Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Огромная роль таблицы Менделеева в установлении природы и предсказании свойств этих элементов была подчеркнута одним из ученых, синтезировавшим элементы № 94–101, американцем Г. Сиборгом тем, что он дал элементу № 101 имя гениального русского ученого.

Но самым интересным и важным свойством деления тяжелых ядер явилось то, что этим новым типом распада атомов можно управлять по нашему желанию.

Замечательно в этом открытии то, что человеческая техника не только вызывает эти бурные реакции, освобождающие чудовищную энергию, но и может на них воздействовать, задерживать или ускорять, заменять бурные взрывы более медленным и более спокойным выделением могучей энергии. И та блестящая мысль о внутриатомной энергии, которая еще только зарождалась в конце 1890-х годов в уме Пьера Кюри, открывшего вместе со своей женой радий, мысль, которую решались высказывать на пороге нового столетия лишь немногие ученые, сейчас стала реальностью наших дней.

Когда ученые в 1903 году рисовали картину счастливого будущего человечества, обладающего бесконечными запасами нужной для его жизни энергии, тогда эта идея казалась только красивой фантазией и не находила своего подтверждения ни в реальных фактах природы, ни в завоеваниях тогдашней техники. А вот сейчас эта мечта превращается в реальность.

Не удивительно, что металл уран сделался за последние годы объектом исключительного внимания во всех странах. Раньше это был просто отброс радиевого производства. Радиевые фирмы в Бельгии, Канаде, Америке и в других странах искали применения для этого металла после его выделения на больших радиевых заводах. Но настоящего применения не находилось, цены на него были низкие, и он шел за бесценок на окраску фарфора, кафелей и для получения дешевых зеленых стекол.

Теперь же не радий, а сам металл уран сделался объектом поисков и разведок.

Пусть требуется еще много трудов и усилий для овладения этой проблемой, пусть даже эта энергия будет вначале дороже, чем энергия, получаемая в паровых котлах, но зато какие грандиозные возможности использования этих практически вечных двигателей открываются перед человечеством!

В руках человечества оказывается новый вид энергии, более могучий, чем все, что люди знали до сих пор.

Сейчас ученые всего мира напряженно работают, чтобы возможно полнее овладеть могучей силой, скрытой в ядрах урана.

Но эта сила уже далеко не является пределом человеческих дерзаний. Наука шагает в наши дни семимильными шагами. И всего через несколько лет после высвобождения атомной энергии в процессах деления тяжелых ядер стала реальной новая – подлинно ни с чем не соизмеримая – возможность использования атомной энергии «сплавления» легких ядер в ядра гелия. Ближайшие годы должны дать возможность использовать новое атомное горючее, а именно… воду. В стакане обыкновенной воды скрыта энергия в 5000 киловатт-часов, энергия же превращения в гелий всех содержащихся в гидросфере нашей планеты ядер тяжелого изотопа водорода – дейтерия – выражается астрономической цифрой в 7 × 10²⁴ (то есть семеркой с двадцатью четырьмя нулями) киловатт-часов.

Настанет время, и атомная энергия сделается обыденной. Мы будем иметь электростанции, помещающиеся в чемодане, моторы мощностью в несколько лошадиных сил и размером не больше карманных часов, ракетные двигатели с запасом энергии на несколько лет, самолеты, которые смогут летать месяцами без посадки.

Наступает век подчинения атомной энергии, век невиданного могущества человека.

И в свете новых идей о строении атома периодический закон Д. И. Менделеева не потерял своего значения.

Более того, для познания внутриатомных явлений он послужит такой же путеводной звездой, как и для познания химических связей между атомами. Изучение строения атома показало, что менделеевский закон является не только одним из законов химии, но и одним из величайших законов природы.

Атом и время

Трудно себе представить более простое и вместе с тем более сложное понятие, чем время. Старая финская пословица говорит, что «ничего нет в мире замечательнее, сложнее и непобедимее времени». А один из величайших философов древнего мира, Аристотель, писал за четыре столетия до нашей эры, что среди неизвестного в окружающей нас природе самым неизвестным является время, так как никто не знает, что такое время и как им управлять.

