Помоги проекту - поделись книгой:
Эту пока что еще довольно смутную догадку о связи распространенности элемента с его порядковым номером следует тут же проверить. Обратимся к соседней группе менделеевской системы. Металлы этой группы «сверху вниз» идут в таком порядке: магний, кальций, стронций, барий, радий. Выпишем в том же порядке колонку величин распространенности: 1,72 — 1,41 — 0,01 — 0,006 — 2∙10–12. Комментарии? Вот их-то как раз и не нужно! И так ясно: распространенность химического элемента падает по мере увеличения порядкового номера. Позвольте, но ведь это почти закон. Нет, почему «почти»? Это самый настоящий закон! И к тому же (отбросим ненужную скромность!) — фундаментальный закон.
Похоже, что мы с вами молодцы: найти новый закон природы, да еще фундаментальный, — достижение, что ни говорите, не будничное.
Теперь остается одно — поверить эту пока что не очень четко просматривающуюся гармонию геометрией: составим график зависимости распространенности от порядкового номера элемента, и тогда можно отдыхать с приятным сознанием выполненного долга и ожиданием грядущих почестей.
Но отдыха не предвидится. Почестей тем более. То, что получается на графике, можно определить кратким, но зато предельно для данного случая выразительным словом — хаос.
О какой закономерности можно здесь говорить?! Точки скачут, как шарики в машине для игры в спортлото, и похоже, что закономерностей на графике не больше, чем в этой же почтенной игре.
Тут можно привести весь классический комплект горестных поговорок («Торговали — веселились…», «Не кричи «гоп», пока…»), можно пройтись по полной гамме приличествующих случаю печальных вздохов, а можно и просто сокрушенно махнуть рукой и согласиться с тем, что наука — удел немногих гениев, да и то озаренных свыше. Но не стоит всего этого делать. Право, не стоит. Мы и так впали в один из самых больших грехов, какие могут быть присущи научному работнику. Сначала, натолкнувшись на два пусть любопытных, но частных факта, мы решили, что открыли общий закон. И естественно, возликовали. А потом, обнаружив, что действительность не желает подчиняться этому походя придуманному нами закону, пришли в уныние и решили, что ни о каких закономерностях вообще говорить не приходится.
Скажу сразу: подобные эмоционально-психологические амплитуды в какой-то мере извинительны влюбленному, но совершенно противопоказаны научной работе.
Поэтому на какое-то время загоним эмоции в дальний угол души и с максимальной деловитостью рассмотрим диаграммы распространенности элементов в земной коре.
Да, воистину «вначале был хаос»! Соединяя в различных сочетаниях точки на диаграмме, можно, как на средневековых картах неба, получить любые фигуры. Но до обобщений, да еще научных, здесь далеко. Поэтому не будем прибегать к такому малопочтенному занятию, напоминающему предновогоднее гадание засидевшихся девиц, а отметим факты бесспорные.
Прежде всего мы замечаем, что из двух соседних, то есть различающихся порядковым номером 1, элементов один обязательно содержится в земной коре в количестве, во много раз большем, чем другой. Отметив это, мы сразу обращаем внимание на то, что из двух элементов-соседей почти всегда более распространен элемент с четным порядковым номером.
Различие в распространенности четных и нечетных элементов особенно четко проявляется в начале периодической системы. Первые 14 четных элементов распространены в земной коре втрое больше, чем первые 14 нечетных. Да и то репутацию нечетных значительно поддерживает алюминий. Не будь содержание этого металла в земной коре так велико, дела нечетных были бы вовсе никудышными.
