Айзек Азимов - О времени, пространстве и других вещах
В Газах это не проявляется. Что будет, если молекула фтора распадется на два атома фтора? Они окажутся в окружении одинаковых двухатомных молекул фтора, и единственным возможным результатом будет повторное воссоединение атомов в молекулу. Если же в составе газа присутствуют и другие молекулы, возможно образование другой молекулярной комбинации, обладающей большей устойчивостью, чем F2, то есть химическая реакция.
Молекула фтора действительно имеет тенденцию к распаду даже при обычных температурах, и этого достаточно. Свободные атомы фтора будут атаковать все вокруг, что фтором не является, в результате химической реакции повысится температура, что вызовет еще более интенсивное расщепление молекул фтора и т. д. Таким образом, молекулы фтора обладают высокой химической активностью, им мало в чем уступают фторид хлора и озон. Эти вещества самые активные из всех Газов.
Молекулы кислорода расщепляются тяжелее и остаются невредимыми (и инертными) в условиях, когда фтор уже проявляет активность. Вы можете возразить, что кислород является очень активным элементом, однако это верно лишь при высоких температурах, где на разрыв молекул можно потратить больше энергии. К тому же не забывайте, что мы живем в море свободного кислорода без вреда для себя. Неживые вещества — такие, как бумага, дерево, уголь или керосин, считающиеся очень горючими, — могут неопределенно долго купаться в кислороде, причем химическая реакция так и не начнется. Для ее начала существует одно непременное условие — повышение температуры.
При нагреве кислород становится активным, легко вступает во взаимодействие с другими Газами: водородом, окисью углерода и метаном.
Молекулы азота разрываются еще труднее. До открытия группы инертных газов азот считался инертным (за неимением конкурентов). Он, а также тетрафторид углерода являются двумя Газами в списке (кроме группы инертных), сохраняющими большую степень инертности. Однако и их молекулы можно разрушить.
Жизнь зависит от того, что некая бактерия может расщепить молекулу азота. Человек, научившись делать то же самое в большем масштабе, создал важные технологические процессы. Когда молекула азота разрушается, отдельные атомы азота становятся активными и начинают вступать в химические реакции. Это один из самых распространенных элементов, чрезвычайно важный для существования живой материи.
В инертных газах все происходит по-другому. В них нет молекул, которые можно расщеплять. Мы имеем дело со стабильными атомами, и возникновение их комбинаций с другими атомами для достижения большей устойчивости представляется маловероятным. Первоначально делались безуспешные попытки заставить инертные газы вступать в химические реакции, после чего химики удовлетворились тем, что сумели объяснить этот факт с научной точки зрения.
По правде говоря, периодически попытки возобновлялись, но успеха все равно не принесли. Вплоть до 1962 года единственное, чего удалось добиться химикам, желающим связать атомы инертных газов с другими атомами, — это создать «решетчатые» структуры. В них составляющие молекулу атомы образуют ряд «клеток», в который иногда в процессе формирования «клеток» может попасть посторонний атом, даже атом инертного газа. Тогда инертный газ оказывается частью молекулы и не может освободиться, пока не разрушена молекула. Однако такое объединение оказывается чисто физическим. Химические связи при этом не образуются.
Давайте продолжим рассуждения. Точка кипения гелия — это 4,2° K, неона — 27,2° K, аргона — 87,4° K, криптона — 120,2° K, ксенона — 160,8° K. Точка кипения радона — шестого и последнего из группы инертных газов, имеющего самый массивный атом, — 213° K (-61,8 °C). Радон даже не является Газом. Он только газ.
Далее: с ростом массы атома инертного газа уменьшается его ионизационный потенциал (величина, определяющая легкость, с которой электрон может быть оторван от атома). Одновременное повышение точки кипения и уменьшение ионизационного потенциала означает, что инертный газ становится менее инертным с ростом атомной массы.
Тогда получается, что радон должен быть наименее инертным из группы инертных газов, а значит, существует вероятность заставить его вступить в химическую реакцию. Во всяком случае, эта вероятность выше, чем с остальными инертными газами. Однако радон является радиоактивным элементом с периодом полураспада, равным менее 4 суток. Поэтому он встречается очень редко, и с ним можно работать только в специальных условиях. Следующий, наиболее близкий к нему по свойствам элемент — ксенон. Он также встречается крайне редко, но по крайней мере является доступным и стабильным.
