Ферсман

Знание законов этого замещения позволяет находить редкие элементы, открывает способы их добывания. Если элементы неразлучно проходят сложный путь различных химических превращений в расплавах и растворах земных недр, тем труднее найти химические способы, которые могли бы разделить этих, столь похожих друг на друга, «близнецов». Вот еще одна область, в которой сплетаются задачи и трудности геохимии и новой химической технологии…

Эти положения требуют пояснений, и мы тут же — в работах Ферсмана — их находим.

Мы представляем себе каждый кристалл состоящем из атомов, расположенных в пространстве по строго определенным геометрическим законам, так называемым «законам решетки». Каждая физическая кристаллическая решетка определяется свойствами атомов и равновесием между силами их электрических и магнитных полей. Это и создает ту устойчивость, которую исследователи считают особенно характерной для кристаллов. Понятно, что раз кристалл строится как равновесная система, то узлы всей системы должны быть в равновесии друг с другом. Если бы мы попытались извлечь из нее одну такую опору, мы нарушили бы равновесие и могли бы его восстановить только в том случае, если бы вместо прежней «точки» поставили новую, которая справилась бы со своими задачами и установила такое же или сходное с прежним равновесие.

Эти простые рассуждения (Ферсман был на них величайшим мастером, и целые поколения писателей и ученых будут учиться его искусству популярного изложения самых сложных положений науки) объясняют нам, при каких условиях атомы могут замещать друг друга в решетке. Естественно, что, если атом «В» похож на атом «А» по своим свойствам, то, вынув первый, мы легко поместим на его место второй. Несколько упрощая, можно сказать, что из этого положения, которое, кстати сказать, экспериментально проверял в своих юношеских работах Д. И. Менделеев, вытекает очень многое в теории геохимии со всеми серьезнейшими выводами практического характера.

Но вот дальнейшие соображения, приводимые здесь, опираются уже на завоевания науки, которые принадлежат послеменделеевской поре ее развития. Мы сможем поставить вместо атома «А» химически сходный с ним атом «В» в решетку минерала только в том случае, если атом «В» обладает размерами, близкими к размерам атома «А». Если атом «В» значительно больше, чем тот «кирпичик» «А», который мы вынули, то заменить нам его не удастся. На языке современной физики мы сейчас говорим, что эту замену можно произвести только в том случае, если близки радиусы ионов[82] этих двух веществ, а также сходны их влияния на общее электростатическое поле.

В начале нашего века основной величиной характеристики атомов в менделеевской таблице был атомный вес. Современная физика наиболее важной характеристикой атома считает атомный номер, выражающий электрический заряд его ядра. Кристаллохимия, а за ней и геохимия, добавила к этому третью величину — атомный радиус, под которым понимается радиус воображаемого вокруг атома шара — сферы действия его электрического поля[83]. Этот радиус является реальной своеобразной «запретной зоной», окружающей каждый атом и каждый ион, за пределы которой не могут проникать другие атомы. Поскольку каждый атом и каждый ион являются обладателем такой «запретной зоны», то в первом * приближении можно сказать, что другие атомы не могут подойти к нему ближе этого расстояния. Оказалось, что эта величина подчиняется всем закономерностям периодической системы: величина радиуса одинаково построенных ионов возрастает с увеличением атомного номера и уменьшается с увеличением заряда (валентности) иона и т. д.

Этому новому числу, дополняющему характеристику элементов менделеевской таблицы — радиусу ионов, Ферсман недаром придавал такое большое значение: радиус иона является для нас первым ориентиром в изучении законов совместного нахождения отдельных химических элементов в земной коре. Им же определяется и множество других свойств кристаллического вещества: энергия кристалла, механическая прочность, термическая устойчивость и т. д.

В работах Ферсмана мы находим интересные примеры истолкования этих закономерностей.

В природных геохимических процессах, например при разделении вещества магмы в процессе ре постепенного остывания и затвердения, при разнообразных перемещениях химических элементов, их ионы и атомы неизбежно сортируются по своим размерам. Кристаллические решетки главных минералов, образующих горные породы, принимают одни ионы и не принимают других в зависимости от величины их заряда (валентности) и иных свойств. Сходные ионы могут замещать друг друга, образовывать совместные твердые растворы, обладающие общим типом химического строения.