение этого атома из семьи железа.

Я могу только посоветовать внимательным читателям, изучившим нашу книгу и интересующимся проблемами широкого анализа природы, попытаться выполнить такую задачу и продолжить те страницы, которые написаны мной о самых важных элементах земли.

Атом

Что такое геохимия

Что такое геохимия? – это первый вопрос, на который нужно ответить, чтобы понять все то, о чем мы будем говорить в нашей книге.

Мы знаем, что геология – наука, которая учит, что представляет собой земля, земная кора, какова ее история, как земля изменяется, как образуются горы, реки, моря, как возникают вулканы и как на дне океана медленно растут осадки илов и песков.

Нам понятна и минералогия, которая изучает отдельные минералы.

В своей книге «Занимательная минералогия» я писал: «…Минерал есть природное соединение химических элементов, образовавшееся естественным путем, без вмешательства человека. Это своего рода здание, построенное из определенных кирпичиков в различных количествах, но не беспорядочная куча этих кирпичей, а именно постройка по определенным законам природы. Мы хорошо можем понять, что из одних и тех же кирпичей, даже взятых в одном и том же количестве, можно построить разные здания. Так, один и тот же минерал может встречаться в природе в самых различных видах, хотя по существу он остается все тем же химическим соединением.

Мы насчитываем около ста сортов этих кирпичей, из которых построена вся окружающая нас природа.

К этим химическим элементам, например, относятся: газы – кислород, азот, водород; металлы – натрий, магний, железо, ртуть, золото или такие вещества, как кремний, хлор, бром и другие.

Различные сочетания элементов в различных количествах и дают нам то, что мы называем минералом: например, хлор и натрий дают поваренную соль, кислород в двойном количестве с кремнием дают кремнезем или кварц и так далее.

…Итак, из сочетаний различных химических элементов построено в земле три тысячи разных минералов (кварц, соль, полевой шпат и другие), а эти минералы, накапливаясь вместе, образуют то, что мы называем горной породой (например, гранит, известняк, базальт, песок и так далее)[1]1
  В настоящее время известно чуть более пяти тысяч минералов. Но количество зависит от строгого определения понятия «минеральный вид». Если в один минеральный вид объединять минеральные серии без их деления по «правилу 50 %», то их число значительно уменьшится. Определение вида горной породы еще более описательно, чем определение минерального вида. Поэтому сегодня даже нельзя строго сказать, сколько же существует видов горных пород. – Науч. ред.


[Закрыть].

Та наука, которая изучает минералы, называется минералогией, описывающая горные породы – петрографией, а изучающая самые кирпичики и их странствование в природе – геохимией…»

Геохимия – еще молодая наука, которая выдвинулась только за последние десятки лет и главным образом благодаря работам советских ученых.

Ее задачи заключаются в том, чтобы проследить и выяснить судьбу и поведение в земле химических элементов[2]2
  Сегодня в относительно самостоятельную дисциплину выделилась изотопная геохимия и абсолютная геохронология. – Науч. ред.


[Закрыть], лежащих в основе окружающей нас природы, которые, будучи расположены в определенном порядке, составляют замечательную таблицу Д. И. Менделеева.

Основной единицей исследований геохимии является химический элемент и его атом.

В каждой клетке таблицы Д. И. Менделеева, как правило, помещается один химический элемент – атом, и каждая клетка имеет очередной порядковый номер. Первый номер имеет самый легкий элемент – водород, а один из самых тяжелых химических элементов в земной коре, 92-й, называется ураном, и он тяжелее водорода в 238 раз.

Атомы чрезвычайно малы, и если представить их в виде шариков, то диаметр атома составит одну десятимиллионную долю миллиметра. Но атомы совершенно не похожи на сплошные шарики и образуют более сложную систему, состоящую из ядра атома, вокруг которого движется то или иное, разное у различных сортов атомов, число электронов.

Таким образом, по своему строению атомы скорее напоминают солнечные системы сверхмикроскопических размеров с центральным Солнцем – ядром и движущимися вокруг него планетами – электронами.

У разных сортов атомов – химических элементов – число электронов различно. Благодаря этому они отличаются друг от друга по своим химическим свойствам. Атомы, обмениваясь между собой своими электронами, входят в соединения – образуют молекулы.

На менделеевской таблице намечается ряд естественных семейств элементов, которые встречаются вместе не только на таблице, но и в самой природе.

