Справочник автора/Таблица Менделеева

Таблица Менделеева (а если полностью, то Периодическая система элементов Д. И. Менделеева) — могущественный символ «науки вообще» и неизменный атрибут средней школы. А ещё там столько разных красивых названий для прикладного флеботинума! Лантан, прометий, криптон, рутений… Авторы фантастики (особенно настолько мягкой, что даже жидкой — например, «научного фэнтези» или супергеройских комиксов) обожают заимствовать эти названия для своих очередных зелёных камушков.

Так вот, эта статья посвящена химическим элементам (в основном, металлам), тому, что они из себя представляют, что они умеют, чего не умеют и как не опростоволоситься, назвав свой вымышленный твёрдый и неуязвимый металл названием металла мягкого и горящего на воздухе.

Что такое химический элемент

Химический элемент — это базовый кирпичик химии, разновидность атомов с определёнными свойствами. Все вещества состоят из химических элементов. Простое вещество состоит из атомов только одного элемента, сложное (соединение) — из нескольких. Соединение отличается от смеси или сплава тем, что в нём атомы разных элементов соединены в молекулы, а не навалены по отдельности вперемешку (впрочем, бывают сплавы-соединения или сплавы, представляющие собой смесь металла и соединения).

Атомы химических элементов отличаются друг от друга количеством протонов в ядре (и соответствующим ему количеством электронов в оболочках). У атомов одного и того же элемента могут быть разные ядра, отличающиеся количеством нейтральных частиц — нейтронов. Эти разновидности элемента называются изотопами. Все изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства, а различаются они способностью к ядерным реакциям (радиоактивному распаду, делению, синтезу). Изотопы различаются также физическими свойствами, что используется для их разделения. Ядерные реакции — это превращения одного элемента в другой. Химические реакции — это пересборка молекул из одних и тех же элементов в другие сочетания. На грани «одинаковой химии» и «разной физики» — замена изотопа может повлиять на кинетику химических превращений, если сильно меняет массу переходящей группы, что используется для изучения механизмов реакций.

Большинство изотопов радиоактивны, но у большинства элементов имеется как минимум один-два нерадиоактивных изотопа, которые в подавляющем большинстве и встречаются в природе. Если все возможные изотопы элемента радиоактивны, то радиоактивным называется и сам элемент. Все элементы тяжелее висмута радиоактивны; из элементов легче висмута радиоактивны только два, технеций и прометий. Если точнее, то не имеют стабильных изотопов, а так у легких элементов тоже могут быть радиоактивные изотопы. Кроме того, в начале века выяснилось, что висмут-209 тоже радиоактивен, но период полураспада у него натуральная бездна времени, так что держать его в качестве сувенира можно спокойно, титул же последнего элемента со стабильным изотопом перешел к свинцу.

Металлы и неметаллы

В фантастике и фэнтези металл — это материал блестящий, всегда прочный, из которого всегда можно ковать мечи или штамповать броню для звездолёта. В реальности металл — это элемент, атомы которого более склонны отдавать электроны, чем их принимать, отчего в простом веществе — металле — всегда есть свободно бродящие, как куры в деревне, электроны (чем и объясняется блеск и электропроводность металлов). Неметаллы этим свойством не отличаются; они куда более разнообразны, могут иметь вид кристаллов, порошка, жидкости (бром), газа. Есть ещё полуметаллы, например, сурьма, германий, полоний; они представляют собой что-то среднее, металл, но не совсем. Например, они обычно не куются, и ток проводят по-особому (являются полупроводниками). В астрономии же металлами вообще называются ВСЕ элементы тяжелее гелия, даже те, что с точки зрения химии — настолько неметаллы, что дальше некуда, например фтор.

Так вот, в описании металлов ни разу не сказано, что из них получаются хорошие мечи. Из большинства металлов, фактически, мечи получаются просто отвратительные. Есть металлы, мягкие, как пластилин, горящие на воздухе, реагирующие с водой. Металлом является даже ртуть, просто у неё температура плавления −39 градусов Цельсия. При рассмотрении отдельных групп элементов это будет указано.

Что могут элементы и чего они не могут

В первую очередь, элементы не могут выделывать эффектных штучек, подрывающих известные со школы законы физики. Ни один элемент, не важно, насколько экзотично его название, не может искривлять пространство и перемещать звёздные корабли. Ни один элемент не может падать вверх. Не могут они и придавать человеку способности к телекинезу, бить злыми синими молниями или заставлять отскакивать любой урон. Некоторые из этих фокусов невозможны в принципе; некоторые теоретически возможны, но для них нужно не обычное вещество из атомов, а экзотическая материя, у которой совсем другая природа.

Во вторую очередь, элементы не могут вытворять биологические фокусы. Основная масса организма и большинство его молекул построена из четырех элементов — углерода, водорода, кислорода и азота. Необычными биологическими эффектами могут обладать новые, неизвестные ранее соединения четырёх вышеупомянутых элементов (к которым, возможно, в хвост прицеплены атомы каких-нибудь металлов, например, магния или железа — но главное всё-таки органика, хотя не стоит забывать, что напр. в цитохромах окисляется/восстанавливается именно атом металла, а не держащая его на месте органическая молекула (по сути гигантский лиганд)), но никаких других.

Элементы могут обладать необычными физическими свойствами — в пределах того, что вы знаете со школы. Например, демонстрировать очень высокую проводимость (серебро), тугоплавкость (вольфрам), подъёмную архимедову силу в азотно-кислородной атмосфере (водород; в более плотной атмосфере можно попробовать представить себе и дирижабли, наполненные, скажем, азотом). Элементы могут обладать необычными химическими свойствами — например, высокой реакционной способностью (фтор), или, наоборот, инертностью (гелий). Элементы, точнее, их специфические изотопы, могут обладать необычными ядерными свойствами — способностью к делению (уран-235), синтезу (гелий-3), экранированию радиации (свинец).

