Текст книги "Занимательно о химии"

Автор книги: Лев Власов

Соавторы: Дмитрий Трифонов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 13 страниц)

Лев Григорьевич Власов
Дмитрий Николаевич Трифонов
Занимательно о химии

Вместо предисловия

Дошла до нас старая как мир легенда… Один восточный владыка, просвещенный и мудрый, пожелал узнать все о народах, населяющих землю.

Позвал он приближенных и объявил им:

– Повелеваю написать мне историю всех народов. И рассказать в ней, как жили они раньше, как живут теперь. Чем они занимаются, какие войны вели и ведут. Какие ремесла и искусства расцветают в разных странах.

И дал на это пять лет сроку.

Молча поклонились приближенные. Со всего царства были собраны мудрейшие из мудрецов, и им объявили желание владыки.

Говорят, неслыханного расцвета достигло в ту пору изготовление пергамента…

Миновало пять лет, и явились приближенные во дворец.

– Твое желание, о владыка, исполнено! Выгляни в окно, и ты увидишь то, чего хотел…

Изумленный правитель протер глаза. Перед дворцом выстроился караван верблюдов. Такой длинный, что конец его терялся где-то за горизонтом. И на каждом верблюде по два громадных тюка. А в каждом тюке бережно упаковано по десять толстенных томов в прекрасных сафьяновых переплетах.

– Что это? – удивился правитель.

– Это всемирная история, – ответили приближенные. – По твоему повелению мудрейшие из мудрых писали ее не покладая рук в течение пяти лет!

– Вы смеетесь надо мной! – рассердился владыка. – Да ведь я до конца своей жизни не успею прочесть и десятой доли того, что они написали! Нет, пусть напишут мне краткую историю. Но чтобы в ней было рассказано обо всех главных событиях!

И дал на это год сроку.

Минуло назначенное время, и снова показался у стен дворца караван. И было в нем всего десять верблюдов, и по два тюка на каждом верблюде, и по десять фолиантов в каждом тюке.

Еще больше разгневался владыка.

– Пусть напишут мне самое-самое главное, что было в истории всех народов во все времена. Сколько времени нужно на это?

Тогда выступил вперед мудрейший из мудрецов и проговорил:

– Завтра, о владыка, ты получишь то, что желаешь!

– Завтра? – удивился правитель. – Хорошо. Но если обманешь, не сносить тебе головы!

…Едва солнце взошло на лазурном небе и уснувшие на ночь цветы снова раскрылись во всем своем великолепии, как владыка потребовал к себе мудреца.

Мудрец вошел, неся в руках маленький ларец из сандалового дерева.

– Ты найдешь в нем, владыка, самое главное, что было в истории всех народов во все времена, – произнес мудрец, сгибаясь в низком поклоне.

Правитель открыл крышку ларца. На бархатной подушке лежал маленький клочок пергамента. Там была написана всего лишь одна фраза: «Они рождались, жили и умирали».

Вот какая старинная легенда дошла до нас. Мы невольно вспомнили ее, когда нам, авторам, предложили написать занимательную книжку о химии. И при этом добавили, что в бумаге (то бишь в объеме книги) нас ограничивают. Значит, надо писать о главном. А что самое главное в химии?

«Химия – это наука о веществах и их превращениях».

Ну как здесь не вспомнить клочок пергамента на дне сандалового ларца?

Подумали мы, почесали затылки и решили. Все в химии главное. Одно, может, более главное, другое – менее. И опять же смотря для кого. Химик-неорганик, к примеру, считает, что пуп земли – неорганическая химия. Химик-органик придерживается мнения диаметрально противоположного. Нет на сей счет успокоительного единства взглядов.

Само понятие «цивилизация» состоит из многих «слагаемых». И одним из самых главных среди них является химия.

Она позволяет человеку добывать металлы из руд и минералов. Не было бы химии, не было бы и современной металлургии.

Она извлекает из минерального, животного и растительного сырья вещества, одно другого чудесней и удивительней.

Она не только копирует природу, подражает ей, а и – с каждым годом все более – начинает превосходить ее. Рождаются тысячи и десятки тысяч веществ, природе неизвестных. Со свойствами очень полезными и важными для практики, для жизни человека.

Перечень добрых дел, которые творит химия, поистине неисчерпаем.

Ведь все проявления жизни сопровождаются огромным множеством химических процессов. Познать суть жизнедеятельности без химии, без знания ее закономерностей невозможно.

