СИСТЕМА   МЕТАЛЛИЧЕСКИХ   РАСПЛАВОВ

                     (Для понимания этой статьи необходимо ознакомиться с первой статьей сайта)

    В начале ХХ века для металлов было обнаружено простое соотношение:   4Hпл  = k.Tпл , где   4Нпл и Тпл – теплота и абсолютная температура плавления (правило Ричардса). Обсуждая эту зависимость, охватывающую более ¾ всех элементов, В.К. Григорович в 1966г [1] обратил внимание на то, что подобную, но отдельную зависимость проявляют и те неметаллы (полуметаллы и полупроводники), которые переходят в металлическое состояние при плавлении, подчеркнув, что физический смысл констант k – энтропия плавления. За 50 лет, истекшие с тех пор, характеристики элементов уточнены и ниже представлена детализация этих зависимостей, открывшая немало удивительного.

  1.  Две базовые зависимости существуют, но охватывают  очень небольшое число элементов.
  2. У базовых прямых  с правой стороны имеются  «спутники» - прямые параллельные линии, на которые ложится (группируется) подавляющее большинство элементов, причем два первых «спутника» с убедительной точностью сходятся на оси абсцисс при 120 К.
  3. Первый «спутник», охватывающий расплавы истинных металлов, включает все элементы I группы короткопериодной таблицы, причем двумя обособленными подгруппами, а также ряд других элементов ( In, Mg, Ni, Ta и др.).
  4. На следующей параллели и вблизи нее располагаются все щелочноземельные элементы кроме Mg, а также  Eu и Yb –  лантаниды, которые «Химическая Энциклопедия» [2] тоже относит к щелочноземельным; к этой прямой в высокотемпературной зоне тяготеет целый ряд других элементов, но элементы ll побочной подгруппы таблицы – Zn, Cd, Hg – ложатся на отдельную, базовую линию.
  5. На 4-й параллели и вблизи нее группируются трехвалентные Sc, Y, La и большинство лантанидов, а также ряд других элементов.
  6. Диаграмма имеет почти универсальный характер, т.к. из нее явным образом выпадают только Sn, Zr и Mo. При этом большинство мелких отклонений приходится на тугоплавкие металлы из высоковалентных групп таблицы элементов, где коллективизированы не все валентные электроны и где все еще не исключены неточности эксперимента. Низкоплавкие (и потому лучше изученные) и низковалентные  (простые) металлы образуют четкую систему 4-х  параллельных линий, при этом расстояния между ними соотносятся как 2:3:5 (в сумме 10 одинаковых «ступенек»).
  7. Константы k для  двух групп параллельных линий оказываются поразительно жесткими, причем k2/k1= 2.7188, что подозрительно похоже на основание натуральных логарифмов e.

        Таким образом, в системе металлических расплавов – простых веществ, находящихся в физически подобных состояниях (точки плавления), - обнаружена дискретная структура, обладающая ошеломляющей особенностью: подавляющее большинство простых веществ «отрицает» универсальную шкалу температур и демонстрирует переход на три другие подобные шкалы, имеющие начальные точки при 120, 300 и 600 К («дубли» абсолютного нуля), четко привязанные к валентности расплавленного вещества при одновременном «отрицании» валентностей выше 4-х. При этом линия-«спутник» неметаллов явно группирует металлизированные расплавы в трехвалентном состоянии, поскольку помимо трехвалентных Ga и B на нее попадают элементы V группы As и Bi, а также тяготеет их аналог Sb, для которых в химических соединениях наиболее характерны именно трехвалентные состояния. Однако на эту же линию хорошо ложатся Te и Po (Vl группа)  и At (Vll группа), для соединений которых трехвалентные состояния совершенно нехарактерны.  Среди неожиданностей такого рода отметим четкое попадание  Mg на линию одновалентных металлов (по оптическим характеристикам его расплав тоже значительно ближе к щелочным элементам), а также Al и Er – в зону базовой линии. Стоит отдельно отметить, что обнаруженные закономерности становятся видны при расчете теплот плавления на грамм-атом вещества, т.е. при сравнении равных количеств атомов (количественное подобие).

     Началом, унифицирующим  свойства металлов (высокая теплопроводность и электропроводность, ковкость, блеск и др.), являются коллективизированные электроны. Плавление приводит к дополнительному глубокому «опрощению» и нивелированию различий в свойствах простых веществ, уничтожая кристаллические решетки с их многообразными особенностями, дефектами, анизотропиями, переводя все атомы расплава в одинаковое состояние (четкость диаграммы - свидетельство тому). Поэтому можно сделать уверенный вывод, что диаграмма отражает поведение и состояние коллективизированных электронов в очищенном от «примесей» виде и, что не менее важно, от фантазий теоретиков.

     Четкость, с которой низковалентные металлы распределились на последовательности параллельных линий диаграммы согласно своему валентному состоянию, с одной стороны, и четкость, с которой эти линии «приняли» почти все остальные, высоковалентные металлы, с другой, позволяет сделать вывод, что диаграмма отражает точные значения металлической валентности элементов (концентрации коллективизированных электронов на атом). При этом на диаграмме наблюдается систематичность в распределении валентных состояний по всем 6-ти линиям: при движении слева направо имеем последовательность 4-3-2-1-2-3. Линия 4-валентных состояний представлена (кроме нулевой точки) всего двумя элементами – Ge и Si, а также «кандидатом» в члены этого ряда в виде С (полуметалл), который при обычном давлении в процессе нагрева возгоняется, не дойдя до плавления, но общую тенденцию подтверждает. Поэтому вся совокупность расплавов близка к зеркальной симметрии и … вы правильно подумали, на что я намекаю – за всем этим угадывается два вида зеркально-подобных электронов.