Можно ли придумать новый элемент?

И да, и нет. Теоретически в таблице Менделеева есть область, которая ещё не исследована — это гипотетические элементы 8 периода с атомным номером от 118. Это очень нестойкие радиоактивные тяжёлые металлы, но по крайней мере одна из теорий допускает у них существование неоткрытых пока изотопов, способных существовать продолжительное время. У этих элементов могут быть необычные в пределах разумного ядерные или химические свойства. Но все они радиоактивны, в природе не встречаются (разве что в свежих туманностях сверхновых) и на чудеса из предыдущего раздела способны не более, чем какие-либо иные. Можно, конечно, выжать педаль в космос, увеличив плотность выше максимальной ядерной, и получить сверхтяжёлый, сверхплотный, сверхрадиоактивный и сверхнестабильный элемент, который только для того, чтобы существовать, будет поглощать всю материю и энергию, до которой дотянется, за счёт чего также станет неразрушимым. И если это так, то немедля… перестанет быть сверхрадиоактивным, да и вообще радиоактивным. Ведь любое испущенное таким элементом излучение будет тут же поглощено им обратно. Фактически — миниатюрная чёрная дыра. Испускать сможет разве что хокинговское излучение (если оно и правда существует). Вполне возможно, нечто подобное уже есть в чёрных дырах, но чтобы хоть как-то использовать этот элемент в производстве, нужно обладать очень, очень высокими технологиями, которые человечеству и не снились.

Что же касается новых нерадиоактивных (стабильных) элементов, то придумать новый такой элемент не более реально, чем придумать новое натуральное число от 1 до 10. Серьёзно: если хотите придумать прикладной флеботинум на ровном месте — не позорьтесь. Делайте его сплавом, соединением (лучше — органическим и высокомолекулярным), наноматериалом, но не элементом.

То же касается и несложных соединений (например, газов). Помните закон Авогадро: один моль газа — 22,4 литра? Это значит, что плотность газа пропорциональна молярной массе, причём все газы — низкомолекулярные соединения двух-трёх элементов либо простые вещества. То есть одно и то же количество молекул газа при одной и той же температуре будут занимать одинаковое пространство вне зависимости от веса и размера каждой отдельно взятой молекулы. Поэтому, если вы выдумали планету, где из земли бьют неземные, неизвестные науке газы — со спокойной совестью переделывайте всё описание планеты с нуля (ну, разве что температура будет такая, что трансурановые элементы будут переходить в газообразное состояние, либо у вас будет очень стрёмнное нестабильное соединение, существующее только при оч. стрёмных условиях — звучит хотя бы немного правдоподобнее). Либо на самом деле из земли будут бить взвешенные частицы жидкости, как, например, туман.

Редкие и рассеянные элементы

Многие элементы малоизвестны, а названия их звучат экзотично. Например, много ли вы слышали о лантане, родии, протактинии, индии? Думаю, что очень и очень немного. Причины тому может быть две: элемент может быть редким или рассеянным.

Редкий элемент — это значит, его объективно мало. Редкие элементы образуются в звёздных термоядерных реакциях в мизерных количествах, потому что или все их изотопы при звёздных температурах неустойчивы, или не существует термоядерных реакций, способных поддерживать звёзды и производить эти элементы. В основном это элементы тяжелее железа, которые образуются только при взрывах сверхновых. Некоторые редкие элементы радиоактивны и быстро распадаются (например, радий; единственная причина, по которой он встречается в природе — так это то, что он воспроизводится при распаде урана).

Рассеянный элемент — это значит, что его, может быть, и не мало, но такие уж у него химические свойства, что в земной коре он не концентрируется в специфических минералах, а встречается повсюду понемножку, в виде примеси. Поэтому концентрировать и выделять рассеянные элементы порой сложнее, чем некоторые редкие.

Наконец, есть ещё такая штука, как редкоземельные элементы. Многие думают, что это то же, что редкие. На самом деле это название одной конкретной подгруппы элементов — лантаноидов. Это металлы третьей группы со схожими свойствами; при этом они и редки, и рассеяны.

Группы, подгруппы элементов и их интересные свойства

Щелочные и щёлочноземельные металлы

Главная подгруппа первой группы и большая часть главной подгруппы второй группы. Литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций — первая, кальций, стронций, барий, радий — вторая. Свойства этих металлов очень схожи: все они мягкие, легкоплавкие, реагируют с водой (вытесняют водород и образуют едкие щёлочи), легко горят на воздухе (рубидий и цезий — самовоспламеняются). Так же они обычно покрыты тонкой пленкой окиси. Обычно металлы этих групп в чистом виде хранят в керосине, а самые опасные в склянках с благородными газами.

Первая группа — щелочные металлы

Держа любой из них в руках, вы рискуете получить химический ожог (а иногда не только химический).

