Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Протоны и нейтроны в ядрах атомов сцеплены настолько прочно, что при всех химических реакциях ядра атомов совершенно устойчивы и остаются неизменными.

Химические свойства элементов зависят от строения и свойств наружной электронной оболочки атомов, от способности их отдавать или присоединять электроны. Строение же ядра атома на химических свойствах атома почти не сказывается. Поэтому атомы, обладающие одним и тем же числом наружных электронов, даже если структура ядер, масса их или атомный вес различны, обладают близкими химическими свойствами и образуют родственные группы атомов, как, например, хлор, бром, йод и тому подобные группы.

На рисунках схематически показаны различные модели строения атомов, из которых видно, как усложняются орбиты электронов по мере увеличения атомного веса.

Атомы вокруг нас

Посмотрите на три прекрасных снимка, которые мы помещаем в этой главе.

Дивный вид горного озера, синяя гладь воды, вокруг скалы известняков, темно-зеленые пятна одиноких деревьев, а над всем яркое южное солнце.

Шумный, окутанный дымом и паром, пылающий огнями металлургический завод – длинными змеями тянутся к нему поезда с рудой, углем, флюсами, кирпичом, а от него они увозят сотни тонн рельсов, болванок, отливок, проката в новые центры промышленности.

Современные нарядные автомобили – сверкают покрытые лаком крылья, рокочут мощные моторы, тихо раздается пение радиоприемника. Из трех тысяч деталей собрана эта дивная машина на длинном конвейере завода, и преодолеть сотни тысяч километров ей нипочем!

Посмотрите на эти три картинки и откровенно скажите мне, о чем вы подумали, посмотрев на них, что вас в них заинтересовало, о чем захотелось спросить.

Я угадываю ваши мысли и ваши вопросы: ведь вы живете в век техники и промышленности, ваши интересы там, где машина рождает силу, а сила рождает машину.

Но я хочу рассказать вам совсем о другом, чтобы вы иными глазами посмотрели на наши картинки. Слушайте же!

* * *

«Сколько замечательных геологических проблем таится в этом озере! – скажет мне геолог. – Как образовался этот огромный и глубокий провал, что заперло эти синие воды в отвесных скалах таджикских хребтов? Ведь от вершин гор до дна озера две-три тысячи метров: какие могучие силы смогли поднять и смять пласты горных пород?»

«Какие чудесные известняки образуют скалы и горы! – скажет минералог. – Как много десятков и сотен тысячелетий должно было пройти, чтобы накопился на дне океанов такой мощный осадок из ила, раковин, скорлупок, панцирей и сжался бы в плотную известковую породу, почти в мрамор! Возьмите обычную минералогическую лупу, которая увеличивает в десять раз; вы с трудом различите при ее помощи отдельные блестящие кристаллики известкового шпата, из которых сложена порода».

Горное озеро в Таджикистане

«Какая белизна и чистота у этого известняка! – перебьет его химик-технолог. – Ведь это великолепное сырье для цементной промышленности и для обжига на известь, – это почти чистый углекислый кальций, соединение атомов кальция, кислорода и угольной кислоты. Посмотрите, я растворю eго в слабой кислоте, кальций растворится, а угольная кислота[7]7
  Точнее, углекислый газ СО₂. – Науч. ред.


[Закрыть] с шипением улетит в воздух».

«Но можно проделать и более точные опыты, – скажет геохимик. – С помощью спектроскопа можно доказать, что в этом известняке есть и другие атомы: стронция и бария, алюминия и кремния. А если сделать сверхточный анализ и попытаться определить самые редкие атомы, которых содержится меньше одной миллионной доли процента, то можно будет открыть в нем даже цинк и свинец. И не думайте, что это особое свойство нашего известняка: даже в самом чистом мраморе, какой есть на свете, опытные химики насчитывают 35 видов разных атомов.

Ведь в каждом кубическом метре камня – гранита или базальта, известняка или глины – можно будет найти все элементы менделеевской таблицы, только некоторых из них будет в триллион раз меньше, чем кальция или углерода».