В проблеме четных и нечетных самое впечатляющее, пожалуй, — это распространенность так называемых редкоземельных элементов: пятнадцати близнецов с порядковыми номерами от 57-го до 71-го, которые тем не менее занимают и таблице Менделеева… одну клетку[1]. Эти редкоземельные элементы, почти неразличимые по всем химическим и очень многим физическим свойствам, практически всегда присутствующие в месторождениях и минералах вместе, «всей компанией», эти неразлучные элементы-близнецы, оказывается, не равны перед природой по величинам их распространенности в земной коре. Правило, которое здесь соблюдается так строго, что его впору возвести в ранг закона, гласит: любой из четных редкоземельных элементов встречается в земной коре в количествах, значительно превосходящих своих нечетных соседей. Исключений не наблюдается ни в одном — ни в одном! — случае. Этот пример достаточно ясно показывает, что не химические свойства, вернее, не только они определяют распространенность элементов.
Итак, четным элементам, и это мы установили бесспорно, живется куда вольготнее, чем их нечетным собратьям. Но даже среди «зажиточных» четных элементов выделяются по своей распространенности элементы-гиганты: кислород, кремний, кальций, железо.
Не может быть, чтобы этих великанов не объединяло что-нибудь общее! У нас с вами достанет юмора, чтобы не сопоставлять цвет, запах или вкус этих элементов. Да и то сказать — медные дверные ручки, на вкус которых часто ссылаются герои юмористических рассказов, в действительности никаким вкусом, как и подавляющее большинство металлов, не обладают…
Но что же тогда сопоставлять? Атомный номер? Но с ним мы уже имели дело. Другую основную характеристику элемента — атомную массу? Попробуем… Выписываем атомные массы элементов-гигантов: 16, 28, 40, 56. Что общего у этих чисел? Разве только то, что все они без остатка делятся на 4.
Случайность? Но случайно можно разве только с приятелем в кино встретиться. Да и то, если разобраться, случайности в этой встрече не так уж много, потому что оба прогуливали один и тот же урок… Нет, делимость на 4 выплыла здесь не случайно! Впрочем, сейчас на этом обстоятельстве, которое для читателя носит пока что чисто арифметический оттенок, останавливаться не будем, но запомнить его прошу.
Хотя желаемая четкая закономерность распространенности химического элемента в зависимости от порядкового номера отсутствует, но четкая тенденция несомненна: с повышением порядкового номера распространенность химических элементов все же уменьшается. Выходит, были мы правы тогда, когда утверждали, что повышение порядкового номера должно вести к уменьшению содержания элемента в земной коре. Но только тогда мы хотели вывести это правило методом кавалерийского наскока, который хорош в маневренной войне, но почти всегда бесплоден в науке — она, наука, чаще и успешнее пользуется методом планомерной осады. Как видим, разобравшись в исключениях из этого правила и уяснив некоторые важные обстоятельства, мы пришли к правильной картине, которая оказалась не такой простой, как нам хотелось бы, но, в общем, достаточно выразительной.
Итак, чем сложнее ядро атома химического элемента, тем этого элемента в земной коре меньше. Как утверждают врачи, у худых больше шансов стать долгожителями, чем у тучных. Не случайно расчетливые американские страховые компании берут с толстяков гораздо большую сумму страховки, чем с их поджарых однолетков.
Сформулировав хотя и приблизительное, но для первой прикидки удовлетворительное правило распространенности химических элементов, можем с известным удовлетворением подвести итоги нашей работы. Мы установили, какие элементы распространены в земной коре более других. Определили, какие признаки присущи этим наиболее распространенным элементам. Нашли, что между распространенностью элемента, его порядковым номером и массовым числом существует несомненная связь.
Замечу сразу, что это не так уж мало. Найти бесспорный факт для ученого значит не меньше, чем для домашней хозяйки купить доброкачественные продукты, ибо без доброкачественных овощей не сварить хорошего супа, а без достоверных фактов не создать хорошей теории. Поэтому имеются все основания для хорошего настроения.
Однако того удовлетворения, на которое можно было рассчитывать, согласитесь, мы не ощущаем. Потому что мы нашли ответ лишь на вопросы «как», «каким образом». Но вот почему четные элементы природе более любы, чем нечетные? Почему распространенность элемента уменьшается с увеличением его атомного номера? Почему элементы-гиганты имеют атомную массу, кратную четырем?