• Литий — самый легкий металл обычного серого цвета, он даже легче воды. Единственный в первой группе образует оксид «по умолчанию» в стандартных условиях. Режется как пластилин, на воздухе покрывается темной оксидной (и не только) плёнкой прямо на глазах. С водой и даже с мокрой травой реагирует, выделяя водород и щёлочь, при этом носясь кругами по поверхности (не метафора, правда) и кипятя воду под собой. При реакции с водой литий может загореться сам (вместе с водородом) и даже взорваться, если его бросают туда сильно измельчённым, например, в виде тонкой фольги из батареек. В этом случае он горит красным цветом, переливаясь от малинового до яично-жёлтого. При простом поджоге на воздухе горит бело-жёлтым пламенем, достаточно горячим, чтобы расплавить железо, но слишком быстро сгорает. Если его поджечь на куске дерева — взорвётся. Его можно найти в аккумуляторах и некоторых лазерах, а также в некоторых торпедах: продукты реакции лития с элегазом — фторид лития и чистая сера — твёрдые вещества, так что их не надо выбрасывать за борт. В психиатрии соли лития применяются для нормализации настроения (нормотимики). Хранить в вазелине/парафине (в керосине всплывает!), без доступа к воде и воздуху.
• Натрий — металл серого цвета, мягкий как ластик, по весу сравним с водой. На воздухе покрывается светлой матовой пленкой оксидов и карбонатов. Реакция с водой выглядит точно так же, как у лития, но вдобавок расплавляется. Горит и взрывается в воде легче него, достаточно просто кинуть большой кусок натрия в воду. Пламя при горении — солнечно-желтое. Хранить в керосине. Ионы натрия играют важную роль в водно-солевом обмене животных, поэтому им необходим хлорид натрия (поваренная соль). Также расплавленный натрий использовался как теплоноситель в некоторых ядерных реакторах, но в итоге от него отказались — больно уж пожароопасен. Даже отфильтровывать радиоактивный полоний из расплавленного свинца проще, чем тушить несколько сот тонн горящего натрия.
• Калий — металл темно-серого цвета с ярким блеском, он не тверже холодного масла, его буквально можно размазать по салфетке. На воздухе почти мгновенно покрывается радужной пленкой. В воде горят и взрываются даже небольшие куски калия, в остальном реакция идет как у натрия и лития. Он может загореться просто находясь на открытом воздухе, особенно тонкие слои. Горит яично-желтым цветом. Хранить в керосине. Ионы калия тоже нужны животным и должны находиться в определённом соотношении с ионами натрия.
• Рубидий — металл с ярким, почти зеркальным блеском, мягкий как масло в комнате. Плавится при 40 градусах. способен сам себя расплавить на воздухе и загореться розово-фиолетовым пламенем. В воде сразу взрывается. Способен реагировать с обычным песком когда горит, что выглядит будто серебряная жидкость впитывается в песок. Хранить в герметичных стеклянных ампулах с вакуумом или благородными газами.
• Цезий — металл золотого цвета, мягкий как маргарин. Плавится при 29 градусах — то есть от температуры рук, застывая образует кристаллы похожие на папоротник. В воде он взрывается с треском, на воздухе горит пурпурным огнем и не хуже керосина. С песком реагирует так же, как и рубидий. Стоит дороже золота. Хранить в герметичных стеклянных ампулах с вакуумом или благородными газами и лучше не доставать. Его можно найти в двигателях спутников, атомных часах и старых фотоэлементах.

Вторая группа — щёлочноземельные металлы

Взяв их в руки на пару секунд, вы, скорее всего, не пострадаете. Скорее всего.

• Бериллий — на вид металл серого цвета, блестит, рассыпается в пыль буквально от одного чиха. Не горит, поглощает часть рентгеновского излучения. Может отражать и замедлять нейтроны. Хранить в стеклянных ампулах, ибо токсиченЪ (растворимые соединения более ядовиты, чем у свинца, и почти так же, как у ртути). Отравление проявляется в проблемах с легкими. Применение ограничено относительно безопасными сплавами с невысоким содержанием. Можно найти в изумрудах и других бериллах, сплавах железа (повышает твердость, прочность и устойчивость к ржавчине в умеренном количестве) и меди (бериллиевая бронза используется для изготовления неискрящих инструментов) и окошках рентгеновских трубок.
• Магний — металл серого цвета. На воздухе покрывается блеклой окисью, мутнеет. Горит ярким белым огнем, температура в нем достаточно чтобы расплавить железо, кроме того пламя излучает ультрафиолет. Реагирует с песком, когда горит, да и с углекислым газом тоже. Не заливайте горящий магний водой — он взорвется, а вот если его просто бросить в воду (когда он не горит) он не будет даже гореть (но щёлочь и водород все равно обеспеченны). Можно найти в старых фотовспышках и лёгких сплавах, в основном с алюминием и титаном, где он широко применяется для увеличения твёрдости и износостойкости (титан и алюминий — металлы весьма мягкие). Его ионы также необходимы животным, но и растениям без него никуда: он содержится в хлорофилле.
• Кальций — метал светло-серого цвета, похожий на комки фольги. Если поджечь — горит. Реагирует с водой погружаясь на дно и пузыря оттуда водородом, щелочь кальция, которая образуется известна как известка. Хранить в керосине. Соединения кальция в большом количестве находятся в земной коре и образуют основу скелета у многих групп животных, а ионы тоже активно участвуют в водно-солевом обмене.
• Стронций — металл темно-серого цвета. Покрывается черной окисью на воздухе. Горит, окрашивая пламя в лилово-красный цвет. С водой реагирует активно, но без огня (кипение и щелочь в наличии). Может поглощать рентгеновские лучи. Хранить в керосине.
• Барий — темно-серый металл, на воздухе покрывающейся белой оксидной коркой. С водой реагирует, но без огня, раствор при этом мутнеет. Горит, периодически вспыхивая значительно ярче, горит сильнее на куске дерева. Реагирует с песком, как описано выше. Хранить в керосине. Соли ядовиты, исключение — очень слабой растворимый сульфат. В медицине он используется для контрастирования желудочно-кишечного тракта при рентгеновских исследованиях; свежеосаждённый — как эталон белизны.