Но если можно ожидать, что ксенон вступит в химическую реакцию, то с какими именно атомами? Было бы естественно предположить, что для этого следует выбрать наиболее химически активный элемент — фтор или фторсодержащие вещества. Если ксенон не вступит в реакцию с ними, он не станет реагировать ни с чем.
(Вам может показаться, что я чрезвычайно много знаю об этом вопросе, но это действительно так. Правда, я не явился первооткрывателем. Задолго до меня, в 1932 году, соответствующие обоснования выполнил Лайнус Полинг. Кроме того, я слышал, что джентльмен по имени А. фон Антропофф сделал то же самое в 1924 году.)
В 1962 году Нил Бартлетт и его коллеги, работавшие в университете Британской Колумбии, проводили опыты с очень необычным веществом — гексафторидом платины (PtF6). Оказалось, что это вещество обладает чрезвычайно высокой химической активностью. Химики решили посмотреть, не сможет ли оно вступить в химическую реакцию с инертным газом.
Бартлетт смешал пары PtF6 и, к своему немалому изумлению, получил некое соединение. Судя по всему, оно имело формулу XePtF6. Объявленные результаты эксперимента были встречены научной общественностью с некоторым сомнением. Гексафторид платины был слишком сложным соединением, чтобы предположить формирование решетчатой молекулы, в которую попали атомы ксенона.
Группа химиков Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго решили продолжить эксперименты с ксеноном и фтором. Они производили нагрев одной части ксенона с пятью частями фтора до 400 °C под давлением в никелевом контейнере. В результате был получен тетрафторид ксенона (XeF4) — соединение инертного газа без возможности образования решетчатой молекулы. (Конечно, подобный эксперимент мог быть выполнен значительно раньше, но вряд ли стоит удивляться, что это не было сделано. Чистый ксенон очень сложно получить, а с чистым фтором очень опасно иметь дело. Химики, являясь людьми разумными, не желали идти на расходы и риск ради призрачного шанса получить соединение инертного газа. Лишь когда после опытов Бартлетта шанс ощутимо увеличился, дорогостоящий эксперимент был проведен и увенчался успехом.)
Результаты работы аргоннских ученых произвели настоящий фурор. Химики словно сорвались с цепи. Казалось, что все химики-неорганики мира решили участвовать в экспериментах с инертными газами. Из лабораторий, расположенных в разных концах планеты, стали поступать сообщения о получении соединений ксенона. Кроме XeF4, были также получены XeF2, XeF6, XeOF2, XeOF3, XeOF4, XeO3, H4XeO4, H4XeO6.
Удалось даже собрать достаточное количество радона, чтобы получить тетрафторид радона (RnF4). Даже более инертный, чем ксенон, криптон позволил себя приручить. Были получены соединения KrF2 и KrF4.
Оставшиеся инертные газы — аргон, неон и гелий — до сих пор остаются неподдающимися. Это последние из «старых холостяков», но химики не оставляют надежды лишить их этой привилегии.
Будучи немолодым, осторожным и женатым человеком, я на это могу сказать только одно: без комментариев.
Глава 16
Те, кто всегда поторапливают
В одной из моих первых научно-популярных статей, предназначенных для широкого круга читателей (как давно это было, кажется, в далеком Средневековье), упоминалось о «ловких волшебниках-катализаторах».
Дочитав до этой фразы, мой редактор замер, причем вовсе не от восхищения (хотя, откровенно говоря, я ожидал именно этого — сравнение казалось мне необыкновенно удачным). Но он обратил на меня суровый взгляд и непререкаемым тоном изрек: «В науке нет ничего волшебного. В ней могут быть загадки, тайны, иногда необъяснимые; но никакого волшебства!»
Думаю, вы поймете, как неприятно было мне получить урок — и от кого? — от редактора! Но тем не менее, урок был хорош, и я его запомнил.
Но каким образом можно описать работу катализаторов, не призывая на помощь волшебство? Проблема!
Одним из первых опытов, выполняемых начинающим химиком в лаборатории высшей школы, является получение кислорода путем нагрева хлорноватокислого калия (бертолетовой соли). Если бы нагреву подвергалась только бертолетова соль, кислород, конечно, выделялся бы, но медленно при сравнительно высоких температурах. Поэтому начинающий химик получает указание прежде всего добавить немного двуокиси марганца. Когда нагреву подвергается смесь, выделение кислорода идет быстро и при сравнительно низких температурах.