Но — и от этого никуда не деться — ответы на вопросы, начинающиеся с «почему», в науке ценятся гораздо выше, чем ответы на вопросы, начинающиеся с «как». Именно поэтому я не могу сказать, что в проблеме распространенности химических элементов мы проделали хотя бы половину работы. Если не все, то, во всяком случае, очень многое еще впереди.
Делись на 4 без остатка…
Об избытке производимой в наше время научной информации говорят нынче все. Действительно, информации становится многовато. И, несомненно, часть ее избыточна, а стало быть, вредна.
Проблема избыточной информации уже успела выплеснуться на страницы научно-популярной, научно-художественной, а подчас и просто художественной периодики. А недавно в одной из статей некий журналист-максималист с категоричностью, выдающей его молодость, предложил упразднить… названия химических элементов:
«Разве, говоря о химических элементах и их соединениях, не достаточно ограничиться указанием на порядковый номер химического элемента? Разве, отметив, что речь идет, например, об элементе № 8, мы тем самым однозначно не определили, что это кислород? Зачем же эта возня с названиями? Тем более, что вредный обычай присваивать химическим элементам названия подчас приводит к размолвкам в среде ученых. Вот я и предлагаю: давайте оставим за химическими элементами только номера, упразднив названия. Право, информации в выражении «соединение элемента № 11 с элементом № 17» ничуть не меньше, чем в выражении «хлористый натрий».
Наш журналист, в общем, не очень оригинален. Пишут, что в Нью-Йорке подавляющее большинство улиц обозначается номерами. Что ж, давайте перенесем этот обычай к нам, и тогда в погожий весенний вечер юноша, стоя с любимой на улице 13 угол 26-й, будет ей жарко нашептывать:
«Моя дорогая, любимая! Люблю тебя безумно!»
И услышит в ответ:
«Зачем столько лишних слов? Сказав «люблю», зачем еще говорить «любимая»? И потом, если «любимая», то, следовательно, и «дорогая» — к чему же повторения?! А «безумно» — тут не только избыточная, но и вовсе неверная информация, ведь ты в здравом уме. Если же считать, что… Но куда же ты, Миша?»
Да, не всегда избыточная информация — лишняя…
И тем не менее здравый смысл в заключениях автора есть.
Порядковый номер действительно полностью определяет, о каком химическом элементе идет речь. Уточним: важно здесь то, что, как известно всем, порядковый номер соответствует числу протонов в ядре атома химического элемента. Сказав: «атомное ядро этого элемента содержит 17 протонов», мы тем самым дали понять, что речь идет о хлоре, потому что у хлора, и только у него, в ядре атома насчитывается 17 протонов; ибо 16 протонов — это ядро атома серы, а 18 — аргона.
Сведения о числе протонов в атомном ядре не представляют сколько-нибудь явной информации о массовом числе элемента. В ядре, в состав которого входит 17 протонов, может содержаться еще, например, 18 нейтронов, а может быть, и все 20. Разница большая!
В первом случае элемент будет иметь атомную массу 35, а во втором — 37. Кстати, а какую атомную массу имеет хлор, ведь речь идет именно о нем? Таблица свидетельствует, что атомная масса этого элемента равная 35,46.
Эта обескураживающая дробность могла бы навести на мысль, что в ядре атома хлора содержится 18,46 нейтрона. Но, во-первых, мы знаем, что нейтрон и пополам-то разделить нельзя, не то что на сотые доли. А во-вторых, к чему притворное удивление — и так всем известно, в чем дело. Природный хлор состоит из двух изотопов: хлор-35 (тот, у которого в ядре атома 18 нейтронов) и хлор-37 (тот, у которого в ядре атома 20 нейтронов). Соотношение же между хлором-35 и хлором-37 таково, что приводит к средней атомной массе 35,5. Кстати, каждый пятиклассник, знакомый с правилом пропорций, может подсчитать, исходя из средней атомной массы хлора, что в природных соединениях этого элемента содержится 75,5 % хлора-35 и, стало быть, 24,5 % хлора-37.