Величие системы Менделеева и заключается именно в том, что это – не теоретическая схема, а выражение тех природных взаимоотношений, которые существуют между отдельными элементами и которые определяют их сходство, их различие, их перемещения в земле.

Словом, таблица Менделеева есть вместе с тем и таблица геохимическая, которая, как надежный компас, помогает геохимикам в их поисковых работах.

Новые идеи зарождаются всюду, где вдумчивая мысль ученого пытается применить закон Менделеева к анализу природных явлений.

Но что же такое геохимия? Что представляет собой эта новая наука, привлекшая за последние годы так много исследователей?

Как показывает ее название, геохимия изучает химические процессы, происходящие в самой земле.

Химические элементы как самостоятельные единицы природы перемещаются, странствуют, соединяются – словом, как мы говорим, мигрируют в земной коре; законы сочетаний элементов и минералов при различных давлениях и температурах в разных участках земной коры, законы участия элементов в построении почвы, горных пород и живого вещества и законы использования вещества самим человеком и представляют те проблемы, которыми занимается современная геохимия.

Некоторые химические элементы (например, скандий, гафний) не обладают способностью образовывать скопления и иногда настолько рассеяны, что в породе находится лишь стомиллионная доля процента определенного химического элемента.

Такие элементы можно было бы назвать сверхрассеянными, и их мы добываем только в том случае, если они представляют какую-либо особую ценность для практики.

Сейчас мы предполагаем, что в каждом кубическом метре любой горной породы можно найти все элементы менделеевской таблицы, если только наши методы анализа будут достаточно совершенны. Не надо забывать, что новые методы в истории науки имеют еще большее значение, чем новые теории.

Другие элементы (например, свинец, железо), наоборот, в своих постоянных перемещениях имеют как бы ряд остановок, образуя такие соединения, в которых они легко накапливаются, долго сохраняются и, независимо от сложных изменений земной коры в ее геологической истории, сохраняют формы скоплений, образуют крупные концентрации и оказываются доступными для промышленного использования.

Геохимия изучает законы распределения и миграции химических элементов не только в мироздании в целом, но и в определенных геологических условиях, в определенных районах нашей страны, намечая пути для поисков и разведок полезных ископаемых.

Таким образом, глубокие теоретические установки современной геохимии все ближе и ближе смыкаются с проблемами практики, и геохимия стремится на основании ряда общих положений показать, где может встречаться какой-либо химический элемент, где и при каких условиях можно встретить скопления, например, ванадия или вольфрама, какие металлы «охотнее» находятся вместе, как, например, барий и калий, какие будут «избегать» друг друга, как, например, теллур и тантал.

Геохимия изучает поведение каждого элемента, но, чтобы судить об этом поведении, она должна хорошо знать свойства элемента, его своеобразие, склонность соединяться с другими элементами или, наоборот, отделяться от них.

Геохимик, таким образом, превращается в поисковика-разведчика, он подсказывает те места земной коры, где можно найти железные и марганцевые руды, сообщает, где среди змеевиков можно найти месторождения платины, и объясняет – почему; он направляет геологов на поиски мышьяка и сурьмы в молодых геологических породах и горных хребтах и предскажет неудачу, если будут искать эти металлы там, где условия для их концентрации отсутствуют.

Но все это возможно, когда хорошо изучено «поведение» химического элемента, точно так же, как, изучив поведение человека в жизни, можно не только учесть все его поступки, но можно предсказать, как он будет себя вести при различных обстоятельствах.

Вот в чем заключается огромное практическое значение этой новой науки!

Таким образом, геохимия идет рука об руку с геологическими и химическими науками.

* * *

Я не хочу затруднять вас массой фактов, примеров, расчетов и не берусь научить вас всем премудростям геохимии. Нет, я хочу только, чтобы вы увлеклись этой новой наукой, родившейся совсем недавно, чтобы вы сами убедились из отдельных очерков странствований элементов по всему миру, что геохимия – еще молодая наука, что перед ней открываются широчайшие перспективы в будущем, но что это будущее она должна завоевать.

В мире научных идей, как и всюду в жизни, не сразу побеждают прогресс и истина: нужна борьба за них, мобилизация всех сил, нужна большая целеустремленность и энергия, большая уверенность в своей правоте и вера в победу.

Побеждает не отвлеченная, бесплодная, неактивная мысль, а только мысль боевая, горящая огнем новых исканий, мысль, тесно спаянная с самой жизнью и ее задачами.

