Различие в природе между этими соединениями настолько ничтожно, что нужны самые тонкие методы химического и физического анализа, чтобы суметь его найти.
Миллионные и даже тысячные доли грамма и сантиметра неуловимы для минералога и геохимика, когда он изучает камни, воды и земли окружающей нас природы. Мы можем даже забыть, что кислородов три, что цинков шесть, что калиев два, так ничтожны различия между ними, и скажем откровенно, так еще грубы наши методы исследования.
Только химики и физики при своих точных исследованиях научились разделять элементы на разные изотопы, и нет сомнения, что когда им удастся точнейшими методами изучить всю нашу природу, то они откроют величайшие законы геохимии, о которых мы еще не догадываемся.
Мы с вами пока можем забыть об изотопах. Для нас в каждой клетке менделеевской таблицы стоит один определенный неизменный химический элемент. В клетке № 50 находится для нас одно олово, всегда и всюду одинаковое, дающее всюду одинаковые химические реакции, встречающееся в природе в одинаковых галлах, и всюду его атомный вес будет 118,7.
Менделеевская таблица не пострадала, когда были открыты изотопы, она только усложнилась в своих мельчайших деталях, а по существу осталась все такой же ясной, простой и четкой картиной природы, как ее рисовал нам Менделеев, предвидя своим гениальным умом ее огромное значение[14].
Вникнем поглубже в эту таблицу и рассмотрим, какое же значение имеет она для исследователей природы — для минералогов и геохимиков.
Сначала посмотрим на каждый столбец клеток сверху вниз.
Вот первый — литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Это все металлы, мы их называем щелочными. За исключением искусственно полученного франция, в природе они встречаются вместе. Мы хорошо знаем их соединения: для натрия — простую соль, которую вы употребляете за столом, для калия — селитру, из которой делают фейерверки.
Дальше идут очень редкие щелочные металлы, которые сейчас применяются в сложных электрических приборах. Но как ни различны все эти элементы, все они в химическом отношении похожи друг на друга.
Вот второй вертикальный столбец — здесь идут щелочноземельные металлы, начиная с самого легкого, бериллия, и кончая знаменитым радием. И они походят друг на друга, образуя как бы одну семью.
Затем идет третий столбец — бор, алюминий, скандий, иттрий, потом клетка с пятнадцатью редкоземельными элементами и, наконец, актиний. В жизни нам хорошо известны только первые два элемента, которые играют в природе большую роль, — бор и алюминий. Первый входит составной частью в борную кислоту и в буру — ею пользуются при паянии. Второй — в нефелин, полевой шпат, корунд, боксит, а в чистом виде его можно видеть в металлических изделиях, кастрюлях и ложках. Эта группа довольно сложная. Алюминий еще, пожалуй, настоящий металл, а бор скорее металлоид, так как образует с типичными металлами соли (например, бура).
Переходим к четвертому столбцу — углерод, кремний, титан, цирконий, гафний и, наконец, торий. Первые два важнейших химических элемента природы: углерод, образующий все многообразие живой природы и входящий в состав всех известняков, и кремний, о котором вы прочтете особую главу.
Затем идут пятый, шестой и седьмой столбцы. Это все особые металлы, которые очень высоко ценятся в металлургии железа и прибавляются к стали для улучшения ее свойств.
Дальше идет замечательная середина менделеевской таблицы — ее восьмой, девятый и десятый столбцы. Самая любопытная особенность этой части таблицы заключается в том, что соседние металлы очень близки друг к другу. Железо, кобальт и никель очень похожи друг на друга и в природе постоянно встречаются вместе; очень трудно их разделить и при химическом анализе. Не менее похожи друг на друга легкие платиновые металлы — рутений, родий и палладий — и тяжелые платиновые металлы — осмий, иридий и платина.
За центром таблицы следуют четыре вертикальных столбца, занятые так называемыми тяжелыми металлами. Сюда относятся медь, цинк, олово, свинец — все хорошо нам знакомые в жизни вещества.
Потом идет пятнадцатый столбец. Он начинается с газа азота, затем следуют летучий фосфор и мышьяк, полуметаллическая сурьма и, наконец, довольно типичный металл висмут. Этот столбец как бы намечает собой резкий переход к следующей части менделеевской таблицы, ибо там мы уже не встречаем металлов с металлическим блеском и другими хорошо знакомыми нам свойствами. Там идут вещества, которые химики назвали металлоидами: газы, жидкости или просто твердые неметаллы.
Очень характерен столбец шестнадцатый — кислород, сера, селен, теллур и еще загадочный полоний, дальше — семнадцатый столбец, летучих веществ, сначала газов — водорода, фтора и хлора, затем жидкости — брома и, наконец, твердых, но тоже летучих кристаллов йода. Эту группу элементов (кроме водорода) химики назвали галогенами, ибо они образуют соли с щелочами. Об этом говорит и смысл греческого названия: «галогены» значит «солероды». Но вот и последний столбец, восемнадцатый. Это редкие, или благородные, газы.