Геолог, минералог, химик и геохимик так увлекут нас своими рассказами, что вместо простого сероватого известняка перед нами встанут скалы какого-то загадочного камня; и захочется глубже проникнуть в его природу и раскрыть тайну его бытия и происхождения[8]8
  В отечественной геологической науке сложилась традиция: петрография изучает состав и строение всех горных пород, а их происхождение изучают литология (осадочные) и петрология (магматические и метаморфические). – Науч. ред.


[Закрыть].

* * *

Теперь обратимся к заводу. Какие странные, необычные по масштабу и по форме здания! Гигантские башни-колодцы, наполненные рудой, углем, камнем; к этим башням подведены огромные трубы, подающие сжатый и нагретый воздух. Для чего это? Зачем плавится там внутри металл, горит уголь, вспыхивают при выходе тучи раскаленных газов?

И вы, наверное, удивитесь, если я скажу вам, что это лаборатория атомов: в руде атомы железа крепко-крепко связаны более крупными шарами – атомами кислорода, которые мешают железным атомам сблизиться и дать нам ковкий тяжелый металл – железо… А руда железа совсем не имеет свойств этого металла, хотя и содержит 70 % его. Поэтому надо выгнать кислород. Но это не так просто сделать!

Помните, читатель, сказку, как одна девочка должна была выбрать из груды зерен все песчинки и как она позвала для этой работы своих друзей муравьев и они выполнили успешно трудный урок? Так ведь то были песчинки, которые в миллион

Металлургический завод

Весовое содержание элементов в земной коре (до глубины 16 км)

раз больше, чем атомы кислорода! «Трудная задача, да и вряд ли выполнимая», – скажете вы. Да, много труда и человеческой энергии потребовалось, чтобы решить эту головоломку.

И все же она решена!

Человеческий гений призвал здесь на помощь не муравьев, а атомы других веществ. И в союзе со стихиями – огнем и ветром – он заставил эти атомы отнимать кислород от железа и выносить его с горячим воздухом на поверхность кипящего в печи расплава.

Что же это за атомы-друзья, которые победили кислород? Их два – кремний и углерод. Оба они очень крепко, крепче железа, схватывают кислород и образуют с ним прочные постройки. И оба помогают друг другу. Углерод, сгорая, отнимает кислород и при этом развивает огромную температуру; но один он не оправился бы, так как твердая железная руда тугоплавка, малоподвижна и атомам углерода не проникнуть внутрь плотных кусков руды.

Но тут приходит на помощь кремний: маленький, цепкий, он дает легкоплавкие шлаки, растворяет руду, отнимает кислород и передает его углероду. Часть углерода растворяется в железе и сообщает ему подвижность, легкоплавкость.

И тогда приходят на помощь стихии: огонь увеличивает подвижность, все легкое вместе с газами всплывает вверх, все тяжелое опускается вниз, и вот перед нами чудо: атомы разделились – железо с растворенным углеродом располагается внизу печи, легкие шлаки, унесшие весь кислород руды, плавают на поверхности расплавленного металла; их можно выбросить туда, куда укажет рука мастера…

Как много знаний надо было накопить, как детально надо было изучить повадки и прихоти каждого атома, чтобы суметь в колоссальных масштабах безошибочно сортировать атомы по своему желанию!

* * *

Посмотрим теперь на третий снимок – наш отечественный автомобиль. Он тоже – сочетание атомов, подобранных друг к другу для единой цели – дать неутомимую, сильную, бесшумную и быструю машину.

