Бериллий

Бериллий занимает четвертую позицию в таблице Менделеева. Его атомная масса равна 9,012. Он представляет собой светло-серый металл с плотностью 1,848 грамма в кубическом сантиметре и температурой плавления 1284 градуса Цельсия; он — твердый и в то же время хрупкий. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и легкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Сплавы бериллия, будучи в 1,5 раза легче алюминия, тем не менее прочнее многих специальных сталей. Свою прочность они сохраняют до температуры 700 … 800 градусов Цельсия. Бериллий стоек к радиации.

По своим физическим свойствам, как видно, бериллий сильно отличается от лития, но по топологии атомов они почти не различимы; отличие лишь в том, что атом бериллия как бы «сшит с запасом»: если атом лития напоминает тесный костюм школьника на взрослом человеке, то атом бериллия, наоборот, — просторный костюм взрослого на фигуре ребенка. Избыточная длинна шнура атома бериллия при одинаковой конфигурации его с литием образует более пологие очертания с радиусами изгибов, превышающими минимальные критические. Такой «запас» кривизны у атомов бериллия позволяет их деформировать вплоть до выхода на предел изгибов шнуров.

Топологическое сходство атомов лития и бериллия говорит о том, что четкой границы между ними нет; и невозможно сказать, какой наибольший размер имеет атом лития и какой наименьший — атом бериллия. Ориентируясь только на табличный атомный вес (а он усредняет все значения), можно считать, что шнур среднего по размерам атома бериллия состоит приблизительно из 16 500 связанных электронов. Верхний предел размеров атомов изотопов бериллия упирается в минимальный размер атома следующего элемента — бора, конфигурация которого резко отличается.

Запас по радиусам кривизны шнуров атомов бериллия сказывается в первую очередь на соединении их между собой в момент затвердевания металла: они примыкают друг к другу уже не короткими (точечными) участками как у лития, а длинными границами; контуры атомов как бы подстраиваются друг под друга, деформируясь и прилегая друг к другу максимально возможным образом; поэтому такие соединения очень прочны. Свою упрочняющую способность атомы бериллия проявляют и в соединениях с атомами других металлов, то есть в сплавах, в которых бериллий используется в качестве присадок к тяжелым металлам: заполняя пустоты и присасываясь своими гибкими желобами к атомам основного металла, атомы бериллия скрепляют их как клей, делая сплав очень прочным. Отсюда следует, что прочность металлов определяется длинами слипшихся участков присасывающих желобов атомов: чем длиннее эти участки, тем прочнее металл. Разрушение металлов происходит всегда по поверхности с самыми короткими слипшимися участками.

Запас по радиусам изгиба шнуров атомов бериллия позволяет им деформироваться без изменения соединений между собой; в результате деформируется все тело; это уже — упругая деформация. Упругая она потому, что в любом исходном состоянии атомы имеют наименее напряженные формы, а при деформации вынуждены терпеть некоторые «неудобства»; и стоит только деформирующей силе исчезнуть, как атомы возвратятся в свои исходные менее напряженные состояния. Следовательно, упругость металла определяется избытком длин шнуров его атомов, позволяющим их деформировать без изменения участков взаимного соединения.

С упругостью бериллия связана его жаропрочность; она выражается в том, что тепловые движения атомов могут происходить в пределах упругих деформаций, не вызывающих изменение соединений атомов между собой; поэтому в общем жаропрочность металла определяется, как и упругость, избытком длин шнуров его атомов. Снижение прочности металла при высоком нагреве объясняется тем, что тепловые движения его атомов уменьшают участки соединений их между собой; а когда эти участки полностью исчезают, происходит плавление металла.

