Лев Власов - Занимательно о химии

Когда химикам задавали вопрос, в какие же клетки таблицы поместить лантаноиды, ученые недоуменно пожимали плечами. Да и что они могли ответить, если не знали, в чем причина удивительного сходства лантаноидов!

А объяснение это оказалось довольно простым.

В периодической системе есть такие любопытные группы элементов, атомы которых устроены весьма своеобразно. У них, этих атомов, очередные электроны попадают не во внешнюю и даже не в предыдущую оболочки. У них электроны, подчиняясь строгим законам физики, просачиваются в третью снаружи оболочку.

Там они чувствуют себя весьма уютно. И покидать свои места ни при каких обстоятельствах не желают. В химических реакциях принимают участие только в очень редких случаях.

Поэтому все лантаноиды, как правило, исключительно трехвалентны. Поскольку имеют 3 электрона на внешних оболочках.

Что лантаноидов четырнадцать — ни больше, ни меньше, — тоже не случайно. В третьей снаружи оболочке, которая в их атомах застраивается, есть 14 вакантных мест, ранее остававшихся незаполненными.

Вот почему химики сочли возможным разместить все лантаноиды в одной-единственной клетке вместе с лантаном.

Восемь с лишним десятков элементов периодической системы — металлы. В целом они друг на друга похожи больше, чем неметаллы. И в то же время не счесть неожиданностей в металлическом царстве.

Например, какого цвета различные металлы?

Металлурги знай себе твердят: есть черные, есть цветные. К черным относят железо и его сплавы. К цветным — все остальные, кроме благородных: «их величеств» серебра, золота, платины и ее спутников.

Грубое это деление, и сами металлы категорически выступают против такой уравниловки.

Каждому металлу свойствен особый цветовой оттенок. У темной, матовой или серебристой основы всегда существует определенная подцветка. В этом ученые убедились, изучая металлы в очень чистом состоянии. Ведь многие из них, оказавшись на воздухе, рано или поздно покрываются тончайшей пленкой окисла, которая маскирует истинную расцветку. Чистые же металлы дают богатейшую цветовую гамму. И внимательный глаз различает металлы с синеватым, голубоватым, зеленоватым оттенком, с красноватым и желтоватым отливом, темно-серые, как морская вода осенним пасмурным днем, и блестящие серебристые, отражающие солнечные лучи, точно зеркало.

Окраска металла зависит от многого. В том числе и от способа обработки. По-разному выглядит металл, полученный спеканием отдельных металлических крупинок, и тот же металл, приготовленный в виде слитка.

Когда металлы сравнивают друг с другом по весу, различают легкие, средние и тяжелые.

Среди этих «весовых категорий» есть свои рекордсмены.

Литий, натрий, калий не тонут в воде. Они легче ее. Плотность лития, например, почти в два раза меньше плотности воды, равной единице. Если бы литий не был таким активным элементом, он оказался бы прекрасным материалом для самых различных конструкций. Представляете себе пароход или автомобиль, целиком сделанный из лития? К сожалению, химия накладывает запрет на такую заманчивую возможность.

«Абсолютный чемпион» среди металлов по весу — осмий. Один кубический сантиметр этого благородного металла весит 22,6 грамма. Чтобы уравновесить осмиевый кубик, на другую чашку весов пришлось бы положить, скажем, три кубика меди, два кубика свинца или четыре кубика иттрия. Такими же высокими показателями отличаются ближайшие соседи осмия — платина и иридий. Благородные металлы оказываются и самыми тяжеловесными.

Твердость металлов вошла в поговорку. Про волевого, принципиального человека говорят, что у него «железный характер». Но в мире металлов дело обстоит несколько иначе.

Железо вовсе не котируется в качестве образца твердости. Пальма первенства принадлежит здесь хрому, который этой своей особенностью лишь немного уступает алмазу. Вот, кстати, парадокс: чемпионы по твердости среди химических элементов — отнюдь не металлы. В шкале сравнительной твердости на первом месте стоят углерод в форме алмаза и кристаллический бор. Железо же скорее мягкий металл: оно в два раза менее твердо, чем хром. А наши знакомые легковесы — щелочные металлы — почти так же мягки, как воск.