Уже на ранних ступенях культуры человека занимала мысль о начале времени, о конце мира, о том, когда создалась окружающая нас природа, каков возраст Земли, планет и звезд и как долго будет светить на небе солнце.

По древним персидским сказаниям, мир существует всего лишь двенадцать тысяч лет.

Астрологи Вавилона, гадавшие по небесным светилам, находили, что мир очень стар, что ему больше двух миллионов лет. А Библия говорила, что прошло всего шесть тысяч лет с того момента, когда в шесть дней и шесть ночей, по воле Бога, был создан мир.

Проблемой времени в течение многих тысячелетий продолжали заниматься величайшие умы, и на смену древним сказаниям и фантазиям астрологов постепенно стали приходить точные методы определения возраста нашей Земли.

Первым сделал попытку вычислить возраст Земли астроном Галилей в 1715 году, а затем лорд Кельвин, который в 1862 году вычислил возраст Земли, исходя из теории ее охлаждения, и получил казавшуюся тогда грандиозной цифру в сорок миллионов лет.

Потом на смену пришли геологические методы. В Швейцарии, Англии, Швеции, России и Америке геологи стали подсчитывать, сколько же времени потребовалось нашей Земле, чтобы образовать грандиозные толщи осадочных пород, мощность которых свыше ста километров.

Оказалось, что реки каждый год выносят не менее десяти миллионов тонн вещества, смывая его с континентов, так что наши материки теряют каждые 25 тысяч лет слой земли толщиной в среднем один метр. Так, постепенно, изучая деятельность воды и ледников, осадки на земле и в океанах и полосатые ледниковые глины, геологи пришли к выводу, что история земной коры не может уложиться в сорок миллионов лет. В 1899 году английский геофизик Джоли определил возраст нашей Земли в триста миллионов лет.

Но эти вычисления не нравились ни физикам, ни химикам, ни самим геологам.

Разрушение материков шло далеко не так правильно, как думал Джоли. Периоды осадков сменялись бурными взрывами вулканов, землетрясениями, поднятиями горных хребтов. Уже накопившиеся осадки расплавлялись и размывались.

Подсчет Джоли не удовлетворял точных исследователей, которые хотели найти настоящие часы для определения времени прошлого и для определения возраста земной коры.

И вот на смену геологам пришли химики и физики. Ими наконец были найдены часы – часы постоянные, вечные; они не созданы мастером, не имеют пружин, которые приводили бы их в движение; их не нужно заводить. Такими часами оказался разрушающийся атом радиоактивных элементов.

Мы уже видели в предыдущем очерке, что весь мир наполнен разрушающимися атомами, что в незаметном, но великом процессе распадаются атомы урана и тория, радия и полония, актиния и многих десятков других элементов. Это разрушение идет с постоянной скоростью и, как было показано выше, не может быть ускорено или замедлено ни высокими температурами в тысячи градусов, ни самыми низкими температурами, предельно близкими к абсолютному нулю, ни огромными давлениями. Никакие обычные средства не могут изменить этот строгий, неизменный процесс распада некоторых атомов, совершающийся в природе.

Правда, современная техника сумела найти могучие средства, при помощи которых удается разрушать и созидать атомы. Но на Земле этих условий нет, и неизменная скорость распада тяжелых элементов сохраняется миллионы и миллиарды лет.

Всегда и всюду во всем окружающим нас мироздании распадаются атомы урана, радия, тория и одновременно образуются определенные количества атомов газа гелия и устойчивых, безжизненных атомов свинца. Эти два элемента природы – гелий и свинец – создали новые часы. И вот впервые в истории человечества время удалось измерить настоящим мировым стандартом вечного характера!

Какая поразительная и вместе с тем трудная для понимания картина! Несколько сотен различных атомов наполняют мироздание своими сложными электромагнитными системами.

