Занимательная геохимия. Химия земли - Александр Евгеньевич Ферсман

так как только некоторые обладают устойчивостью, но размеры их незначительны, поэтому число атомов и молекул очень велико. Например, если взять 18 граммов воды, так называемую грамм-молекулу, то в этом количестве воды будет содержаться 6.02 × 1023 молекул воды.

Число это колоссально, оно во много тысяч раз больше, чем число зерен ржи и пшеницы, выросших на земном шаре за все время существования растительной жизни.

Для того чтобы составить себе представление о размере молекулы, сравним ее с самым мельчайшим из живых организмов — бактерией, видимой лишь в микроскоп при увеличении около тысячи раз. Размер самых маленьких бактерий равен двум десятитысячным долям миллиметра. Это в тысячу раз больше размера молекулы воды, а в самой маленькой бактерии содержится более двух миллиардов атомов, то есть больше, чем живет людей на земном шаре.

Цепочка из молекул воды, содержащихся в 1 см3, могла бы более тридцати раз протянуться от Земли до Солнца и обратно, так как ее длина равна 9 400 000 000 км.

Первоначально атом представляли себе в форме мельчайшей, далее не делимой частицы, однако при более близком изучении, по мере усовершенствования и уточнения наших методов исследования сам атом оказался весьма сложным образованием. Природа атома впервые проявилась наглядно, когда люди познакомились с явлениями радиоактивности и стали их изучать.

Структура атома и порядковый номер элемента. Строение атомов натрия и криптона

Оказалось, что атом каждого химического элемента, несмотря на свои ничтожные размеры (поперечник его равен одной стомиллионной части сантиметра), представляет собою весьма сложное образование, построенное наподобие нашей солнечной системы.

Атом состоит из ядра (поперечник его в сто тысяч раз меньше, чем поперечник атома, и меньше одной триллионной части сантиметра), в котором сосредоточена практически вся масса атома.

Ядро атома несет положительный электрический заряд. Количество положительных частиц в ядре возрастает по мере перехода от атомов легких химических элементов к тяжелым и численно равно порядковому номеру клетки периодической таблицы, которую занимает элемент.

Вокруг ядра на различных расстояниях вращаются электроны. Число электронов равно числу положительных зарядов ядра, так что атом в целом есть образование электрически нейтральное.

Ядра атомов всех химических элементов построены из двух простейших частиц — протона, или ядра атома водорода, и нейтрона.

Протон имеет массу, почти равную массе атома водорода, и несет один положительный заряд. Нейтрон — материальная частица, имеющая такую же массу, как протон, но лишенная какого-либо электрического заряда.

Протоны и нейтроны в ядрах атомов сцеплены настолько прочно, что при всех химических реакциях ядра атомов совершенно устойчивы и остаются неизменными.

Химические свойства элементов зависят от строения и свойств наружной электронной оболочки атомов, от способности их отдавать или присоединять электроны. Строение же ядра атома на химических свойствах атома почти не сказывается. Поэтому атомы, обладающие одним и тем же числом наружных электронов, даже если структура ядер, масса их или атомный вес различны, обладают близкими химическими свойствами и образуют родственные группы атомов, как, например, хлор, бром, йод и тому подобные группы.

На рисунках схематически показаны различные модели строения атомов, из которых видно, как усложняются орбиты электронов по мере увеличения атомного веса.

Атомы вокруг нас

Посмотрите на три прекрасных снимка, которые мы помещаем в этой главе.

Дивный вид горного озера, синяя гладь воды, вокруг скалы известняков, темно-зеленые пятна одиноких деревьев, а над всем яркое южное солнце.

Шумный, окутанный дымом и паром, пылающий огнями металлургический завод — длинными змеями тянутся к нему поезда с рудой, углем, флюсами, кирпичом, а от него они увозят сотни тонн рельсов, болванок, отливок, проката в новые центры промышленности.

Современные нарядные автомобили — сверкают покрытые лаком крылья, рокочут мощные моторы, тихо раздается пение радиоприемника. Из трех тысяч деталей собрана эта дивная машина на длинном конвейере завода, и преодолеть сотни тысяч километров ей нипочем!

Посмотрите на эти три картинки и откровенно скажите мне, о чем вы подумали, посмотрев на них, что вас в них заинтересовало, о чем захотелось спросить.

Я угадываю ваши мысли и ваши вопросы: ведь вы живете в век техники и промышленности, ваши интересы там, где машина рождает силу, а сила рождает машину.

Но я хочу рассказать вам совсем о другом, чтобы вы иными глазами посмотрели на наши картинки. Слушайте же!

* * *

«Сколько замечательных геологических проблем таится в этом озере! — скажет мне геолог. — Как образовался этот огромный и глубокий провал, что заперло эти синие воды в отвесных скалах таджикских хребтов? Ведь от вершин гор до дна озера две-три тысячи метров: какие могучие силы смогли поднять и смять пласты горных пород?»

«Какие чудесные известняки образуют скалы и горы! — скажет минералог. — Как много десятков и сотен тысячелетий должно было пройти, чтобы накопился на дне океанов такой мощный осадок из ила, раковин, скорлупок, панцирей и сжался бы в плотную известковую породу, почти в мрамор! Возьмите обычную минералогическую лупу, которая увеличивает в десять раз; вы с трудом различите при ее помощи отдельные блестящие кристаллики известкового шпата, из которых сложена порода».

Горное озеро в Таджикистане

«Какая белизна и чистота у этого известняка! — перебьет его химик-технолог. — Ведь это великолепное сырье для цементной промышленности и для обжига на известь, — это почти чистый углекислый кальций, соединение атомов кальция, кислорода и угольной кислоты. Посмотрите, я растворю eго в слабой кислоте, кальций растворится, а угольная кислота[7] с шипением улетит в воздух».

«Но можно проделать и более точные опыты, — скажет геохимик. — С помощью спектроскопа можно доказать, что в этом известняке есть и другие атомы: стронция и бария, алюминия и кремния. А если сделать сверхточный анализ и попытаться определить самые редкие атомы, которых содержится меньше одной миллионной доли процента, то можно будет открыть в нем даже цинк и свинец. И не думайте, что это особое свойство нашего известняка: даже в самом чистом мраморе, какой есть на свете, опытные химики насчитывают 35 видов разных атомов.

Ведь в каждом кубическом метре камня — гранита или базальта, известняка или глины — можно будет найти все элементы менделеевской таблицы, только некоторых из них будет в триллион раз меньше, чем кальция или углерода».

Геолог, минералог, химик и геохимик так увлекут нас своими рассказами, что вместо простого сероватого известняка перед нами встанут скалы какого-то загадочного камня; и захочется глубже проникнуть в его природу и раскрыть тайну его бытия и происхождения[8].

* * *

Теперь