Три тысячи деталей из 65 сортов атомов и не менее 100 сортов металла – вот что такое эта машина! В ней много железа, но железа, свойства которого изменены на сотни ладов: вот сплав железа с 4 % углерода – чугун, из него отлито тело мотора. Но вот в нем оставили меньше углерода – и получилась твердая и упругая сталь. Вот к железу прибавили похожие на него атомы марганца, никеля, кобальта, молибдена – сталь стала упругой, выносливой, не боящейся ударов. Прибавили ванадия – сталь приобрела гибкость хлыста, и создалась неутомимая рессора…

Легковой автомобиль ЗИЛ-110 производства Московского автозавода им. Лихачева

На втором месте в машине теперь стоит не медь, как раньше, а алюминий, – поршни и ручки, изящные корпуса, покрытия и полосы – все, что можно сделать легким, все из алюминия или его сплавов с медью, кремнием, цинком, магнием…

А лучший фарфор – в автомобильных свечах, а лаки, не боящиеся дождя и холода, сукна, медь – в проводах, свинец и сера – в аккумуляторах… Довольно, а то не останется ни одного элемента, который бы не ездил в автомобиле… Они, сочетаясь между собой, образуют более 250 различных веществ и материалов, которые прямо или косвенно используются автомобильной промышленностью.

И надо подчеркнуть, что человек идет здесь наперекор природным процессам, ломает их, заставляет их подчиниться своей воле. Разве естественно быть алюминию свободным? Нет и нет; и если бы не гений человека, – этого никогда не случилось бы, хотя бы Земля существовала еще миллиарды лет.

Человек, поняв и узнав свойства атомов, использовал эти знания для того, чтобы переместить элементы так, как ему нужно. В земле распространены больше всего легкие элементы; пять из них – кислород, кремний, алюминий, железо и кальций – составляют 90,03 % земной коры. Если прибавить еще семь – натрий, калий, магний, водород, титан, углерод и хлор, – то эти двенадцать элементов составят 99,29 %. На долю остальных восьмидесяти элементов приходится едва 0,7 % по весу. Но человека не устраивает такое распределение: он упорно ищет редко встречаемые элементы, извлекает их из земли подчас с невероятными трудностями, изучает их свойства на все лады и использует там, где это необходимо и целесообразно. Вот почему в автомобиле оказались никель, которого в земле две сотых процента, и кобальт, которого одна тысячная процента, молибден, которого менее одной тысячной процента, и даже платина, которой двенадцать миллиардных процента!

Всюду атомы – и человек их хозяин! Властной рукой он берет их, смешивает их, ненужные отбрасывает, нужные соединяет, хотя без него эти элементы никогда не встретились бы вместе. И если горное озеро в Таджикистане славит могучие стихии, воздвигнувшие скалы и создавшие провалы, то завод и автомобиль – это индустриальная симфония могущества человеческого гения, его труда и знаний.

Рождение и поведение атома в мироздании

Я вспоминаю один вечер, тихий, прекрасный вечер в Крыму. Вся природа как будто бы уснула, и ничто не тревожило гладь спокойного моря. Даже звезды на черном южном небе не мерцали, а сияли яркими лучами. Замолкла жизнь вокруг, и, казалось, весь мир остановил свое движение и замер в бесконечной тишине южной ночи.

Но как далека эта картина от истины и как обманчивы тишина и спокойствие окружающей нас природы!

Достаточно подойти и начать медленно вращать рукоятку радиоприемника, чтобы узнать, что весь мир пронизан мириадами несущихся электромагнитных волн. Измеряемые то несколькими метрами, то тысячами километров, бурные волны мирового эфира поднимаются на высоту озоновых слоев и обрушиваются вновь на землю. Налагаясь одни на другие, они наполняют весь мир не слышными невооруженному уху колебаниями[9]9
  Электромагнитные волны поставлены на службу человеку не только в виде радио и телевидения. Они пронизывают земную кору, отражаются на границах сред и несут назад огромную информацию о ее строении, принимаемую чуткими приборами. – Науч. ред.


[Закрыть].

А звезды, которые кажутся столь незыблемыми на небосводе, несутся в мировом пространстве с головокружительной скоростью в сотни и тысячи километров в секунду. Одно Солнце-звезда устремляется в одну сторону галактики, увлекая за собой целые потоки тел, не доступных глазу; другие закручиваются в еще более быстром темпе, создавая грандиозные туманности; третьи уходят в неведомые области мироздания.

Со скоростями в тысячи километров в секунду несутся пары раскаленного вещества в атмосфере звезд, и в несколько минут вырастают громадные клубы газов в тысячи километров, образуя сверкающие в короне Солнца протуберанцы.

