Число, поражающее воображение

Ученые в своих расчетах часто оперируют так называемыми константами – численными величинами, характеризующими то или иное качество или свойство. Одну из них мы предложили вашему вниманию.

Она называется числом Авогадро, по имени знаменитого итальянского ученого, который ввел эту константу в употребление. Число Авогадро обозначает вполне определенное количество атомов. Количество, содержащееся в одном грамм‑атоме данного элемента.

Напомним, что грамм‑атомом называется количество элемента, численно равное его атомному весу в граммах. Например, грамм‑атом углерода равен (округленно) 14, железа – 56, урана – 238.

И во всех случаях атомов будет ровно столько, чему равно число Авогадро.

Если записать его на бумаге, оно приблизительно представится единицей, за которой следует двадцать три нуля; точнее же – 6,025 · 10²³.

Вот сколько атомов содержится в четырнадцати граммах углерода, в пятидесяти шести – железа, в двухстах тридцати восьми – урана.

Число Авогадро столь чудовищно велико, что его трудно себе представить. Однако попробуем.

На земном шаре живет около 3 миллиардов человек. Пусть каждый из землян задастся целью подсчитывать число атомов в грамм‑атоме какого‑нибудь элемента. Пусть каждый человек работает по восьми часов ежедневно, и пусть каждую секунду он произносит по одной цифре.

Сколько потребуется времени жителям Земли, чтобы пересчитать все 6,025 · 10²³ атомов?

Очень простой расчет, который вы легко проделаете сами, приведет к поразительному результату: около 20 миллионов лет. Как говорится, впечатляюще.

Огромная величина числа Авогадро позволяет нам убедиться в том, что идея о повсеместности распространения химических элементов покоится на прочной основе. Хоть несколько атомов любого химического элемента мы можем обнаружить повсюду.

Так велико число Авогадро, что очевидной становится и невозможность получения абсолютно чистого вещества, не содержащего никаких примесей. Ведь совершенно немыслимо уловить один‑единственный атом примеси среди 10²³ атомов, не внеся при этом никаких новых загрязнений.

В самом деле, грамм, скажем, железа содержит около 10²² атомов. Если примесь, например, атомов меди составляет всего один процент (10 миллиграммов), то это ни много ни мало 10²⁰ атомов. Если довести содержание примеси до одной десятитысячной процента, то все равно на 10²³ атомов основного вещества придется 10¹⁶ атомов примеси. Допустим, что примесь включает в себя все элементы периодической системы. Тогда каждый посторонний элемент в среднем будет представлен 10¹⁴, или ста триллионами атомов.

Широко распростирает химия…

Опять про алмаз

Сырой, необработанный алмаз – чемпион «всея минералов, материалов и прочая» по твердости. Современной технике без алмазов пришлось бы нелегко.

Алмаз отделанный, отшлифованный превращается в бриллиант, и нет ему равных среди драгоценных камней.

Особо ценятся у ювелиров голубые алмазы. Они встречаются в природе безумно редко, и платят за них потому совершенно бешеные деньги.

Но бог с ними, с бриллиантовыми украшениями. Пусть будет побольше алмазов обычных, чтобы не приходилось дрожать над каждым крошечным кристалликом.

Увы, алмазных месторождений на Земле считанное количество, а богатых и того меньше. Одно из них – в Южной Африке. И оно дает до сих пор до 90 процентов мировой добычи алмазов. Если не считать Советского Союза. У нас лет десять назад был открыт крупнейший алмазоносный район в Якутии. Теперь там ведется промышленная добыча алмазов.

Для образования природных алмазов требовались чрезвычайные условия. Гигантские температуры и давления. Алмазы рождались в глубинах земной толщи. Местами алмазосодержащие расплавы вырывались на поверхность и застывали. Но случалось это весьма редко.

А нельзя ли обойтись без услуг природы? Может ли человек сам создавать алмазы?

История науки зафиксировала не один десяток попыток получить искусственные алмазы. (Кстати, одним из первых «искателей счастья» был Анри Муассан, выделивший свободный фтор.) Все до единой не имели успеха. Или метод был в корне неверен, или экспериментаторы не располагали аппаратурой, выдерживающей сочетание высочайших температур и давлений.

Только в середине 50‑х годов новейшая техника нашла, наконец, ключи к решению проблемы искусственных алмазов. Исходным сырьем, как и следовало ожидать, послужил графит. Его подвергли одновременному воздействию давления в 100 тысяч атмосфер и температуры около 3 тысяч градусов. Теперь алмазы приготовляют во многих странах мира.

Но химикам‑то здесь остается только радоваться вместе со всеми. Их роль не так уж велика: основное взяла на себя физика.

Зато химики преуспели в другом. Они существенно помогли усовершенствовать алмаз.

Как так усовершенствовать? Разве может быть что‑нибудь идеальнее алмаза? Его кристаллическая структура – само совершенство в мире кристаллов. Именно благодаря идеальному геометрическому расположению атомов углерода в алмазных кристалликах последние так тверды.

Тверже, чем он есть, алмаз не сделаешь. Но можно изготовить вещество тверже алмаза. И химики создали для этого сырье.

Существует химическое соединение бора с азотом – нитрид бора. Внешне оно ничем не примечательно, но одна его особенность настораживает: кристаллическая структура у него такая же, как у графита. «Белый графит» – это название давно закрепилось за нитридом бора. Правда, никто не пытался изготовлять из него карандашных грифелей…

Химики нашли дешевый способ синтеза нитрида бора. Физики подвергли его жестоким испытаниям: сотни тысяч атмосфер, тысячи градусов… Логика их действий была предельно проста. Раз «черный» графит удалось превратить в алмаз, то нельзя ли из «белого» получить вещество, подобное алмазу?

И получили так называемый боразон, который по своей твердости превосходит алмаз. Он оставляет царапины на гладких алмазных гранях. И выдерживает более высокие температуры – просто так боразон не сожжешь.

Боразон пока еще дорог. Предстоит немало хлопот, чтобы он значительно подешевел. Но главное‑то уже сделано. Человек снова оказался способнее природы.

…И вот еще одно сообщение, которое недавно пришло из Токио. Японским ученым удалось приготовить вещество, значительно превосходящее алмаз по твердости. Они подвергли силикат магния (соединение, состоящее из магния, кремния и кислорода) давлению в 150 тонн на квадратный сантиметр. По понятным причинам подробности синтеза не афишируются. Новорожденный «король твердости» пока не имеет имени. Но это и не важно. Важнее другое: несомненно, что уже в ближайшее время алмаз, который столетиями возглавлял список самых твердых веществ, окажется в этом списке далеко не на первом месте.