Излучая энергию, они скачками видоизменяются, переходя из одного вида в другой: одни из создающихся вновь систем жизненны и упорно сохраняются – очевидно, для нас не доступна огромная длина периодов их превращения; другие существуют тысячи миллионов лет, медленно излучая энергию, проходя через сложные ряды распада; третьи живут годами, днями, часами; жизнь четвертых измеряется секундами и долями секунды…

Подчиняясь закону преобразования атомных систем, элементы наполняют природу, но время регулирует законы их количественного распространения, время распределяет их по мирозданию, создавая сложность миров нашей земли и космическую жизнь Вселенной.

Медленно, вековечно текут процессы мироздания; умирают быстро разлагающиеся тяжелые атомы, под действием альфа-лучей распадаются другие, создаются третьи, более устойчивые кирпичи мироздания, накапливаются постепенно конечные продукты распада – нерадиоактивные элементы.

Уже установлено преобладание на Солнце элементов, устойчивых против альфа-лучей; земная поверхность на 90 % состоит из элементов с числом электронов, кратным двум или четырем, то есть именно тех, которые наиболее устойчивы против разрушительной деятельности гамма-лучей и космических лучей. Самые устойчивые из них, просто и плотно построенные, составляют наш неорганический мир; менее устойчивые (как калий и рубидий) участвуют в жизненных процессах, своим распадом помогая организмам бороться за жизнь. Быстро распадающиеся (радон, радий) губят эту жизнь, разрушая себя. В одних звездных системах только развивается процесс распада – это довольно зрелая система нашего Солнца, в других – в звездных туманностях – он только начинается, в третьих – в темных угасших телах – уже бесконечно медленно идут затухающие процессы распада. Время определяет состав, природу и сочетания элементов в течение космической истории.

«Часы», измеряющие возраст Земли. Если мы условно примем продолжительность истории Земли от начала древнейшей архейской эры до наших дней за 24 часа и соответственно уменьшим продолжительность всех эр, вычисленную по радиоактивному процессу, то на наших часах докембрий будет продолжаться 17 часов, палеозой – 4 часа, мезозой – 2 часа, кайнозой – 1 час. Человек появляется на арене жизни за пять минут до полуночи

Физики и химики подсчитали, что 1000 г металла урана через 100 миллионов лет дадут 13 г свинца и 2 г гелия.

Через 2000 миллионов, или 2 миллиарда лет, количество свинца уже будет 225 г, то есть четверть всего урана перейдет в свинец. А атомов летучего гелия накопится уже 35 г. Но процесс продолжается, и через 4000 миллионов, или 4 миллиарда, лет свинца накопится почти 400 г, количество гелия достигнет 60 г, а первичного урана останется только половина – 500 г.

Продолжим эти рассуждения: возьмем не 4 миллиарда лет, а сотню миллиардов лет, – тогда почти весь уран распадется и превратится в свинец и гелий. Урана на Земле почти совсем не останется, а вместо него в природе будут рассеяны всюду тяжелые атомы свинца, и атмосфера обогатится запасом газа Солнца – гелия.

И вот, на основе этих данных, геохимики и геофизики за последние годы построили шкалу абсолютного летоисчисления времени геологической эволюции земного шара.

Эти новые часы установили, что возраст нашей планеты, вероятно, превышает 5 тысяч миллионов лет, то есть примерно 5 миллиардов лет должны отделять нас от того момента космической истории, когда образовались планеты нашей солнечной системы и среди них Земля.

Более двух миллиардов лет отделяют нас от появления твердой земной коры – этого второго важнейшего момента в истории Земли, начала ее геологической истории. От зарождения жизни прошло не менее одного миллиарда лет. Примерно за 500 миллионов лет до наших дней положено было начало отложениям знаменитой синей кембрийской глины, встречающейся в окрестностях Ленинграда.

