Но если водород так охотно взаимодействует с металлами, то почему, собственно, железо и никель должны быть исключением?.. И В.Ларин закономерно задается вопросом: а кто сказал (и доказал ли?) что ядро Земли сугубо железное или железо-никелевое?..
«...почему все считают, что ядро железное, а мантия силикатная [состоящая из соединений кремния]?.. Оказалось, что это самое фундаментальное положение никогда не было доказано и что лаконичная формула «ядро железное, мантия силикатная» – не более чем умозрительное предположение... В недрах Земли было обнаружено плотное и тяжелое ядро, а поскольку железо – единственный тяжелый элемент, широко распространенный в природе (к тому же есть железные метеориты), то как само собой разумеющееся стали считать ядро железным. Далее, начало нашего века – время индустриального становления металлургии и доменного процесса. Тогда это была вершина прогресса... Поэтому опять же сама собой родилась аналогия: в Земле когда-то произошло плавление, тяжелое железо стекло вниз, в центр планеты, а легкие силикаты, как шлаки в домне, всплыли и образовали мантию. Отсюда и повелось: ядро железное, мантия силикатная» (В.Ларин, «Земля, увиденная по-новому»).
Поскольку же сугубо железо-никелевый состав ядра совершенно не доказан, постольку вполне допустима гипотеза, что внутреннее строение Земли совсем иное: в ядре планеты очень много водорода, который в твердом ядре находится в составе гидридов, а в жидком внешнем ядре – в качестве раствора в металле (пусть даже в том же железе и никеле).
Может ли такое быть?.. А почему бы и нет?!. Законы химии и физики этого абсолютно не запрещают!.. Более того. Водород не только сам по себе химически очень активный элемент даже в обычных условиях. Его активность с увеличением давления значительно возрастает. А посему присутствие водорода в качестве различных соединений в недрах планеты не только не запрещено, но и вполне логично и закономерно!..
Отметим попутно, что, будучи самым легким элементом, водород мало отражается на величине плотности вещества, в котором он находится (скажем, атом водорода легче атома того же железа в 56 раз). Поэтому присутствие водорода в недрах даже в очень значительных количествах (с точки зрения химических процессов) практически не сказывается на достаточно достоверно установленном распределении массы и плотности внутри Земли. Говоря другими словами, при исследовании недр Земли доступными средствами (прежде всего сейсмозондированием) наличия там водорода могли просто не заметить!..
Но водород – не просто химически активный элемент. Он обладает еще и рядом весьма важных и уникальных свойств, которые определяются его простейшей структурой – атом водорода состоит всего из одного протона в качестве ядра и одного электрона.
Рис. 69. Схема атомов металла и водорода
Прежде всего, растворение водорода в металле оказывается не простым перемешиванием его с атомами металла – водород при этом отдает в общую копилку раствора свой электрон, который у него всего один, и остается абсолютно «голым» протоном. А размеры протона в 100 тысяч раз (!) меньше размеров любого атома, что в конечном итоге (вместе с громадной концентрацией заряда и массы у протона) позволяет ему даже проникать глубоко внутрь электронной оболочки других атомов (эта способность оголенного протона уже доказана экспериментально).
Но проникая внутрь другого атома, протон как бы увеличивает заряд ядра этого атома, усиливая притяжение к нему электронов и уменьшая таким образом размеры атома. Поэтому растворение водорода в металле, каким бы парадоксальным это ни казалось, может приводить не к рыхлости подобного раствора, а наоборот – к уплотнению исходного металла. При нормальных условиях (то есть при обычном атмосферном давлении и комнатной температуре) этот эффект незначителен, но при высоком давлении и температуре – весьма существенен.
Таким образом, предположение о том, что внешнее жидкое ядро Земли содержит в себе значительное количество водорода, во-первых, не противоречит его химическим свойствам; во-вторых, уже решает проблему глубинного хранилища водорода для рудных месторождений; и в-третьих, что для нас более важно, допускает значительное уплотнение вещества без столь же существенного возрастания в нем давления.