Необъятное поле для исследований лежит перед химиками земли в нашей стране.

Нам нужно еще огромное количество фактов, и они нам нужны, по словам великого русского ученого Ивана Петровича Павлова, так же, как нужен воздух, чтобы поддерживать крылья птицы.

Но птица и самолет держатся в воздухе не только воздушной стихией, а прежде всего своим собственным движением вперед и выше.

Этим же движением вперед и выше держится всякая наука, она держится упорной творческой работой, огнем смелых исканий, соединенных одновременно с холодным и трезвым анализом своих достижений.

Мы неминуемо идем к полному вовлечению в промышленность всех химических элементов, и даже искусственно получаемых[3]3
  Комплексная отработка руд, за которую ратовал А. Е. Ферсман, все еще остается мечтой, упирающейся не столько в технологические проблемы, сколько в рыночные отношения хозяйствующих субъектов. – Науч. ред.


[Закрыть].

Поэтому современное значение геохимических исследований по распределению химических элементов в земной коре еще более возрастает.

Оно обязывает нас искать законы этого распределения, и у нас имеются к тому все возможности.

К молодым кадрам призыв – вперед, за освоение недр нашей Родины!

Мир невидимого. Атом и химический элемент

Дайте руку, читатель. Я поведу вас в мир малых величин, которых в обыденной жизни мы не замечаем. Вот лаборатория уменьшений и увеличений. Зайдем в нее. Нас уже ждут: этот еще не старый человек в рабочем костюме, такой обыкновенный на вид, – знаменитый изобретатель. Послушаем его.

«Зайдемте в кабину, – она сделана из материала, проницаемого для лучей любой длины волны. Я поверну рычаг вправо, и мы начнем уменьшаться. Процесс уменьшения, не очень приятный, идет точно по секундомеру, за каждые четыре минуты мы уменьшаемся в тысячу раз. Мы остановимся через четыре минуты, выйдем из кабины и увидим окружающий мир таким, каким он виден в лучшие микроскопы. Затем вернемся в кабину и испытаем уменьшение еще в тысячу раз».

Итак, мы повернули рычаг…

Наш рост уменьшился, мы стали величиной с муравья… Мы иначе стали слышать, так как наше ухо перестало реагировать на воздушные волны… Лишь какие-то шумы, гудение, треск и шелесты доходят до нашего сознания. Но способность видеть осталась, так как в природе существуют рентгеновские лучи с длиной волны в тысячу раз меньшей, чем световые. Мы вышли из кабины уменьшенными в тысячу раз… Вид предметов изменился неожиданным образом: большинство тел стали очень прозрачными, и даже металлы превратились в ярко окрашенные, похожие на цветные стекла тела… Но зато стекло, смола, янтарь потемнели и стали походить на металлы.

Мы видим клетки растений, заполненные пульсирующим соком и зернами крахмала, и, при желании, можем просунуть руку в устьице листа; в капле крови плавают кровяные тельца величиной с копейку, бактерии туберкулеза имеют вид изогнутого гвоздя без шляпки… Бактерии холеры походят на мелкий боб с быстро двигающимся хвостиком… Но молекул не видно, и только беспрерывное дрожание стенок кабины да легкое покалывание лица воздухом, как будто навстречу нам дует ветер с пылью, напоминают нам о том, что близок предел делимости материи…

Мы снова вернулись в кабину и перевели рычаг еще на одно деление. Все потемнело, наша кабина задрожала, как при землетрясении.

Когда мы пришли в себя, кабина продолжала дрожать, и казалось, кругом нас бушует буря с градом: что-то непрерывно, как горох, сыпалось на нас; можно было подумать, что нас обстреливают из тысячи пулеметов…

Наш проводник неожиданно заговорил:

«Выйти нельзя. Мы уменьшились в миллион раз, и рост наш теперь измеряется тысячными долями миллиметра: он равен всего полутора микронам.

Толщина наших волос сейчас равна одной стомиллионной сантиметра; такая величина называется ангстрем и служит для измерения молекул и атомов. Поперечник молекул газов воздуха равен примерно ангстрему. Эти молекулы носятся с огромной скоростью и бомбардируют нашу кабину.

Еще при первом уменьшении мы заметили, что ветер бил нам в лицо как бы пылью: это было влияние отдельных молекул. Сейчас мы стали меньше, и их движение нам столь же опасно, как человеку, когда в него выстрелят песком.

