Друзья, в комментариях к статье про «Кровавую гору света» вы просили продолжения. Спасибо! Мы продолжаем. И сегодня хотим немножко рассказать про аллотропию.
Слово жутковатое, звучит похоже на название болезни или какого-нибудь тропического растения (наверняка колючего и ядовитого, как всё в джунглях). Однако термин «аллотропия» относится к совершенно другой науке – химии. Ну, а поскольку химия – это кошмарная наука, в которой ничего не понятно и которую поэтому начинают изучать только в восьмом классе, начнём разговор с детских игрушек.
Больше 100 лет назад, в 1901 году, английский бухгалтер (а заодно большой любитель мастерить затейливые игрушки для своих сыновей) по имени Фрэнк Хорнби изобрёл набор из разных металлических пластин с отверстиями. Для соединения пластин использовались обычные болты и гайки маленького размера, единственными необходимыми инструментами были плоская отвёртка и гаечный ключ. В набор также добавлялись металлические оси, изогнутые рукоятки и колёсики разного размера.
Сыновья и их школьные друзья от папиного изобретения были в полном восторге, изобретатель подал заявку, получил патент – и в 1907 году начал выпуск наборов, которые назвал «Меккано».
У нас в стране эти наборы более известны под названием «Конструктор-механик» или просто «Конструктор». Между прочим, эти игрушки пользовались у детей всего мира настолько бешеной популярностью, что к 1930 году Хорнби стал самым настоящим миллионером!
Потрясающий успех Хорнби послужил примером для многих. В 1940 году английский владелец магазина игрушек «Киддикрафт» Хилари Пейдж запатентовал «Сцепляющиеся строительные кубики» из пластмассы. А в 1949 году игрушку под названием «Автоматически сцепляющиеся кирпичики» – по сути, немного доработанную идею Пейджа – начала выпускать датская фирма «Лего». Современный вид «кирпичики» конструкторов «Лего» приобрели в 1958 году. Успех конструкторов «Лего» многократно превзошёл конструкторы «Меккано» – «Лего» превратилась в самую настоящую империю игрушек, с собственными магазинами, тематическими парками, настольными играми, компьютерными видеоиграми, мультфильмами и так далее.
Давайте обратим внимание вот на какой общий принцип – на «главный закон игрушки-конструктора»: из одних и тех же деталей можно собрать самые разные модели. Просто детали должны соединяться по-другому – вот и всё!
Теперь от детских игрушек перейдём к драгоценностям, сокровищам и преступникам.
Наверняка вы знаете, что самый ценный, самый дорогой в мире драгоценный камень – это бриллиант, он же алмаз. Стоимость крупных алмазов просто баснословна – и чем крупнее камень, тем быстрее растёт его цена! Ювелиры даже в наши дни используют «правило Тавернье» – по имени жившего ещё 350 лет назад французского купца и путешественника Жана-Батиста Тавернье, знатока драгоценных камней и крупнейшего торговца алмазами в Европе. По правилу Тавернье цена бриллианта растёт в квадрате от его величины: бриллиант весом 2 карата будет стоить в 4 раза дороже бриллианта в 1 карат, бриллиант весом в 3 карата будет стоить уже в 9 раз дороже бриллианта в 1 карат, весом в 4 карата – уже в 16 раз дороже, и так далее. Мы уже рассказывали о знаменитом бриллианте «Кохинур», который на современные деньги стоит примерно триллион рублей – хотя весит «всего лишь» 21 грамм (105 карат).
Нетрудно догадаться – там, где есть большие деньги, всегда (так устроен мир, увы!) появляются большие мошенники. Богатый человек – далеко не всегда человек умный и много знающий; поэтому скандалы с поддельными «алмазами» и «бриллиантами» во Франции, в Англии, Италии и в знаменитой своими ювелирами Голландии случались с завидной регулярностью. В провинции очередному толстосуму или его жене то и дело продавали «всего за сто тысяч франков» «удивительной красоты бриллиант», который на поверку оказывался то лейкосапфиром (корундом), то прозрачной шпинелью, то кварцем (горным хрусталём), а то и вовсе простым свинцовым стеклом. А богачей поумнее «обрабатывали» мошенники более высокого ранга – самыми знаменитыми из которых были граф Сен-Жермен (тот самый, про которого упоминается в «Пиковой Даме» Пушкина) или Жозеф Бальзамо, он же граф Калиостро (да-да, который из фильма с песенкой про «уно-уно-уно моменто»).
