Глазами Монжа-Бертолле

Новатор по натуре, Курнаков не постеснялся разрушить ходячее мнение, будто в химический союз вступают лишь вещества с полярно несхожими свойствами (щелочь и кислота, металл и металлоид). Нет, даже близкие по природе металлы могут давать типичные химические соединения. Например, золото и медь, расквартированные в одном и том же периоде менделеевской таблицы, образуют CuAu. Подобные интерметаллические соединения обладают подчас более высокой температурой плавления, нежели любой элемент, входящий в их состав. Скажем, у Mg₂Sn она на 144 градуса выше, чем у Mg — самого тугоплавкого компонента двойной системы Mg—Sn. Потому-то и возвышается на кривой плавкости центральная горка.

Давайте-ка рассечем диаграмму двойной системы с интерметаллическим соединением вертикалью, проходящей через вершину холма. Вглядитесь: перед нами не что иное, как две чайки, сцепившиеся крыльями! Например, диаграмма Mg—Sn распадается на две более простые. Правая отображает состояние системы Mg—Mg₂Sn, левая — системы Mg₂Sn—Sn.

Выделенные точечной заливкой участки в каждой половине — области взаимных твердых растворов, образованных компонентами Mg, Mg₂Sn и Sn.

Твердые растворы и химические соединения существуют не только в системах металл — металл. Существуют давным-давно, хотя и стали знакомы ученым лишь с конца прошлого века.

«Железный век», «век стали» — целые эпохи применяли люди твердые растворы углерода в железе, даже не подозревая об этом!

Познакомившись с внешним видом равновесной системы, мы можем теперь заглянуть и внутрь.

В системе Fe—C обнаружена не одна разновидность твердых растворов: феррит, аустенит и дельтафаза. Греческой буквой здесь обозначают одну из аллотропных модификаций железа. Внедряясь в кристаллы этой модификации, атомы углерода дают твердый раствор, который мы и обозначаем буквой «дельта». То же самое справедливо для феррита и аустенита. Первый представляет собой твердый раствор углерода в альфа-модификации железа, второй — в гамма-модификации.

Фазовые различия связаны здесь с кристаллографическими характеристиками модификаций. Все зависит от типа кристаллической решетки. Например, у гамма-железа элементарная ячейка решетки — гранецентрированный куб. Это значит, что атомы железа расположены не только в восьми углах куба, но и в центре каждой из четырех граней. У альфа- и дельта-железа куб объемноцентрированный. Атомы сидят в углах и в центре куба.

Твердые растворы возникают в том случае, когда в кристаллическую решетку вещества внедряются чужеродные атомы. Или замещают в ней прежних обитателей.

Наряду с твердыми растворами в железоуглеродистых сплавах, разумеется, присутствуют и чистые компоненты. Например, графит. Не алмаз, как считал Муассан! А что же представляли собой кристаллы Муассана? Карбид? Да, Fe₃C. Его называют цементитом. У него ромбический тип кристаллической решетки.

От кристаллической структуры зависят многие свойства вещества. Достаточно вспомнить хотя бы алмаз и графит. У первого — тетраэдрическая решетка. Четыре атома углерода расположены в углах пирамиды. Только не такой, как, например, Хеопсова. У той основание — четырехугольник. У этой — треугольник. Но зато пятый атом углерода устроился и впрямь как фараон — в центре пирамиды. Строение графита напоминает этажерку. Каждая полка этажерки словно паркет, выложенный шестиугольными плитками. Атомы одни и те же, а насколько различны свойства обеих углеродных модификаций!

В сплавах атомы компонентов могут замещать друг друга, не нарушая решетки, как в некоторых твердых растворах. А могут создавать и новую архитектуру, как в случае Fe₃C. В результате свойства вещества неузнаваемо изменяются (вспомните ковкое железо, сталь и чугун).

Так понятие фазы вовлекло в поле зрения химии структуру вещества. И насколько это обогатило древнюю науку! Ведь не только сорт атомов или молекул, но также их взаимное расположение и влияние определяют твердость алмаза и мягкость графита, хрупкость чугуна и пластичность железа, легкоплавкость третника, «болезненность» олова, прозрачность стекла, гигроскопичность поваренной соли. Да мало ли замечательных свойств помог объяснить физико-химический анализ!

И кто бы мог подумать, что именно геометрия сделает химию более проницательной! Незамысловатый вроде бы чертеж-диаграмма «состав — свойство», а сколько открытий принесли науке карандаш и линейка, подружившиеся с пробиркой!

Одной из таких находок физико-химического анализа стали вещества-призраки.