В эволюции человека химия сказала свое веское слово.

Химия кормит нас, одевает, обувает, наконец, предоставляет блага, без которых немыслимо современное цивилизованное общество.

Первые ракеты вырвались в околоземное пространство. Горючее для их двигателей, прочные и жаростойкие материалы для их конструкций дала химия.

Если бы кому-нибудь пришло в голову написать о всей химии во всем ее многообразии и великолепии, то под угрозой оказались бы бумажные ресурсы даже высокоразвитого государства. К счастью, такая идея еще никого не осенила. А вот перед нами встала задачка подобного рода.

Но мы нашли выход из положения. Мы решили писать понемногу о многом. Понемногу о разном. Это, конечно, в какой-то мере дело вкуса. Другие, вероятно, рассказали бы о другом, третьи – о третьем. Но ведь книжку-то пришлось писать нам. А потому не сетуйте на нас, если вдруг не прочтете в ней о том, о чем вам, именно вам, хотелось узнать.

Обитатели Большого дома

Периодическая система с птичьего полета

Беглый взгляд, первое представление обычно мало что дают. Иногда оставляют наблюдателя равнодушным, иногда удивляют. Иногда заставляют воскликнуть, подобно некоему анекдотическому персонажу, увидевшему в зоопарке жирафа, – «не может быть!».

Но и предварительное знакомство с предметом или явлением, так сказать взгляд с птичьего полета, нередко бывает полезным.

Периодическую систему элементов Дмитрия Ивановича Менделеева никак не назовешь предметом или явлением. Она своеобразное зеркало, которое отражает содержание одного из величайших законов природы – периодического закона. Кодекса правил, которому подчиняется поведение ста с лишним элементов, встречающихся на Земле и полученных человеком искусственно. Своего рода распорядка, царящего в Большом доме химических элементов…

Первый взгляд на него схватывает многое. Поначалу рождается удивление. Словно среди типовых крупноблочных строений вы увидели здание причудливой и вместе с тем изящной архитектуры.

Чем же нас удивляет таблица Менделеева? Прежде всего тем, что ее периоды, ее этажи, спланированы очень неравномерно.

В первом этаже, первом периоде таблицы Менделеева, клеток всего две. Во втором и третьем – по восемь. Четвертый и пятый устроены прямо-таки по гостиничному типу: восемнадцать комнат на каждом. На шестом и седьмом комнатушек и того больше – по тридцать две. Встречали вы когда-нибудь подобное строение?

Но именно в таком виде предстает перед нами Большой дом химических элементов – периодическая система.

Причуда архитектора? Ничуть! Любое здание строится в соответствии с законами физики. Иначе оно развалится от легкого дуновения ветерка.

Столь же строгими физическими законами подкреплен и архитектурный замысел периодической системы. Они говорят: в каждом периоде таблицы Менделеева должно содержаться совершенно определенное число элементов. Например, в первом – два. Ни больше и ни меньше.

Так утверждают физики, и химики с ними полностью согласны.

Были иные времена. Физики ничего не утверждали, дела периодического закона их еще не начали волновать. Зато химиков, которые чуть не каждый год открывали новые элементы, весьма заботило, куда этих новичков поселить. И бывали здесь случаи неприятные, когда на одну-единственную клетку в таблице выстраивалась целая очередь претендентов.

Среди ученых встречались скептики, и в немалом количестве. Они вполне серьезно утверждали: здание таблицы Менделеева построено на песке. Например, немецкий химик Бунзен. Тот, что со своим другом Кирхгофом изобрел спектральный анализ. Но к периодическому закону Бунзен проявил удивительную научную близорукость. «С таким же успехом можно искать закономерности в цифрах биржевых бюллетеней!» – как-то в сердцах обронил он.

Еще до Менделеева делались попытки навести порядок среди хаоса шести с лишним десятков химических элементов. Но они были неудачными. Пожалуй, ближе всех к истине оказался англичанин Ньюлендс. Он провозгласил «закон октав». Как в музыке каждая восьмая нота повторяет первую, так и у Ньюлендса, расположившего элементы в ряд по величине атомных весов, свойства каждого восьмого были похожи на свойства первого. А вот реакция на открытие Ньюлендса: «Не пробовали ли вы располагать элементы в алфавитном порядке? Может, и в этом случае обнаружилась бы какая-нибудь закономерность?»

