Текст книги "Занимательно о химии"

Автор книги: Лев Власов

Соавторы: Дмитрий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 13 страниц)

Сколько вод на земле?

Три изотопа водорода нашли в природе ученые. И каждый из них может вступать в соединение с кислородом. Стало быть, можно говорить о трех сортах воды – протиевой, дейтериевой и тритиевой: H ₂O, D ₂O и T ₂O.

Но могут быть и «смешанные» воды, когда в состав молекул входит, скажем, атом протия и атом дейтерия или атом дейтерия и атом трития. Тогда список вод увеличивается. HDO, HTO и DTO.

Но и кислород, входящий в состав воды, также представляет собой смесь трех изотопов: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Самый распространенный из них – первый.

Если мы учтем эти разновидности кислорода, количество возможных вод увеличится еще на 12. Черпнув кружку воды из озера или реки, вы, наверное, и не подозреваете, что имеете дело с восемнадцатью различными сортами воды.

Так что вода, откуда бы мы ее ни взяли, представляет собой смесь различных молекул. От самой легкой – H ₂O ¹⁶до самой тяжелой – T ₂O ¹⁸. Химики могут приготовить каждую из восемнадцати вод в чистом виде.

Изотопы водорода заметно различаются по своим свойствам. А как ведут себя разные сорта вод? Они тоже кое в чем непохожи друг на друга. Например, отличны их плотности, температуры замерзания и кипения.

И в то же время содержание различных вод в природе всегда и всюду разное.

Например, в воде, налитой из водопроводного крана, тяжелой дейтериевой воды D ₂O содержится 150 граммов на тонну. А в тихоокеанской заметно больше: около 165 граммов. В тонне льда кавказских ледников тяжелой воды на 7 граммов больше, чем в кубическом метре речной воды. Словом, по своему изотопному составу вода повсеместно различается. Так происходит потому, что в природе непрерывно протекает грандиозный процесс изотопного обмена. Разные изотопы водорода или кислорода в различных условиях непрерывно замещают друг друга.

Нет ли какого-либо другого природного соединения, у которого насчитывалось бы столь же большое количество разновидностей? Нет.

Конечно, мы имеем дело главным образом с протиевой водой. Но и прочие воды никак нельзя сбрасывать со счетов. Кое-какие из них находят широкое применение в практике. Особенно тяжелая вода D ₂O. Ее используют в ядерных реакторах для замедления нейтронов, вызывающих деление урана. Кроме того, ученые пользуются разными сортами воды в исследованиях по химии изотопов.

Восемнадцать сортов – и не больше? Оказывается, разновидности вод могут быть куда более многочисленными. Ведь, кроме природных изотопов кислорода, существуют и радиоактивные, искусственно приготовленные: кислород-14, кислород-15, кислород-19 и кислород-20. А недавно увеличилось количество новых водородов: мы уже говорили о ⁴Н и ⁵Н.

Стоит принять во внимание искусственные изотопы водорода и кислорода, как в перечне всевозможных вод окажется более сотни наименований. Впрочем, вы сами можете легко подсчитать точное их количество…

Вода «живая», животворная, вездесущая…

Через бесчисленное множество сказок разных народов красной нитью прошла легенда о «живой» воде. Она исцеляла раны и оживляла мертвых. Давала трусу смелость и стократно увеличивала силы храброго.

И не случайно приписывал человек воде столь магические свойства. То, что мы с вами живем на Земле, что вокруг нас зеленые леса и цветущие поля, что летом мы катаемся на лодках и бегаем по лужам под дождем, а зимой участвуем в лыжных и конькобежных соревнованиях, – все это дело рук воды. Точнее – способности ее молекул притягиваться друг к другу, образуя ассоциации. Это одно из условий возникновения и развития жизни на нашей планете.

История Земли – это прежде всего история воды. Она беспрерывно меняла и меняет облик нашей планеты.