     Для полной симметрии на правом краю диаграммы должна бы существовать 7-я линия для элементов с металлической валентностью 4. Приглядевшись, обнаруживаем 4-валентный Zr,  «выпавший» из Системы вниз, при этом неподалеку не очень «внятно» расположились Th и Pa. Таким образом, «зародыш» 7-ой линии все-таки существует, а с ним и полная (в структурном отношении) зеркальная симметрия, энергетически нарушенная.       

     При анализе диаграммы обращает на себя внимание тот факт, что распределению элементов по ее линиям сопутствует упорядоченность схожая с той, которая наблюдается в главных и побочных подгруппах  короткопериодной таблицы. Элементы-химические аналоги, как правило, образуют на линиях обособленные, часто компактные подгруппы, располагаясь  в той именно последовательности, в которой они расположены в таблице – от легких к тяжелым, сверху вниз. Но наблюдаются и обратные последовательности, и в этом плане примечательна линия одновалентных металлов. В ее левом нижнем конце компактно расположены все щелочные металлы в «нормальной» последовательности (положение Rb практически совпадает с положением Cs). Но в правом верхнем конце линии отдельной подгруппой, в порядке противоположном  «нормальному» идут V –Nb –Ta. Между этими крайними подгруппами расположены подгруппа меди и подгруппа Ni – Lu – Pt, в которой  Lu разместился как аналог  Ni и  Pt, в согласии с положением в короткопериодной таблице (см. первую ст. сайта), и эта последовательность тоже обратна «нормальной». Т.е. линия одновалентных металлов, не имея своего зеркального антипода,  проявила зеркальность другим способом . Подгруппа меди, занимая промежуточное положение между  «полюсами», имеет нарушенный, «нейтральный» порядок. 

 Обнаруженная симметрия приводит к выводу, который впечатлит химиков: металлические валентности одного номинала – 1, 2, 3 и 4 – бывают двух типов, и в чем-то, пока неуловимом, должны быть противоположными друг  другу. Если за этим различием действительно стоят зеркальные электроны («левые» и «правые»), то и ковалентные связи должны делиться на «левые» и «правые». Этот вывод кардинально меняет «лицо» химии.

     Диаграмма позволяет сделать еще один фундаментальный вывод: подобно тому, как за «длинной» формой таблицы элементов скрывалась оболочечная электронная структура атомов, а за «короткой» формой – 21-нуклонная кластерная структура ядра, система металлических расплавов отражает существование неизвестной целостной структуры. Какой? – В атомах существует что-то еще кроме ядер и электронов?    

     Диаграмма отражает и второй тип химического подобия элементов, отмеченный Д.И. Менделеевым, но так и не получивший объяснения: подобие элементов, являющихся соседями по ряду. – На линии двухвалентных металлов в высокотемпературной зоне, двумя отдельными группами по 4 элемента каждая, последовательно расположились Pd-Rh-Tc-Ru  и Ir-Os-Re-W (Tc  и Ru «поменялись местами», но здесь не исключена экспериментальная неточность). Еще две подобные группы расположились в противоположной последовательности на линии трехвалентных металлов : Ce-Pr-Nd-Pm  и  Gd-Tb-Dy-Ho , причем из 14-ти лантанидов здесь разместились только эти 8.  Это явление подтверждает правомерность образования в короткопериодной таблице за счет лантанидов именно двух переходных рядов и правомерность уподобления их благородным металлам. "Система металлических расплавов" однозначно указывает, что подобие элементов-соседей по зарядовому ряду коренится в природе "коротких" периодов.

      Четыре группы по четыре элемента выглядят как продолжение «симметрии – 4», отмеченной выше. Но и сам этот вид подобия элементов оказывается четвертым видом подобия в Системе, - наряду с зеркальным подобием, химическим подобием элементов подгрупп в таблице и подобием по признаку общности металлической валентности. – Налицо система типов подобия элементов в рамках «симметрии – 4», и эта система, расширяя понятие подобия,  расставляет много новых акцентов. Одним из них является законченность этой симметрии, отрицающая, в том числе, возможность ее расширения за счет тяжелых короткоживущих элементов. Показательно здесь то, что Th и Pa – легкие «актиниды», -  будучи соседями по зарядовому ряду, оказались соседями  и на предполагаемой линии четырехвалентных металлов, что не совсем логично  для «актинидов» как аналогов лантанидов. Однако уже следующие  за ними в зарядовом ряду U и Np расположены на линии двухвалентных металлов, причем удаленно друг от друга, а Pu  - на линии трехвалентных. Это, видимо, закрывает тему «актинидов», как ее закрывают короткопериодная таблица элементов с ее числовой закономерностью, и плотнейшая упаковка  из 13-ти 21-нуклонных кластеров, не способная к дальнейшему устойчивому росту. При этом  s-p-d-f- симметрия, в отличие от "короткой" периодичности, в Системе металлических расплавов вырождена и себя не проявляет.  В то же время Система металлических расплавов, как бы "взамен"  s-p-d-f-симметрии, имеет систему одинаковых «ступенек» загадочной природы. 

        СПИСОК   ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. В.К. Григорович  Периодический закон Менделеева и электронное строение металлов, М. Наука, 1966.
  2. Химическая Энциклопедия, М. Изд. Советская Энциклопедия, 1988, 1 – 5 т.     

Статьи:

Обратная связь