Что мог ответить бедняга Ньюлендс своему язвительному оппоненту?

На первых порах таблице Менделеева не везло. «Архитектура» периодической системы подвергалась яростным нападкам. Ибо многое в ней оставалось неясным и требовало объяснения. Легче было открыть пяток-другой новых элементов, чем найти им законное пристанище в таблице.

Только на первом этаже дело обстояло, казалось бы, благополучно: тут нечего было опасаться неожиданного наплыва квартирантов. Сейчас здесь обитают водород и гелий. Заряд ядра водородного атома равен +1, гелиевого +2. Ясно, что между ними нет и не может быть других элементов. Ведь в природе неизвестны ядра или другие частицы, заряды которых выражались бы дробными числами.

(Правда, в последние годы физики-теоретики упорно обсуждают вопрос о существовании кварков. Так называют первичные элементарные частицы, из которых могут быть построены все прочие, вплоть до протонов и нейтронов – строительного материала атомных ядер. Так вот: у кварков предполагаются дробные электрические заряды: + ¹/ ₃и – ¹/ ₃. Если кварки действительно существуют, то картина «материального устройства» мира может предстать перед нами в новом обличье.)

Как астрономы оказали химикам медвежью услугу

«Никогда мне в голову не приходило, что периодическая система должна начинаться именно с водорода».

Чьи это слова? Да уж скорее всего они принадлежат кому-то из несметного легиона исследователей или просто любителей, кто ставил своей задачей создать новую, собственную периодическую систему. Перестроить ее на иной манер. Право же, всевозможных «периодических» систем появлялось на свет не меньше, чем проектов пресловутого перпетуум-мобиле – вечного двигателя.

Так вот, взятая в кавычки фраза написана самим Дмитрием Ивановичем Менделеевым. В его знаменитом учебнике «Основы химии», по которому учились десятки тысяч людей.

Почему же заблуждался автор периодического закона?

В его время такое заблуждение имело под собой все основания. Ведь элементы-то располагались в таблице в согласии с увеличением их атомных весов. Атомный вес водорода – 1,008, гелия – 4,003. А стало быть, почему не допустить существования элементов с атомными весами 1,5; 2; 3 и так далее? Или элементов легче водорода, чьи атомные веса меньше единицы?

Менделеев и многие другие химики вполне это допускали. И их поддерживали астрономы – представители науки, от химии весьма далекой. Поддерживали, правда, невольно. Это они впервые показали, что новые элементы можно открывать не только в лабораториях, анализируя земные минералы.

Англичанин Локьер и француз Жансен наблюдали в 1868 году полное солнечное затмение. Ослепительный блеск солнечной короны они пропустили через призму спектроскопа. И в сложном частоколе спектральных линий обнаружили такие, которые не могли принадлежать ни одному из элементов, известных на Земле. Так был открыт гелий, что по-гречески означает «солнечный». И только двадцать семь лет спустя английский физик и химик Крукс обнаружил гелий земной.

Пример этот оказался весьма заразительным. Астрономы направили трубы телескопов на далекие звезды и туманности. Результаты открытий скрупулезно публиковались в астрономических ежегодниках, а кое-какие перекочевали и на страницы химических журналов. Те, где речь шла о якобы открытых в безбрежных космических просторах новых элементах. Им давали звучные названия – короний и небулий, арконий и протофтор. Кроме названий, химики ничего о них не знали. Но, памятуя удачное завершение гелиевой эпопеи, спешили поместить небесных незнакомцев в периодическую систему. Перед водородом или в промежуток между водородом и гелием. В надежде, что новые Круксы когда-нибудь докажут земное существование корония и его не менее таинственных собратьев.

Но когда за периодическую систему взялись физики, они развеяли эти мечты. Атомный вес оказался ненадежной опорой для периодического закона. На смену пришел заряд ядра, порядковый номер элемента.

При переходе от элемента к элементу в периодической системе этот заряд увеличивается на единицу.

Прошло время, и более точные астрономические приборы развеяли миф о загадочных небулиях. Они оказались атомами давно известных элементов. Атомами, потерявшими часть своих электронов, а потому дающими непривычные спектры. «Визитные карточки» небесных незнакомцев оказались фальшивыми.

Двуликий элемент

Быть может, на школьном уроке по химии вы сами были свидетелями такого диалога.

Учитель:

– В какой группе периодической системы стоит водород?