Вода – величайший в мире химик. Без ее участия не обходится ни один природный процесс: будь то образование новой горной породы, нового минерала или сложнейшая биохимическая реакция, протекающая в организме растения или животного.

Химикам в лабораториях нечего было бы делать без воды. Ведь изучая свойства веществ, их превращения, получая новые соединения, они только в редких случаях обходятся без воды. Вода – один из самых лучших растворителей, которые только известны. А чтобы заставить многие вещества вступить в реакцию, их прежде всего надо перевести в раствор.

Что происходит с веществом, когда оно растворяется? Силы, которые действуют на его поверхности между молекулами и атомами, в воде ослабевают в сотни раз. Молекулы и атомы вещества начинают отрываться от поверхности и переходить в воду. Кусок сахара в стакане чаю распадается на отдельные молекулы. Поваренная соль – на заряженные частицы, ионы натрия и хлора. Так уж устроена молекула воды, что обладает очень сильной способностью оттягивать к себе атомы и молекулы растворяющегося тела. Гораздо более сильной, чем многие другие растворители.

Нет на Земле породы, которая могла бы противостоять разрушающему действию воды. Даже граниты хоть и медленно, но неотвратимо поддаются ее действию. Растворенные ею примеси уносятся в моря и океаны. Вот почему эти гигантские водоемы соленые. А ведь сотни миллионов лет назад вода в них была пресной…

Сосулькины секреты

Малыши так и тянутся к сосулькам. Ведь они очень красивы, блестящие ледяные стерженьки.

Из детской ручонки сосулька моментально перекочевывает в рот. Неужели вкусно? Но ребенок не на шутку огорчится, если его лишить этого удовольствия.

Забавная ребячья прихоть? Нет, дело куда серьезнее.

В одной лаборатории поили цыплят. Одной группе наливали в блюдечко обычную воду, другой – талую, с плавающими льдинками.

Опыт – проще и не придумаешь. Результаты же его удивительны. Обычную воду цыплята пили спокойно и чинно. Около блюдечка с талой происходила форменная драка. Талую воду цыплята поглощали с жадностью, словно это было что-то необыкновенно вкусное.

Через полтора месяца подопытных цыплят взвесили. Те, что пили талую воду, были гораздо тяжелее, больше прибавили в весе, чем цыплята, в чей рацион входила вода обычная.

Словом, талая вода обладает чудесными свойствами. Она чрезвычайно полезна живым организмам. Почему?

Поначалу думали так: в талой воде больше дейтерия. А тяжелая вода в небольших концентрациях благотворно влияет на развитие живых организмов. Но в таком объяснении была лишь доля истины…

Теперь ищут разгадку в другом, в самом процессе таяния.

Лед имеет кристаллическую структуру. Однако и вода – это в общем жидкий кристалл. Ее молекулы расположены не в беспорядке, а образуют строгий ажурный каркас. Построенный, правда, иначе, чем у льда.

При таянии льда его структура сохраняется долго. Талая вода по внешнему виду – жидкость, а молекулы в ней все еще расположены «по-ледяному». Благодаря этому химическая активность талой воды как бы возрастает. Она с большой легкостью принимает участие во множестве биохимических процессов. Попадая в организм, она легче, нежели обычная, соединяется с разными веществами.

Ученые считают, что структура воды в организме очень похожа на структуру льда. Обычная вода, попав в организм, должна перестраиваться. Для талой этого не требуется. Организму не приходится затрачивать лишней энергии.

Роль талой воды в жизни, видимо, очень велика.

Кое-что из области языкознания, или «две большие разницы»

Без слов нет речи, без букв нет слов. Изучение любого языка мы начинаем с алфавита. В каждом алфавите – две категории букв: гласные и согласные. Не будь тех или иных – звучная человеческая речь рассыпалась бы… Правда, в каком-то научно-фантастическом романе жители неведомой планеты изъяснялись звуками, состоящими сплошь из согласных букв. Но чего не придумают фантасты!