Вряд ли стоит напоминать, что количество протонов в атомном ядре полностью определяет строение электронной оболочки и, следовательно, химические свойства элемента. Таким образом, в химическом отношении разные изотопы одного элемента неразличимы.
Да, конечно, весь этот разговор был затеян для того, чтобы читатель вспомнил, что такое изотопы. Потому что наш рассказ о распространенности химических элементов должен свестись к распространенности изотопов. Это будет более правильный подход, который сулит больше шансов на успех, чем «глобальное» рассмотрение.
Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь нескольких изотопов: двух (например, уже упоминавшийся хлор, который состоит из изотопов с массовыми числами 35 и 37), трех (например, кислород, который образован изотопами 16, 17, 18), а нередко и больше. Например, то, что мы называем одним словом «кальций», в действительности представляет целый выводок изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. Рекорд многочисленности принадлежит олову — под этим названием объединяется целый десяток изотопов с массовыми числами от 112 по 124.
А теперь можно набросать канву — в подражание Феликсу Кривину — басни в прозе. Кислород, подбоченясь, презрительно бросает трудяге-алюминию:
— Ты, братец, посторонись, много тут вас, мелкопоместных!
— А кто же вы будете, ваше высокоблагородие? — робея, спрашивает алюминий.
— Я кислород! Кислород-17! — высокомерно и напыщенно заявляет гордец.
И алюминий, которого подводит его необразованность, униженно отступает на обочину, не ведая, что содержание этого кислорода-17 в земной коре по сравнению с алюминием не просто незначительно, а и вовсе ничтожно.
Мораль басни ясна: неверно говорить о распространенности химического элемента вообще — надо учитывать содержание в земной коре каждого из изотопов в отдельности.
Для того чтобы установить закономерности распространения в земной коре изотопов, займемся поначалу игрой «чет-нечет». Учтем, что число протонов в ядре атома может быть либо четным, либо нечетным. То же можно сказать и о числе нейтронов. Отсюда следует, что по классификации «чет-нечет» возможны четыре типа ядер, которые для наглядности сведем в табличку:
Разложим все известные нам изотопы по полочкам. И сразу выяснится прелюбопытное обстоятельство. Полка I («чет-чет») забита, что называется, доверху, изотопа лишнего приткнуть некуда. Полки III и IV заставлены совсем свободно, а вот полка II, считайте, совсем пуста: какие-то жалкие 4 изотопа, которые не сразу-то и заметишь.
Итак, природе особенно любы атомы, ядра которых содержат четные числа протонов и нейтронов. К противоположной комбинации («нечет-нечет») природа относится с нескрываемым отвращением. Но природа, как верховный судья, обязана быть беспристрастной. И если она отошла от этого принципа, открыто отдав симпатии типу ядер «чет-чет», надо полагать, у нее на это имеются серьезные основания.
Попробуем ввести классификацию изотопов по другому признаку. Признак этот на первый взгляд может показаться несколько искусственным. Но раньше я предупреждал, что нам придется еще говорить о делимости массовых чисел на 4,— речь сейчас идет именно об этом признаке.
Не надо вспоминать очень несложное правило делимости на 4, чтобы догадаться: в этой системе классификации может быть четыре типа изотопов. К первому из них относятся изотопы, чьи массовые числа делятся на 4 без остатка. Примерами могут служить кислород-16 или кремний-28. Назовем этот тип «4p». Изотопы, массовые числа которых при делении на 4 будут давать в остатке 1, обозначим 4p+1 (пример: хлор-37). Очевидно, что, помимо этих типов, возможны еще два: 4p+2 (например, азот-14) и, наконец, 4p+3 (алюминий-27).
