Удивительная химия - Илья Леенсон

Кстати, массу алмазов и бриллиантов выражают не в граммах, а в каратах; 1 карат = 0,2 г. И мало кто знает, что алмаз характеризуется необычайно высокой для неметаллов теплопроводностью; поэтому крупные алмазы на ощупь всегда холодные — как куски металла.

Геологам всегда было интересно, как давно в недрах Земли образовались алмазы. Но как это определить? Недавно в руки геологов попали южноафриканские алмазы, содержавшие включения граната в виде красивых мелких кристалликов, в которых оказались небольшие примеси самария. Этот редкоземельный элемент имеет разновидность (изотоп), который очень медленно распадается (период полураспада составляет 106 миллиардов лет). При этом он превращается в другой редкоземельный элемент — неодим. По количеству этого неодима, зная скорость его образования, можно определить возраст алмаза, т. е. время, когда в него попал самарий. Как показали расчеты, самарий попал в гранат 3,2–3,4 миллиарда лет назад. И если возраст Земли оценивается примерно в 4,6 миллиарда лет, то этот кристалл алмаза ненамного моложе нашей планеты.

И алмаз, и графит — кристаллы. Почему же их свойства так разительно отличаются? Это объясняется разным способом соединения атомов углерода друг с другом. В алмазе все связи между атомами углерода одинаковые и прочные, твердым получается и сам кристалл. Кристалл же графита имеет слоистое строение, в нем атомы углерода прочно связаны друг с другом только в одном слое. Такой кристалл похож на пачку бумаги, которую очен ь трудно разрезать пополам, но легко рассыпать на отдельные листочки.

Алмазы образуются в недрах Земли в условиях очень высоких температур и давлений. Спустя почти два столетия после опыта Лавуазье ученые смогли создать в лаборатории условия, при которых из графита можно получить алмаз. В настоящее время производство искусственных алмазов исчисляется десятками тонн! Есть среди них и ювелирные, но основная масса искусственных алмазов идет на изготовление разнообразных инструментов.

Искусственным путем люди научились получать очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусственных рубинов. Получают искусственно и прекрасные кристаллы, которые в природе вообще не существуют. Например, многие слышали о фианитах (их название происходит от сокращения ФИАН — Физический институт Академии наук, где их впервые получили). Бесцветные фианиты на глаз трудно отличить от алмаза — так красиво они «играют» на свету.

Как растет кристалл

Ученых давно интересовало, как образуются кристаллы, почему разные вещества дают кристаллы разной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов, что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми. Исследования показали, что кристаллы — это вещества, в которых мельчайшие частички (атомы, ионы или молекулы) упакованы в определенном порядке. Именно этот порядок определяет форму кристалла. А зависит он как от геометрической формы частиц (ионов или молекул), из которых построен кристалл, так и от того, как они друг к другу притягиваются, какими местами могут соприкасаться, а какими — нет. Некоторые вещества кристаллизуются легко, другие — с большим трудом или вовсе не образуют кристаллов. Почему так?

Представьте себе, что вы укладываете паркет, а товарищ подает вам плитки. Легче всего работать с плитками квадратной формы — как ни поверни такую плитку, она все равно подойдет к своему месту, и работа пойдет быстро. Труднее выложить паркет из прямоугольных дощечек, особенно если у них с боков имеются пазы и выступы — тогда каждую дощечку можно уложить на место одним единственным способом. А теперь представьте себе, что помогающий вам товарищ очень торопится и подает плитки быстрее, чем вы успеваете аккуратно укладывать. Понятно, что правильного узора теперь не получится: где-то плитку перекосит, и дальше все пойдет криво, где-то появятся пустоты (как в известной компьютерной игре «Тегрис», когда «стакан» заполняется деталями слишком быстро и вы не успеваете уложить их аккуратно, без промежутков). Ничего хорошего не получится и в том случае, если в большом зале начнут укладывать паркет сразу десяток мастеров — каждый со своего места. Даже если они будут работать не спеша, крайне сомнительно, чтобы соседние участки оказались хорошо состыкованными, и в целом виду покрытия получится весьма неприглядным: в разных местах плитки будут расположены в разном направлении, а между отдельными участками ровного паркета появятся дыры.

Рис. 5.1. Зависимость растворимости некоторых веществ от температуры (обратите внимание на то. что растворимость поваренной соли почти не меняется с температурой): 1 — хлорид натрия (поваренная соль): 2 — хлорид калия; 3 — медный купорос (обезвоженный); 4 — алюмокалиевые квасцы (безводные); 5 — тиосульфатнатрия (безводный); 6 — нитрат аммония (аммиачная селитра)

Примерно те же процессы происходят и при росте кристаллов, только сложность здесь еще и в том, что частички должны укладываться не на плоскости, а в объеме. Но ведь никакого «паркетчика» здесь нет — кто же укладывает частички вещества на свое место? Оказывается, они укладываются сами, потому что непрерывно движутся и ищут самое подходящее для себя место, где им будет наиболее «удобно». А удобнее им там, где они сильнее всего связаны с другими частицами в кристалле.