Посмотрите сквозь окно – вы видите пылинку в микрон в поперечнике, то есть почти такую, как и мы сами. Как она пляшет во все стороны от неравномерных ударов вихря молекул! К сожалению, мы рассмотреть их не можем: они слишком быстро двигаются… Но пора возвращаться: ультракороткие волны, в лучах которых мы рассматривали молекулы, вредны для наших глаз».

С этими словами наш проводник повернул рычаг.

Наше путешествие закончилось, конечно, оно было только воображаемое. Но картина, которую мы нарисовали, близка к действительности[4]4
  Достойно удивления, сколь прозорливым оказался этот мысленный эксперимент А. Е. Ферсмана. Сегодня минералогия вошла в мир наноразмерных величин и столкнулась с поразительными физическими и химическими свойствами казалось бы знакомого вещества. Достаточно сказать, что наноразмерное золото – не желтое, а его содержание в горной породе не удается точно определить известными методами. – Науч. ред.


[Закрыть].

Опыт показывает нам, что, как бы ни совершенствовались методы анализа, в результате анализа сложных тел мы приходим к ряду простых веществ, которые не могут быть химически разложены на еще более простые составные части.

Вот эти, далее не поддающиеся разделению, простые тела, из которых состоят все окружающие нас тела природы, мы называем химическими элементами.

Постоянно соприкасаясь с окружающими нас телами природы, живыми и мертвыми, твердыми, жидкими и газообразными, человек пришел к одному из важнейших своих обобщений: к понятию о веществе, о материи. Каковы свойства этой материи, каково ее строение? Этот вопрос, который должен поставить перед собой всякий изучающий природу.

И первый ответ, который дает нам непосредственное ощущение, – это видимая непрерывность вещества. Но это впечатление – обман наших чувств. Пользуясь микроскопом, мы часто открываем в веществе пористость, то есть наличие мелких пустот, не видимых невооруженным глазом.

Но и для таких веществ, в которых, казалось бы, принципиально не может быть пор, как вода, спирт и другие жидкости, а также для газов мы должны признать наличие промежутков между частицами вещества, иначе нам нельзя было бы понять, почему вещества могут сжиматься при давлении, почему они могут расширяться при нагревании.

Всякая материя зерниста. Самые малые зернышки вещества получили название атомов или молекул. Удалось измерить, например, что у воды сами молекулы занимают всего лишь около трети или четверти пространства. Остальное приходится на поры.

Сейчас мы знаем, что при сближении атомов возникают силы отталкивания и атомы не могут слиться друг с другом. Около каждого атома можно описать «сферу непроницаемости», за которую при обычных химических реакциях не может проникнуть другая материя. Поэтому атомы вместе с этой сферой можно рассматривать как упругие шарики, непроницаемые друг для друга. Каждый элемент имеет сферу непроницаемости, радиус которой выражается в ангстремах. Меньше всего этот радиус у углерода – 0,18 ангстрема и у кремния – 0,41 ангстрема, радиус у железа – 0,67 и 0,79, у кальция – 1,01, у кислорода радиус сферы непроницаемости большой – 1,32 ангстрема (см. рисунок на странице 27, где элементы изображены в виде кружков, пропорциональных размерам радиусов их сфер).

Но если мы будем укладывать шары в какой-либо ящик, то беспорядочно расположенные шары займут больше места, чем при правильной укладке. Та из укладок, которая займет наименьший объем, называется плотнейшей упаковкой. Ее легко получить, например, при таком опыте: взяв несколько десятков стальных шариков (от шарикоподшипника), положить их на блюдечко и легко постукивать. Благодаря тому что все шарики будут стремиться к центру блюдечка, они будут теснить друг друга и скоро расположатся рядами, образующими между собой угол в 60°. Снаружи они расположатся по сторонам правильного шестиугольника. Это и будет плотнейшая упаковка шаров одного размера на плоскости[5]5
  Строго говоря, проблема плотнейших упаковок в 3D, особенно для шаров различных размеров, не решена. Это достойная задача для молодых умов! – Науч. ред.


[Закрыть].

Так уложены, например, атомы многих металлов – меди, золота и других.

Если шары неодинаковые, например двух резко различающихся размеров, то часто случается, что шары большего размера (например, хлор – у кристаллов поваренной соли) дают плотнейшую упаковку, а меньший атом располагается в промежутках между крупными шарами.

