Твердое — первое состояние вещества

Твердое — первое состояние вещества

Древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) считал, что мир построен из четырех стихий, или элементов: земли, воды, воздуха и огня. Учение Эмпедокла разделяли многие ученые древности, в том числе и Аристотель. Потом оно проникло в средние века и тоже пользовалось признанием.

А ведь если чуть перефразировать, сказать вместо Эмпедокловых «стихий» — «состояния», мы, пожалуй, согласились бы, что древние верно видели природу. Ведь и мы считаем, что вещество бывает в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы.

Среди причин, обусловливающих то или иное состояние, одна из первых, разумеется, температура: при очень низкой температуре станет жидким, а потом и твердым телом воздух, а при достаточно высокой испарится любой металл. Наша жизнь протекает при не слишком больших колебаниях температуры: скажем, если брать две крайности в природе — от минус 50 до плюс 40, — перепад в 90 градусов. Но это такой перепад, в котором вещества встречаются в разных состояниях.

Конечно, живи мы на Луне, естественные контрасты выступали бы сильнее: там разница суточных колебаний такова, что жители Луны могли бы днем купаться в расплавленной сере (плюс 129,5 градуса), а ночью кататься на коньках по замерзшему спирту (минус 127,5 градуса). Но мы живем в условиях высоких научных достижений и не нуждаемся в помощи природы, чтобы посмотреть, как выглядит вещество при сильных колебаниях температуры.

Ученые получают в лабораториях температуру ниже минус 273 градусов, всего на несколько десятитысячных градуса выше абсолютного нуля, предельно низкой в природе температуры (равной приблизительно минус 273,16 градуса; при этой температуре прекращаются все механические, или тепловые, движения молекул, остаются лишь особые движения, связанные с наличием так называемой нулевой энергии, открытой квантовой теорией). Наряду с такими низкими температурами в лабораториях достигают и невероятно высоких температур. Советскими учеными проведены эксперименты, в которых получалась устойчивая дейтериевая плазма с температурой 60 миллионов градусов.

Огромное большинство окружающих нас твердых тел представляют собой кристаллы — иногда в виде отдельных больших кристаллов, но чаще в виде очень прочно сцепившихся между собой мелких (бывает меньше тысячной доли миллиметра) кристаллических зернышек. Некристаллы — это стекло и пластмассы. Но, может быть, и их следовало бы отнести если не к кристаллам, то, по меньшей мере, к кандидатам в кристаллы. Известно много случаев, когда с течением времени стеклянные вазы в музеях постепенно теряли прозрачность, кристаллизовались. Кристаллизуются, простояв довольно долгое время, и другие, сперва некристаллические изделия.

Отличительная особенность кристаллов — их правильное, симметричное построение. Симметрично выглядит снаружи отдельное кристаллическое зернышко, симметрично и внутри расположение каждой частицы по отношению ко всем другим.

Если бы мы решили с помощью воображения прогуляться внутри кристалла и шли бы, никуда не сворачивая, все время прямо, то, попадая в разные местности, мы обнаруживали бы смену пейзажей лишь определенное, сравнительно небольшое, число раз. Потом все начиналось бы сначала, в той же последовательности.

Кристалл неоднороден по свойствам в разных направлениях: его прочность, электрические и оптические свойства, проводимость тепла в одних направлениях отличаются от этих свойств в других направлениях. Такая особенность кристаллов называется анизотропией. Некристаллические твердые вещества (стекло, пластмассы, — их называют еще аморфными веществами, что значит бесформенные), а также жидкости и газы изотропны («изо» по-гречески — «одинаково», а «тропос» — «направление»): их свойства одинаковы во всех направлениях.

Какие силы заставляют кристаллические тела сохранять неизменными свои формы? Даже не вдаваясь еще в детали этого вопроса, можно сказать уверенно, что там должны быть два рода сил — притяжения и отталкивания. Если бы не было первых, кристалл рассыпался бы на части, не будь вторых — он уменьшился бы в размерах и достиг фактически ненаблюдаемых плотностей.

