Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Сегодня мы знаем около 110 элементов, и щели в корпусе таблицы отсутствуют. Мы знаем это потому, что атомные номера последовательно и без пропусков пробегают ряд от 1 до 110. Имеются спорадические сообщения об открытии элементов до номера 114, но они появляются и исчезают, и номер 113 все еще не появился. Это бесполезный «академический» конец периодической таблицы, и тот факт, что он с краю немного потрепан, не имеет большого практического значения.
Современная форма периодической таблицы показана на рис. 5.10. Как мы можем видеть, он повернут на 90° по сравнению с картинкой Менделеева, но основные черты его схемы легко узнать. Вертикальные колонки называются группами, а горизонтальные ряды называются периодами.
Рис. 5.10. Современная форма периодической таблицы. Я показал только некоторые элементы, т.е. которые, насколько я могу судить, достаточно хорошо известны, или стоящие во главе своих групп (K это калий, Na — натрий, Fe — железо, Pb — свинец, Sn — олово: химики время от времени залезают в латынь). Пронумерованные вертикальные колонки называются группами, а горизонтальные ряды назывался периодами. Водород (несколько идиосинкразически, но, на мой взгляд, разумно) поставлен во главе всей таблицы и не приписан ни к какой группе. Светло-серым отмечены металлы, темно-серым неметаллы, а просто серым — металлоиды, элементы, по своим свойствам застрявшие между металлами и неметаллами. Двухрядный блок элементов внизу таблицы следовало бы вставить в указанное место, но это сделало бы таблицу слишком нескладной. Таблица постепенно растет, по мере того как создаются новые элементы.
Октавы Ньюлэндса еще слышны в периодах 2 и 3, а триады Доберейнера разбросаны там и тут. Вертикальные группы содержат элементы, имеющие значительные подобия, так же как и все типы соединений, которые они образуют, и демонстрируют систематические изменения от верхнего к нижнему краю. Элементы в горизонтальных периодах демонстрируют плавное изменение при перемещении слева направо. Например, металлы оказываются в левом конце периода, а неметаллы на правом. Элементы в длинной тонкой центральной секции, такие как железо (Fe) и платина (Pt), являются переходными металлами, поскольку они представляют переход между очень реактивными металлами, такими как натрий (Na) или кальций (Ca) в левой части таблицы, и много менее реактивными металлами, такими как олово (Sn) или свинец (Pb) справа. Очень тонкая секция из двадцати восьми элементов, помещенная ниже основной части, состоит из внутренних переходных металлов. Эту полосу следовало бы, на самом деле, вставить в основную таблицу, но это сделало бы таблицу слишком длинной и тонкой для того, чтобы напечатать ее приемлемым образом. Внутренние переходные металлы все очень похожи по своим химическим свойствам и находились среди элементов, выделенных и идентифицированных в самую последнюю очередь. Самая нижняя линия, следующая за ураном (U), фактически состоит только из элементов, полученных искусственно.
Периодическая таблица все еще растет. Ученые используют ускорители частиц, чтобы швырять ядра одного элемента в ядра других элементов, в надежде, что два ядра сольются и образуют ядро еще неизвестного элемента. Так был получен элемент 112 (еще не имеющий названия). Однако такие ядра очень неустойчивы, и жизнь нескольких атомов, сделанных таким способом, была весьма быстротечной.
Я надеюсь, что теперь вы получили возможность понять, почему химики считают периодическую таблицу своей единственной самой главной концепцией. Она суммирует свойства элементов — изменение их физических свойств, таких как плотность, изменение свойств атомов, таких как их диаметры, и изменение их химических свойств, таких как число и тип связей, которые они образуют с другими атомами (рис. 5.11). Просто взглянув на нее, мы можем узнать, имеет ли элемент характерные свойства металла (железо), неметалла (сера) или чего-то промежуточного (кремний). Мы можем предвидеть химические свойства элемента, замечая свойства его соседей и думая о тенденциях, ожидаемых при движении вниз по группе или вдоль по периоду. Говоря коротко, периодическая таблица — это в высшей степени сжатое и полезное резюме свойств элементов, обладающее значительной предсказательной силой. Мы проделали долгий путь от первоначальной периодической таблицы, содержавшей землю, воздух, огонь и воду в обыкновенном квадрате!