Природа говорит с нами на языке химических соединений. А любое из них – своеобразное сочетание химических «букв». Тех элементов, которые существуют на Земле. Количество таких «слов» превышает три миллиона. «Букв» же в химическом «алфавите» всего около сотни.

Есть в этом «алфавите» «буквы» гласные и согласные. Все химические элементы издавна подразделяются на две группы: неметаллы и металлы.

Неметаллов значительно меньше, чем металлов. Соотношение между ними выражается прямо-таки баскетбольным счетом – 21 : 83… Совсем как в человеческой речи: гласных звуков куда меньше, нежели согласных.

Сочетание одних лишь гласных звуков в человеческой речи редко выражает что-либо членораздельное: чаще всего оно сродни бессмысленному завыванию.

В химическом языке объединения только «гласных» (неметаллов) встречаются сплошь да рядом. И все живое на Земле обязано своим существованием именно соединениям неметаллов друг с другом.

Ученые недаром называют четыре главных неметалла – углерод, азот, кислород и водород – органогенами. То есть дающими начало органической жизни. Если добавить сюда еще фосфор и серу, этими шестью «кирпичиками» практически и ограничивается весь набор материалов, которые природа использует для строительства белков и углеводов, жиров и витаминов, – словом, всех химических соединений жизни.

Два неметалла – кислород и кремний (две «гласных» химического «алфавита»), объединяясь, дают вещество, которое на языке химии записывается SiO ₂, двуокись кремния. Она-то и представляет собой основу основ земной тверди, своеобразный цемент, не дающий горным породам и минералам рассыпаться в прах.

Закончить список «гласных» химического «алфавита» не представляет труда: в него включаются еще галогены, редкие газы нулевой группы (гелий и его собратья) да три не очень широко известных элемента: бор, селен и теллур.

Однако если бы мы сказали, что все живое на Земле построено лишь из неметаллов, то впали бы в ошибку.

В человеческом организме ученые обнаружили более 70 различных химических элементов: все неметаллы и множество металлов – начиная от железа и кончая радиоактивными элементами, в том числе ураном.

Языковеды давно обсуждают вопрос, почему в человеческой речи согласные звуки преобладают над гласными.

Химики выясняют: с какой такой стати существуют в периодической системе «две большие разницы» – неметаллы и металлы. В эти два отряда попадают порой элементы, совершенно чуждые друг другу. И все-таки в чем-то похожие.

Почему «две большие разницы»?

Некий шутник как-то заметил, что людей отличают от животных прежде всего два замечательных качества: чувство юмора и чувство исторического опыта. Человек может посмеяться над собственной неудачей и не попадет впросак там, где уже попал однажды. Мы бы упомянули еще одно качество: задавать себе вопрос «почему» и пытаться дать на него ответ.

И этим самым словечком «почему» мы сейчас воспользуемся.

Почему, например, неметаллы не разбросаны по разным этажам и секциям Большого дома, а сгруппировались в определенном месте; металлы – это металлы, и неметаллы – это неметаллы, и какая между ними разница. Начнем с последнего «почему».

Когда два элемента (нам сейчас безразлично каких) вступают друг с другом в химическое взаимодействие, наружные электронные оболочки их атомов перестраиваются. Атом одного элемента электроны отдает, другого – принимает.

Так вот в этом важнейшем законе химии и кроется различие между металлами и неметаллами.

Неметаллы способны к действиям противоположным: как правило, они могут приобретать электроны, но способны их и отдавать. Они достаточно гибки в своем поведении и в зависимости от обстоятельств могут менять свой облик. Выгоднее им принять электроны – неметаллы предстанут в виде отрицательных ионов. В противном случае на свет появляются ионы положительные. Только фтор и кислород практически не знают компромиссов – они берут электроны и никогда не отдают их.