Кристаллизацию обычно ведут при охлаждении раствора.

При каждой температуре в данном количестве растворителя (у нас это вода) может раствориться не более определенного количества вещества (рис. 5.1).

Например, в 100 г волы при +90 «С может раствориться 54 г хлорида калия — и ни граммом больше. Будем теперь охлаждать раствор. С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается. Так. при +80 °C в 100 г воды можно растворить уже не более 51 г этой соли. Куда же денутся остальные 3 г? Они выпадут в осадок. Если с осадка слить воду и рассмотреть его в сильную лупу, то мы увидим множество мелких кристалликов. Как они образовались? При охлаждении раствора частички вещества (в данном случае это ионы калия и хлора), которым уже не хватает воды, чтобы находиться в растворенном состоянии, слипаются друг с другом, образуя крошечные кристаллы-зародыши. Если охлаждение медленное, зародышей образуется немного и, обрастая постепенно частичками вещества со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной кубической формы.

При быстром же охлаждении центров кристаллизации образуется много, а частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что множество быстро растущих кристалликов так же мешают друг другу, как несколько мастеров-паркетчиков в одной комнате. Посторонние твердые примеси в растворе также могут играть роль центров кристаллизации, поэтому чем чище раствор, тем больше шансов, что центров кристаллизации будет немного. Итак, чем чище раствор и чем медленнее он охлаждается, тем лучше. Охладив насыщенный при +90 °C раствор хлорида калия до комнатной температуры, мы получим в осадке уже 20 г, потому что при +20 °C в 100 г воды растворяется только 34 г. Хорошо бы получить один большой кристалл правильной формы массой 34 г! К сожалению, это не так просто: даже если в растворе начнет расти один-единственный кристалл (что сомнительно), он, лежа на дне сосуда, вырастет только сверху и с боков. Поэтому такой кристалл неминуемо получится однобоким.

Есть и другой метод получения из растворов правильных кристаллов — это постепенное удаление воды. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно, например, просто оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок — вода при этом будет испаряться очень медленно (особенно если сосуд с раствором прикрыть неплотно листом бумаги, который заодно будет защищать раствор от пыли). В промышленных масштабах большие кристаллы часто получают охлаждением расплавленного вещества. Форма этого кристалла (его называют «булей») определялась условиями его роста.

Если «булю» расколоть, получатся прозрачные кубические кристаллы, такие, как затравочный кристалл вверху, на котором начиналась кристаллизация. Такую же форму имеют рубиновые «були», выращенные при высокой температуре; из искусственных рубинов делают, например, подшипники для осей в часах.

Конечно, хочется получить большой и красивый кристалл побыстрее — но тут уж ничего не поделаешь: придется запастись терпением.

В виде утешения можем сообщить, что кристаллы искусственных драгоценных камней тоже растут очень медленно, иногда годами. Если же вы поспешите, то вместо одного красивого кристалла получите массу мелких. Под микроскопом они выглядят замечательно — так же, как замечательно выглядит при сильном увеличении обычный песок, в котором можно найти даже микроскопические драгоценные «камни». Кстати, при сильном увеличении оказывается, что многие невзрачные порошки состоят из очень красивых кристалликов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Вам, возможно, приходилось видеть перегоревшие лампочки, в которые попал воздух: стеклянная колба в них покрыта изнутри белым или слегка желтоватым налетом. Это оседает на стенки сгоревший в воздухе тугоплавкий металл вольфрам; он соединился с кислородом воздуха и образовал оксид вольфрама. Если взглянуть на невзрачный порошок оксида вольфрама при увеличении в десятки тысяч раз (это возможно при помощи специального электронного микроскопа), то обнаружится удивительная картина: молекулы оксида, оседая на стекле, успевают выстроиться в строгом порядке и образуют прекрасно оформленные кристаллики. Трудно сказать, кому и по какому поводу впервые пришло в голову разглядывать с помощью электронного микроскопа налет на стенках перегоревшей лампы. Но потом ученые заинтересовались этим явлением и стали специально сжигать вольфрам в различных по составу смесях и разглядывать, что при этом получается. Оказалось, например, что если кислород смешать не с азотом, как в обычном воздухе, а с благородным газом аргоном, то кристаллы оксида вольфрама получаются в форме восьмигранников — октаэдров.