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.
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.
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