Все металлы — вещества твердые, твердые в той или иной степени. Это общее правило. Однако есть исключения.

Некоторые металлы скорее представляют собой жидкости. Крупинки галлия или цезия легко бы расплавились на ладони, потому что температура их плавления немногим менее 30 градусов. Франций, который пока в виде чистого металла не приготовлен, плавился бы уже при комнатной температуре. А вот всем известная ртуть — классический пример жидкого металла. Она замерзает при минус 39 градусах, почему и применяется для изготовления самых разнообразных термометров.

В этом отношении сильным конкурентом ртути оказывается галлий. И вот благодаря каким обстоятельствам. Ртуть закипает сравнительно быстро, примерно при 300 градусах. Значит, измерять высокие температуры с помощью ртутных термометров нельзя. А чтобы галлий превратился в пар, нужна температура 2000 градусов. Ни один металл не может так долго оставаться в жидком состоянии, иметь такую разницу между температурами плавления и кипения. Кроме галлия. Потому-то он настоящая находка для изготовления высокотемпературных термометров.

Еще один штрих, на сей раз совершенно удивительный. Ученые теоретически доказали: если бы существовал тяжелый аналог ртути (элемент с очень большим порядковым номером, неизвестный на Земле обитатель воображаемого восьмого этажа Большого дома). то его естественное состояние при обычных условиях было бы газообразное. Газ, обладающий химическими свойствами металла! Удастся ли когда-нибудь ученым познакомиться с таким уникумом?

Свинцовую проволоку можно расплавить в пламени спички. Оловянная фольга, брошенная в огонь, моментально превращается в каплю жидкого олова. А вот чтобы превратить в жидкость вольфрам, тантал или рений, приходится поднимать температуру выше 3000 градусов. Эти металлы расплавить труднее, чем все прочие. Вот почему нити накаливания в электрических лампах делают из вольфрама и рения.

Температуры кипения некоторых металлов достигают поистине грандиозных величин. Скажем, гафний закипает при 5400 градусах (!) — это почти температура поверхности Солнца.

Какое первое химическое соединение сознательно получил человек?

Историки науки не могут ответить с полной определенностью.

Мы рискнем сделать собственное предположение.

Первым веществом, которое люди приготовляли, заранее зная, что они хотят получить, было… соединение двух металлов — меди и олова. Мы сознательно не употребили слово «химическое». Потому что соединение меди и олова (а это самая обыкновенная, всем известная бронза) необычное. Оно называется сплавом.

Древние люди научились сначала выплавлять металлы из их руд, а уже затем сплавлять друг с другом.

Так на заре цивилизации появились зерна одной из отраслей будущей науки химии. Ее называют теперь металлохимия, или химия металлов.

Строение соединений металлов с неметаллами обычно определяется валентностью входящих в них элементов. Скажем, в молекуле поваренной соли содержится положительно одновалентный натрий и отрицательно одновалентный хлор. В молекуле аммиака NH3 отрицательно трехвалентный азот связан с тремя положительно одновалентными атомами водорода.

Химические соединения металлов друг с другом (их называют интерметаллическими соединениями) законам валентности обычно не подчиняются. Их состав не связан с валентностью реагирующих элементов. Поэтому формулы интерметаллических соединений выглядят довольно странно, например MgZn5, KCd7, NaZn12 и так далее. Одна и та же пара металлов часто может образовывать несколько интерметаллических продуктов, скажем, натрий с оловом дают девять таких удивительных образований.

Металлы могут взаимодействовать между собой, как правило, в расплавленном состоянии. Но не всегда сплавляемые металлы образуют друг с другом химические соединения. Иногда один металл просто растворяется в другом. Образуется однородная смесь неопределенного состава, ее не удается выразить четкой химической формулой. Такую смесь именуют твердым раствором.

Сплавов огромное количество. И никто еще не взял на себя труд хотя бы приблизительно подсчитать, сколько их уже известно и сколько вообще может быть получено. Здесь снова «пахнет» миллионами, как в мире органических соединений.