Ответ на поставленный вопрос будем искать все в той же пушистости. Атомы углерода сами по себе не имеют противоборствующих участков и поэтому не пульсируют. Пульсируют и очень интенсивно атомы водорода — мы об этом знаем. Так вот, в соединениях тех и других, то есть в углеводородах, углерод не подавляет колебания водородных атомов, и те создают вокруг него стоячие тепловые поля; плотность их вокруг молекулы может быть такой, что она вся превратится в пушистую частицу; а это уже — главный признак газообразности. Получается так, что атомы водорода своим порханием и своим стремлением поднять атом углерода в воздух напоминают сказочных пташек, уносящих с собой в высь прицепившуюся лягушку. Если у этих пташек — у водородных атомов — хватает сил, они делают молекулу газообразной; если не хватает, то — жидкостной; а уж если совсем не будет сил, то молекула останется прилипшей к твердому телу.
Кроме того пушистость углеводородной молекуле придают петлевые соединения атомов углерода; каждое такое соединение можно приравнять в этом смысле к одному атому водорода. Сказываются также расположение атомов водорода в молекулах углеводородов, конфигурация молекул, разумеется — температура и другие факторы.
Если учитывать только отношение количества атомов водорода плюс количество петлевых соединений к количеству атомов углерода в молекулах (назовем такое отношение коэффициентом пушистости), то у газообразных насыщенных углеводородов оно изменяется в пределах от 4 у метана (температура кипения минус 164,5 градуса Цельсия) до 3,25 у бутана (температура кипения минус 0,5 градуса); у жидкостных этот коэффициент колеблется от 3,2 у пентана (кипение при 36,1 градуса) до 3,063 у углеводорода с шестнадцатью атомами углерода; у парафинов — 3,053 до 3,029, а у церезинов — от 3,027 до 3,019.
Можно отметить еще такую закономерность: атомы водорода, располагающиеся на наружных сторонах петель углерода, создают большую пушистость, чем те, что располагаются на внутренних. Так у бутана, имеющего четыре наружных водорода, температура кипения равна минус 0,5 градуса, а у изобутана с пятью наружными водородами температура кипения еще ниже и составляет минус 11,7 градуса. То же самое наблюдается у жидкостей: пентан с шестью наружными водородами закипает при 36,1 градуса Цельсия, а изопентан с семью наружными водородами при 27,9 градуса.
Стереометрия ненасыщенных углеводородов — несколько сложнее. Возьмем для примера ацетилен, молекула которого состоит из двух атомов углерода и двух атомов водорода. Он получается при реагировании карбида кальция с водой или из метана при пропускании через него электрических разрядов. Отличительной особенностью стереометрии ацетилена является тройная связь атомов углерода в его молекулах. Это означает, что, во-первых, петли с внутренними присасывающими сторонами одного атома углерода охватывают петли с наружными присасывающими сторонами второго атома, и во-вторых, из оставшихся петель две, по одной от каждого атома, загнуты навстречу друг другу и образуют накладку типа той, что есть у атома гелия; и только оставшиеся незамкнутыми остальные две петли соединены с атомами водорода.
Позволим себе предположить, как возникает молекула ацетилена в момент проскакивания электрического разряда в метане. Разряд превращает метан в плазму; по-просту говоря, он срывает с атомов углерода атомы водорода. Освободившиеся атомы углерода соединяются между собой по-парно максимально возможным образом, то есть тремя петлями, как было сказано выше. Те петли, что образуют гелиевую накладку, стягиваясь, изогнут вновь образованную молекулу так, что две оставшиеся незамкнутыми петли не смогут дотянуться друг до друга и вынуждены будут поймать и присосать к себе находящиеся поблизости атомы водорода.
Характерной чертой стереометрии ненасыщенных углеводородов является двойная связь атомов углерода, когда петли с внутренними присасывающими сторонами одного атома охватывают петли с наружными сторонами другого атома; назовем такое соединение скобою. Она наблюдается и у ацетилена, и у этилена, и у бутилена, и у всех других ненасыщенных углеводородов; благодаря ей количеств атомов водорода в молекулах таких углеводородов уменьшается.