Металлы же не в пример менее «дипломатичны», более постоянны в своих стремлениях. Девиз, которому они следуют неукоснительно: отдавать, и только отдавать электроны. Становиться положительно заряженными ионами. Приобретать лишние электроны – совсем не их стихия. Такова железная норма поведения металлических элементов.

Вот основная разница между металлами и неметаллами.

Впрочем, дотошные химики и в этом строжайшем правиле отыскали исключения. Есть и в обществе металлов непостоянные характеры. Два (пока!), всего два металла обнаружили «неметаллическую» особенность. Астат и рений (они обитают в 85-й и 75-й клетках таблицы Менделеева) известны в виде отрицательно одновалентных ионов. Этот факт словно бросает маленькую тень на удивительно целеустремленную семью металлов…

Ну, а какие вообще атомы легче отдают электроны и какие легче принимают? Атомам, у которых на внешней оболочке мало электронов, сподручнее их отдавать, а тем, у кого много, выгоднее приобретать, чтобы поскорее там оказалось 8 электронов. Щелочные металлы держат снаружи один-единственный электрон. Расстаться с ним для этих металлов – пустое дело. А расстались, глядишь, обнажилась устойчивая электронная оболочка ближайшего инертного газа. Потому-то щелочные металлы – самые химически активные среди всех известных металлов. И «самый-самый» среди них – франций (клетка номер 87). Ведь чем тяжелее элемент в группе, тем больше размеры его атома и тем слабее ядро удерживает единственный наружный электрон.

В царстве неметаллов наиболее яростен фтор. У него во «внешних сферах» семь электронов. Восьмого как раз не хватает для идиллии. И он с жадностью отнимает его почти у любого элемента периодической системы, ничто не может устоять перед бешеным натиском фтора.

Другие неметаллы принимают электроны кто легче, кто труднее. И понятно теперь, почему группируются они главным образом в верхнем правом углу таблицы: ведь у них снаружи много электронов, а такая картина может быть только у атомов, стоящих ближе к концу периодов.

Еще два «почему»

Металлов так много, а неметаллов так мало на Земле? Металлы гораздо больше похожи друг на друга, чем неметаллы? В самом деле, трудно спутать по внешнему виду, скажем, серу и фосфор или йод и углерод. Но даже опытный глаз не всегда сразу определяет, какой металл перед нами: ниобий или тантал, калий или натрий, молибден или вольфрам.

…От перемены мест слагаемых сумма не меняется. Это едва ли не самый «железный» принцип арифметики. Для химии, когда она начинает копаться в устройстве электронных оболочек атомов, этот принцип подходит далеко не всегда…

Все идет гладко, пока мы имеем дело с элементами второго и третьего периодов менделеевской таблицы.

У каждого элемента этих периодов новые электроны входят во внешнюю оболочку атомов. Приплюсовался очередной электрон – глядишь, и свойства элемента совсем другие, нежели у его предшественника. Кремний не похож на алюминий, сера на фосфор. Металлические свойства быстро сменяются неметаллическими, потому что чем больше у атома электронов во внешней оболочке, тем неохотнее он с ними расстается.

Но вот четвертый период. Калий, кальций – металлы первого сорта. Ожидаем: вот-вот за ними должны появиться неметаллы.

Не тут-то было! Нам придется разочароваться. Ибо, начиная со скандия, очередные электроны идут не во внешнюю оболочку, а в предыдущую. «Слагаемые» меняются местами. Меняется и «сумма». Сумма свойств элементов.

Вторая снаружи оболочка более консервативна. Она в меньшей степени влияет на химические особенности элементов, чем внешняя. Разница в их облике становится не такой разительной.

Скандий словно «вспоминает», что третья электронная оболочка осталась у него недостроенной. В ней-то должно быть 18 электронов, а пока скопилось 10. Калий и кальций об этом точно «забыли» и свои очередные электроны разместили в четвертой оболочке. Со скандия справедливость начинает восстанавливаться.