Справедливости ради отмечу, что существует несколько изотопов, которые не подпадают под эту систему классификации. Это те, массовое число которых меньше четырех, то есть в данном случае они вообще состоят лишь из одного «остатка». Изотопов этих очень немного, и можно было бы вообще о них не вспоминать, если бы в их число не попадал такой важный, как можно об этом догадаться, водород-1 («обычный» водород в отличие от тяжелого водорода с массовым числом 2 — дейтерия).
Прежде всего бросается в глаза, что в тех случаях, когда какой-либо химический элемент состоит из смеси нескольких изотопов, то всегда (за очень редкими исключениями, которые только подчеркивают справедливость общего правила) абсолютно преобладающим будет изотоп типа 4p.
Примеры, подтверждающие это правило, можно отыскать, ткнув наугад в таблицу Менделеева. Куда попали мы пальцем? Клетка № 8, кислород. Уже упоминалось, что этот элемент состоит из трех изотопов: 16, 17 и 18. Так вот, кислорода-16 (тип 4p) в природном кислороде и всех его соединениях содержится 99,76 %. Стоит ли теперь приводить жалкие величины содержания остальных изотопов кислорода?
У кальция шесть изотопов, которые перечислялись раньше. На долю кальция-40 (4p!) приходится 96,9 %. Как видим, остальные пять изотопов должны довольствоваться малым, очень малым…
Конечно, очень хотелось бы вести повествование таким образом, чтобы каждый раз подводить читателя к каким-то неожиданным выводам, непрерывно читателя удивляя, а то и поражая. Удивление, конечно, хорошо, но на нем одном в науке не выедешь. Надобно еще и размышление. Все приведенные факты предназначались обосновать вывод: большинство атомов, из которых состоит земная кора, относится к типу 4p.
Да, 75 % земной коры «делится без остатка на 4». Вывод после всего сказанного о преобладании изотопов типа 4p не неожиданный, а все-таки удивительный. Чем объяснить пока что совершенно непонятную склонность природы к числу 4? Влечение тем более загадочное, что эти 75 % выглядят совсем уж внушительно на фоне жалких 0,01 % и 0,05 % (содержание в земной коре типов 4p+1 и 4p+2). Несколько более благополучен тип 4p+3 — его в земной коре 8 %. Этой своей, впрочем, относительной зажиточности тип 4p+3 целиком обязан алюминию, который (атомная масса единственного изотопа алюминия составляет 27) относится к числу наиболее мощных элементов-гигантов. И наконец, 17 % атомов земной коры приходится на долю внеклассификационного водорода.
А ответа на вопрос «почему» все нет. И тянет попытать счастья с другими числами. Скажем, попробовать классифицировать изотопы по признаку делимости на 8. Или на 16. А может быть, что-нибудь интересное получится, если в качестве делителя взять «счастливое» число 7? Или «несчастливое» 13? Если продолжать игру, то можно докатиться до подмены объективных законов естествознания игрой в магические числа.
«Магические числа»? Слова эти у меня вырвались нечаянно, но как нельзя более чем кстати. Ведь именно этот термин можно встретить на страницах учебников ядерной физики в разделе, посвященном устойчивости атомных ядер. Там же и приводятся эти «магические числа»: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126.
«Магия» в данном случае относится к количеству протонов или нейтронов в ядре атома. Но неужели физика да еще такой современный ее раздел, как учение об атомном ядре, имеет что-либо общее с магией, хиромантией и прочей ложнотаинственной заумью?
«Магическими» физики назвали эти числа потому, что атомные ядра, содержащие названные числа протонов и нейтронов, наиболее устойчивы.
Но, как мы сейчас убедимся, эти числа волшебны и для геохимии. Впрочем, читатель, наверное, уже сам заметил, что наиболее распространенные в земной коре изотопы так или иначе связаны с «магическими числами».
Чемпион чемпионов по распространенности — кислород. Весь встречающийся в земной коре кислород, можно сказать, состоит из изотопа с массовым числом 16.