Таким образом, у поваренной соли, или минерала галита – NaCl, один атом натрия окружен с шести сторон атомами хлора, а каждый атом хлора окружен с шести сторон атомами натрия. При этих условиях силы притяжения между ионами натрия и хлора оказываются наибольшими.

Модель структуры каменной соли – NaCl. Атомы показаны в виде шаров (Na – черные, Cl – серые)

Итак, окружающие нас тела, независимо от степени их сложности, состоят из сочетания отдельных мельчайших, невидимых простым глазом частиц, или атомов, наподобие того, как большое красивое здание бывает построено из отдельных небольших кирпичей.

Мысль об этом зародилась в глубокой древности, и понятие «атом» (по-гречески – «неделимый») мы встречаем еще у греческих философов-материалистов Левкиппа и Демокрита за шестьсот – четыреста лет до нашей эры. По современным представлениям, начало которым было положено еще в девятнадцатом столетии, химический элемент в свободном состоянии в форме простого тела состоит из совокупности однородных атомов, далее не делимых без потери химических качеств и особенностей, присущих данному элементу.

В настоящее время ученым известно 100 различных элементов, а значит, и 100 видов различных атомов[6]6
  На сегодня известно 118 химических элементов, из них 94 обнаружены в природе, 24 получены искусственно в ядерных реакциях. Не все они официально признаны Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC). Для этого нужны независимые подтверждения несколькими признанными лабораториями. – Науч. ред.


[Закрыть].

Из сочетаний этих 100 видов атомов построены все известные нам тела природы (в том числе и искусственно созданные соединения двенадцати элементов, не существующих в природе).

Атомы одного и того же элемента, так же как и атомы различных элементов, сочетаясь друг с другом по два и более, могут образовывать молекулы различных веществ. Атомы и молекулы, соединяясь друг с другом, строят все многообразие природных тел. Разнообразие комбинаций атомов не так уж значительно, так как только некоторые обладают устойчивостью, но размеры их незначительны, поэтому число атомов и молекул очень велико. Например, если взять 18 граммов воды, так называемую грамм-молекулу, то в этом количестве воды будет содержаться 6.02 × 10²³ молекул воды.

Число это колоссально, оно во много тысяч раз больше, чем число зерен ржи и пшеницы, выросших на земном шаре за все время существования растительной жизни.

Для того чтобы составить себе представление о размере молекулы, сравним ее с самым мельчайшим из живых организмов – бактерией, видимой лишь в микроскоп при увеличении около тысячи раз. Размер самых маленьких бактерий равен двум десятитысячным долям миллиметра. Это в тысячу раз больше размера молекулы воды, а в самой маленькой бактерии содержится более двух миллиардов атомов, то есть больше, чем живет людей на земном шаре.

Цепочка из молекул воды, содержащихся в 1 см³, могла бы более тридцати раз протянуться от Земли до Солнца и обратно, так как ее длина равна 9 400 000 000 км.

Первоначально атом представляли себе в форме мельчайшей, далее не делимой частицы, однако при более близком изучении, по мере усовершенствования и уточнения наших методов исследования сам атом оказался весьма сложным образованием. Природа атома впервые проявилась наглядно, когда люди познакомились с явлениями радиоактивности и стали их изучать.

Структура атома и порядковый номер элемента. Строение атомов натрия и криптона

Оказалось, что атом каждого химического элемента, несмотря на свои ничтожные размеры (поперечник его равен одной стомиллионной части сантиметра), представляет собою весьма сложное образование, построенное наподобие нашей солнечной системы.

Атом состоит из ядра (поперечник его в сто тысяч раз меньше, чем поперечник атома, и меньше одной триллионной части сантиметра), в котором сосредоточена практически вся масса атома.

Ядро атома несет положительный электрический заряд. Количество положительных частиц в ядре возрастает по мере перехода от атомов легких химических элементов к тяжелым и численно равно порядковому номеру клетки периодической таблицы, которую занимает элемент.

Вокруг ядра на различных расстояниях вращаются электроны. Число электронов равно числу положительных зарядов ядра, так что атом в целом есть образование электрически нейтральное.

Ядра атомов всех химических элементов построены из двух простейших частиц – протона, или ядра атома водорода, и нейтрона.

Протон имеет массу, почти равную массе атома водорода, и несет один положительный заряд. Нейтрон – материальная частица, имеющая такую же массу, как протон, но лишенная какого-либо электрического заряда.