Олег Писаржевский - Ферсман

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] Чаще говорят о «ионном радиусе», так как почти во всех практически важных случаях мы имеем дело не с цельными атомами, а с их ионами. . 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] Ангстрем — единица длины, употребляемая для измерения световых волн, равная одной стомиллионной доле миллиметра. . 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.

Весьма различны и условия перемещения урана и радия в земной коре. Уран может перемещаться — мигрировать, как говорят геохимики, — только при разрушении кристаллической решетки, скажем, при растворении минерала, а радий может быть извлечен из породы без всякого нарушения целостности кристаллической решетки минерала. Например, он может быть выщелочен из тех капилляров, где он «прячется». Таким образом, миграцию урана определяют в основном законы растворимости, миграцию радия — законы адсорбции и диффузии.