Кипит расплавленное вещество и в непомерных глубинах далеких звезд. Температура там достигает десятков миллионов градусов; отдельные частицы отрываются друг от друга, разрываются ядра атомов, потоки электронов устремляются в верхние слои звездных атмосфер, а мощные электромагнитные бури, пронизывая миллионы и миллиарды километров, достигают нашей Земли, возмущая спокойствие ее атмосферы.

Весь космос насыщен колебаниями, и прекрасно сказал один из величайших ученых прошлого – Лукреций – почти за сто лет до нашей эры:

 
…То телам изначальным, конечно,
Вовсе покоя нигде не дано в пустоте необъятной.
Наоборот: непрерывно гонимые разным движеньем,
Частью далеко они отлетают, столкнувшись друг с другом,
Частью ж расходятся врозь на короткие лишь расстоянья.
 

Живет своей жизнью и наша Земля. Тихая, как будто безмолвная, ее поверхность на самом деле вся насыщена жизнедеятельностью. Миллионы мельчайших бактерий населяют каждый кубический сантиметр почвы. Электронный микроскоп, расширяя рамки исследования, открывает новые миры еще более мелких живых существ, постоянно движущихся вирусов; и спор идет о том, считать ли их живыми существами или диковинными молекулами неживой природы.

Вечно перемещаются молекулы в тепловых движениях моря, а научный анализ показывает, что в морской воде колебания совершают сложные и длительные пути со скоростями, измеряемыми километрами в минуту.

Вечно идет обмен атомами между воздухом и землей. Из глубин земной поверхности испаряются в воздух атомы гелия; скорость их движения настолько велика, что они преодолевают земное тяготение и улетают в межпланетное пространство. Подвижные атомы кислорода внедряются из воздуха в организмы; молекулы угольной кислоты разлагаются растениями, создавая постоянный круговорот углерода, а в глубинах Земли, стремясь вырваться к поверхности, кипят еще огненные расплавы тяжелых пород.

Твердый, спокойный, лежит перед нами чистый и прозрачный кристалл. Казалось бы, что отдельные атомы вещества распределены в строго определенных узлах какой-то неизменно прочной решетки. Но это только кажется: они постоянно находятся в движении, вращаясь вокруг своих точек равновесия, постоянно обмениваясь своими электронами, то свободными, как у атомов металла, то связанными, и совершают свое движение по сложно повторяющимся орбитам[10]10
  Замечание А. Е. Ферсмана о том, что образ решетки внутри кристалла – это лишь идеализация, очень важное. Но именно он часто остается в памяти после школьного курса физики. Образ решетки следовало бы дополнять моделями Л. Полинга, в которых учтены эффективные радиусы атомов. – Науч. ред.


[Закрыть].

Все живет вокруг нас. Картина тихого вечера в Крыму обманчива; и чем больше наша наука овладевает природой, тем шире раскрывается перед ней действительная картина всех движений окружающего нас мирового вещества. И когда науке стало доступно измерение движения за время миллионных долей секунды, когда она своими новыми рентгеновскими «руками» измеряет миллионные доли сантиметра с такой точностью, с какой мы не можем мерить нашим метром, когда она научилась увеличивать картины природы более чем в 500 тысяч раз и сделала доступными глазу человека не только мельчайшие вирусы, но и отдельные молекулы вещества, стало понятно, что нет больше в мире спокойствия, а есть лишь хаос постоянных движений, ищущих своего временного равновесия.

Вечер в Крыму

Когда-то, давным-давно, еще до расцвета Древней Греции, на Малоазиатских островах жил замечательный философ Гераклит. Он сумел проникнуть в глубины мироздания своим прозорливым умом, и им были сказаны слова, которые Герцен назвал самыми гениальными словами в истории человечества.

