Глава 3. А у вас тут уплотнение!.

Глава 3. А у вас тут уплотнение!.

Слушайте, при таком обилии водорода внутри планеты все остальные элементы там должны быть в виде гидридов, то есть соединений с водородом. Простому человеку это ни о чем не говорит. Металловеду говорит многое, очень многое. Потому что, с одной стороны, свойства металлов, насыщенных водородом, удивительны настолько, что сторонний человек может в них просто не поверить. С другой, несмотря на это, металлогидриды еще не полностью изучены, и все время подкидывают исследователям что-нибудь новенькое.

Большую часть (87 %) массы нашей планеты, как теперь выяснилось, составляют металлы – магний, железо, кальций, алюминий, натрий и кремний, который является полупроводником при обычных условиях, но при огромных давлениях в недрах Земли становится металлом, по свойствам близким к титану. Водорода же по весу всего 4,5 %. Но по количеству атомов его больше всех в нашей планете: 59 % атомов планеты – это атомы водорода (см. таблицу). Почему так получается? Потому что он очень легкий.

Водород – самое простое вещество во Вселенной. Он имеет в таблице Менделеева номер 1. То есть состоит из одного протона и одного электрона. Если водород ионизирован, то есть с его орбиты сорвало электрон, остается только ядро атома – протон. По сути, одна-единственная элементарная частица. Крохотная, беззащитная, одинокая… «Но дел успел наделать он немало», как поется в известной блатной песне.

Пара слов о растворимости водорода в металлах. Представьте себе металлический кубик со стороной в один сантиметр. Его объем, стало быть, 1 кубический сантиметр.

Как вы думаете, сколько таких же объемов водорода можно растворить в этом кубике? Половину кубика? Один кубик? Два? Может быть, семь?

Нет. Сотни, а при некоторых условиях тысячи объемов водорода можно растворить в одном объеме металла! Ну, с газообразным водородом это еще не так пробирает, а вот с жидким водородом картина становится совсем шокирующей. Жидкость, как известно, несжимаема. Но!.. В один кубический сантиметр магния можно влить полтора кубических сантиметра жидкого водорода. Это так же удивительно, как если бы в стакане чая можно было растворить полтора стакана сахара. И тем не менее сие – лабораторно установленный факт, который даже планируется использовать в технике – для производства топливных баков водородных автомобилей.

А что произойдет с нашим кубиком металла после того, как он проглотит несколько тысяч кубиков газа? Его бока раздуются, как у худой бочки, и он станет рыхлым? Нет, напротив – кубик ужмется и станет более плотным!

Стакан чая, в котором мы растворили полтора стакана сахара, ужался по половины стакана!..

Да как такое может быть?..

И что вообще означают слова «растворить газ в металле»?..

Лично для меня это не вопрос. Потому что я окончил Московский институт стали и сплавов и знаю, что в металлургии при производстве стали ее продувают водородом, чтобы лишить вредных примесей (кислорода). Как происходит продувка? По-разному. Иногда водород продувают через жидкую сталь во время ее варки. Это всем понятно… Когда кому-то говоришь, что металлурги продувают сталь водородом, люди обычно именно так и представляют себе этот процесс: жидкая сталь, продуваемая снизу пузырьками газа. Потому что есть бытовой аналог – газировка с пузырьками.

Но иногда продувку ведут и другим способом: водород продувают через раскаленные слитки, то есть через твердое тело. И водород сквозит через твердую сталь так же легко, как вода через решето. Да, собственно, именно это и происходит – крохотный водород запросто пролетает сквозь сито кристаллической решетки металла.

При растворении водорода в металле водородный атом лишается электрона и остается один голый протон, который легко просеивается внутри слитка. А электрон уходит в зону проводимости металла, то есть присоединяется к общим, коллективным электронам металла, которые свободно в нем бегают. Именно эта «коллективная собственность» на электроны и делает металлы электропроводниками. При приложении к металлическому кабелю электрического поля коллективные электроны, не принадлежащие персонально никакому атому, но принадлежащие всем атомам на правах «равной долевой собственности», начинают по проводнику свой коллективный бег, который мы называем электрическим током.