Ученик:

– В первой. И вот почему: атом водорода имеет на своей единственной электронной оболочке всего один электрон. Так же, как другие элементы первой группы, щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Как и они, водород в химических соединениях проявляет положительную валентность, равную единице. Водород, наконец, может вытеснять некоторые металлы из их солей.

Правда? Нет, полуправда…

Химия – наука точная. Она не любит недомолвок. Пример водорода в этом четко убеждает.

Что общего у водорода со щелочными металлами? Только положительная валентность, равная единице. Только одинаковое устройство внешней электронной оболочки. А в остальном – ничего похожего. Водород – газ, водород – неметалл. Водород образует молекулу из двух атомов. Все же прочие элементы первой группы – классические металлы, самые энергичные в химических реакциях. Размахивая своим единственным электроном, водород лишь пытается рядиться под щелочные металлы. А по сути своей он им чужак.

Большой дом устроен так, что в каждом пролете друг над другом обитают родственные элементы. Они-то и составляют группы и подгруппы в периодической системе. Это закон для жильцов Большого дома. Попав в первую группу, водород этот закон невольно нарушает.

Куда же податься бедняге водороду? Но ведь в периодической системе целых девять групп, девять пролетов в Большом доме. И только в так называемой нулевой облюбовал себе квартиру гелий – сосед водорода по первому этажу. В остальных места свободны. Смотрите, сколько возможностей для перепланировки первого этажа, чтобы найти водороду истинное «место под солнцем»!

Быть может, поселить его во второй группе у щелочноземельных металлов во главе с бериллием? Нет, они-то уж совсем не питают к водороду никаких родственных чувств. Третья, четвертая, пятая, шестая также открещиваются от него. Седьмая? Стоп! Стоящие в ней галогены – фтор, хлор, бром и так далее – готовы протянуть водороду руку дружбы.

…Встречаются двое детей.

– Тебе сколько лет?

– Столько-то.

– И мне столько-то.

– А у меня есть велосипед!

– А у меня тоже!

– У тебя папа кто?

– Шофер!

– Ух ты, и у меня тоже!

– Давай дружить?

– Давай!

– Ты неметалл? – спрашивает фтор у водорода.

– Неметалл!

– Ты газ?

– Точно.

– Мы тоже, – говорит фтор, кивая на хлор.

– А у меня молекула состоит из двух атомов! – сообщает водород.

– Скажи-ка! – удивленно произносит фтор. – Прямо как у нас.

– А можешь ли ты проявлять отрицательную валентность, принимать добавочные электроны? Мы страшно любим это делать!

– Конечно! С теми же самыми щелочными металлами, которые меня недолюбливают, я образую водородные соединения – гидриды. И там моя валентность – минус единица.

– Ну что ж! Пристраивайся к нам! Будем дружить!

Поселяется водород в седьмой группе. Надолго ли? Познакомившись как следует со своим новым родственником, кто-нибудь из галогенов разочарованно замечает:

– А у тебя, брат, того… На внешней оболочке электронов-то маловато. Всего один… Как в первой группе. Шел бы ты лучше к щелочным металлам…

Вот ведь какая беда с водородом: мест много, а поселиться – прочно, надежно, с полным правом – негде. Так и просится на бумагу «химическая» пословица: «водород, водород – элемент наоборот: от щелочных металлов отстал и к галогенам не пристал».

Но почему? Где причина удивительной двуличности водорода? Почему водород ведет себя так необычно?

Характерные свойства всякого химического элемента проявляются тогда, когда он вступает в соединение с другими. При этом он отдает или приобретает электроны. Они либо уходят с внешней электронной оболочки, либо входят в нее. Когда элемент теряет все электроны с наружной оболочки, то предыдущие сохраняются обычно неизменными. У всех элементов, кроме водорода. Стоит ему расстаться со своим единственным электроном, как остается голое атомное ядро. Остается протон. Он-то и представляет собой ядро водородного атома (впрочем, не всегда протон, но до этой важной тонкости мы с вами еще доберемся). А это значит, что химия водорода как бы является единственной в своем роде химией элементарной частицы – протона. В случае водорода протон активно влияет на ход реакций, в которые вступает этот элемент.

Вот где разгадка столь непоследовательного поведения водорода.