Гераклит сказал: «Панта реи» – «Все течет» – и положил в основу своей системы мира идею о вечном движении. С этой идеей прошло человечество все эпохи своей истории. На ней строил свою философию Лукреций в замечательном стихотворении о природе вещей и истории мира. На ней строил с редкой прозорливостью свою физику гениальный русский ученый М. В. Ломоносов, говоря, что каждая точка в природе имеет три движения: поступательное, коловратное и зыблющееся. И сейчас, когда новые успехи науки подтвердили это старое философское представление, мы должны по-новому смотреть на окружающий нас мир и законы вещества.

Законы распределения атомов явятся для нас законами тех бесконечно сложных движений разных скоростей, разных направлений и разных масштабов, которые определяют все разнообразие окружающего нас мира, все разнообразие мятущихся в нем отдельных атомов. Мы начинаем сейчас понимать по-новому мировое пространство, окружающее нас.

Размеры доступной нашему наблюдению вселенной колоссальны. Их нельзя измерять километрами, – это слишком малая единица. Даже расстояние между Солнцем и Землей, которое равно 150 миллионам километров и которое свет проходит в восемь с третью минут, хотя за каждую секунду он может обежать Землю семь с половиной раз, и то слишком малая единица. Ученые придумали особую единицу – «световой год», то есть то расстояние, которое свет пробегает за год. Лучшие телескопы могут различать звезды, свет которых идет до нас миллионы лет… Поистине нет границ космосу! Только для нас пределы его определяются степенью совершенства наших телескопов…

Клубок звездной материи в мировом пространстве в отдельных местах образует сгущения, – возникает то, что мы называем видимым миром. Таких миров примерно сто миллиардов. В каждом из этих миров также около ста миллиардов звезд, а в каждой звезде 1 и 57 нолей протонов и нейтронов – тех мельчайших частиц, из которых составлялся весь мир, не считая более мелких частиц электричества – отрицательно заряженных электронов.

В мировом пространстве больше всего водорода. Мы знаем большое число космических туманностей, в состав которых входит почти только один водород. Атомы водорода собираются, влекомые силой мирового тяготения, подталкиваемые особыми межатомными силами, изучение которых еще только началось. Возникают мощные клубки, состоящие из количества атомов, выражаемого цифрой из 56 знаков, – появляется звезда. Но размеры мироздания бесконечно велики по сравнению с объемом возникших атомов. Мы знаем, что бо́льшая часть мирового пространства фактически как бы пуста, только от 10 до 100 частиц – атомов вещества приходится на один кубометр, а это отвечает такому разрежению, которое в единицу с 27 нолями раз меньше, чем нормальное давление атмосферы на Земле. От этих разреженных мировых пространств мы можем дойти до совершенно невиданных уплотнений, вызванных давлением в глубинах звезд, где миллионы атмосфер сочетаются с десятками или сотнями миллионов градусов: тут-то и находится природная лаборатория, где возникают из водорода новые, более тяжелые атомы, и в первую очередь – гелий.

Туманность М-101 в созвездии Большой Медведицы

В звездах, светящихся ослепительно белым светом, как, например, знаменитый спутник Сириуса, вещество такое плотное, что оно в тысячу раз тяжелее золота и платины. Нам трудно себе даже представить, что это за вещество и каковы его свойства.

С одной стороны – бесконечные межпланетные пространства, рассекаемые свободным полетом одиноких атомов. Здесь диалектически сплетается мировой покой со стремительным движением, здесь господствует температура почти абсолютного нуля.

С другой стороны – центральные области звезд, в которых миллионы градусов сочетаются с давлениями в миллионы атмосфер, где атомы, преодолев отталкивание электронов, сбиты в одну плотную массу невиданных на Земле веществ. В этих условиях совершается эволюция химических элементов, тем более тяжелых и плотных, чем больше масса звезды и выше давление и температура в ее внутренних частях.

Рождающийся химический элемент является первым звеном в борьбе против хаоса. Из свободных протонов и электронов в условиях грандиозных температур и давлений могут образовываться более тяжелые ядра.

