Михаил Васильев - Металлы и человек
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.
Однако «красную майку чемпиона» по тугоплавкости получают не они. Она по праву принадлежит вольфраму, температура плавления которого равна 3410 градусам!
3450 градусов — таков диапазон между самым легкоплавким и самым тугоплавким металлами!
И все же, если заглянуть глубже, и в самом процессе плавления металлов есть нечто общее.
Во-первых, все они плавятся при строго определенной температуре— ведь они кристаллические тела. Аморфные тела — такие, как вар или стекло, — сначала при нагревании размягчаются и только потом плавятся, причем четкой границы между размягчением и плавлением у них не существует.
Во-вторых, они и в расплавленном виде сохраняют целый ряд общих свойств. И даже взаимное расположение атомов в расплавленном металле остается почти таким же, как и в твердом.
Ну, а другие свойства металлов? Близки ли по ним металлы друг другу?
Возьмем теплопроводность. Разогните канцелярскую скрепку и один ее конец поместите в пламя спички. Вы очень скоро почувствуете, что проволочка и в том месте, за которое вы ее держите, нагрелась. Тепло прошло вдоль проволочки, но не прошло вдоль древка спички. Вы не почувствуете, что она стала теплее до тех пор, пока пламя не коснется ваших пальцев. Это значит: проволочка хорошо проводит тепло, дерево — плохо.
Почти три с половиной тысячи градусов — таков перепад между температурами плавления самого тугоплавкого и самого легкоплавкого металлов.
В технике инженеры точно определили, сколько тепла проходит через метровой толщины стенку в час при разнице температур с разных сторон стенки в 1 градус. Ведь этим коэффициентом определяется и количество тепла, которое сможет получить вода от пламени топлива в паровом котле, и количество тепла, которое уйдет сквозь стенки дома в зимние месяцы. Посмотрим и мы в таблицы коэффициентов теплопроводности различных веществ.
Максимальной теплопроводностью обладает серебро. Его коэффициент теплопроводности равен 360 единицам. Немногим уступает ему медь. Ее коэффициент теплопроводности достигает 335 единиц. Отличной теплопроводностью обладает золото — 269 единиц, алюминий— 180 единиц, вольфрам— 145 единиц.
Наименьшими теплопроводностями среди металлов обладают ртуть — 25 единиц, свинец — 30 единиц, сталь — 39 единиц.
А теперь посмотрим, какова теплопроводность других веществ, не металлов.
Наилучшей она оказывается у… льда! Да, теплопроводность льда — 1,9 единицы и гранита — 1,89 единицы.
В тринадцать раз ниже, чем у самого нетеплопроводного металла! А теплопроводность других материалов — бумаги, стекла, штукатурки, кирпича — еще в несколько раз ниже. Еще ниже теплопроводность газов. Так, теплопроводность азота — основной составляющей части нашей атмосферы — равна 0,02 единицы, а благородного газа ксенона — даже 0,004 единицы.
Легко догадаться теперь, почему батареи отопления, которые должны отдавать воздуху комнаты как можно больше тепла, делают из металла, а двери зимой обивают войлоком, почему не делают железобетонных паровых котлов и к щипцам для завивки волос приделывают деревянные ручки.