Рис. 5.11. Периодичность свойств элементов иллюстрируется диаграммой, которая показывает диаметры атомов. Наименьшие атомы расположены ближе к верхнему правому углу. Наибольшие атомы расположены ближе к нижнему левому углу. Детали распределения хорошо понятны. Размер атомов является важным критерием для определения физических свойств (таких, как плотность) и химических свойств (таких, как число связей, которые может сформировать атом) элемента.
Менделеев составил свою таблицу эмпирически. Он ничего не знал о структуре атомов и не мог предложить внутреннего концептуального основания для своей таблицы. У нас необходимое понимание есть. Мы теперь знаем, что периодическая таблица есть отображение ритмов заполнения энергетических уровней в атомах (рис. 5.7).
Образ источника периодичности промелькнул перед нами ранее в этой главе, когда мы заметили подобие между гелием и неоном, с одной стороны, и литием и натрием, с другой, и обнаружили, что электронные структуры их атомов аналогичны: гелий и неон имеют атомы с заполненными оболочками, а в атомах лития и натрия одиночный электрон занимает s-орбиталь вне заполненных оболочек. Этот образ лежит в основании всей таблицы. Так, если переходить от атома к атому по пути возрастания атомного номера, то с каждым шагом атомный номер возрастает на единицу и потому возрастает число электронов, необходимых для компенсации заряда ядра. Каждый добавляющийся электрон занимает следующую допустимую атомную орбиталь, подчиняясь принципу запрета Паули, согласно которому одну орбиталь могут занять не более чем два электрона.
Эта последовательность соответствует внешнему виду периодической таблицы. Так, у атомов элементов из групп 1 и 2 (группы, содержащие, например, натрий и магний) s-орбиталь занята. На s-орбитали может находиться до двух электронов, что соответствует двум группам в этой части таблицы: в группе 1 на орбитали находится один электрон, а в группе 2 — два электрона. В правой стороне таблицы имеется блок из шести групп: в этих элементах электроны находятся в процессе заполнения трех p-орбиталей соответствующих оболочек атомов. На этих орбиталях может находиться до шести электронов: элементы группы 13 (такие, как бор, B) имеют один такой электрон, элементы группы 14 (такие, как углерод, C) — два, и так далее, до заполненных орбиталей в группе 18, состоящей из почти полностью инертных, так называемых благородных газов. Узкая полоса в середине таблицы, переходные металлы, состоят из элементов, в которых заполняются d-орбитали соответствующих оболочек: пять d-орбиталей могут вместить до десяти электронов, что в точности соответствует десяти элементам в каждом ряду этого блока групп. Внутренние переходные элементы являются элементами заполняются f-орбитали. В каждой оболочке имеется семь f-орбиталей, что соответствует четырнадцати членам в каждом ряду этого блока.
Мы совершили полный круг. Химики девятнадцатого века разглядели родственные отношения между элементами. Полный перечень родственных связей — настолько, насколько элементы уже были открыты — был создан Менделеевым к концу века. Однако его конструкция носила эмпирический характер, и понимания того, почему элементы приходятся друг другу кузенами, в то время быть не могло. Как же могло случиться, что один сорт вещества является родственным другому? На этот вопрос удалось пролить свет, когда в начале двадцатого века стала понятна структура атомов. Как только в 1920-х гг. были обнаружены ядра и правила, управляющие размещением электронов, немедленно стало ясно, что периодическая таблица является отображением решений уравнения Шредингера. Таблица представляет собой математическую картину вещества. С помощью двух простых идей — что электроны самоорганизуются так, чтобы занять наиболее низкий из возможных уровень энергии, и что на любой данной орбитали не могут находиться более двух электронов — устройство вещества стало доступным для понимания. Химия есть сердце понимания вещества, а в самом сердце химии лежит главное, о чем она повествует, — атомы.
Глава шестая
Симметрия
Вычисление количества красоты
Хрисипп утверждает, что красота не в элементах, а в симметрии частей.[22]