На щёлочноземельные металлы похожи и некоторые другие элементы из третьей группы (например, некоторые лантаноиды реагируют с водой, а таллий, из главной подгруппы третьей группы, образует щёлочь — едкий таллий). Магний иногда относится к щёлочноземельным, а иногда к лёгким металлам — он очень слабо реагирует с водой, зато горит ярким и горячим пламенем.

3 группа — подгруппа бора

Элементы этой группы, кроме алюминия, встречаются нечасто, а область их применения узка. Можно брать в руки.

• Бор — единственный неметалл (несмотря на металлический блеск) в группе. Элементарный бор — тёмно-серые, местами бурые гранулы. При комнатной температуре реагирует только со фтором (а кто с ним не реагирует?). Обладает невероятной твёрдостью, уступая лишь алмазу, нескольким сплавам титана и паре своих соединений; при этом бор едва ли не самое прочное вещество в мире. Бор — полупроводник, то есть проводит электричество, но очень слабо. Он и его соединения окрашивают огонь в призрачно-зелёной цвет, иногда в ярко-зелёный, элементарный бор горит неплохо. Применяется в основном как добавка к разным сплавам для прочности. Соединения бора весьма токсичны — именно это в основном и убило попытки использовать соединения бора и водорода — бораны — в качестве экзотического топлива для турбин и ракет. А также тот факт, что большинство получавшихся соединений были твёрдые, даже очень, и стачивали лопатки турбин и сопла ЖРД моментально.
• Алюминий — лёгкий светло-серый металл (строго говоря — полуметалл). Хотя он очень распространён в земной коре, до XX в. был тем ещё хренполучием — даже в конце XIX в. ожерелье из алюминия считалось королевским подарком и стоило дороже золотого, а потом открыли дешёвый способ его получения. Алюминий мало с чем реагирует из-за тонкой, но очень прочной оксидной пленки и легко плавится (660 градусов можно получить даже на плите). Но если убрать эту плёнку, он будет реагировать даже с водой; при этом вода выглядит кипящей, мгновенно чернеет и становится непрозрачной (образуется черный осадок — гидроксид алюминия). При реакциях с щёлочью и кислотой алюминий образует мелкую белую пыль, плавающую в пробирке, и водород. При реакции с йодом и водой одновременно загорится солнечно-жёлтым огнем, выпуская клубы густого пурпурного дыма. Сейчас из алюминия делают любые предметы, начиная от кастрюль и заканчивая самолётами.
• Галлий — светло-серый металл с почти зеркальным блеском, способный расплавится у вас в руках (нет, он не будет красным и светящимся, по виду больше напоминает ртуть и расплавится не мгновенно). Не ядовит, но сильно пачкается. При затвердении кристаллизуется вокруг частиц внутри, но это незаметно, если частицы не крупные. Кристаллы блестящие и гранёные. При быстром плавление издают тихое трескучее жужжание, похожее на пение цикад — это явление называется «песней металла». Используется в основном в электронике. Легко (достаточно потереть куском галлия об алюминиевый предмет — он тут же в него впитается) образует интерметаллическое соединение с алюминием, которое КРАЙНЕ хрупко и рассыпается в пыль от косого взгляда. Поэтому в любых местах, где есть конструкции из алюминия — например в авиации и космонавтике — галлий строго запрещён. Да, даже перевозить, если не приняты строжайшие меры безопасности.
• Индий — да, и такой металл тоже есть. Он тоже светло-серый и хорошо блестит. Он настолько мягкий, что царапается ногтем. Его можно сплавить с галлием, просто потерев металлы друг об друга. Температура плавления сплава будет около 15 градусов, им можно рисовать, просто макая в него кисть; кстати эти рисунки будут проводить электричество. При сгибании индий хрустит. Плавится при 160 градусах. Горит фиолетовым пламенем. Используется в электронике.
• Таллий — мягкий светло-серый металл с голубым отливом, образующий оксидную пленку на воздухе. Горит изумрудным огнем. Открыт в 1861 г. Не имеет вкуса, запаха и цвета в растворе. Ядовит, как и его соединения. Отравление вызывает кучу симптомов от выпадения волос до смерти и не вызывает симптомов, которые нельзя было бы списать на другие болезни. Соединениями таллия часто часто травят крыс, а особо альтернативно одарённые — богатых родственников. Сейчас его научились распознавать и лечить людей берлинской лазурью. В чистом больше виде не применяется, даже как крысиный яд.
  • Выпадение волос (алопеция) как раз и есть общий симптом, сопутствующий отравлению таллием и его соединениями. Остальные симптомы действительно неспецифичны.
  • Раствор смеси таллиевых солей муравьиной и яблочной кислот — жидкость Клеричи — обладает двумя удивительными свойствами: огромной плотностью (до 5 грамм на см³) и способностью её варьировать вплоть до плотности воды. В связи с этим довольно широко применяется в минералогии для определения плотности различных камней. Именно раствором Клеричи, добываемым через знакомую лаборантку якобы для использования в качестве крысиного яда, травила своих жертв w:Тамара Иванютина.

Лёгкие металлы

Сборная солянка, включающая в себя несколько элементов из II—IV групп. Бериллий, магний и алюминий имеют общие свойства. Они активны, но под защитой: на воздухе покрываются тонкой плёнкой оксидов, благодаря которой не реагируют ни с водой, ни с воздухом. Лёгкие и достаточно прочные, хотя и мягче металлов группы железа; чаще всего их используют как компоненты лёгких сплавов. К ним примыкает и титан из побочной подгруппы IV группы.

