Ферсман - Олег Писаржевский

Но вот дальнейшие соображения, приводимые здесь, опираются уже на завоевания науки, которые принадлежат послеменделеевской поре ее развития. Мы сможем поставить вместо атома «А» химически сходный с ним атом «В» в решетку минерала только в том случае, если атом «В» обладает размерами, близкими к размерам атома «А». Если атом «В» значительно больше, чем тот «кирпичик» «А», который мы вынули, то заменить нам его не удастся. На языке современной физики мы сейчас говорим, что эту замену можно произвести только в том случае, если близки радиусы ионов[82] этих двух веществ, а также сходны их влияния на общее электростатическое поле.

В начале нашего века основной величиной характеристики атомов в менделеевской таблице был атомный вес. Современная физика наиболее важной характеристикой атома считает атомный номер, выражающий электрический заряд его ядра. Кристаллохимия, а за ней и геохимия, добавила к этому третью величину — атомный радиус, под которым понимается радиус воображаемого вокруг атома шара — сферы действия его электрического поля[83]. Этот радиус является реальной своеобразной «запретной зоной», окружающей каждый атом и каждый ион, за пределы которой не могут проникать другие атомы. Поскольку каждый атом и каждый ион являются обладателем такой «запретной зоны», то в первом * приближении можно сказать, что другие атомы не могут подойти к нему ближе этого расстояния. Оказалось, что эта величина подчиняется всем закономерностям периодической системы: величина радиуса одинаково построенных ионов возрастает с увеличением атомного номера и уменьшается с увеличением заряда (валентности) иона и т. д.

Этому новому числу, дополняющему характеристику элементов менделеевской таблицы — радиусу ионов, Ферсман недаром придавал такое большое значение: радиус иона является для нас первым ориентиром в изучении законов совместного нахождения отдельных химических элементов в земной коре. Им же определяется и множество других свойств кристаллического вещества: энергия кристалла, механическая прочность, термическая устойчивость и т. д.

В работах Ферсмана мы находим интересные примеры истолкования этих закономерностей.

В природных геохимических процессах, например при разделении вещества магмы в процессе ре постепенного остывания и затвердения, при разнообразных перемещениях химических элементов, их ионы и атомы неизбежно сортируются по своим размерам. Кристаллические решетки главных минералов, образующих горные породы, принимают одни ионы и не принимают других в зависимости от величины их заряда (валентности) и иных свойств. Сходные ионы могут замещать друг друга, образовывать совместные твердые растворы, обладающие общим типом химического строения.

Предположим, предметом исследования геохимика является кристаллическая решетка, в которую входит двухвалентный ион железа с радиусом 0,83 ангстрема[84]. Понятно, что цинк, радиус иона которого немногим больше чем 0,83 ангстрема, прекрасно уложится в эту решетку, сможет в ней заместить ион железа, войти в тот же кристалл и создать столь же равновесную постройку. Труднее будет с магнием, радиус иона которого 0,78 ангстрема, но и он тоже войдет в эту же решетку.

Но атомам этих металлов свойствен одинаковый заряд и возможность их совместного нахождения не так уж поразительна.

Однако существует совсем чуждый им металл, ничего общего не имеющий с ними по химическим свойствам, — литий. Обладая сходным радиусом иона — 0,78 ангстрема, он тоже обладает способностью замещать двухвалентное железо.

Подобным путем объяснился целый ряд важнейших явлений, многие из которых минералоги знали и раньше, встречаясь с ними на практике, но останавливались перед ними в недоумении, как перед неразрешимой загадкой. Они знали, например, литиевые слюды в рудных жилах, знали, что они всегда железистые, даже добывали этот минерал (он называется цинвальдит) для извлечения лития, но не могли объяснить, почему именно в рудных месторождениях образуется цинвальдит, а не другое литиевое соединение.

Таким образом, сама кристаллическая постройка определяет собой характер тех элементов, которые она может в себя включать. Если речь идет об элементах, которые с достаточной степенью приближения обладают сходным радиусом иона с другими более важными, более распространенными элементами, то геохимик уверенно предсказывает: они не будут образовывать самостоятельных ячеек, а должны как бы обезличиться. И действительно, таковы, например, скандий и галлий — элементы, знаменитые тем, что открытие их явилось первым торжеством предсказаний Менделеева, основанных на Периодической системе химических элементов. Этим же объясняется и то, что к моменту составления Менделеевым первого варианта своей таблицы эти элементы не были известны. По радиусу ионов они близки: первый — к атомам магния, второй — к атомам алюминия. Поэтому совершенно понятно, что они всегда будут встречаться только в качестве небольших примесей к атомам магния и алюминия И нельзя себе представить таких условий, которые заставили бы их в природе соединиться вместе и образовать решетку собственного минерала. Большие месторождения галлия, повидимому, невозможны, ибо это обезличенный элемент. У него нет тех черт, которые являются обязательной характеристикой элемента, способного к концентрации в земной коре. Так геохимики объясняют, почему во времена Менделеева, когда этот элемент был впервые открыт Лекоком де Буабодраном, это открытие могло совершиться при весьма несовершенной в то время технике отделения сходных элементов, как это и предсказал Менделеев, только с помощью спектрального анализа.

Еще более интересный пример, подчеркивающий значение законов решетки для рассеяния и концентрации элементов, представляет геохимия радиоактивных элементов. Здесь картина осложняется тем, что эти элементы обладают существенной особенностью на протяжении определенного промежутка времени распадаться, то-есть превращаться в новые элементы, с другими химическими свойствами. Кристаллическая решетка, включающая в себя, скажем, атомы урана, при распаде этих атомов должна как-то восполниться. Но место распавшегося атома урана может быть занято только атомом, близким к нему по свойствам. Для этого совсем не подходит атом радия, образующийся в результате распада урана. Его атом не может встать в кристаллическую решетку на место урана. Именно поэтому в первичных минералах атомы радия, в отличие от атомов урана, не входят в кристаллическую решетку, а находятся вне ее — в микроскопических трещинках и пустошах, так называемых капиллярах, в воде, заполняющей эти капилляры, и оседают на их стенках.