На протяжении ряда из десяти элементов застраивается предыдущая оболочка. Внешняя остается неизменной. Всего 2 электрона на ней, такая «малость» электронов во внешней сфере атома – особенность металлов. А потому на «перегоне» скандий – цинк содержатся только металлы: какой им резон принимать на внешнюю оболочку электроны, вступая в соединения? Внешних-то электронов всего-навсего два. Взаимодействуя с другими, эти элементы запросто расстаются со своими электронами, да еще не прочь и позаимствовать их из достраивающейся предыдущей оболочки. Потому-то и способны они проявлять различные положительные валентности. Скажем, марганец может быть двух-, трех-, четырех-, шести– и даже семивалентным, положительно валентным.

Точно такую же картину мы наблюдаем и в последующих периодах менделеевской таблицы.

Вот почему металлов так много и почему они похожи друг на друга больше, чем неметаллы.

Некоторая несуразица

Слышал ли кто-нибудь о шестивалентном кислороде? Или семивалентном фторе? Никто и никогда.

Мы вовсе не хотим прослыть пессимистами. Но тем не менее с уверенностью заявляем: с такими ионами кислорода и фтора химии не придется иметь дела.

Этим элементам совсем невыгодно сразу сбрасывать такое большое количество электронов. Куда легче добрать – два или один, – чтобы образовалась устойчивая восьмиэлектронная оболочка. А потому известно очень мало соединений, в которых кислород проявлял бы положительную валентность. Так, удалось получить окисел F ₂O, где кислород положительно двухвалентен. Этот факт уже из области химической экзотики. Соединения положительно валентного фтора тоже большая редкость.

В «Правилах распорядка Большого дома» есть один важный пункт: высшая положительная валентность элемента равна номеру группы, где он располагается.

Кислород и фтор порядок нарушают. Между тем они навсегда прописались в шестой и седьмой группах. И ни разу не вставал вопрос об их переселении. Поскольку по всем другим статьям химическое поведение кислорода и фтора ничем не отличается от образа жизни их более тяжелых соседей в других этажах Большого дома.

И все-таки некоторая несуразица налицо. Химики о ней хорошо знают, но не придают ей значения. Ибо архитектура менделеевской таблицы от этого не терпит никакого ущерба.

Увы, есть еще несуразица. И на этот раз повнушительнее.

В средние века рудокопы находили иногда странные руды. Они были очень похожи на железные. Но вот беда: выплавить из них железо никак не удавалось. Рудокопы объясняли свои неудачи проделками нечистой силы – зловредных карликов кобольдов и престарелого насмешника черта Ника.

Потом, конечно, выяснилось, что нечисть здесь ни при чем. Руды содержали не железо, а два других похожих на него металла. В память о былых заблуждениях их так и назвали – кобальт и никель.

В те же средние века на берегу реки Платино дель Пино в Южной Америке испанские завоеватели обнаружили странное металлическое вещество, блестящее и тяжелое, которое не растворялось ни в каких кислотах. Загадочный металл получил имя платины. А спустя три столетия выяснилось, что платина встречается в природе всегда вместе с пятью спутниками – рутением, родием, палладием, осмием и иридием. Все эти шесть редких металлов трудно отличить друг от друга. Дружную когорту стали именовать семейством платиновых металлов.

Настало время, когда их пришлось расселять в Большом доме.

Вы ждете теперь, наверное, занятного повествования о том, как это было сложно и как ученые постепенно, с трудностями, большими и малыми, справлялись?

Нет, все оказалось очень просто…

Об оригинальности в архитектуре

Приходилось ли вам видеть дом, где все пролеты, все секции одинаковы, спроектированы по типовому проекту, а одна выстроена иначе? Словно рассчитывал и возводил ее другой архитектор, обладающий иной творческой фантазией.

Вряд ли вам встречалось что-нибудь подобное.

А вот Большой дом как раз такое любопытное строение. Одну из его секций Менделеев сконструировал своеобразно. Добавим от себя: вынужден был так сделать.

