Драконоборцы. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый
Хлор, которому не хватает для заполнения третьей оболочки всего одного электрона, является аналогом агрессивного фтора, а газ аргон, полностью укомплектовавший третий уровень электронами, является, как и неон, представителем инертных газов.
Но заполнение электронами четвёртой оболочки оборачивается сюрпризом: если кальций, следующий за щелочным калием, смог разместить на четвёртом уровне пару электронов, то следующий элемент – скандий – уже не смог разместить на внешнем уровне третий электрон. Новый электрон, притянутый выросшим зарядом ядра скандия, не удержался на растянутой четвёртой оболочке и провалился ниже – на третий уровень, потеснив восьмёрку тамошних электронов и став девятым на этой оболочке. Аналогичная ситуация произошла с электронами и последующих химических элементов. Так началось химически близкое семейство из десяти металлов: скандия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди и цинка.
– А почему они оказались химически близкими, хотя заряд ядра у них нарастает? – спросил Андрей, держа в руках таблицу Менделеева и внимательно рассматривая её.
– Потому что на химические свойства элемента, главным образом, влияет количество электронов на внешней оболочке – и у всех этих металлов на внешней, четвёртой оболочке расположено только по два электрона, за исключением хрома и меди, у которых уцелело на внешней оболочке вообще по одному электрону. Остальные электроны провалились на третий уровень, увеличив – к цинку – количество здешних электронов до 18-ти. Это число исчерпало возможности третьего уровня, и последующие электроны снова размещаются на четвёртом уровне – у галлия их там три, у германия – четыре. Эти изменения на самом внешнем электронном уровне снова начинают активно менять химические свойства элементов, причем восстанавливается аналогия с элементами предыдущей группы: бром, у которого не хватает одного электрона, близок по активности к хлору, а криптон с восьмёркой электронов на четвёртом уровне оказывается инертным газом, как и неон.
Двигаясь дальше по таблице Менделеева – а это очень увлекательное путешествие! – мы увидим периодичность свойств в новых группах элементов.
Как уже говорилось, всего в таблице Менделеева выделяется восемь групп элементов с химической периодичностью. В пятой группе снова появляется группа металлов, которые удерживают на внешней, пятой оболочке только один или два электрона – а остальные проваливаются на четвёртую. В этой группе металлов, которая начинается с иттрия и заканчивается кадмием, есть хорошо известные молибден, палладий и серебро. В шестой группе серия металлов начинается с лантана и заканчивается ртутью, но здесь насчитывается уже не десять, а 24 металла, включая 14 металлов-лантанидов.
– И сколько же электронов они удерживают на внешней, шестой оболочке? – спросил Андрей.
– По-прежнему по одному или два, – ответила Дзинтара. – Но, в отличие от предыдущих групп металлов, у которых электроны проваливались ниже на один уровень, у лантанидов электроны стали проваливаться на два уровня ниже, увеличивая количество электронов на четвёртом уровне с 18 до 32.
– Ага, у десяти обычных металлов электроны провалились на один уровень, а у 14 лантанидов – на два. Но это значит, что химические свойства лантанидов должны быть очень похожи, если они отличаются лишь количеством электронов на третьей сверху оболочке! – заключил Андрей.
– Совершенно верно! – похвалила сына Дзинтара, а Галатея недовольно посмотрела на Андрея. – Химические свойства лантанидов, которые называют ещё «редкими землями», очень близки друг к другу.
Среди обычных металлов шестой группы есть такие известные, как вольфрам, платина и золото.
В седьмой группе заполнение электронных оболочек идет по тому же принципу: группа начинается с радиоактивного щелочного металла франция, который был предсказан Менделеевым на основании его таблицы и открыт несколько десятилетий спустя. У франция есть электроны на семи оболочках: 2 электрона – на первой, 8 – на второй, 18 – на третьей, 32 – на четвёртой, 18 – на пятой, 8 – на шестой, 1 – на седьмой.
Следующий элемент номер 88 – радий – удерживает второй электрон на седьмой оболочке, зато у актиния за номером 89 новый электрон проваливается на шестую оболочку.
За актинием следует группа из 14 актиноидов. У тория за номером 90 новый электрон тоже садится на шестой уровень, увеличивая там количество электронов до десяти. У протактиния с номером 91 новый электрон ухает сразу на пятый уровень, захватывая с собой ещё и электрон с шестого уровня. В группе актиноидов пятый уровень достраивается с 18 до 32 электронов. Она включает такие известные радиоактивные металлы, как уран и плутоний.
Обычные металлы седьмой группы, такие как резерфордий с номером 104 или рентгений 111, не встречаются в природе – их синтезируют на ускорителях в ничтожных количествах.
Как установил Менделеев, все периодические группы химических элементов начинаются со щелочных металлов, за исключением первой, которая начинается с водорода.
– Но, может быть, можно рассмотреть водород как самый лёгкий щелочной металл? – спросил Андрей.
– Рассмотреть-то можно… Но даже если пренебречь фактом, что в нормальных условиях водород – газ, то очевидно, что водород не обладает главным свойством щелочных металлов: вытеснять из воды водород и образовывать щёлочь. Ведь водороду в данном случае придётся вытеснять самого себя!
– Чего никто не заметит! – победно сказала Галатея и почему-то показала Андрею язык.
– Все периодические группы заканчиваются инертными газами, за исключением восьмой, до конца которой учёные ещё не добрались, поэтому тамошний инертный газ, который должен быть сильнорадиоактивным, науке ещё неизвестен.
– Интересный газ – химически инертный и ядерно нестабильный! – пробормотал Андрей.
– Именно таким газом является радиоактивный, но химически инертный радон, замыкающий шестую группу элементов.
– А почему электроны себя так ведут – заполняют то одну, то другую оболочку? – спросила Галатея.
– Их поведение обусловлено электрическим притяжением ядра с одновременным отталкиванием со стороны других электронов. Важно учитывать квантовое поведение частиц, потому что электроны – это не столько частицы, сколько волны.
Гениальность Менделеева заключается в том, что он открыл основные квантовые закономерности формирования электронных оболочек атомов за 65 лет до создания квантовой механики, задолго до введения квантов Планком и создания реалистичной атомной модели Бора-Резерфорда.
Менделеев расположил элементы в порядке возрастания атомного веса и уловил глубинную симметрию – периодичность их химических свойств! Сейчас мы выводим квантовую основу всей таблицы Менделеева на нескольких страничках учебника, но тогда… Это и есть то, что называют гениальным открытием.
Сейчас мы понимаем, что десятки электронных волн сталкиваются и переплетаются вокруг атомного ядра, порождая самые замысловатые электрические конфигурации. Именно ими занимается квантовая механика, рассчитывающая с помощью сложных уравнений и мощных компьютеров поведение многоэлектронных оболочек атомов; именно эти электронные оболочки определяют химические