Самый первый, самый удивительный…

Открыл водород знаменитый английский физик сэр Генри Кавендиш. Самый богатый из ученых и самый ученый из богачей, как сказал о нем современник. Мы бы добавили: самый педантичный из ученых. Рассказывают, что, когда Кавендиш брал книгу из собственной библиотеки, он расписывался в формуляре. Самый сосредоточенный из ученых, всецело поглощенный наукой, он слыл нелюдимом. Но эти качества и позволили ему обнаружить новый газ – водород. Поверьте, это было нелегкой задачей!

Открытие свершилось в 1766 году, а в 1783 году французский профессор Шарль запустил первый воздушный шар, наполненный водородом.

И для химиков водород оказался ценнейшей находкой. Он помог, наконец, понять, как построены кислоты и основания – эти важнейшие классы химических соединений. Он стал незаменимым лабораторным реактивом – осаждал металлы из растворов солей, восстанавливал металлические окислы. Хотите парадокс? Будь водород открыт не в 1766 году, а, скажем, на полстолетия позже (право же, такое могло случиться), развитие химии, и теоретической и практической, задержалось бы надолго.

Когда химики достаточно освоили водород, а практики стали использовать его для получения важных веществ, этот газ привлек внимание физиков. И те узнали массу сведений, которые сделали науку богаче во много раз.

Хотите в этом убедиться? Водород становится твердым при температуре более низкой, чем любые другие жидкости или газы (кроме гелия), при минус 259,1 градуса по Цельсию, – раз. Атом водорода позволил датскому физику Нильсу Бору разработать теорию распределения электронов вокруг атомного ядра, без чего нельзя было бы понять физического смысла периодического закона, – два. А эти факты создали почву для других величайших открытий.

Затем физики передали эстафету своим близким родственникам по профессии – астрофизикам. Они изучают состав и строение звезд. И астрофизики пришли к выводу, что водород во вселенной – это элемент номер один. Он главная составная часть Солнца, звезд, туманностей и основной «наполнитель» межзвездного пространства. Водорода в космосе больше, чем всех остальных химических элементов, вместе взятых. Не то что на Земле, где его менее одного процента.

Именно от водорода ведут ученые длинную цепочку превращений атомных ядер. Цепочку, которая привела к образованию всех химических элементов, всех атомов до единого. Наше Солнце, все звезды светят потому, что в них происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и выделяется огромное количество энергии. Видный химик на Земле, водород – выдающийся химик в космосе.

А вот еще одно удивительное свойство: атом водорода испускает радиоизлучение с длиной волны в 21 сантиметр. Это так называемая мировая константа, общая для всей вселенной. И ученые подумывают о том, нельзя ли организовать радиосвязь на водородной волне с другими обитаемыми мирами. Если там живут разумные существа, они должны иметь представление об этой величине: 21 сантиметр…

Сколько на земле водородов?

Получить Нобелевскую премию – высшая награда для ученого. Ученых в мире великое множество, но лишь немногим более ста удостоились этой чести. За самые выдающиеся из выдающихся открытий.

В почетный список попали в 1932 году Мэрфи, Юри и Брикведе.

Раньше думали, что на Земле существует только один водород. С атомным весом единица. Мэрфи и его коллеги обнаружили вдвое более тяжелого собрата водорода. Изотоп с атомным весом 2.

Изотопами называются такие разновидности атомов, у которых одинаковый заряд, но разные атомные веса. Или по-другому: в ядрах атомов изотопов содержится равное число протонов, но разное – нейтронов. Все химические элементы имеют изотопы: некоторые существуют в природе, некоторые получены искусственно с помощью ядерных реакций.

Изотоп водорода, ядро которого – голый протон, называется протий, и обозначают его так: ¹Н. И это единственный пример атомного ядра, вообще не содержащего нейтронов (вот еще одна уникальная особенность водорода!).

Добавляем мы к этому протону-одиночке нейтрон, и перед нами ядро тяжелого изотопа водорода – дейтерия ( ²H, или D). Протия в природе не в пример больше, чем дейтерия, – свыше 99 процентов.

Но оказывается, существует и третья разновидность водорода (имеющая два нейтрона в ядре) – тритий ( ³Н, или Т). Он непрерывно рождается в атмосфере под действием космических лучей. Рождается, чтобы сравнительно быстро исчезнуть. Он радиоактивен и, распадаясь, превращается в изотоп гелия (гелий-3). Трития крайне мало: во всей земной атмосфере лишь 6 граммов. На 10 кубических сантиметров воздуха приходится один атом трития. А совсем недавно ученым удалось искусственно получить еще более тяжелые изотопы водорода – ⁴Н и ⁵Н. Они-то уж совсем неустойчивы.