Но ведь ядро этого изотопа содержит 8 протонов («магическое число») и 8 нейтронов (еще «магическое число»). Серебряный призер распространенности — кремний, атомная масса которого равна 28 — «магическое число»! Достаточно распространенный элемент кальций наиболее богат изотопом 40 — снова дважды «магическое число» (2x20).
На этот раз мы окончательно прекращаем манипулировать с числами, не то у читателя и впрямь может возникнуть представление, что все учение о законах распространенности химических элементов в земной коре сводится к числовым комбинациям.
А ведь с помощью манипуляций с числами, как известно, можно предсказать (и предсказывали!) что угодно: начало мировой войны, землетрясение в Исламбаде, пришествие антихриста и рождение очередного Наполеона.
Но как бы то ни было, из всего сказанного с очевидностью вытекает, что распространенность химического элемента связана со свойствами атомного ядра. И поэтому геохимик, пытаясь получить ответ на вопрос «почему», без услуг физики, ядерной физики, обойтись никак не может.
Брать быка за рога…
Частицы, составляющие атомное ядро, стягивают в одно целое ядерные силы — физики это установили давно. Научились они и подсчитывать величину энергии связи. А узнав общую величину энергии связи, совсем просто подсчитать долю энергии, приходящуюся на одну частицу, — удельную энергию связи частиц в ядре.
В сущности, эта новая для нас характеристика атомного ядра описывает стабильность химического элемента: понятно, что чем удельная энергия связи больше, тем устойчивее этот химический элемент. Устойчивость… распространенность… Согласитесь, что между этими словами что-то общее есть, несомненно есть…
Впрочем, если бы мы захотели уловить какую-либо закономерность между удельной энергией связи и зарядом ядра химического элемента, то были бы столь же обескуражены, как и в случае распространенности. «Как и в случае распространенности»… Нет, не случайно мы соединили эти два слова — устойчивость и распространенность!
Но теперь, наученные горьким опытом, не будем преждевременно сокрушаться по поводу отсутствия строгих закономерностей. Потому что мы очень скоро установим, что, как и в случае распространенности, наибольшей энергией связи характеризуются кислород, кремний, кальций, железо… Все те же элементы-гиганты! Случайное совпадение? Но проблема случайного в природе уже обсуждалась, и вывод был как будто бы определенным. А раз так, то сопоставим распространенность и удельную энергию связи (устойчивость) повнимательнее.
Да, несомненно, самые устойчивые химические элементы наиболее распространены в земной коре. Правда, здесь не все понятно. И самое главное: почему наибольшей энергией связи характеризуется железо, а более всего в земной коре все же кислорода?
Что ж, запомним эту особенность железа. Запомним и в будущем постараемся в ней разобраться.
Приученный уже относиться к числу 4 с настороженностью, читатель несомненно заметит, что изотопы, находящиеся на зубцах графика, все, без исключения, принадлежат к типу 4p. В самом деле, каждый из изотопов типа 4p обладает удельной энергией связи заметно большей, чем его соседи. Взять хотя бы кислород, слева от которого в периодической системе стоит азот, а справа — фтор. Созерцая эту троицу, можно сказать лишь одно: Гулливер (кислород) среди лилипутов (его соседи). Эта литературная реминисценция вполне оправданна: удельная энергия связи частиц в ядрах азота и фтора впятеро меньше, чем у кислорода.
Можно было бы, конечно, позавидовать счастливцу кислороду: у него, дескать, и распространенность наибольшая, и удельная энергия связи гораздо внушительнее, чем у других изотопов с близкой атомной массой. Но, впадая в постыдный грех зависти, не совершаем ли мы при этом еще и логическую ошибку? Правильным ли будет замечание: «Везет же артисту Н. — и тенор у него прекрасный, и выигрышную во всех отношениях партию Ленского ему поручили…» Понятно, что именно потому тенор Н. будет петь «Куда, куда вы удалились…», что у него отменный голос, а вот гораздо менее счастливый в вокальном отношении М. поет лишь «Ви роза…».