• Титан — очень прочный и относительно (вдвое легче железа и в полтора раза тяжелее алюминия) лёгкий серебристый металл; по свойствам похож на мифрил Толкина. Увы, довольно мягок, совершенно неупруг и очень тяжело обрабатывается (крайне склонен к наклёпу и задирам), а также чрезвычайно химически активен — без подобной алюминию оксидной плёнки самовоспламеняется в азоте — так что в чистом виде почти бесполезен, особенно учитывая его чрезвычайно дорогое и замудрённое получение: до сих пор не удалось разработать экономически выгодный процесс электролитического получения титана, так что до сих пор на его производство тратятся тонны не менее дорогого магния. Зато сплавы титана (особенно с алюминием, тем же самым магнием и медью) — совершенно другой коленкор. Коррозионная стойкость и удельная прочность титановых сплавов таковы, что современная аэрокосмическая отрасль без них просто немыслима. Даже с учётом их стоимости и пожароопасности.
• Цирконий — очень похожий на титан по свойствам, но несколько более тяжёлый металл серебристого цвета с лёгким золотым оттенком. Также как и титан очень дорог в производстве, а потому, не существуй ядерной энергетики, был бы практически бесполезен. Тем не менее удачное сочетание механической прочности, коррозионной стойкости и крайне низкого поглощения тепловых нейтронов привело к тому, что именно из циркония делают оболочки твэлов в ядерных реакторах, а также остальную арматуру, долгое время работающую в горячей радиоактивной воде под давлением. Кроме того, как и титан, цирконий совершенно нетоксичен и даже более гипоаллергенен, так что он, вместе с титаном, широко применяется в протезировании: искусственную кость из титана или циркония можно просто оставить в организме и забыть, она врастёт в настоящий скелет как родная. Также из циркония делают дорогую посуду, похожую на нержавеющую, но ещё более стойкую, и сверхпроводящие магниты.

Сырьё для их получения найти нетрудно, а вот чтобы выделить сами металлы, нужен электролиз — по этой причине до XIX века человечество легких металлов не знало. Выплавить их примитивными способами, в домнах или горнах, невозможно: они слишком реакционноспособны.

Металлы группы железа

Побочная подгруппа восьмой группы, точнее её верхняя, лёгкая часть: железо, кобальт, никель. Средней тяжести, прочные, образуют прочные сплавы. Все три являются ферромагнетиками. Железо — наиболее известный металл, крепкий середнячок, по которому судят все остальные. Оно же — единственный металл своей группы, в больших количествах присутствующий в земной коре; два других сконцентрированы в ядре, а в коре их мало.

Платиновые металлы

Тяжёлая часть все той же побочной подгруппы восьмой группы. Редкие, драгоценные металлы, очень малоактивные: рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина. Из них примечательны:

• Платина и палладий — используются, кроме прочего, в ювелирном деле, так как и драгоценны, и красивы, и не поддаются коррозии, и «раскручены». Родий — на вспомогательной роли (очень твёрд, но хрупок). Если нанести его в виде плёночки в несколько микрон толщиной — бижутерия станет «почти как платиновая». Но плёночка быстро сотрётся, а потолще нельзя — растрескивается из-за твёрдости и хрупкости.
• Осмий и иридий — самые плотные и тяжёлые металлы, при этом твёрдые и тугоплавкие. Подходят как материалы для кувалды какого-нибудь супергероя-силача. Осмий, особенно в порошковой форме, легче других окисляется кислородом; оксид летуч, вонюч и ядовит. Иридий таким свойством не обладает: это во всех отношениях «вечный» металл. Иридий интересен ещё и тем, что когда-то был дороже золота и платины; он мог бы и поныне быть королём всех драгоценных металлов, но цены на золото и платину оказались искусственно взвинчены их статусом «официальных» драгметаллов, хотя они и более распространены в природе, чем иридий. Иридий примечателен тем, что его соединения щеголяют разными яркими цветами, отсюда и название — «радужный».
  • Кроме этого, платино-иридиевый сплав (да и толстое родиевое покрытие поверх серебра, пусть трескается — эстетическая сторона не важна) применяется в самых «элитных» электромеханических контактах. Не окисляются, не «подгорают», хоть общёлкайся ими.

Металлы группы меди

Побочная подгруппа первой группы. Эти металлы — первые, известные человечеству, так как встречаются либо в самородном состоянии, либо в виде очень лёгких в обработке руд. Нижняя часть группы меди, как и группы железа, драгоценна: туда относятся серебро и золото. Собственно, с точки зрения физхимии «благородными металлами» можно называть только медь, серебро и золото.

Переходные металлы

В широком смысле переходные металлы — это все металлы из побочных подгрупп. Но в данной статье для большинства из них выделены отдельные категории, поэтому только как переходные охарактеризованы металлы легче железа из побочных подгрупп: уже рассмотренный нами титан, а ещё ванадий, хром и марганец.

Ванадий, хром и марганец сами по себе не применяются, их используют как добавки к сплавам на основе металлов группы железа, чтобы изменить их свойства. Хром также используется как покрытие, для придания другим металлам красивого серебристо-зеркального блеска, а также твёрдости, износостойкости и стойкости к коррозии. Так, например, хромом часто покрывают изнутри стволы оружия.

Тяжёлые металлы

Металлы тяжелее железа из всех остальных групп, кроме лантаноидов и радиоактивных. Самые известные из тяжёлых металлов — цинк, олово, ртуть, свинец и вольфрам. Последний примечателен тем, что нет металла более тугоплавкого; из него делают спирали для лампочек накаливания. При том если в температуре плавлении вольфрам ещё уступает какому-то черному углеродному читеру, то по кипению у него вообще конкурентов нет — оно происходит при 5555 градусах Цельсия! Даже фотосфера Солнца не в состоянии выкинуть такой фокус, вольфрамовый лом на поверхности Солнца превратится всего лишь в металлическую лужицу. Прочие тяжёлые металлы — в основном редкие и рассеянные. Почти все тяжёлые металлы ядовиты в виде соединений, некоторые (ртуть и свинец) — ядовиты и в свободном виде. Для сравнения: из лёгких металлов ядовит только бериллий, и то только в чистом виде или некоторых соединениях. К примеру, в бериллах бериллий полностью безопасный.

