Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

В свое время Скотт был такой же культовой фигурой, как Нейл Армстронг[147]. Британцы горестно встретили новость о его гибели, в 1915 году в одной церкви даже были установлены витражи в его честь. Конечно, люди всегда пытались отыскать какую-то уважительную причину, которая оправдала бы его неудачу, и периодическая система подсказала того «злодея», который мог погубить Скотта. Олово, которое Скотт использовал для запечатывания канистр, ценилось с библейских времен, так как этот металл очень ковкий. По иронии судьбы, чем бо́льших успехов достигала металлургия в добыче и очистке олова, тем хуже этот металл вел себя в повседневном использовании. Когда инструменты, монеты и даже игрушки из чистого олова замерзают, их начинает разъедать беловатая «ржавчина», похожая на морозные узоры на окне. Это вещество постепенно образует пузырьки, которые проникают в олово и крошат его, пока оно не рассыпается в пыль.

В отличие от железной ржавчины, это вещество образуется без каких-либо химических реакций. Сегодня ученым уже известна причина такого явления: дело в том, что в твердом агрегатном состоянии атомы олова могут упорядочиваться двумя способами. При сильном морозе металл переходит из крепкой «бета»-формы в хрупкую и рассыпчатую «альфа»-форму. Чтобы представить себе разницу, вообразите, что атомы олова – это апельсины, сложенные в огромном деревянном ящике. На дне ящика лежит слой шарообразных плодов, которые соприкасаются лишь вскользь. Для заполнения второго, третьего и последующих слоев можно положить каждый атом прямо на другой атом, расположенный уровнем ниже. Это первая кристаллическая структура. Другой вариант – уложить второй слой атомов в промежутки между атомами первого, потом в третьем слое так же положить атомы в промежутки, оставшиеся во втором, и так далее. Получается вторая кристаллическая структура, с иной плотностью и иными свойствами, нежели первая. И это всего лишь два из многих способов уложить много слоев соприкасающихся атомов.

Люди Скотта, вероятно, поняли на собственном опыте, что атомы металла могут спонтанно перегруппировываться из крепкой кристаллической формы в рассыпчатую и наоборот. Обычно для такого изменения структуры требуются экстремальные условия. Так, под океанским дном существуют такие высокие температуры и такое давление, при которых из графита образуются алмазы. Олово меняет структуру уже при 13,33 °C. Даже в прохладный октябрьский вечер в олове может начаться переход в зернистое состояние и нарастание белой ржавчины, при более низких температурах этот процесс ускоряется. При неосторожном обращении или деформации (как в случае с канистрами, которые просто сбрасывали с саней на слежавшийся лед) реакция может ускоряться, в результате чего повреждается даже незаржавевшее олово. Причем такое воздействие не ограничивается местным дефектом, скажем, образованием поверхностной трещины. Такую деформацию иногда называют «оловянной чумой», так как разрушение проникает внутрь металла, подобно заразной болезни. При таком переходе между состояниями может даже выделяться существенное количество энергии, что сопровождается скрежетом. Его образно называют «оловянным криком», хотя звук больше напоминает радиопомехи.

Переход олова из одного состояния в другое был хорошо известен и на протяжении истории служил удобным оправданием всевозможных бед, «химическим козлом отпущения». В некоторых европейских городах, для которых характерны суровые зимы (например, в Санкт-Петербурге), ходят легенды о дорогих оловянных трубах, которые устанавливали в новые церковные органы. Якобы такие трубы могли рассыпаться в пыль, стоило органисту взять первый аккорд. Некоторые набожные граждане даже усматривали в этом козни дьявола. Более серьезные исторические последствия этого явления имели место, например, в начале XIX века, когда Наполеон опрометчиво вел военную кампанию в России холодной зимой 1812 года. По некоторым свидетельствам (оспариваемым многими историками) оловянные застежки на кителях французов просто рассыпались под сильным ветром, из-за чего солдаты фактически оставались в одном нижнем белье. Как и небольшой отряд Скотта, столкнувшийся в Антарктиде с экстремальными погодными условиями, французская армия оказалась в России в незавидном положении. Возможно, коварные свойства пятидесятого элемента, превращающегося из металла в порошок, лишь усугубили ситуацию, но всегда проще увязать неудачу с роковым естественным фактором, а не с тем, что герой оказался непредусмотрителен[148].

Можно не сомневаться, что отряд Скотта обнаружил пустые канистры – в конце концов, это написано в их дневниках, – но тот факт, что это произошло из-за распада оловянного припоя, до сих пор оспаривается. Оловянная чума действительно могла быть причиной катастрофы, но спустя десятилетия после других экспедиций удавалось найти их канистры, оловянное покрытие которых отлично сохранилось. Скотт действительно использовал сравнительно чистое олово, но вряд ли оно оказалось настолько чистым, чтобы чума поразила весь припой до основания. В любом случае, не существует никакого другого убедительного объяснения, кроме специально устроенной диверсии, свидетельства насильственной смерти также отсутствуют.