В течение первой эпохи – трех четвертей всей геологической истории Земли – много раз расплавленные массы прорывались из глубин на поверхность и нарушали спокойствие первой, еще тонкой, но твердой пленки Земли. Расплавленные массы выливались на ее поверхность, пропитывали ее своим горячим дыханием и растворами, сгибали и поднимали ее в виде хребтов.

Наши геохимики и геологи сейчас уже наметили самые древние горные хребты Земли (в Карелии – Беломориды, в Канаде – древнейшие граниты штата Манитоба). Возраст этих хребтов около 1 700 000 000 лет[19]19
  См. примеч. на с. 74.


[Закрыть].

Потом началась длинная история развития органического мира. Примерно за полмиллиарда лет до нашего времени мощные хребты Каледонии поднялись на севере Европы, за 200–300 миллионов лет образовались хребты Урала и Тянь-Шаня; примерно в течение 25–50 миллионов лет шло образование Альпийских гор, затухали последние пароксизмы вулканов Кавказа, поднимались горные вершины Гималаев.

Затем следует доисторическое время: миллион лет отделяет начало ледниковых эпох; 800 тысяч лет – первое появление человека; 25 тысяч лет – конец последней ледниковой эпохи; 10–8 тысяч лет – начало египетской и вавилонской культур.

Много лет пройдет еще, пока ученые сумеют точно выверить свои замечательные часы. Но метод найден. Одна из загадок времени разгадана, и нет никакого сомнения, что очень скоро в каждом отдельном образце камня химик сумеет прочесть его возраст, определить точное число лет, прошедших с момента его зарождения.

Химик! Мы перестали верить в неизменяемость твоих атомов, все течет, все изменяется, все разрушается и вновь создается, одно отмирает, другое рождается, – так течет история химических процессов мира во времени. Но даже и смерть атома человек сумел превратить в орудие познания мира и сделал из нее эталон времени.

Химические элементы в природе

Кремний – основа земной коры

В одной из баллад Жуковского рассказывается, как некий иностранец, приехав в Амстердам, расспрашивал прохожих о том, кому принадлежат магазины, дома, суда и поместья, и на все получал один и тот же ответ: «Кан-нит-ферштан». «Как он богат!» – думал иностранец, завидуя этому человеку и не догадываясь о том, что эти слова означают по-голландски: «не понимаю».

Эта история всегда приходит мне на память, когда рассказывают о кварце. Показывают мне самые разнообразные предметы: прозрачный шар, сверкающий на солнце чистотой холодной ключевой воды, красивый пестрого рисунка агат, яркой игры многоцветный опал, чистый песок на берегу моря, тонкую, как шелковинка, нитку из плавленного кварца или жароупорную посуду из него, красиво ограненные груды кристаллов горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в кремень, грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека, и о чем бы я ни спросил, мне ответят: все это состоит из кварца и близких к нему по составу минералов. Все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода.

Кремний имеет условный химический знак Si – силиций. После кислорода он является самым распространенным элементом в природе. В свободном виде он никогда не встречается, а всегда образует соединение с кислородом – SiO₂, которое носит название: кремнезем, или окись кремния.

При слове «кремний» обычно чаще всего вспоминаешь кремень – минерал, который многие хорошо знают еще с детства; кремень твердый, дающий горячую искру при ударе о сталь и применявшийся древним человеком для получения огня, а позднее для зажигания пороха в кремневом ружье.

Однако минерал кремень – это не кремний химиков, а лишь одно, и притом не самое важное, его соединение. Сам же кремний – это замечательный химический элемент, атомы которого широко распространены вокруг нас в природе и в технике.

В граните около 80 % кремнезема, или 40 % элемента кремния. Из его соединений состоит большинство твердых горных пород.

Кристаллы дымчатого кварца

Друза горного хрусталя – самой чистой и прозрачной разновидности кварца

Кремний – главная составная часть простой глины. Из него же состоят в основном простой песок речных берегов, толщи песчаников и сланцев.