Так, быть может, потому кислород относится к элементам-гиган-там, что удельная энергия связи у него выше, чем у других изотопов с близкими массовыми числами? «Может быть…» А если без предположений, наверняка?
Пытаясь получить ответ «наверняка», не следует брать быка за рога. А надо отметить одну любопытную особенность этих «делящихся на 4 без остатка» элементов. Во-первых, у подавляющего большинства из них число протонов равно числу нейтронов. А во-вторых, эти числа четные.
Комбинация 2 протона-|-2 нейтрона в силу законов микромира энергетически особенно выгодна. Этот квартет неразлучен не только в ядре. Даже при ядерных катаклизмах — при радиоактивном распаде элемента — эта компания старается не разлучаться: вспомним альфа-распад. Ведь альфа-частица, вылетающая из ядра, — это и есть содружество двух протонов и двух нейтронов.
Итак, природе выгодно создавать ядра, состоящие из четного числа протонов и четного числа нейтронов, то есть «делящиеся на 4 без остатка». Слово «выгодно» здесь и в одной из предыдущих фраз приведено без кавычек. Они, кавычки, здесь не нужны. Потому что природа всегда следует путем наибольшей энергетической выгоды. А поскольку этот путь предопределен основным законом природы — законом сохранения энергии, — то это та самая выгода, которая никак не служит синонимом слова «корысть». Выходит, нет у природы особенного стремления к четным числам, а есть четкий физический закон, согласно которому строят жизнь химические элементы.
Наконец, достаточно просто объясняются и числа, которые физики прозвали «магическими» (помните: 2, 8, 20…). Частицы, образующие атомное ядро, располагаются не произвольно, а в таком же строгом порядке, как электроны, вращающиеся вокруг ядра. И так же, как и в случае электронов, в атомном ядре существуют оболочки, наполнение каждой из которых отвечает определенному «магическому» числу. Поэтому и здесь, несмотря на столь интригующий эпитет, как видим, ничего таинственного нет.
Пока что получается, как в романе с замысловатой, но не очень профессионально построенной интригой: на протяжении всего романа автор накручивает самые невероятные события, а когда становится очевидным, что узлов завязано столько, что развязывать их — дело безнадежное, автор заталкивает всех героев в лифт, который, конечно же, обрывается, и автор с облегчением выводит слово «конец».
Но анализ закономерностей распространенности химических элементов, увы, не роман. Сюжеты здесь придумывает не автор, а природа, которая, к сожалению (а вернее всего, к счастью), не склонна к эффектам.
Из всех определений понятия «наука» (а имя им — легион) мне больше всего по душе такое: настоящей наукой следует считать такую область знаний, где ответ на один вопрос рождает по крайней мере два других вопроса.
И один из таких вопросов возникает немедленно. Утверждалось, что чем прочнее связаны частицы в ядре атома, тем этого элемента в природе больше. Но ведь чемпион по величине удельной энергии связи — железо. А этот элемент в иерархии распространенности только четвертый. Как можно это объяснить?
Честно говоря, вопросов здесь гораздо больше. Но и этот один показывает, что наука о распространенности химических элементов — настоящая наука, и, более того, наука интересная.
Последний комплимент геохимии не освобождает нас от поисков ответа на поставленный вопрос. Итак, будем решать, кто все же настоящий чемпион: кислород или железо?
«Лучший портной»
Хочется вспомнить старую и, в общем-то, хорошо известную историю, не потерявшую от этого, впрочем, аромата поучительности. На одной из окраинных улочек дореволюционного провинциального местечка жили трое портных, конечно же конкурировавших друг с другом. Желая подчеркнуть свое превосходство, первый портной намалевал вывеску: «Лучший портной в городе». Второй не остался в долгу, и его хибара украсилась вывеской: «Лучший портной в Расеи». Что оставалось третьему? Претендовать на мировое господство? И над домиком укрепилось гордое: «Лучший портной на ефтой улице».