«В московском университете создали баллон на основе... интерметаллида [сплав лантана и никеля]. Поворот крана – и из литрового баллона выделяется тысяча литров водорода!» (М.Курячая, «Гидриды, которых не было»).
Но оказывается, что все это – «семечки»...
В гидридах металлов – то есть в химических соединения металла с водородом – мы имеем другую картину: не водород отдает свой электрон (в общую довольно рыхлую электронную копилку ), а металл избавляется от своей внешней электронной оболочки, образуя так называемую ионную связь с водородом. При этом атом водорода, принимая дополнительный электрон на ту же орбиту, по которой вращается уже имеющийся у него электрон, практически не меняет своего размера. А вот радиус иона атома металла – то есть атома без его внешней электронной оболочки – значительно меньше радиуса самого атома. Для железа и никеля радиус иона составляет примерно 0,6 от радиуса нейтрального атома, а для некоторых других металлов соотношение еще более внушительное. Подобное уменьшение размера ионов металла допускает их уплотнение в гидридной форме в несколько раз без какого-либо повышения давления в качестве следствия такого уплотнения!..
Причем эта способность к гиперуплотнению упаковки частиц гидридов экспериментально обнаруживается даже при обычных нормальных условиях (см. Табл. 1), а при высоких давлениях еще больше увеличивается.
Плотность, г/cм
LiH
NaH
KH
RbH
CsH
CaH 2
SrH 2
BaH 2
Металл
0,534
0,971
0,862
1,532
1,903
1,55
2,60
3,50
Гидрид
0,816
1,396
1,43
2,59
3,42
1,90
3,26
4,21
Уплотнение, %
52,8
43,8
65,8
69,2
80,0
22,6
25,4
22,9
Табл. 1. Способность к уплотнению некоторых гидридов (при нормальных условиях)
Вдобавок, сами гидриды способны еще и растворять в себе дополнительный водород. Эту их способность даже пытались в свое время использовать при разработке водородных автомобильных двигателей для хранения топлива.
«...например, один кубический сантиметр гидрида магния вмещает водорода по весу в полтора раза больше, чем его содержится в кубическом сантиметре жидкого водорода, и в семь раз больше, чем в сжатом до ста пятидесяти атмосфер газе!» (М.Курячая, «Гидриды, которых не было»).
Одна проблема – при нормальных условиях гидриды очень неустойчивы…
Но нам-то и не нужны нормальные условия, поскольку речь идет о возможности их существования глубоко в недрах планеты – там, где давления существенно выше. А при повышении давления устойчивость гидридов существенно увеличивается.
Ныне получено уже экспериментальное подтверждение этих свойств, и все больше геологов постепенно склоняется к тому, что модель гидридного ядра может оказаться куда ближе к реальности, нежели прежняя железо-никелевая модель. Тем более, что уточненные расчеты условий в недрах нашей планеты выявляют неудовлетворительность «чистой» железо-никелиевой модели ее ядра.
«Сейсмологические измерения указывают на то, что и внутреннее (твердое), и внешнее (жидкое) ядра Земли характеризуются меньшей плотностью, по сравнению со значением, получаемым на основе модели ядра, состоящего только из металлического железа при тех же физико-химических параметрах…
Присутствие водорода в ядре долгое время вызывало дискуссию из-за его низкой растворимости в железе при атмосферном давлении. Однако недавние эксперименты [Badding J.V., Mao H.K., Hemley R.J., High-Pressure crystal structure and equation of state of iron hydride: implications for the Earth’s core // High-Pressure Research: Application to Earth and Planetary Sciences / (Syono H., Manghnan M.H. – eds.) TERRAPUB, Tokyo – Am. Geophys. Union. Washington D.C. 1992. P363-371] позволили установить, что гидрид железа FeH может сформироваться при высоких температурах и давлениях и, погружаясь вглубь, оказывается устойчив при давлениях, превышающих 62 ГПа, что соответствует глубинам ~1600 км. В этой связи присутствие значительных количеств (до 40 мол. %) водорода в ядре вполне допустимо и снижает его плотность до значений, согласующихся с данными сейсмологии» (Ю.Пущаровский, «Тектоника и геодинамика мантии Земли»).