Так постепенно в разных местах Вселенной возникают разные постройки, которые мы называем химическими элементами. Одни из них более тяжелые, более насыщенные энергией, другие легкие и состоят всего лишь из нескольких протонов и нейтронов. Эти более легкие элементы увлекаются потоками на периферию звезд, в их атмосферу, или сплетаются в громадные мировые туманности. Другие, менее подвижные, остаются на поверхности раскаленных или расплавленных тел.

Сильнейшие излучения разрушают одни постройки, возводят другие; одни элементы распадаются, другие вновь создаются до тех пор, пока готовые атомы не попадут туда, где нет могучих сил, которые могли бы разрушить их прочные ядра. И тогда начинается история странствования в мироздании отдельных атомов. Одни наполняют межпланетные пространства, как, например, атомы кальция и натрия. Другие, более тяжелые, более устойчивые, накапливаются в отдельных частях туманностей. Температуры падают, электрические поля атомов сочетаются друг с другом, образуются молекулы простых химических соединений: карбиды, углеводороды, частицы ацетилена, какие-то формы неизвестных нам на Земле тел, которые находят астрофизики при наблюдениях раскаленных поверхностей далеких звезд как первый продукт сочетаний атомов. Из них, из этих свободных простых молекул, постепенно рождаются все более и более стройные системы. В условиях низких температур, вне разрушительных полей и космических глубин, наконец рождается второе звено мирового порядка – кристалл. Кристалл – это замечательная постройка, где атомы расположены в определенном порядке один по отношению к другому, словно кубики в коробке. Рождение кристалла есть следующий этап в процессе выхода вещества из хаоса. Для образования кубического сантиметра кристаллического вещества сочетается друг с другом огромное количество отдельных атомов, выражающееся единицей с 22 нолями. Появляются новые свойства, свойства кристалла. Господствуют уже не законы тех электромагнитных клубков, из которых они сложены, не таинственные еще законы энергии ядер, а новые законы вещества – законы химии.

Кристалл топаза

Я не буду продолжать дальше описание этой картины. Я хотел только показать, что мир, окружающий нас, нам мало известен и необычайно сложен, что его спокойствие только кажущееся, что весь он наполнен движением; в вихре движений рождается в мире вещество в том виде, в каком мы его знаем у нас, на Земле, каким видим его в твердом камне в окружающей нас природе. Многое из того, что я вам рассказал, уже доказано современной наукой, но еще много загадочного осталось в нашем представлении о том, как из мирового хаоса рождается сначала атом, а потом кристалл.

И все же как замечательно нарисована эта картина Лукрецием, римским философом, две тысячи лет тому назад! Припомним несколько строк из его поэмы:

 
Был только хаос один и какая-то дикая буря
Всякого рода начал, беспорядок нестройный которых
Все промежутки, пути, сочетания, тяжесть, удары,
Встречи, движения их возмущал, затевая сраженья,
Так как, при разнице форм и в силу несходства в фигурах,
Ни съединенными так им нельзя было всем оставаться,
Ни произвесть меж собой каких-либо стройных движений.
Врозь разбегаться затем стали разные части, со сходным
Сходное в связи входить и мир разграничивать стало,
Члены его разделять и дробить на великие части.
 

Итак, в природе нет покоя: все изменяется, хотя и с разной скоростью. Изменяется и камень, символ прочности, ибо атомы, его составляющие, находятся в вечном движении. А нам он кажется прочным и неподвижным лишь потому, что мы не видим этого движения, результаты которого становятся ощутимыми через долгие сроки, тогда как сами мы изменяемся неизмеримо быстрее.

Долгое время считали, что только атом неделим, неизменен и равнодушен к вечной перемене. Но нет – и атомы послушны времени. Одни из них – мы называем их радиоактивными – меняются быстро, другие – медленно… Мало того, мы знаем теперь, что и атомы эволюционируют, создаются в пеклах звезд, развиваются, умирают…

И в человеческом представлении – отражение того же вечного движения и развития: сначала непонимание, хаос, отсутствие порядка. Но вот начинают проясняться типы связей всех частей мира, движения оказываются закономерными, возникает стройная картина единой Вселенной… Таков мир, как его раскрывает нам современная наука.