Эта секция – восьмая группа периодической системы. Входящие в нее элементы располагаются по три. Притом не на каждом этаже, а только в больших периодах таблицы. В одном железо, кобальт и никель, в двух других платиновые металлы.

Менделеев всячески пытался найти для них более подходящие места. Но таких мест не оказывалось. И ему пришлось пристраивать к периодической системе дополнительную, восьмую группу.

Почему восьмую? Да потому, что последней до тех пор была седьмая, где разместились галогены.

Однако номер группы в этом случае имеет значение чисто формальное.

Валентность плюс восемь в восьмой группе – редкое исключение, а никак не правило. Только рутений и осмий с трудом пытаются установить соответствие: для них известны неустойчивые окислы RuO ₄и OsO ₄.

Все же остальные металлы подобных «высот» не достигают, как ни пытались им помочь ученые.

Разгадку давайте поищем вместе.

Обратим внимание и на такой факт: платиновые металлы в химические реакции вступают с большим трудом. Поэтому посудой, сделанной из платины, химики теперь часто пользуются для своих экспериментов. Платина и ее спутники как бы «благородные газы» среди металлов. И неспроста титул «благородные» закрепился за ними с давних пор. И в природе они встречаются в свободном, самородном состоянии.

Или взять железо. Обычное, оно ведет себя как элемент средней химической активности. Чистое – очень устойчиво.

(Вот, кстати, повод для размышлений. Быть может, многие элементы, а не только металлы, в сверхчистом состоянии отличаются высокой сопротивляемостью к химическим воздействиям.)

Повинна в «благородстве» платиновых металлов не внешняя, а предыдущая электронная оболочка их атомов.

Ей не хватает очень немногого, чтобы завершиться, заполниться восемнадцатью электронами. Оказывается, восемнадцатиэлектронная оболочка – конструкция тоже достаточно прочная. А благодаря этому платиновые металлы не склонны отдавать с нее электроны. Приобретать они тоже не могут, ведь все-таки они металлы.

Такая «нерешительность» и объясняет все дело.

И все же восьмая группа не очень увязывается с логикой менделеевской таблицы. Чтобы устранить подобную несуразицу, химики предлагают объединить восьмую и нулевую группы в одну.

Насколько справедлив такой шаг, покажет будущее.

Четырнадцать близнецов

Их называют лантаноидами. Называют потому, что все они – общим числом четырнадцать – «лантаноподобны», похожи на лантан и друг на друга почти как две капли воды. Благодаря такому удивительному химическому подобию их всех помещают в одну-единственную клетку, клетку лантана, которая значится в таблице под номером 57.

Нет ли здесь недоразумения? Ведь и сам Менделеев и многие другие ученые рассуждали так: каждому элементу свойственно одно, вполне определенное место в периодической системе.

А в этом случае в одну клетку втиснулись целых полтора десятка ее обитателей, все они оказались элементами третьей группы и шестого периода.

Нельзя ли попробовать рассортировать их по другим группам?

Пробовали. Многие химики, в том числе и сам Дмитрий Иванович. Помещали церий в четвертую группу, празеодим – в пятую, неодим – в шестую и так далее. Но никакой логики в этом распределении не обнаруживалось. В главных и побочных подгруппах таблицы Менделеева стоят сходные элементы. А церий имел мало общего с цирконием, празеодим и неодим были чужаками по отношению к ниобию и молибдену. И другие редкоземельные элементы (таково общее название лантана и лантаноидов) не находили себе родственников в соответствующих группах. Зато они очень похожи, подобно братьям-близнецам.

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.

Мир металлов и его парадоксы

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.

Металлы-жидкости, металл-газ (!)

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.

Необычные соединения

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 NH ₃отрицательно 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 MgZn ₅, KCd ₇, NaZn ₁₂и так далее. Одна и та же пара металлов часто может образовывать несколько интерметаллических продуктов, скажем, натрий с оловом дают девять таких удивительных образований.