Они ни с чем не соединяются и пропитывают всю землю, все минералы, все окружающее нас в природе. Они начинаются с газа Солнца — легкого гелия — и кончаются замечательным газом радоном, атомы которого живут всего лишь несколько дней.
Периодическая система элементов Менделеева в геохимии
Как распределены химические элементы в земле и во всей окружающей нас природе? Вот вопрос, который был очень важен для человека с самых давних пор. Он возникал стихийно, на каждом шагу, из потребностей повседневной жизни: первобытный человек нуждался в материале для орудий труда и охоты и стал изготовлять свои примитивные орудия из твердого кремня или такого же твердого, но более прочного нефрита.
И понятно, что поиски полезных ископаемых начались еще за много тысячелетий до нашего времени, когда первобытный человек стал обращать внимание на блестки золота в речных песках, на красоту или вес разных камней, привлекавших его внимание.
Так человек сначала узнал, а потом научился добывать и обрабатывать медь, олово, золото и, наконец, железо. Постепенно накапливались наблюдения и опыт. В Древнем Египте уже были известны те районы, в которых надо искать медь и кобальтовые минералы для синей краски, а позднее и железо для бурой охры, глину для статуэток и бирюзу для священных жуков-скарабеев.
Мало-помалу начинали выясняться простые природные законы. Оказалось, что некоторые металлы встречаются часто друг с другом, как, например, олово, медь и цинк; и это натолкнуло человека в свое время на открытие их сплава — бронзы. В других местах встречались вместе золото и драгоценные камни, в третьих — глина и полевые шпаты, из которых можно делать фарфор и фаянс.
Так постепенно открывались основные законы геохимии. И средневековые алхимики, пытаясь в таинственной тиши своих лабораторий получить золото и философский камень, проделали огромную работу по накоплению природных фактов.
Алхимики уже хорошо знали, что некоторые металлы любят друг друга и встречаются вместе; так, сверкающие кристаллы свинцового блеска в жилах земли сопровождаются блестящей цинковой обманкой, серебро следует за золотом, а медь часто встречается вместе с мышьяком.
Когда в Европе развилось горное дело, геохимические закономерности стали более ясными и четкими. В глубоких рудниках Саксонии, Швеции, в Карпатских горах зарождались основные начала новой науки — геохимии, выяснилось, какие вещества встречаются в природе вместе, в каких условиях, каковы те законы, которые заставляют накапливаться те или иные элементы в одних местах Земли и рассеиваться в других.
Ведь это были самые острые вопросы горного дела. Нужно было уметь находить места, где в большом количестве скопились промышленно-важные металлы — железо, золото и тому подобные.
Сейчас мы знаем, что законы совместного нахождения элементов и их поведения очень определенны и могут быть использованы для поисков полезных ископаемых.
Мы хорошо знаем даже в нашей повседневной жизни, что такие элементы природы, как азот, кислород и редкие, благородные газы, встречаются преимущественно в атмосфере. Мы знаем также, что в соляных озерах или в соляных копях находятся вместе соли хлора, брома и йода, соединенные с металлами — калием, натрием, магнием и кальцием.
В гранитах, этих светлых кристаллических породах, образовавшихся из остывших расплавленных магм, встречаются свои определенные химические элементы. С ними связаны драгоценные камни, содержащие атомы бора, бериллия, лития и фтора. В них находятся также скопления важных и редких металлов: вольфрама, ниобия, тантала.
В противоположность гранитам, в тяжелых базальтовых породах, излившихся из земных глубин, встречаются вместе минералы хрома, никеля, меди, железа, платины. В сложно ветвящихся системах рудных жил, расходящихся из мощных очагов расплавленной магмы, которая поднимается к земной поверхности, рудоискатель находит цинк и свинец, золото и серебро, мышьяк и ртуть.
И чем дальше развивается наша наука, тем резче и определеннее вырисовываются законы, смысл которых долго оставался непонятным.
А между тем посмотрим на менделеевскую таблицу. Разве она не является для нас, искателей металлов и камней, таким же компасом, каким она служит для химиков!
Середину менделеевской таблицы занимают девять металлов: железо, кобальт, никель и шесть металлов платиновой группы. Мы знаем, что их месторождения — в далеких глубинах земных недр. Когда высоко вздымавшиеся горные хребты в течение миллионов лет размыты почти до равнины, как у нас на Урале, — только тогда эрозия обнажает эти глубинные зеленые породы, носители железа и платины[15]. Вы видите, что эти элементы не только основа наших горных хребтов, но они занимают и центральное место в менделеевской таблице.
Обратимся к тем металлам, которые мы называем тяжелыми и которые заполняют целое большое поле вправо от никеля и платины. Это медь и цинк, серебро и золото, свинец и висмут, ртуть и мышьяк. Разве только что мы не говорили о том, что эти металлы встречаются всегда вместе? Рудокоп их ищет в рудных жилах, прорезающих земную кору.