До сих пор речь шла о распространенности химических элементов в земной коре, которая и по объему и по массе составляет лишь очень малую часть земного шара. Можно ли считать, что картина относительной распространенности химических элементов в земной коре, установленная для земной коры, будет справедлива для планеты в целом? Не приходится сомневаться в том, что это было бы слишком смелое и неоправданное обобщение. Как неправомерно было бы судить о знаниях учащихся всего класса, вызвав наудачу одного лишь Тяпкина, так же нельзя считать, что химический состав тоненького поверхностного слоя позволяет судить о распространенности химических элементов на всей планете в целом. Может быть, кислород и впрямь чемпион лишь «на ефтой улице»?
Да, так оно и получается. Если рассмотреть таблицу, в которой сведены данные о распространенности химических элементов во всем нашем земном шаре, а не только в поверхностном слое, мы увидим, что железо занимает там уверенно и бесспорно первое место. Оказывается, что Земля более чем на 1/3 состоит из 26-го элемента: на его долю приходится почти 37 % массы планеты. Кислород же вынужден потесниться на вторую ступеньку пьедестала почета — его вклад в массу планеты около 30 %. Третье место уверенно занимает кремний (14,9 %). Далее, солидно поотстав от золотого и серебряного призеров, но с хорошим отрывом от преследователей идет магний (6,7 %), за ним устремляется алюминий (3,0 %) и, наконец, на последней ступеньке олимпийского зачета стоят, обнявшись, два элемента — никель и кальций (по 2,9 %).
Рассматривая этот строй элементов-победителей, мы уже не станем дивиться, не станем недоумевать по поводу несправедливостей природы. Теперь уже многое понятно. Конечно же, первое место, которое заняло железо, полностью отвечает устойчивости его атомного ядра. Все закономерно и справедливо: первый по величине удельной энергии связи — первый и по распространенности на нашей планете.
Следующих три призера тоже занимают свои места по праву — это все наши старые знакомые элементы-гиганты, относящиеся к привилегированному клану элементов типа 4p.
Нельзя пояснить причину различия химических составов земной коры и планеты в целом, не коснувшись, хотя бы мимоходом, проблемы строения Земли. Специалисты-геологи различают в нашей планете столько слоев, из которых, по их мнению, весьма убедительному и справедливому, состоит Земля, что, подбирая сравнение, иллюстрирующее современную модель Земли, ничего лучше капусты не придумаешь. Но вряд ли нам нужна такая детализация. Достаточно запомнить, что Земля состоит из коры, мантии, которая простирается на глубину приблизительно до 3000 километров, и ядра, название которого достаточно красноречиво говорит о его положении.
Мантия состоит в основном из окислов. Так что кислорода там, разумеется, хватает. Что же касается тех элементов, с которыми соединен кислород, то гадать о них после всего сказанного об элементах-гигантах не приходится. Это железо, магний, кальций и, конечно же, кремний. Нигде торжество типа 4p не проявляется так ярко и празднично, как в химическом составе мантии!
Ядро же нашей планеты — это железо с довольно значительной примесью никеля и, возможно, некоторой примесью кремния и серы. Если учесть, что ядро по объему составляет немногим меньше 20 %, а по массе немногим больше 30 % земного шара, то не приходится удивляться, что железо с таким преимуществом выходит на первое место в табеле распространенности химических элементов на нашей планете.
Поскольку в определенные периоды существования Земля (или, по крайней мере, отдельные ее зоны) была расплавлена, легкие химические элементы и их соединения, так сказать, всплывали наверх, а тяжелые опускались вниз. Именно поэтому в земной коре и верхних слоях мантии так много легкого металла алюминия. И поэтому так мало алюминия в нижних слоях мантии и, уж конечно, совсем нет его в земном ядре. И потому никеля и других «тяжелых» элементов в мантии и в ядре гораздо больше, чем в коре.
«Всю-тo я Вселенную…»
Поделиться книгой: