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.
Если измерить электропроводность нескольких проб, где одна и та же пара элементов сплавлена в разных пропорциях, обнаружатся интересные особенности. Надо только предварительно нанести снятые точки на ту же диаграмму двойной системы — под кривой плавкости. Получится график, из которого видно, как электропроводность зависит от состава сплавов. Положим, наша температурная кривая имеет вид «чайки». Тогда линия электропроводности под эвтектической точкой на всем светлом участке будет прямой, как тетива. Правда, в выделенных точечной заливкой областях твердых растворов ее концы все-таки загнутся кверху. Это потому, что чем чище компонент, тем ниже у него сопротивление. И наоборот — образованию твердых растворов одного компонента с другим сопутствует повышение сопротивления.
А теперь пусть перед нами диаграмма не с «чайкой», а с «горным пейзажем». Кривая электропроводности здесь уже больше похожа на лук, чем на тетиву. Как раз под вершиной «холма» бросается в глаза резкий всплеск электропроводности. Да и другие кривые (например, вязкости расплава) на том же самом месте имеют излом, направленный острием вверх. Причем кончик острия указывает точно на вершину «холма». Особая точка? Совершенно верно, только ее Курнаков назвал дальтоновской, а еще сингулярной, позаимствовав термин из теории алгебраических кривых.
Mg2Sn, MgAg, Fe3C и любое другое химическое соединение между компонентами двойной системы характеризуется такой точкой. С другой стороны, присутствие сингулярной точки на диаграмме — верный признак того, что в системе образовалось соединение определенного состава, подчиняющееся закону Дальтона. Этот состав можно установить немедленно, опустив перпендикуляр из дальтоновской точки на ось абсцисс.
Между тем безошибочно определить химическим путем, какое соединение и какого состава присутствует в сплаве, неимоверно трудно. Но даже если бы это удалось, легко впасть в ошибку: ведь состав интересующей нас фазы зачастую колеблется в широких пределах. За примерами ходить недалеко: те же Mg—Sn, Pb—Sn. Они образуют твердые растворы переменного состава. И только сингулярная точка может однозначно и точно, а главное, легко и быстро указать состав соединения, содержащегося в той или иной фазе.
Так физико-химический анализ вручил ученым великолепный индикатор, который, по словам Курнакова, «позволяет открывать соединения и определять их состав, не прибегая к обычному препаративному методу выделения соответствующих твердых фаз в чистом состоянии».
Именно этот индикатор заставил науку еще раз вспомнить о Бертолле.
В начале нашего века внимание исследователей приковали к себе сплавы таллия с висмутом. Система Tl—Bi имела диаграмму с типичным «горным пейзажем». Это сразу наталкивало на мысль, что ее компоненты вступают в химическое соединение. Только вот какого состава?