Висмут

Тяжёлый металл висмут интересен тем, что почти не ядовит. Поэтому некоторые используют его как «экологически чистый» заменитель свинца для изготовления боеприпасов, а в медицине его соли принимаются внутрь для лечения болезней желудочно-кишечного тракта. Также висмут — самый тяжелый нерадиоактивный металл (на самом деле он радиоактивен, но очень, очень слабо, на уровне «сто лет — одна альфа-частица», поэтому совершенно безопасен и считается стабильным).

Необычными научно-фантастическими свойствами обладает тяжёлый металл гафний. У него, кроме изотопов, существуют ещё и ядерные изомеры — то есть по-разному устроенные ядра из одного количества частиц. Возбуждённый изомер гафния теоретически может быть использован как супер-аккумулятор энергии для бластеров и лазерных пушек — но это будет тогда, когда человечество научится контролировать превращение изомеров друг в друга. Пока что это нереально.

А вот переходный металл технеций, не имеющий стабильных изотопов, уже используется и таким образом — он рождается в реакторе в виде возбуждённого изомера и в ходе работы с ним безвозвратно переходит в невозбуждённый изомер, выполнив свою первую и последнюю задачу. Остаётся только вздохнуть и «нацедить» свежего… для этого обычно применяются мини-«реакторы», они же медицинские генераторы технеция. В них соответствующий изотоп молибдена непрерывно распадается, давая постоянный приток «свежатинки».

Лантаноиды

Они же редкоземельные металлы. По причине хитрозакрученного строения электронных оболочек все они втиснуты в одну клетку — в побочной подгруппе третьей группы — и очень похожи по свойствам. Иногда к редкоземельным также относят скандий и иттрий, разместившиеся в той же побочной подгруппе, но в других клетках. Все они редкие и рассеянные, в чистом виде почти нигде не применяются — только в виде присадок к некоторым экзотическим сплавам или стёклам.

Наиболее известен из лантаноидов неодим: его сплавы идут на изготовление супер-сверх-архи-сильных магнитов. Вообще все лантаноиды, кроме Лютеция, обладают магнитным моментом и многие очень большим — в разы большем, чем у традиционного железа, и могли бы служить магнитами сами по себе. Беда только в том, что легко размагничиваются, или вообще не намагничиваются в человеческих условиях — слишком низкая точка Кюри. Поэтому сверхсильные магниты получаются только в виде сплавов в другими магнитными металлами, например тем же железом (те самые неодимовые) или кобальтом (самарий-кобальтовые тоже используются в промышленности).

Актиноиды

Тоже втиснуты в одну клетку, при этом очень тяжёлые и радиоактивные. Самые известные актиноиды — торий, уран и плутоний — славны своей способностью деления ядер, отчего и могут быть использованы как топливо для ядерных реакторов или как ядерная взрывчатка. Другие актиноиды — т. н. трансурановые, например кюрий или калифорний — тоже могут обладать схожими свойствами, но меньшей критической массой, и использоваться для маленьких, особо компактных ядерных боеприпасов — например, для диверсантов или для артснарядов. Делящиеся трансурановые — также хороший кандидат на роль супербатареек для бластеров. Проблема в том, что в природе их нет, а получать их с помощью ядерных реакций крайне дорого. Так что не забывайте хорошие обоснуи и не злоупотребляйте калифорниевыми пулями в реалистично-шпионском сеттинге. Всё человечество хорошо если одну такую пулю совокупно осилит, если «по приколу» решит напрячься и сделать.

В Советском Союзе был проект производства калифорниевых пуль, который не взлетел дальше теоретической стадии. Пули оказались совершенно непрактичными: например, хранить их нужно было в холодильнике, так как они имели свойство саморазогреваться и воспламенять порох.

И ни один источник не акцентируется на таком архиважном свойстве, как динамика реакции. У плутония она настолько выше, чем у урана, что пушечная схема не катит, только имплозионная (подробнее в FAQ мадам Лахезис, она вывалила абсолютно всю информацию, которую можно узнать «без грифа»). А у калифорния? Этот неженка вообще поддаётся переводу в закритичность, с такой-то активностью, что порох вспыхивает?

У первых актиноидов наблюдаются «квази-группы», то есть они проявляют себя схоже с элементами побочных подгрупп последующих групп: актиний трёхвалентный, торий четырёхвалентный, протактиний — пяти-, уран — шести-, нептуний — семивалентный. Начиная с плутония, закон нарушается, а с америция и далее актиноиды похожи на лантаноиды, проявляя валентность 3 и степень окисления +3.

Сверхтяжёлые металлы (трансактиноиды)

Это очень нестойкие радиоактивные тяжёлые металлы, период полураспада которых — даже не минуты или секунды, а их доли, и до сих пор их не удавалось получить в количестве более нанограммов, но по крайней мере одна из теорий допускает у них существование неоткрытых пока изотопов, способных существовать продолжительное время. Это так называемая теория острова стабильности, согласно которой некоторые, до сих пор не полученные изотопы элементов с 110 по 115 могут быть более стабильны и получены в осязаемых количествах (хотя расчёт намекает всё-таки на миллисекундное время жизни). В прошлом считалось, что изотоп ещё не открытого элемента 126 с атомной массой 310 будет иметь долгий период полураспада (согласно теории оболочечного строения ядра, при этом числе протонов и нейтронов ядерные оболочки будут полностью завершёнными и потому особо стабильными), но новейшие расчёты показывают, что этот изотоп всё-таки не в центре острова стабильности.