Но водород может не только физически растворяться в металле, но и вступать с ним в химическую реакцию с образованием так называемых гидридов. В гидридах водород присутствует уже не в виде голого протона, а в виде аниона, то есть протона, вокруг которого крутятся два электрона. Запомним этот важный факт: он нам понадобится через пару-тройку абзацев.

А пока выясним, как на гидриды влияют температура и давление, ведь в центре планеты очень горячо и давление там – дай боже! Оказывается, это влияние разнонаправленное. Чем больше давление, тем больше растворимость водорода в металле. Чем сильнее давишь – тем больше водорода можно натолкать в металл. И с какого-то момента водорода в металле становится так много, что уже начинает идти химическая реакция между ним и металлом – образуются уже упомянутые металлогидриды.

Температура действует ровно наоборот. Если гидриды нагревать, они начинают разлагаться, потому как с ростом температуры растворимость водорода в металле падает, и образец начинает активно «газить» водородом. Получается, что ситуация в центре планеты очень неоднозначная: давление действует в одну сторону, температура в другую. И для того, чтобы в этой ситуации разобраться, нужно ответить на несколько вопросов.

Вопрос первый. Что будет, если начать обжимать металл? Может ли он уплотняться и за счет чего?.. Говорят, что вода несжимаема. Тогда металл, наверное, еще больше «несжимаемый», ведь он твердый? Оказывается, сжать металл (уплотнить его) все-таки можно. Если постараться, конечно.

Сначала уплотнение идет за счет того, что в металле начинают исчезать все дефекты кристаллической решетки – закрываются поры и микротрещинки, атомы утрамбовываются до так называемой плотнейшей упаковки. Если твердые шарики сложить в ящик максимально плотно, получится как раз то, что в кристаллографии и называют плотнейшей упаковкой. Больше резервов для уминания нет: все промежутки между шариками меньше самих шариков. Дальнейшее уплотнение материала может идти только за счет сминания самих шариков. Но можно ли смять атомы?

Можно, как ни странно. Ведь атом внутри практически пуст. Если ядро атома увеличить до размеров спичечной головки, то мы увидим, что размер всего атома увеличится до габаритов Большого театра. То есть орбита самого дальнего электрона как раз охватит здание театра. А все пространство внутри театра будет практически пустым.

Возьмем тот же углерод и раздуем его. Что видим? Видим в центре Большого театра спичечную головку, состоящую из шести протонов и шести нейтронов. А вокруг нее на расстояниях в десятки метров мельтешат шесть крохотных, не различимых глазом точек, масса каждой из которых в 24 000 раз (!) меньше массы нашей спичечной головки. Атом пуст!

И если давление растет, радиус атомов может уменьшаться: его внешние электронные орбиты стягиваются поближе к ядру, уменьшая габарит всей конструкции. При этом чем более рыхлый мы имеем атом, тем больше его податливость. Рыхлый атом – это атом, у которого во внешней электронной оболочке «совсем почти ничего нет», то есть болтается там всего один электрон, который «легко уговорить». А вот если электронов на внешней орбите восемь, их уже «уговорить» потесниться сложнее.

Самые «уговариваемые» атомы – щелочные металлы: у них на внешней орбите по одному электрону, причем радиус орбиты этого электрона вдвое больше радиуса внутренних орбит, на которых крутятся все остальные электроны. Такого наглого одиночку легко подвинуть – ишь, раскинулся!..

Взять, например калий. Его номер в таблице Менделеева 19-й. То есть у калия 19 электронов. Причем 18 из них шебуршатся на внутренних орбитах, поближе к ядру, а один – на внешней. И эта внешняя орбита занимает объем в пять раз больший, чем внутренняя! Ну как его не попросить подвинуться? И просят. При давлении в 100 атмосфер калий, например, уплотняется в 2 раза. А дальше?