Скоба сильно пульсирует; ее пушистость можно оценить приблизительно в 3,1 тепловых поля атомов водорода. С учетом этого коэффициент пушистости этилена оказывается равным 3,55, и он по газообразности располагается между метаном (4) и этаном (3,5); температура вскипания этилена (минус 103,8 градуса Цельсия) выше чем у метана (минус 164,5 градуса), но ниже чем у этана (минус 88,6 градуса). Коэффициент пушистости бутилена с учетом действия скобы составляет 3,275, и бутилен со своей температурой кипения минус 6,3 градуса располагается между пропаном (коэффициент пушистости 3,33, температура кипения минус 42,1 градуса) и бутаном (коэффициент 3,25, температура минус 0,5).
Особая пушистость — у ацетилена; эта особенность вызвана его оригинальной стереометрией. Если оценить пушистость гелиевой накладки в 1,7 водородных тепловых поля, то коэффициент пушистости ацетилена составит 3,4, и он со своей температурой кипения минус 75 градусов займет место между этаном и пропаном.
Завершая разговор об углеводородах, отметим их бесцветность; она объясняется все тем же: атомы в молекулах углеводородов не имеют таких длин прямолинейных участков шнуров, которые колебались бы («звучали») на видимых человеческим глазом частотах.
Стереометрия и топология карбидов
Карбиды, то есть соединения углерода с металлами (и некоторыми неметаллами, например с кальцием), имеют свою особую стереометрию; она характерна тем, что атомы в них соединяются не петлями, как в углеводородах, а желобами; при этом конфигурация атомов сильно видоизменяется, то есть стереометрия карбидов сопрягается с топологией атомов в них. Некоторое изменение форм атомов углерода наблюдалось, как мы видели, и в аллотропических модификациях, и в молекулах углеводородов; но там это выражалось в основном в развороте или отгибе концевых петель; но стволы атомов, состоящие из спаренных желобов, сохранялись почти неизменными. В карбидах атомы углерода могут трансформироваться до неузнаваемости.
Карбиды, как известно, получают прокаливанием при высоких температурах смеси порошков металлов или их оксидов с углем в электрических печах. Комбинацией электронного и теплового воздействия смеси приводятся в состояние плазмы, когда атомы металла разъединяются и легко скользят, с молекул оксидов срывается кислород, а стволы атомов углерода напоминают пучок бренчащих струн, утративших свое единство. В таком состоянии атомы металлов и углерода, перемешиваясь, находят такие формы контакта, которые противостоят электронно-тепловому разрушению.
Поясним сказанное на примере. Пусть прокаливается в электропечи смесь порошков бериллия и углерода; температура смеси поддерживается на уровне 1700 градусов. Бериллий в этих условиях становится жидким (его температура плавления равна 1284 градусам), а атомы углерода находятся в «пьяном» состоянии. Перемешиваясь, атомы бериллия и углерода будут находить такие соединения между собой, которые способны противостоять тепловым движениям: для их разрушения уже требуется температура в 2150 градусов; эти соединения называют карбидом бериллия. Процесс «подстраивания» будет происходить до тех пор, пока вся жидкая фаза не превратится в твердый карбид.
Пример с бериллием хорош тем, что сам бериллий дает нам подсказку в объяснении загадки карбидов. Когда мы рассматривали топологию атомов этого металла, то подчеркивали его способность склеивать атомы других металлов, делая их более прочными. Теперь точно таким же способом упрочняется сам бериллий, но в качестве клея уже используется углерод. В данном случае атом углерода напоминает своей формой атом бериллия: у него остаются замкнутыми между собой только первичные петли, а все тело выглядит как длинный желоб из спаренных шнуров, прилипший к соседним атомам бериллия и повторяющий их контуры. В образном сравнении атом углерода в карбиде напоминает тот же костюм взрослого, но не на фигуре школьника, а на груди ребенка.
Склеивание атомов металлов с помощью атомов углерода существенно повышает прочность их соединения, и это отражается на их жаростойкости, Чистый титан, плавящийся при температуре 1668 градусов, в соединении с углеродом остается твердым вплоть до температуры в 3140 градусов. Наряду с исключительной жаростойкостью и тугоплавкостью (порядка 3000 градусов) карбиды характеризуются высокой коррозионной стойкостью.
Некоторое исключение составляют карбиды марганца и железа: они термически и химически менее устойчивы, — и объяснить это можно тем, что они не являются полноценными металлами, то есть их атомы имеют несколько иные формы. К тому же, в железе углерод склонен объединяться в графит; смесь железа, карбида и графита известна как чугун.