У этих элементов могут быть необычные ядерные или химические свойства, в пределах разумного, но все они радиоактивны и в природе не встречаются, потому что давно уже распались (разве что в свежих туманностях сверхновых).

Физические свойства сверхтяжёлых металлов мало изучены, потому что они получены только в микроколичествах. Однако как минимум несколько сверхтяжёлых металлов, полученных в количестве нанограмм, а не отдельных атомов, отличаются удивительными физическими свойствами. Во-первых, они сверхтяжёлые в бытовом смысле: тяжелее осмия и иридия. Во-вторых, среди них есть жидкие, как ртуть, и, предположительно, даже один газообразный металл.

По действующей номенклатуре, свежеоткрытые элементы называются своим порядковым номером на латыни в формате цифра-цифра-цифра, но по ходу изучения и повторного получения они получаются более поэтические названия.

А бывают ли сверхтяжёлые неметаллы? Бывает, одна штука: оганессон (элемент 118), сверхтяжёлый благородный газ (возможно, он на самом деле благородная жидкость). Все сверхтяжёлые элементы из других привычных неметаллических групп — галоген теннессин, халькоген ливерморий — по всем расчётам внезапно металлы.

Полуметаллы

Прослойка между металлами и неметаллами; обладают некоторыми свойствами тех и других. Внешне полуметаллы выглядят примерно одинаково — как серые, хрупкие блестящие кристаллы. Сюда относятся бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, селен, теллур, полоний и астат. Иногда (редко) к ним относят ещё и углерод (совершенно непонятно, зачем). Как видите, полуметаллы протянулись по главным подгруппам разных групп по диагонали, из левого верхнего угла в правый нижний.

Полуметаллы и многие их соединения — полупроводники; это значит, что у них специфическая форма проводимости, с помощью которой легко управлять электротоком, перенаправлять его, пропускать только в одну сторону, усиливать и делать с ним много разных интересных штук. На полупроводниках основана вся компьютерная техника. Фишка их в том, что у них нет нормальных свободных электронов, но можно подбросить легирующие примеси, создающие или избыток их, или дефицит, когда атомы «в долг» друг у друга таскают с оболочек несчастный электрон (такая плавающая дырка тоже позволяет течь току, ведь она ведёт себя как виртуальный позитрон). Естественно, на стыке разных вариантов возникают интересные эффекты, например, если приложить «минус» к полупроводнику с избытком электронов, он может так «прыснуть» ими в соседний кусок с дефицитом, что покроет его с избытком. В результате там появится возможность течь более сильному току от более мощного источника. Или можно электростатически притянуть электроны туда, где их маловато, или оттолкнуть оттуда, где их не надо. И то, и другое изменит проводимость полупроводника.

Органические элементы

Итак, перейдем к неметаллам. Наиболее важные неметаллы — это CHON-элементы, или органические элементы (органогены): углерод, водород, кислород, азот (карбон, гидроген, оксиген, нитроген). Из них состоишь ты, да, ты, что сидишь за компьютером — а также всё остальное живое на Земле. Примечательны эти элементы (особенно углерод) огромным разнообразием соединений, в которые они могут соединяться: целый раздел химии, органическая химия, посвящен именно соединениям углерода (некоторые простейшие соединения углерода — углекислый и угарный газы, угольная кислота, циановодород, карбиды и карбонилы металлов, цианаты, изоцианаты, сероуглерод, роданиды, нитрид углерода, дициан — не считаются органическими). Они также принадлежат к числу наиболее распространённых элементов во Вселенной, потому что водород — простейший и древнейший из элементов, возникший сразу после того, как Вселенная достаточно остыла после Большого взрыва, а три других образуются в важнейших звёздных реакциях — горении красных гигантов, через которое проходит большинство классов звёзд. Они же — 4 из 6 самых распространенных элементов во Вселенной (еще два — гелий и неон). Поэтому есть все основания считать, что жизнь на других планетах состоит из них же и ни из каких иных элементов.

Сами по себе эти элементы таковы: водород — очень лёгкий горючий двухатомный газ, при гигантских давлениях (напр. внутри Юпитера) ведёт себя как жидкий металл; углерод — имеет несколько форм (аморфная чёрная сажа, кристаллические алмаз и графит, искусственно созданные графен и фуллерен); азот и кислород — бесцветные двухатомные газы без запаха, из которых состоит воздух, которым мы дышим. Кислород встречается также в виде трёхатомного озона — неустойчивого сине-фиолетового газа со свежим запахом, который по агрессивности, окислительной способности и ядовитости в высоких концентрациях уступает только фтору.

Сера и фосфор

Твердые неметаллы, горючие, образуют кислоты. Оба играют важную биологическую роль, но менее значительную, чем CHON-элементы. Соединения с водородом ядовиты и зловонны. Большинство других летучих соединений серы тоже воняют.

Минимальная единица ДНК и РНК — нуклеотид — состоит из азотистого основания (одного из пяти, хотя экспериментально доказано, что могут быть и другие; именно тройки оснований несут генетическую информацию), пятиатомной циклической молекулы сахара (соответственно дезоксирибозы или рибозы) и остатка ортофосфорной кислоты.

Если основание — аденин, сахар — рибоза, а остатков кислоты три, то получается аденозинтрифосфат aka АТФ, универсальный реагент для обеспечения энергией биохимических процессов.

Сера входит в состав протеиногенных (то есть дающих при образовании цепочек с другим аминокислотами белки) аминокислот цистеин и метионин.

