Металлы и человек

Но ведь свойства элементов определяются их внутренним строением. Значит, металлы имеют нечто общее в своей внутренней структуре.

Попробуем заглянуть в глубь металла. Применим для этой цели микроскоп. Первым сделал это еще знаменитый русский металлург П. П. Аносов.

Впрочем, если мы возьмем обычный кусок металла, например лезвие перочинного ножа, и положим его под объектив микроскопа, мы просто ничего не увидим, кроме сверкающего кружка. Поверхность полированного металла отражает лучи во всех точках примерно одинаково. Чтобы увидеть внутреннее строение металла, надо полированную поверхность протравить слабым раствором кислоты. Неоднородные по своим химическим и физическим свойствам участки металла будут по-разному— в большей или меньшей степени — разъедены кислотой. И под микроскопом возникнет сложный рисунок.

Нелегко разобраться в этом рисунке — причудливых зигзагах светлых и темных полос. Однако ученые разобрались. И первый вывод, к которому они пришли, это то, что все металлы — вещества кристаллические.

Впрочем, в кристаллическом строении многих металлов можна убедиться и не прибегая к микроскопу. Многим, наверное, приходилось, видеть свежий излом стального или чугунного изделия. Там, в неровностях его, обычно бывают отчетливо видны мелкие кристаллики.

Неожиданная картина: металл состоит из крупных, неправильной формы зерен.

Правда, при обычных условиях застывания металлы не успевают образовать больших, отчетливо оформленных кристаллов. В расплавленном металле у стенок слитка при застывании в первые секунды образуется огромное количество крохотных ориентированных во все стороны кристалликов, которые при дальнейшем росте мешают друг другу, теснят друг друга, искажают форму. Затем, при дальнейшем остывании, растут направленные к центру столбчатые кристаллы. И в центре слитка возникает хаотическое нагромождение кристалликов. При дальнейших механических и термических обработках металла может происходить деформация кристаллов, перекристаллизация. Но всегда металлы в твердом виде остаются веществами кристаллическими.

Периодическая система элементов Менделеева.

Но ведь и большинство твердых тел в природе имеет кристаллическое строение. Так что и этого свойства еще недостаточно для того, чтобы определить специфические свойства металлов.

Окончательно установить, в чем же те глубокие отличия металлов, которые определяют их общие свойства, удалось совсем недавно, в последние десятилетия. Это сделала новая наука — металлофизика, возникшая в 20-х годах этого века.

Металлофизики применили к изучению внутреннего строения металлов современнейшие методы — рентгеновский структурный анализ, электронный микроскоп. Они заглянули в глубину металлического кристалла. И только после этого удалось составить более или менее полное представление о сущности металлического состояния вещества.

Оказалось, что все общие свойства металлов определяются наличием в этих телах легкоподвижных электронов, способных передвигаться между атомами металла и находиться в своеобразном полусвободном состоянии. Оказалось, что в кристаллах металлов на тех местах, где должны в кристаллической решетке находиться атомы, по существу располагаются положительно заряженные ионы этих атомов. А электроны, оторвавшиеся от атомов, являются «общими», принадлежат сразу нескольким атомам. Применяя несколько вольное сравнение, можно уподобить металлическую структуру вещества губке. Ее скелет соответствует в этом сравнении кристаллической решетке, образованной положительными ионами. А вода, заполняющая поры, могущая переходить из одной полости в другую, не связанная своими частицами с определенным положением в этой губке, будет электронным газом. Совершенно очевидно, что далеко не каждое вещество, а только те, у которых внешние электроны могут легко отделяться от атома, могут образовывать такие металлические структуры. Вот они-то и являются металлами.

Очевидно и другое. Могут быть условия, при которых электроны металлов не оторвутся от атомов и не станут общими. Вместе с тем и вещества, которые обычно не являются металлами, могут приобрести металлическую структуру. Это происходит, например, с фосфором, подвергнутым сильному давлению. Атомы в его кристаллах при этом сближаются, и часть электронов становится «общей».

…Было время, ученые считали, что под тонкой твердой коркой Земли находится гигантский океан расплавленной магмы. В настоящее время это представление оставлено наукой: ученым удалось заглянуть в глубины земного шара, изучить прохождение через вещество нашей планеты упругих колебаний, вызываемых землетрясениями.

Оказалось, что на глубине 2300 км резко изменяется характер вещества. Оно приобретает совершенно иные свойства — как раз те, которые характерны для металлов. И ученые решили, что ядро нашей планеты состоит из железа и никеля. Называли даже процентное содержание: железа — 90,67 процента по весу, никеля — до 8,5 процента. Остальное относили на долю кобальта, фосфора, серы и некоторых других элементов.

Однако расчеты, проведенные в последние годы, показали, что в условиях чудовищных давлений, вызываемых тяжестью вышележащих слоев и превосходящих 1 500 000 атмосфер, атомы любого вещества так сближаются, что оно приобретает те самые «металлические» свойства, которые были обнаружены учеными.

И сегодня, говоря о ядре Земли, уже не считают его металлическим, а просто находящимся в своеобразном состоянии, вызываемом сверхвысоким давлением.

Сходства и различия

Когда вскоре после изобретения телескопа астрономы начали рассматривать планеты нашей солнечной системы, их поразило сходство этих небесных тел между собой и с Землей. Действительно, все планеты оказались шарообразными, оси вращения у всех наклонены к плоскостям орбит, у большинства удалось обнаружить атмосферу, а в ней нередко более или менее густые облака. И везде — смену времен года, смену дня и ночи.

Шли годы. Увеличивались знания о природе. И начало поражать различие между небесными телами.

Действительно, почему Венера покрыта столь густым покрывалом облаков, что сквозь него ни разу не удалось рассмотреть ее поверхность? Откуда взялись странные кольцевые горы Луны, подобных которым нет ни на одном небесном теле? Что за странные линии-каналы пересекают поверхность Марса — подобных им нет больше в природе? А почему только Сатурн опоясан волшебным диском кольца? И так далее и так далее…

Сегодня уже трудно сказать, чего больше — сходства или различия между девятью планетами солнечной системы.

И так же много различного между восемьюдесятью металлами.

Взять хотя бы такое свойство, как температура плавления.

Есть металл, который при тридцатиградусном морозе остается жидким. Он замерзает только в том случае, если температура опустится ниже— 38,9 градуса. Долгое время даже вообще не подозревали, что этот металл — ртуть — может находиться в твердом состоянии. Лишь в 1759 году петербургский академик И. А. Браун сумел заморозить ртуть, поместив ее в охлаждающую смесь из снега и концентрированной азотной кислоты.

Есть металл, слиток которого можно расплавить теплом ладони. Это цезий. Он плавится при 28,5 градуса.

Рубидий плавится при температуре в 39 градусов, натрий — при 97,9, олово — при 231,8, свинец — при 327, цинк — при 419 градусах. Все эти металлы можно расплавить в пламени газовой плиты.

Но есть металлы, которые расплавить не так-то просто. В течение многих веков люди не умели извлекать из руд железо в значительной степени потому, что не могли получить его температуры плавления — 1532 градусов.

И все же железо — не чемпион по тугоплавкости. Его более чем на тысячу градусов превосходят молибден, плавящийся только при 2600 градусах, и рений, который становится жидким только при температуре в 3 тысячи градусов. Это лишь вдвое ниже температуры поверхности Солнца.