Эти мудрецы не просто выдавали стекляшки за бриллианты – нет, они уверяли, что владеют искусством расплавлять алмазы и из нескольких мелких делать крупные! Помните формулу Тавернье? Если из двух алмазов весом каждый 1 карат и стоимостью по 50 тысяч франков сделать один алмаз весом 2 карата, то он будет стоить уже не 100 тысяч, а 200 тысяч франков! Чувствуете, как соблазнительно? В итоге владелец всё равно получал на руки всё тот же самый кусочек хрусталя или, в лучшем случае, «белого топаза» (который – даже самого лучшего сорта! – стоит как минимум в 10 раз дешевле бриллианта), ну, или бесцветного циркона, а настоящие бриллианты уплывали в карман «алхимика»... Но зато одураченные зрители были убеждены, что всё происходит «по последнему слову современной науки».
«Научное переплавление мелких бриллиантов в крупные» приобрело такие масштабы, что начали возмущаться настоящие учёные. Злились и профессиональные ювелиры, у которых мошенники уводили богатых покупателей. Поэтому ещё в середине XVII века стали проводиться публичные опыты по нагреванию разных драгоценных камней. Где показывалось, что при нагревании до высокой температуры в закрытом сосуде рубины «не изменяются», а алмазы «исчезают бесследно». И что «сплавить» из двух маленьких рубинов один большой рубин (и из двух маленьких алмазов один большой алмаз) попросту невозможно!
Одно из таких «показательных сжиганий алмаза» «в назидание простодушным» состоялось в Петербурге, в горном училище, примерно в то же время, когда граф Калиостро «гастролировал» по России. Французский химик Антуан Лавуазье (тот самый, которому отрубили голову) на основе подобных опытов установил, что а) алмаз является горючим веществом и б) возможно, он является близким родственником углерода.
В 1797 году английский химик Смитсон Теннант производит решающий опыт: он сжигает алмаз внутри герметично запаянного золотого сосуда, наполненного чистым кислородом. Получившееся вещество Теннант легко распознал – это был самый обыкновенный углекислый газ. Определив количество образовавшегося углекислого газа и зная изначальное количество кислорода, Теннант (по тем самым «страшным» формулам из учебника химии) подсчитал количество углерода, и неопровержимо доказал, что алмаз состоит из чистого углерода. Алмаз – это и есть углерод! То есть стоящий сущие копейки уголь, которым топят камины и на котором жарят шашлык...
Химикам было от чего схватиться за голову. Как это так?! Кристаллический углерод – то есть обыкновенный графит из сердцевины простого карандаша – им был известен с давних времён. Однако трудно представить себе два более непохожих друг на друга материала, чем графит и алмаз! Плотность алмаза – примерно 3,5 грамма на кубический сантиметр. Графит намного легче – 2,2 грамма на тот же кубический сантиметр. Алмаз прозрачный. Графит непрозрачный и чёрный. Блеск алмаза особенный, «алмазный» (он похож на стеклянный, но гораздо сильнее). Блеск графита – металлический. Алмаз плохо проводит электричество, графит, наоборот, – замечательный проводник. Наконец, главное – графит материал очень «мягкий», его твёрдость по так называемой шкале Мооса минимальная, «единичка». А вот алмаз – по сути, самое твёрдое вещество, известное людям! Твёрдость алмаза по той же шкале – «десятка».
Хорошенько поразмыслив, химики ещё в начале XIX века пришли к выводу, что здесь работает тот самый «закон детского конструктора», про который мы говорили в самом начале. И графит, и алмаз состоят из одних и тех же деталей – а именно из атомов углерода. Но в зависимости от того, как эти «детали» соединяются друг с другом, можно получить и гоночный автомобиль, и кукольные качели, то есть тьфу, и алмаз, и графит, то есть материалы с очень и очень разными характеристиками. В 1841 году шведский химик Якоб Берцелиус назвал такое явление «аллотропией», «разносвойственностью», от греческих слов «αλλος» («аллос», «другой») и «τροπος» («тропос», «свойство»).