То, что у водорода есть изотопы, не выделяет его среди химических элементов. Выделяет другое: изотопы водорода довольно заметно разнятся по свойствам, прежде всего по физическим. Изотопы других элементов почти совершенно неразличимы.

У каждой разновидности водорода свое лицо. И, вступая в химические реакции, они ведут себя по-разному. Протий, например, активнее дейтерия. Изучая поведение изотопов водорода, ученые открыли совершенно новую область науки – химию изотопов. Ведь привычная нам химия имеет дело с элементами в целом, с совокупностью изотопов. А химия изотопов занимается отдельными изотопами. Она помогает исследователям постигать самые тонкие детали различных химических процессов.

Химия = физика + математика!

Что бы вы сказали про строителей, которые сперва построили здание, а уж когда подвели под крышу, дали проектировщикам задание: рассчитать, правильно ли все построено?

Это скорее эпизод из сказки о государстве, где все делалось наоборот…

Но именно такая судьба постигла периодическую систему элементов. Большой дом сначала был возведен, химические элементы расселены каждый в своей квартире. Химики взяли таблицу Менделеева на вооружение. А почему свойства элементов периодически повторяются, этого они долгое время обосновать не могли.

Объяснение дали физики. Они рассчитали конструкцию здания менделеевской системы на прочность. И выяснилась удивительная вещь: оно построено совершенно правильно. В соответствии со всеми законами «химической механики». Так что остается преклоняться перед поистине гениальной интуицией Менделеева, интуицией и глубочайшим знанием химии.

Физики начали с того, что решили подробно разобраться в строении атома.

Его сердце – ядро. Вокруг крутятся электроны. Их столько, сколько положительных зарядов в ядре. Скажем, у водорода – один, у калия – девятнадцать, у урана – девяносто два… Как кружатся? Хаотически, подобно рою ночных бабочек, вьющихся вокруг лампочки? Или в каком-то определенном порядке?

Чтобы это выяснить, ученым пришлось призвать на помощь новые физические теории и разработать новые математические методы. И вот что оказалось: электроны движутся вокруг ядра по определенным оболочкам, подобно планетам вокруг Солнца.

– Сколько электронов помещается на каждой оболочке? Сколько угодно или же ограниченное число? – спрашивали химики.

– Строго ограниченное! – отвечали физики. – Все электронные оболочки обладают конечной емкостью.

У физиков свои символы – обозначения электронных оболочек. Латинские буквы – K, L, M, N, O, P, Q. Так называют оболочки в порядке их удаления от ядра.

Физика вкупе с математикой подробно расписала, сколько электронов содержится в каждой из них.

В К-оболочке может быть 2 электрона, никак не больше. Первый из них появляется в атоме водорода, второй в атоме гелия. Потому-то первый период менделеевской таблицы состоит всего из двух элементов.

Значительно больше, а именно 8 электронов, способна вместить L-оболочка. Первый принадлежащий ей электрон мы обнаруживаем у атома лития, а последний – в атоме неона. Элементы от лития до неона образуют второй период системы Дмитрия Ивановича Менделеева.

А сколько электронов в следующих оболочках? В М-оболочке – 18, в N – 32, в О – 50, в Р – 72 и так далее.

Если два элемента имеют одинаково устроенные внешние электронные оболочки, то и свойства этих элементов подобны. Скажем, литий и натрий содержат на внешней оболочке по одному электрону. Поэтому они помещаются в одну и ту же группу периодической системы, в первую. Видите: номер группы равен числу валентных электронов у атомов входящих в нее элементов.

И вот вывод: одинаковое строение внешних электронных оболочек периодически повторяется. Потому периодически повторяются и свойства химических элементов.

Еще немного математики

Логика существует во всем. Даже в самом непонятном явлении есть своя логика. Поначалу она не всегда заметна. Тогда появляется несоответствие. Для любой теории, любой гипотезы несоответствие – дело неприятное. Оно либо выявит ошибочность теории, либо заставит крепко задуматься. И часто бывает, что раздумья помогают проникнуть глубже в суть непонятного.