Так или иначе, группа Скотта погибла во льдах, и гибель смельчаков как минимум отчасти связана с особенностями химических элементов.

Когда вещество замерзает и переходит из одного состояния в другое, с ним могут происходить причудливые метаморфозы. В школе мы изучаем всего три агрегатных состояния материи: твердое, жидкое и газообразное. В старших классах вам могли рассказывать и о четвертом агрегатном состоянии. Это плазма, возникающая в звездах при сверхвысоких температурах. В состоянии плазмы электроны покидают свои атомные оболочки и отправляются в свободное плавание[149]. В университете студенты узнают о сверхпроводимости, а также о сверхтекучести, наблюдаемой в жидком гелии. В аспирантуре профессора иногда озадачивают слушателей такими сложными состояниями, как кварк-глюонная плазма или вырожденное вещество. Между тем, некоторые умники любят спрашивать: почему желе не является самостоятельным агрегатным состоянием вещества? Хотите, отвечу? Дело в том, что коллоиды вроде желе представляют собой смеси двух агрегатных состояний[150]. Смесь воды и желатина может считаться и крайне пластичным твердым телом, и очень вязкой жидкостью.

Но дело в том, что во Вселенной вещества могут существовать в гораздо более разнообразных состояниях – с другими принципами упорядочивания частиц на микроуровне, чем мы можем представить себе в наших привычных категориях «твердое тело-жидкость-газ». И такие состояния не являются гибридными, в отличие от желе. Альберт Эйнштейн открыл одно из таких новых состояний в 1924 году, в ходе тщательного изучения некоторых уравнений квантовой механики. Позже он отверг собственные расчеты и отказался поверить в это теоретическое открытие, поскольку гипотетическое состояние вещества показалось ему слишком странным, чтобы существовать в реальности. Оно так и оставалось невозможным вплоть до 1995 года, пока такое состояние не удалось создать искусственно.

Можно утверждать, что твердое состояние материи является основным. Если быть предельно точным, то следует признать, что практически весь объем каждого атома пребывает пустым в каждый момент времени, но из-за крайне быстрого движения электронов атом приобретает иллюзорную твердость – по крайней мере, мы его воспринимаем твердым. В твердых телах атомы располагаются в виде регулярных трехмерных кристаллических решеток, но даже в самых обычных твердых веществах обычно существуют кристаллы сразу нескольких типов. В настоящее время ученые могут придавать кристаллам льда четырнадцать различных кристаллических форм, обрабатывая его в камерах высокого давления. Некоторые виды льда тонут в воде, а не всплывают, а другие кристаллические формы замерзшей воды выглядят не как шестиугольные снежинки, а напоминают пальмовые листья или кочаны цветной капусты. Существует поразительная форма льда, которая тает только при 2037 °C! Даже такие сложные и многосоставные химические вещества, как шоколад, способны образовывать квазикристаллы, которые могут изменять форму. Вам когда-нибудь доводилось разворачивать плитку шоколада и обнаруживать, что она приобрела неаппетитный желтоватый оттенок? В данном случае мы имеем дело со своеобразной «шоколадной чумой», подобной той, что испортила оловянный припой и обрекла на гибель команду Скотта в Антарктике.

Кристаллические формы твердых веществ лучше всего образуются при низких температурах. Если температура опустится достаточно сильно, то хорошо известные элементы могут стать практически неузнаваемыми. Даже практически инертные благородные газы, переходя в твердое агрегатное состояние, могут пойти на связь с другими элементами. Канадский химик Нейл Бартлетт смог опровергнуть существовавшую десятилетиями догму и синтезировал первое соединение благородного газа (ксенона), представляющее собой твердый оранжевый кристалл. Это произошло в 1962 году[151]. Следует оговориться, что реакция протекала при комнатной температуре, но в таких условиях ксенон реагирует только с гексафторидом платины – веществом не менее едким, чем суперкислота. Кроме того, из всех стабильных инертных газов ксенон обладает самыми крупными атомами и реагирует гораздо легче, чем другие подобные газы, поскольку его внешние электроны не так крепко связаны с ядром. Чтобы заставить реагировать более легкие благородные газы, чьи атомы значительно более компактны, приходится радикально понизить температуру и практически обездвижить эти атомы. Криптон вступает в реакцию лишь при температуре около -151 °C, когда сверхагрессивный фтор может к нему подступиться.