Упругости бериллия сопутствует его хрупкость. Хрупкость может рассматриваться в общем случае как антипод пластичности: если пластичность выражается в возможности атомов изменять свои взаиморасположения с сохранением соединяющих участков, то хрупкость выражается, в первую очередь, в том, что у атомов такой возможности нет. Всякое взаимное смещение атомов хрупкого материала может происходить только при полном разрыве их связей; у этих атомов нет иных вариантов соединений. У упругих материалов (у металлов) хрупкость характеризуется еще и тем, что она — как бы прыгающая: возникшая в результате чрезмерных напряжений трещина с быстротой молнии распространяется по всему сечению тела. Для сравнения: кирпич под ударами молотка может крошиться (это — тоже хрупкость), но не раскалываться. «Прыгающая» хрупкость бериллия объясняется тем, что его атомы соединены между собой не лучшим образом, и все они напряжены; и стоит только нарушиться одной какой-то связи, как граничные атомы стремительно начнут «выпрямляться» в ущерб соединений со своими соседями; связи последних также начнут разрушаться; и этот процесс примет цепной характер. Следовательно, хрупкость упругих металлов зависит от степени деформаций соединенных между собой атомов и от отсутствия возможности изменения связей между ними.

Радиационная стойкость бериллия объясняется все тем же запасом в размерах его атомов: шнур атома бериллия имеет возможность спружинить под жестким радиационным ударом, не доходя до своей критической кривизны, и тем самым сохраниться неразрушенным.

И тем же можно объяснить светло-серый цвет бериллия и отсутствие у него яркого металлического блеска, такого, например, как у лития: световые волны эфира, падая на нежесткие шнуры поверхностных атомов бериллия, поглощаются ими, и только часть из волн отражается и создает рассеянный свет.

Плотность бериллия почти в четыре раза больше чем у лития только потому, что плотность шнуров его атомов выше: они соединяются между собой не в точках, а длинными участками. В то же время в сплошной своей массе бериллий — достаточно рыхлое вещество: он всего лишь в два раза плотнее воды.

Бор

Паспортные данные бора: он занимает пятую позицию в таблице Менделеева и относится к третьей группе периодической системы, то есть он — уже не металл; атомная масса бора 10,811; у него известны два изотопа с атомными массами 10 и 11; плотность бора2,3 грамма в кубическом сантиметре; температура плавления 2075 градусов Цельсия; бор предстает обычно в мелкокристаллическом виде.

Очень чистый бор бесцветен, однако чистым он практически никогда не бывает и поэтому выглядит чаще всего как темно-серый, бурый или даже как черный. В физическом и, особенно, в химическом отношениях бор очень сильно похож на своего соседа — на углерод: он также соединяется с кислородом, с серой, с азотом, с фосфором, с металлами; соединяются они и между собой. Все эти соединения нуждаются в «поджоге»; при обычной же температуре бор соединяется только со фтором. С азотом и углеродом бор образует сверхтвердые нитриды и карбиды, а с водородом — гидриды, которые по аналогии с углеводородами называют еще бороводородами. Бор может участвовать также в соединениях полимеров.

В топологическом плане переход от конфигурации атома бериллия к конфигурации атома бора — ступенчатый, и поэтому, казалось бы, можно довольно точно указать, границу между их размерами; но на самом деле она не такая уж конкретная: в одном случае она может сместиться в сторону бериллия, в другом — в сторону бора, — поэтому нет смысла искать ее однозначной. Будем считать, что она пролегает где-то между 16 500 и 18 400 связанных электронов. Это — нижняя граница; верхней границы у атома бора нет: он плавно переходит в атом углерода.

Топологию атома бора можно рассматривать как продолжение формообразования атома бериллия, но лучше начать сначала. Итак, при столкновении двух фронтов эфира могло возникнуть микрозавихрение в виде вращающейся торовой оболочки (типа дымового кольца) диаметром приблизительно в 5 900 эфирных шариков. Это кольцо из круглого превращается в овал; при самом наибольшем сплющивании, когда радиусы закруглений на его концах уменьшатся до предельных значений, то есть до 285 шариков, его длина окажется в 30 раз больше этих радиусов. Длинные стороны овала будут продолжать сближаться до полного соприкосновения, а его концевые петли завернутся, будем считать, вверх и устремятся навстречу друг другу. Столкнувшись своими вершинами, петли завернутся еще раз в том же направлении и устремятся внутрь (вниз); погонит их туда присасывание концевых петель. Завершится этот этап тем, что вершины петель упрутся в середину спаренных шнуров; точно так же формируется атом бериллия.