Вот один из примеров подобного несоответствия. Только в первых двух периодах менделеевской таблицы соблюдается равенство: элементов в каждом из этих периодов ровно столько, сколько максимально содержит электронов соответствующая внешняя электронная оболочка. Так, у атомов элементов первого периода – водорода и гелия – заполняется К-оболочка. В ней не может быть больше двух электронов, и потому в первом периоде всего два элемента. В атомах элементов второго периода – от лития до неона – полностью формируется восьмиэлектронная оболочка, и потому второй период содержит восемь электронов.

Дальше картина усложняется.

Посчитайте, сколько элементов в следующих периодах. В третьем – 8, в четвертом – 18, в пятом – 18, в шестом – 32, в седьмом (пока что не завершенном) тоже должно быть 32. А в соответствующих оболочках? Здесь совсем другие цифры: 18, 32, 50, 72…

Не поспешили ли мы с выводом, что физики не обнаружили никаких изъянов в здании периодической системы, взявшись объяснить его устройство? Хорошо, если бы у обитателей каждого этажа Большого дома происходило заполнение определенной электронной оболочки и начиналось бы оно у щелочного металла, а кончалось у инертного газа. Емкость периода равнялась бы емкости электронной оболочки…

Увы, об этом мы вынуждены говорить в сослагательном наклонении: если бы да кабы… На деле баланс не сходится. Третий период менделеевской таблицы вмещает меньше обитателей, чем электронов в третьей оболочке, М-оболочке. И так далее.

Грустное несоответствие… Но в нем, в этом несоответствии, и заключается разгадка глубинной сущности периодической системы.

Смотрите: третий период завершился у аргона, но третья М-оболочка в его атоме еще не достроена. Ведь она должна содержать 18 электронов, а пока что тут всего 8. За аргоном следует калий. Это уже элемент четвертого периода, первый обитатель четвертого этажа, но, вместо того чтобы поместить очередной электрон в третью оболочку, атом калия предпочитает перекинуть его в четвертую, N-оболочку. Здесь нет никаких случайностей, а опять лишь строгая закономерность, установленная физиками. Просто не могут существовать атомы, у которых на внешней оболочке более 8 электронов. Сочетание 8 внешних электронов – устройство весьма прочное.

У кальция, ближайшего соседа калия, очередному электрону также «выгоднее» разместиться на внешней оболочке. При этом атом кальция будет обладать наименьшим запасом энергии, чем при любой другой комбинации распределения электронов. Но уже у скандия, следующего за кальцием, стремление продолжить застройку наружной оболочки атома исчезает. Его электрон «ныряет» в предыдущую, не достроенную ранее М-оболочку. А поскольку в ней осталось десять вакантных мест (ведь мы уже знаем, что максимальная емкость М-оболочки составляет 18 электронов), то на протяжении ряда из десяти элементов от скандия до цинка атомы постепенно достраивают М-оболочку. У цинка, наконец, все электроны М-оболочки в сборе. А далее начинает принимать электроны снова N-оболочка. Оказывается, на ней 8 электронов, и перед нами инертный газ криптон. У рубидия повторяется история уже знакомая: пятая оболочка появляется ранее, чём завершилась четвертая.

Такое ступенчатое заполнение электронных оболочек – «норма поведения» для обитателей таблицы Менделеева начиная с четвертого периода. Это основа железного распорядка Большого дома химических элементов.

Поэтому-то в нем выделяются главные и побочные подсекции. Те элементы, где заполняются внешние электронные оболочки, входят в состав главных подгрупп. У которых достраиваются предыдущие, принадлежат к побочным.

Но четвертая, N-оболочка строится не сразу. Напротив, ее заполнение растягивается на целых три этажа Большого дома. Первый относящийся к ней электрон появляется у калия, который обитает в квартире номер 19. А 32-й электрон вмещается в нее только у лютеция, представителя шестого периода таблицы. Его порядковый номер 71.

Как видите, несоответствие обернулось для нас положительной стороной. Пытаясь его объяснить, мы вместе с физиками глубже разобрались в строении периодической системы.

Как химики встретились с неожиданным

Есть у английского писателя Герберта Уэллса великолепный фантастический роман «Война миров». О нашествии на Землю посланцев Марса.

Вспомните: погиб последний марсианин, земная жизнь начала входить в обычную колею, и оправившиеся от потрясений ученые кинулись исследовать немногое, что осталось от неожиданных пришельцев соседней планеты. В том числе и таинственную черную пыль, служившую марсианам для истребления земной жизни.