Не удивительно поэтому, что около 30 % по весу всей нашей земной коры состоит из этого элемента, что до глубины в 16 километров около 65 % приходится на его главное соединение с кислородом SiO₂, которое химики называют кремнеземом и которое мы называем чаще всего кварцем. Мы знаем свыше двухсот различных разновидностей природного кремнезема, и больше ста различных названий употребляют минералоги и геологи, перечисляя разные виды этого важнейшего минерала.

Мы говорим об окиси кремния, когда называем кремень, кварц, горный хрусталь, говорим о ней, когда восторгаемся красотой фиолетового аметиста, пестрого опала или красного сердолика, черного оникса или серого халцедона, к нему относятся и красивые разновидности яшмы, и точильный камень, и простой песок. Самые разнообразные названия даются отдельным ее разновидностям, и, может быть, нужна целая наука, чтобы разобраться в соединениях этого замечательного элемента.

Но в природе встречается еще гораздо больше соединений, где наш кремнезем, или кремневая кислота сочетается с окислами других металлов. При этом получаются тысячи новых видов минералов, называемых силикатами.

Человек применяет их в своей строительной технике и хозяйстве; важнейшие из них – глины и полевые шпаты – он использует для получения различных сортов стекла, фарфора и фаянса, для отливки оконных стекол, хрусталя для стаканов, для создания величайшей силы строительной техники – прочного, как броня, бетона, одного из основных материалов для полотна новых автострад, мостов и железобетонных перекрытий заводов и фабрик, театров, домов и так далее.

Что может сравниться в руках человека по прочности и разнообразию своих свойств с кремнием и его соединениями?

Но еще раньше, чем хитроумный человек научился пользоваться окисью кремния в своей технике, природа уже широко использовала ее в жизни растений и животных. Там, где надо было построить прочный стебель, прочную соломинку колоса, накапливалось большое количество кремнезема; и мы знаем, как много его содержится в золе простой соломы и в особенности в прочных стеблях таких растений, как хвощи, которые росли в далекие геологические эпохи образования каменного угля, вытягиваясь из болотистых низин на высоту в десятки метров, так же как сейчас вытягиваются к небу богатые кремнеземом трубки бамбука в садах Сухуми или Батуми. В этих растениях природа сумела сочетать механическую прочность с прочностью самого материала.

Прочность стебля имеет огромное практическое значение для колосьев злаков, не позволяя ниве ложиться под ударами ветра или дождя.

Радиолярия

Каждый день на самолетах перевозят цветы и декоративные растения; и чтобы эти цветы не мялись, а стебли их оставались прочными, необходимо почву, в которой они растут, насыщать легкорастворимыми солями кремния. Растения поглощают с водой кремнезем – и их стебли приобретают твердость и прочность.

Но не только для стеблей нужна растениям прочность кремния и его соединений. Мельчайшие растения, диатомовые водоросли, строят свои скелеты из кремнезема; и мы знаем сейчас, что на 1 см³ породы, образующейся из скорлупок этих водорослей, требуется около 5 000 000 этих маленьких организмов.

Но особенно замечательны те постройки, в которых кремнезем используется животными для создания своего скелета. В разные эпохи развития жизни животные по-разному решали эту задачу прочности. В одних случаях они защищали снаружи свое тело известковой раковиной; в других – они строили эту раковину из фосфата кальция; в третьих – вместо раковины основу животного составлял твердый скелет, и он образовывался из самых разнообразных, но прочных материалов. То это были фосфаты кальция вроде того вещества, из которого образуются наши кости; то это были тонкие ажурные иглы сернокислых солей бария и стронция; наконец, некоторые группы животных использовали прочный кремнезем и строили из него свои здания. Так строили семейства радиолярий своеобразные нежные скелеты из тонких иголочек кремнезема.

Некоторые губки также образуют свои твердые части из кремневых иголок – спикул.

Сотнями различных способов ухитряется природа использовать кремнезем, чтобы из него создать прочную опору для мягких, изменчивых клеток.