Дальше – хуже. Когда внешний электрон притиснут к внутренним, начинается возмущение перенаселением, и процесс резко затормаживается. Увеличили давление вдвое, до 200 атмосфер, а калий уплотнился совсем чуть-чуть – до 2,3 единиц. Даешь 250 атмосфер! Получи, поганый калий!.. Нет. Не «получает». График сжимаемости выходит на плато. Дальше давить бесполезно. Металл перестает уплотняться. Чё делать будем?..

А ничего тут уже не поделаешь. Не хочет. Говорит, некуда уже. И тут самое время задаться вторым вопросом.

Вопрос второй. А как ведет себя при сжатии металл, в котором содержится водород? Берем гидрид этого самого калия и… Ты смотри, что творится! Мы еще даже сжимать не начали, а замер показывает, что плотность гидрида калия при атмосферном давлении в 1,7 раз выше, чем у чистого калия. Что же дальше-то будет?

100 атмосфер. Плотность 2,5 единицы.

200 атмосфер. Плотность 3 единицы.

250 атмосфер. Плотность 3,5 единицы.

Плотность растет линейно и даже не думает останавливаться!.. Что там вообще происходит? Почему металл с примесью уплотняется лучше, чем без примеси, хотя, по идее, должно было быть наоборот?.. Тут надо вспомнить, что водород в металлогидриде представляет собой протон с двумя электронами. Откуда взялся лишний электрон? А от калия, больше неоткуда. При образовании химической связи между калием и водородом калий теряет один электрон, а водород приобретает, превращаясь в пузатый гидрид-ион. Гидрид-ионы большие и «рыхлые». Их очень легко сжать, потому что, собственно говоря, и сжимать-то там особо нечего – один протон, вокруг которого крутятся два электрона. Сплошная пустота. Водород – это вам не атом металла, который может состоять из полутора сотен протонов и нейтронов и почти сотни электронов! Водород – фитюлька нехитрая.

И когда давление прижимает электронные орбиты к водородному ядру, гидрид-ион становится таким маленьким, что легко умещается в дырочках между крупными «шарами» атомов калия. Точнее, не атомов, а ионов калия – это важное примечание, поскольку теперь наш калий живет без одного электрона (который перешел к водороду), то есть без внешней электронной оболочки. Поэтому ион калия почти вдвое меньше, чем атом калия, ведь именно внешняя оболочка составляет 5/6 объема атома.

Атом сам разделся, «просить» не пришлось. А если еще и «попросить» с помощью хорошего давления, то «раздетому» атому будет легче сжиматься, поскольку электронная теснота уже не так плотна, как в чистом калии.

На рисунке внизу схематически показан процесс уплотнения гидрида калия и сжатие пузатых гидрид-ионов, которые теперь помещаются в промежутках между ионами калия.

Рис. 6. Уплотнение гидрида

И так ведет себя не только калий. Аналогичным аномальным образом сжимаются литий, натрий, рубидий, кальций и другие металлы. Но нас с вами интересуют не эти ничтожества, а магний и кремний – основа нашей планеты.

Если у магния сорвать внешнюю электронную оболочку, то его размер здорово уменьшится. Диаметр атома магния – 3,2 ангстрема. А диаметр положительного иона магния, лишенного двух электронов, всего 1,3 ангстрема. С кремнием та же хрень: диаметр полного атома кремния – 2,7 ангстрема, а «без башни» – 1,1.

Что это означает на практике? Это означает, что при определенных условиях плотность магния и кремния может вырасти в 14 раз и превысить плотность золота. Таков теоретический предел плотности гидридов магния и кремния. Это полностью снимает аргумент противников металлогидридной Земли о том, что у магния и кремния недостаточная плотность, чтобы быть «кандидатами на ядро». Действительно, плотность земного ядра, измеренная методами геофизики, составляет 12,5 г/см³, а плотность кремния 2,3 г/см³, магния – 1,74 г/см³. Маловато. Но если учесть, что плотность гидридов кремния и магния может быть увеличена до 14 раз, то вполне хватит. Причем с большим запасом.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.