Драконоборцы. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый
– Ты сообразил быстрее меня, – признала Дзинтара. – В целом ядра химических элементов являются довольно простыми и прочными сгустками из протонов и нейтронов. Зато эти ядра служат основой для возникновения атомов, которые включают в себя электроны и оказываются гораздо более сложными конструкциями.
– Действительно, ядра атомов имеют положительный электрический заряд – значит, они должны притягивать к себе электроны везде, где только встретят их, – сказал Андрей.
– Верно, – согласилась Дзинтара. – Ядра химических элементов крайне редко можно встретить голыми, без электронов. В нормальных условиях атомы обычно содержат столько электронов, чтобы полностью компенсировать заряд ядра.
– Это значит, что в нейтральном атоме столько же электронов, сколько протонов в его ядре. А это число равно номеру химического элемента! – выпалила Галатея.
– Молодец! – сказала Дзинтара. – Ты хорошо разобралась. Это означает, что вокруг атома, например, свинца размещаются 82 электрона. Но, притягиваясь к ядру, они одновременно отталкиваются друг от друга, поэтому устойчивое размещение отрицательных электронов вокруг положительных ядер оказывается очень непростой задачей.
Дзинтара положила возле стакана с одной вишенкой одну ягодку смородины, а возле стакана с двумя вишенками и двумя виноградинками – две смородинки.
– Это модели атома водорода с одним электроном и атома гелия с двумя. Учёные знают, что эти элементы весьма различны по химическим свойствам: в ходе некоторых реакций у водорода можно отнять его собственный электрон, а можно присоединить к нему лишний. Например, при горении водорода в кислороде образуется вода с молекулой, состоящей из двух атомов водорода и атома кислорода. В молекуле воды кислород отнимает у атомов водорода по электрону, присоединяя их к своей электронной свите. Но и ядра водорода он не отпускает – ведь они заряжены положительно и притягиваются к отрицательно заряженному кислороду, получившему избыток электронов, – именно так и получается прочная молекула воды.
Зато у гелия очень трудно что-либо отнять – это такой скряга, который не хочет расставаться со своими электронами. Впрочем, и чужих электронов ему не надо. Это свойство гелия обеспечивает ему почти идеальную химическую инертность. Его так и называют: инертный газ, что значит – неповоротливый, не реагирующий ни на что.
В таблице Менделеева выделяют восемь групп элементов, которые проявляют периодичность. А знаете, почему их восемь? Потому что вокруг атомных ядер известно восемь уровней, где могут располагаться электроны. На первом уровне могут размещаться только два электрона…
Дзинтара нарисовала возле каждого из стаканов что-то вроде деревьев с восемью длинными ветками.
– Электроны водорода и гелия – это электроны первого уровня. Больше чем два электрона на первой или нижней ветке не поместятся. Поэтому, когда к ядру лития присоединяются три электрона, два из них садятся на самый низкой уровень, а третьему приходится помещаться на ветке повыше – на втором уровне.
Дзинтара нужным образом разместила три ягоды смородины возле стакана, где лежало три вишни и четыре виноградинки. Дети смотрели на её ловкие руки, которые сортировали ягоды, и переводили глаза на карточки с таблицей Менделеева, где в каждой клетке, соответствующей отдельному химическому элементу, указывалось размещение электронов по разным орбитам вокруг ядра данного элемента.
– На втором уровне могут уместиться восемь электронов. Поэтому следующие за литием семь атомов размещают свои электроны именно на этом, втором уровне: бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон. Последние три элемента особенно интересны: кислороду для заполнения второго уровня не хватает двух электронов, фтору – одного, а неон полностью заполнил второй уровень электронами. Эти особенности строения электронных оболочек определяют химические свойства данных элементов: кислород и фтор стремятся отобрать недостающие им электроны у любых встреченных ими атомов, заодно присоединить и сами эти атомы, «окислить» их, образовав молекулу «оксида» с одним атомом кислорода или «диоксида» – с двумя. Кислород – это самый распространённый окислитель, поэтому процесс окисления даже назвали по его имени.
– Может, это его назвали по процессу окисления? – предположила Галатея. – А нельзя ли привести какой-нибудь пример этого… окисления?
Дзинтара ответила:
– Конечно. Окисление железа, или образование ржавчины, является самым типичным примером соединения кислорода с металлом. Следующий элемент таблицы Менделеева, фтор, является самым сильным окислителем в природе, который может окислить все химические элементы, включая золото и платину. Исключением являются гелий и неон – инертность этих газов не может преодолеть даже агрессивный фтор.
Углерод имеет на втором электронном уровне четыре электрона, то есть можно с одинаковым основанием сказать, что его второй уровень наполовину пуст или наполовину полон. Эта особенность углерода позволяет ему создавать самые различные химические соединения, например отдавая сильному окислителю все четыре электрона – как в случае углекислого газа CO2, или отнимая у четырёх атомов водорода по электрону, образуя метан CH4. Это обилие химических соединений углерода сделало его основой жизни на нашей планете.
– А на других планетах? – полюбопытствовала Галатея.
– Вероятнее всего – и на других планетах, хотя некоторые фантасты рассуждают о возможности жизни не на основе углерода, а на основе других химических элементов. Но вряд ли такие формы жизни возможны.
– А почему так важно подсчитывать электроны на разных оболочках? – спросила Галатея.
– Давайте посмотрим на трёх соседей по таблице Менделеева – углерод, азот и кислород: массы их ядер очень близки, а их электрические заряды, то есть число протонов, отличаются всего на единицу. Но за счет другого расположения электронов мы получили совершенно разные по химическим свойствам элементы: углерод, который представляет собой твердое тело, и два газа с очень различными свойствами: слабо реагирующий с окружающим азот или кислород – сильнейший газ-окислитель.
Сотня химических элементов, ядра которых плавно меняют свои заряды и массы, благодаря разному строению электронных оболочек, скачками меняют свои свойства. Поэтому, если не разобраться со строением электронных оболочек атомов, то нельзя понять их способность к химическим реакциям. Именно электроны дают возможность сотне химических элементов соединяться в миллионы различных видов молекул, из которых построено всё вокруг нас, а также сконструированы мы сами. Химия – это фактически электрическая наука, которая базируется на движениях электронов и зарядов.
Менделеев открыл периодичность химических свойств элементов, глубокая причина которой заключается в том, что когда атомы начинают заполнять электронами новый уровень, то их химические свойства становятся очень похожими на свойства элементов с электронами на предыдущем уровне. Вот щелочной металл натрий, который настолько активно ищет, кому бы отдать свой единственный электрон на третьем уровне, что при падении в воду начинает с шипением расщеплять её, выдавливая из неё водород и присоединяя остаток к себе, образуя едкую щёлочь. Его химические свойства аналогичны свойствам других щелочных металлов – лития с одним электроном на