А дальше произойдет следующее. Спаренные шнуры, замыкающие концевые петли, также начнут слипаться между собой и вызовут удлинение атома: из формы, напоминающей яблоко, атом превратится в подобие перца. Указанное слипание спаренных шнуров теоретически должно было бы прекратиться в момент, когда вершины петель упрутся в середину шнуров, но — и в этом весь секрет — слипшиеся петли могут промахнуться и проскочить мимо или, упершись в шнуры, по случайности могут соскочить с них; и тогда слипание спаренных шнуров продолжится. Вывернувшиеся изнутри атома спаренные петли начнут разворачиваться и уходить вверх, а внизу, как следствие, возникнут уже спаренные новые, вторичные петли. Если бы длина торового шнура была достаточной (такой она будет только у атома углерода), то атом бора вытянулся бы в линию, на концах которой располагались бы перпендикулярно ориентированные между собой спаренные петли. Но атом бора еще относительно мал, и его вывернувшиеся в сторону и уходящие вверх спаренные петли замрут в каком-то полуподнятом положении, напоминающем открытый семафор, или шлагбаум, или вождя с поднятой рукой. Произойдет это потому, что вызывающему подъем петель сближению спаренных шнуров окажут сопротивление вторичные петли, исходно спаренные и не желающие размыкаться. (Все эти манипуляции становятся очевидными, если производить их на резиновом кольце.) Так образуется и так выглядит атом бора. Обратим внимание на то, что четыре шнура, соединяющие его разнесенные петли, будут выкрученными.

Охарактеризуем полученный атом бора с точки зрения его присоединительных способностей: у него — четыре петли и два присасывающих желоба; петли — попарно сомкнувшиеся, а желоба — неконтурные и с разворотом (выкрученные).

Между собой атомы бора могут соединяться только с помощью петель. Достаточно иметь повышенную температуру и (или) повышенное давление, чтобы петли атомов раскрылись и начали перекрестно соединяться между собой. Раскрытию петель способствуют выкрученные шнуры; они после такого раскрытия становятся прямыми, но одна из пар петель вынуждена при этом развернуться так, что ее присасывающие воронки оказываются снаружи, а сами петли расходятся веером.

Стереометрия бора принципиально ни чем не отличается от стереометрии углерода; более того, атомы бора могут соединяться с атомами бора вперемежку, образуя хорошо известные три аллотропических модификации: пространственную, плоскостную и линейную. Атом бора может присоединить к четырем своим петлям четыре атома водорода; возможны также сложные петлевые соединения в одну молекулу нескольких атомов бора и нескольких атомов водорода в самых замысловатых комбинациях. Петлевые соединения атомы бора могут образовывать с атомами всех тех химических элементов, которые имеют также петли, то есть с неметаллами.

С атомами металлов атомы бора могут соединяться только с помощью присасывающих желобов; при этом его желоба вынуждены выпрямляться (избавляться от выкрученности) и раскрывать с одной стороны петли, а открытые петли, то есть петли с открытыми присасывающими воронками, ведут себя агрессивно: они готовы присосаться к первой попавшейся петле и при том даже высвобождают тепло. Соединение атомов бора с помощью желобов может осуществляться не только с атомами металлов, но и с атомами других химических элементов, у которых есть присасывающие желоба; а такие соединения могут иногда вызывать распрямление атомов бора в первоначальный длинный овал с двумя петлями на концах; такой вытянувшийся атом бора может опутывать другие атомы самым замысловатым образом.

Соединение петлями — наиболее прочное, поэтому пространственные модификации из атома бора тоже очень прочные; этому способствует еще и то, что атомы бора образуют очень простые, прямоугольные конструкции (кубические кристаллы), в которых могут отсутствовать случайные искажения — так называемые дислокации. Тепловые движения атомов поглощаются их прямыми участками и почти не затрагивают петель; отсюда — довольно высокая температура плавления. Плотность бора, определяемая расположением шнуров в межатомных соединениях, не очень высокая, но все же выше чем у бериллия, в 1,24 раза.

Идеально построенные кубические кристаллы бора имеют такую простую решетку, сквозь которую может свободно проникать свет; такие кристаллы прозрачны. Сквозь искаженные кристаллы или кристаллы с вкраплениями атомов других химических элементов свет свободно проникать не может и поглощается атомами; отдают они его уже на более низких частотах красного спектра или даже в невидимом инфракрасном диапазоне, — все зависит от собственных частот прямых участков между концевыми петлями; такие кристаллы либо бурые, либо даже черные.