А что происходит при нагревании кристаллического тела? Атомы начинают интенсивнее двигаться, но так как из-за действующих в твердом теле сил притяжения они не могут оторваться один от другого, они колеблются вокруг своих средних, равновесных положений.

Кстати, силами же, действующими между атомами, объясняется и упругость твердых тел: для изменения их формы требуется сила, когда же она (по достижении известного предела) устраняется, деформированное тело под влиянием внутренних сил возвращается в прежнее положение.

Лишь сравнительно недавно удалось нарисовать довольно убедительную картину действия внутренних сил в кристалле. Она, по-видимому, похожа на то, что происходит в масштабах молекул, где это выглядит так.

В большинстве неорганических соединений молекулы приобретают свою прочность при помощи так называемой ионной связи. Электроны, частицы с отрицательным электрическим зарядом, отделяются («отчуждаются») от атома, и тотчас образуются ионы: осколки молекул, которые, в отличие от электрически нейтральных атомов, заряжены положительным или отрицательным электричеством. Мгновенно вступает в действие закон Кулона — электрические плюс и минус ионов притягиваются друг к другу, и это вместе с силами отталкивания приводит к образованию устойчивой, стабильной молекулы.

Органические вещества в большинстве своем обязаны устойчивостью их молекул другому виду связи, так называемой ковалентной связи. Здесь электроны не «отчуждаются», а «обобщаются» двумя (или больше) атомами. Простейший пример — молекула водорода. Она состоит, как известно, из двух водородных атомов. Каждый атом, в свою очередь, — это сочетание положительного протона и отрицательного электрона. Соединение атомов в молекулу происходит благодаря тому, что оба электрона как бы связывают между собой протоны своим «коллективизированным» движением.

В кристаллах, как и в молекулах, возможна ионная и ковалентная связь. Полная картина связи в кристаллах, однако, очень сложна, и мы ее рассматривать не будем.

Ученым, работающим в области физики твердых тел, приходится особенно много трудиться, потому что их наука — одна из важнейших в наше время. При этом от специалистов по твердым телам все требуют большой практической отдачи.

«Главным стимулом, — писал академик Л. А. Арцимович, — для разработки большинства проблем современной физики твердого тела является уже не столько внутренняя логика развития научных идей, сколько перспективы технических применений (иногда близкие, а иногда довольно далекие). При этом вместо вопроса „почему?“ главным вопросом становится „как это сделать?“».

Объясняется это тем, что теперь всем людям, прогрессу техники, науки, быта особенно нужны не столько вещества, сколько материалы.

Даже образованные люди часто путают эти слова: «вещества» и «материалы». А между тем они отличны друг от друга. Вещество — еще далеко не материал, оно лишь сырье для производства материала. Возьмите, например, бетон; это строительный материал, а его приготовляют из веществ — песка, цемента, щебня и воды. Резину делают из каучука и сажи, значит, она — материал, а веществами надо считать каучук и сажу.

Разумеется, в чисто физическом смысле и материалы — те же вещества. Но этим веществам человек придал какие-то особые, нужные ему в его практической деятельности, свойства и тем выделил из окружающей природы.

Пример того, как создают ученые наших дней новые твердые материалы, нужные народному хозяйству, — труд академика Кузьмы Андриановича Андрианова и результаты его работ, за которые он получил Ленинскую премию 1963 года.

Разве удалось бы К. А. Андрианову создать целый класс новых материалов с чудесными свойствами, так называемых полимеров с неорганическими главными цепями молекул, не проведи он четверти века в лаборатории. Задача, которую он пытался разрешить, сперва казалась почти неразрешимой: как соединить в полезное для человека вещество неживое и «живое» — скажем, кремний и какие-нибудь органические молекулы?

