Лев Власов - Занимательно о химии

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.

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.

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.

После нескольких неудачных экспериментов, кончавшихся страшными взрывами, выяснили: злополучное вещество представляет собой соединение инертного газа аргона с каким-то неизвестным еще на Земле элементом.

Однако когда великий фантаст дописывал последние строки своего произведения, химики были абсолютно уверены, что аргон ни с чем и ни при каких условиях соединяться не может. Множество реальных опытов убедило их в этом.

Аргон назвали инертным газом. По-гречески «инертный» значит «бездеятельный». Аргон входит в состав целой плеяды химических ленивцев, которую составляют гелий, неон, криптон, ксенон, радон.

В периодической системе они образуют так называемую нулевую группу. Потому что валентность этих элементов равна нулю. Ни отдавать, ни принимать электроны атомы инертных газов не способны.

Как только не пытались воздействовать на них химики! И нагревали до температур, при которых самые тугоплавкие металлы становились бурлящей огненной жидкостью; и охлаждали до такого состояния, что инертные газы превращались в лед; и пропускали через них сильнейшие электрические разряды; и подвергали действию самых яростных химических реагентов. Тщетно!

Там, где другие элементы давно бы спасовали, вступили в химические соединения, инертные газы оставались бесстрастными. «Не тратьте понапрасну силы, — словно говорили они исследователям, — мы вовсе не желаем вступать в реакции. Мы выше этого!» И за свое высокомерие заслужили от химиков еще один титул: «благородные газы». Но, право же, в нем чувствуется оттенок иронии…

Крукс, который обнаружил в земных минералах гелий, мог гордиться: он подарил миру новый, реально существующий химический элемент. Химический?! Сэр Вильям Крукс дорого бы отдал за то, чтобы заставить гелий вести себя подобно другим обитателям таблицы Менделеева — соединяться с водородом, с кислородом, с серой. Чтобы почтенные профессора могли рассказывать со своих кафедр об окислах и солях гелия…

Но гелий, первый в группе инертных газов, не оправдал надежд. В самом конце прошлого столетия соотечественники Крукса Рамзай и Рэлей открыли неон и аргон, криптон и ксенон. Затем список химических лодырей завершил радон. Все они были элементами со своими атомными весами. Но, честное слово, рука не поднималась написать рядом со словами, скажем, «элемент аргон» слово «химический».

И ученые выселили высокомерное семейство благородных газов на окраину таблицы Менделеева, пристроили к ней новую секцию, нулевую группу. А в учебниках химии записали: есть среди химических элементов такие, что ни при каких условиях не способны вступать в соединения.

Ученые были огорчены: шесть элементов отнюдь не по их воле выпадали из сферы деятельности химической науки.

В растерянности на первых порах оказался и сам Дмитрий Иванович Менделеев. Поначалу он даже высказал «спасительную» мысль. Нет, аргон вовсе не новый элемент. Это очень своеобразное соединение азота, молекула которого состоит из трех атомов, N3. Подобно тому как наряду с кислородной молекулой O2 известна молекула озона O3.