Кстати, обратите внимание – в XIX веке люди ещё не придумали приборов, позволяющих воочию видеть атомы вещества. Тем не менее, с помощью остроумных логических рассуждений и опытов они уже тогда неопровержимо доказали и то, что атомы существуют, и то, что аллотропия объясняется именно разным взаимным расположением атомов! Ну а в XX веке учёные научились «видеть» и даже фотографировать расположение атомов внутри кристаллической решётки – например, с помощью рентгеновских лучей. Тогда-то и стала, наконец, окончательно понятна разница между графитом и алмазом. Кристаллическая решётка графита слоистая, образованная плоскими параллельными слоями, причём каждый слой состоит из шестиугольной «сеточки». Связи между атомами внутри каждой «сеточки» намного сильнее, чем связи между отдельными слоями – именно поэтому графитовый карандаш так легко оставляет след из мельчайших чёрных чешуек на листе бумаги. У алмаза же атомы распределены равномерно, и каждый атом одинаково надёжно связан с четырьмя другими атомами. Отсюда и твёрдость!
В том же XIX веке учёные обнаружили, что если нагреть алмаз до очень высокой (свыше 1200 градусов) температуры без доступа кислорода, то он превращается в графит. А вот добиться обратного превращения графита в алмаз у химиков не получалось очень долго. Они догадывались, что весь секрет заключается в том, чтобы добиться сочетания очень высокой температуры и очень высокого давления – только при таких условиях атомы углерода смогут начать «двигаться» и перестраивать кристаллическую решётку с графитной на алмазную.
Теоретически необходимые цифры получил советский химик и физик Овсей Лейпунский в 1939 году: чтобы графит превратился в алмаз, нужна температура порядка 1800 градусов и чудовищное давление на уровне 60 тонн (!!) на один квадратный сантиметр. Работы Лейпунского позволили в 1953 году в Швеции получить первые в мире синтетические алмазы – алмазы, созданные человеком. Но это уже, как говорится, «совсем другая история».
Кстати, многие современные дети (особенно мальчики), интересующиеся наукой и техникой, знают о возможности превращения угля (и графита) в алмаз. В мультсериале «Утиные истории» в серии «Дело о десяти центах» хитроумный Скрудж Мак-Дак заманивает слонов на угольные россыпи с помощью арахиса – и слоны своими могучими ногами превращают куски угля в алмазы, а Мак-Дак страшно богатеет. Увы, на самом деле если подложить кусок угля (или простой карандаш) под ноги слону, никаких алмазов получить не выйдет – давление взрослого слона на грунт составляет примерно 4 килограмма на квадратный сантиметр. То есть в пятнадцать тысяч раз меньше, чем требуется для получения самого-самого завалящего алмазика... Кстати, танки для этих целей подойдут ещё хуже – гусеница танка Т-90 давит на грунт с силой «всего лишь» 900 грамм на квадратный сантиметр... Кхм, но мы отвлеклись.
Уникальное ли это свойство – аллотропия? То есть присуще ли оно в природе только углероду? Оказывается, нет. Такие вот «разные конструкции из одинаковых деталей», то есть «аллотропические формы», известны и для других веществ. Например белый фосфор (который светится в темноте и чрезвычайно ядовит) и красный фосфор (который в темноте не светится и безвреден). Аллотропические формы есть у кислорода – это собственно кислород (которым мы дышим) и озон (которым пахнет во время грозы и который защищает нас от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца).
Известны аллотропические формы у олова – это серое олово (альфа-олово) и белое олово (бета-олово). Бета-олово – пластичный серебристый металл, альфа-олово – тёмно-серый хрупкий порошок. При низких температурах белое олово превращается в серое – это стало одной из причин гибели экспедиции Роберта Скотта к Южному полюсу в 1912 году: запаянные оловом канистры прохудились, и экспедиция осталась без топлива. Много неприятностей было и у французских солдат армии Наполеона в 1812 году: во время похода в Россию от мороза их оловянные пуговицы крошились и рассыпались в пыль, оставляя солдат буквально «без штанов».
Кстати, вы ещё не испугались, нет? А ведь последние несколько абзацев мы с вами только и говорим о той самой страшной химии! Которую начинают изучать только в восьмом классе... Вот ведь какая ситуация – и, получается, кричать «дяденьки, пощадите, не надо!» уже поздно... Или химия всё-таки совсем не так страшна, как себе представляют некоторые, а?
Читайте также:
Как стать пятёрочником по химии с помощью компьютерной игры «Майнкрафт»
Почему батарейка кислая, и за что отрубили голову великому химику Лавуазье?
Будут ли дети умнее, если их родители учатся?
Июльский номер журнала «ЛУЧИК» будет посвящён... СОВЕСТИ. Для чего она нужна человеку? Как устроена? Как совесть работает? Каковы её основные законы – и как ими пользоваться в жизни? Не пропустите. Выписать июльский номер "Лучика" можно через Почту России.