Самые опытные химики приходили к выводу, что игра не стоит свеч, что на основе кремния, кислорода и органических радикалов нельзя практически создать ничего стоящего. В тот самый год, когда Андрианов впервые начал заниматься таким, казавшимся безнадежным, делом, известный английский ученый, профессор Киппинг, словно специально, чтобы охладить пыл русского коллеги, сказал на заседании английского Королевского химического общества:

— Я исследую химию кремнийорганических соединений пятьдесят лет и полагаю, что перспективы быстрого развития этой области химии и получения практически полезных результатов не слишком обнадеживающие.

Но советский ученый упорно шел своим путем. Он знал: очень много сулил народному хозяйству успех и поэтому стоило за него бороться.

Давно известно, что добавки к обычной стали небольших количеств хрома, никеля или марганца резко изменяли структуру металла, превращали его в высококачественную нержавеющую сталь. Вообще каждый «посторонний» металл, вводимый в основную неорганическую цепочку, меняет ее свойства. Раскрывая закономерности подобных сочетаний, металлурги научились очень тонко изменять свойства стали в желаемом направлении. Делали они это путем введения в сталь определенных элементов в определенных количествах. Работы Андрианова, по существу, сводились к тому же самому, только вместо стали он брал за основу другой материал — обычно кварц.

Природный минерал кварц представляет собой структурно жесткую хрупкую сетку из атомов кремния и кислорода. «А что, если в некоторых узлах этой сетки поместить вместо кремния другой элемент, например титан, алюминий или бор? — думал Андрианов. — И что, если к атомам кремния подвесить органические радикалы? Не этим ли путем надо идти, чтобы получать вещества с необычным сочетанием свойств, например эластичности с теплостойкостью?»

Много опытов проделал Кузьма Андрианович, много различных химических реакций перепробовал, прежде чем ему удалось — впервые в мире — получить ряд синтетических полимеров с неорганическими главными цепями молекул на основе сочетания кремния с другими элементами: алюминием, титаном, бором, оловом и некоторыми другими. К каждому атому кремния ученый «подвесил» органические радикалы. Иначе говоря, превратив кварцевую сетку в кварцевую цепочку, он создал вокруг нее оболочку из углеродосодержащих органических радикалов. Благодаря тому, что здесь появились органические радикалы, материал приобрел эластичность, гибкость, а также способность растворяться в органических растворителях (это часто очень важно, например, для лаков). Вместе с тем в новом веществе сохранилось такое свойство полимерной цепочки в кварце, как теплостойкость.

Гибкий кварц! Мог ли кто-нибудь предполагать, что это может быть создано?

Вводя в обыкновенное стекло 15 % органических радикалов, Андрианов из жесткого и хрупкого стекла получал… настоящий каучук. Этот каучук почти ничем не отличается от натурального, но он не теряет своих свойств и при температуре до 320 градусов! А ведь ни один иной каучук, кроме так называемого силиконового, не выдерживает подобного нагрева.

Некоторые из разработанных ученым кремнийорганических соединений применяются теперь для обработки хлопчатобумажных и шерстяных тканей.

В результате этой обработки, потребляющей сущие пустяки нового вещества, в среднем 1,0–1,5 % от веса ткани, ткань приобретает свойство совершенно не смачиваться водой. Человек, одетый в костюм из материала, обработанного специальным кремнийорганическим соединением, может, не раздеваясь, переплыть реку. На другом берегу он отряхнется, и вода скатится с его костюма, как ртуть со стеклянной плоскости.

Делают теперь и другие удачные сочетания элементов. Кремний и алюминий входят в состав теплостойких пластмасс. Кремний, титан и олово содержатся в каучуках и смазочных маслах. Кремний и бор — элементы, входящие в состав клеев.

Электроизоляционные материалы и жаростойкие эмали, клеи и лаки, теплостойкие пластмассы и смазочные материалы — многое производится по методу замечательного советского ученого.

Самое широкое применение в различных областях народного хозяйства получили чудесные материалы, разработанные Андриановым и его учениками.