Галогены

Наиболее ярко выраженные неметаллы, сильные окислители. Все галогены в форме чистого вещества и многие их соединения очень токсичны. Соединения галогенов с водородом — сильные кислоты, часто газы, растворимые в воде (йодоводород — сильнейшая из бескислородных кислот, хлорная кислота HClO₄ — из кислородосодержащих). Всего их пять: фтор, хлор, бром, йод и астат.

• Фтор — очень ядовитый газ жёлтого цвета с резким и удушливым запахом. Он сам и многие его соединения являются сильнейшими окислителями (попросту разъедающими дыхательные пути при вдыхании), то есть окисляют и превращают в яд всё, включая кислород и, при определённых условиях, даже инертные газы (кроме гелия и неона). Особо выделяется трифторид хлора — газ, в котором горят бетон, вода и инженеры-испытатели. Большая часть его реакций, если не все, сопровождаются взрывом. В природе не встречается. Известен тем, что у него было 8 первооткрывателей, и только восьмой сумел поведать о своем открытии, правда, потеряв глаз. Фтор всё же унёс и его жизнь, хоть и через 20 лет, во время очередных экспериментов.
• Хлор — также ядовитый газ с резким и удушливым запахом, но уже зелёного цвета и не столь агрессивный. Может использоваться (и однажды использовался) в чистом виде как боевое отравляющее вещество. Примечателен тем, что с его помощью очищают воду на свету. Хлорная кислота — крайне сильный окислитель, растворяет даже металлы платиновой группы, но получается весьма нетривиально. Хотите, чтобы на вашей планете били фонтаны из неё — Глинка вам в руки, думайте, как она там образовалась. Зато трихлорид азота вполне может образоваться сам там, где хлора много, а азота мало (например, в баллонах, в которых хранится этот самый хлор); он взрывается при нагреве, ударе или контакте с жирами.
• Бром — красно-бурая жидкость, йод — серые с фиолетовым отблеском кристаллы, в растворе спирта становится коричневым и применяется как антисептик. Его пары также удушливы и ядовиты, с резким запахом. Астат — неустойчивый радиоактивный полуметалл.

У галогенов есть маленькая биологическая роль. Наибольшая — у хлора, который в желудке присутствует в виде соляной кислоты и образует кислую среду, а в крови в большом количестве — в виде растворённых солей, образуя среду нейтральную. Кроме того, йод входит в состав гормонов щитовидной железы. Поэтому млекопитающим необходимо потреблять поваренную соль (хлорид натрия). И желательно йодированную, чтобы не было зоба, кист щитовидной железы, а то и кретинизма. Фтор в микродозах необходим для нормального формирования зубной эмали; при его недостатке прогрессирует кариес, а вот при избытке развивается уже флюороз — и то, и другое разрушает зубы.

Инертные (благородные) газы

Хотя эта группа стоит в таблице сразу же за галогенами, это полная противоположность им — совершенно инертные элементы, не вступающие ни в какие или почти ни в какие реакции. Тяжёлые благородные газы (криптон, ксенон, радон) учёным удавалось разагитировать вступить в реакцию со фтором или кислородом. Лёгкие же (гелий, неон, аргон) встречаются исключительно в виде простых веществ. Это газы без цвета, без запаха. Ксенон в высоких концентрациях обладает наркотическим и усыпляющим действием, радон радиоактивен (следовательно, дышать им — плохая идея, зато в малых дозах можно использовать в санаторном лечении), прочие никакой биологической роли не играют.

Среди изотопов благородных газов особенно интересен гелий-3. Это настоящий прикладной флеботинум: он может вступать в безнейтронные термоядерные реакции, как сам по себе, так и с изотопами водорода, при этом безопасен, как огурец: не горюч, не ядовит, не радиоактивен. Однако в реакции он вступает гораздо менее охотно и параметры реактора на гелии-3 должны быть гораздо (произведение температуры на плотность на время удержания должно быть выше в сто раз) выше, чем для «грязных» реакторов на дейтерии и тритии. Но на Земле его почти нет (зато есть на Луне, Меркурии и планетах-гигантах, что даёт стимул к освоению космоса).

Отдельного упоминания заслуживает жидкий гелий. Мало того, что для конденсации гелия нужна настолько низкая температура, что в жидком гелии находятся кристаллы воздуха, эта жидкость ещё и ведёт себя неадекватно — она сверхтекуча — выливается через поры в керамической посуды и сама по себе переливается через край эмалированной, игнорируя силу тяготения. А ещё гелий при давлении в 1 атмосферу не замерзает даже при температурах, максимально близких к абсолютному нулю. Твёрдый гелий удалось получить при давлении в 25 атмосфер (гелий-3 — при 29 атмосферах). И что ещё интереснее, если уменьшать температуру гелия-3 ниже ~0,3—0,6 К, твёрдый гелий расплавится!

Радиоактивные элементы

Разумеется, у любого элемента есть нестабильные (радиоактивные) изотопы. Это значит: по собственным причинам они распадаются, и время, за которое распадётся половина атомов, называется период полураспада. За два периода полураспада останется четверть атомов, за три — 1/8, и т. д. Если период полураспада мал, изотоп серьёзно «фонит», но быстро «выдыхается». Если велик — то и фон невелик, но этот фон держится долго.

Радиоактивными называют элементы, не имеющие ни единого стабильного изотопа.

Во-первых, радиоактивны все элементы, начиная с висмута (впрочем, измеренный период полураспада ²⁰⁹Bi больше времени жизни Вселенной, так что он совершенно безопасен и к тому же не ядовит). Элементов, начиная с нептуния, нет в природе, они называются трансурановые, их получают только в реакторах и ускорителях.

Во-вторых, радиоактивны переходный металл технеций и лантаноид прометий. Они в природе существуют в следовых количествах, производятся в реакторах.