Путешествие в Страну элементов: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Так мы выяснили разницу между металлами и неметаллами с точки зрения строения атома.

Металлы могут только отдавать свои валентные электроны; неметаллы, как правило, принимают их. Из сказанного само собой напрашивается вывод, что количество металлов и неметаллов в периодической системе должно быть приблизительно одинаково. Но не тут-то было! Оказывается, неметаллов в периодической системе очень мало. Они занимают только несколько клеточек в правом верхнем углу системы, а все остальные заполнены типичными металлами!

Все обстояло благополучно, пока мы не выходили за рамки первых трех периодов таблицы Менделеева. Но вот началось заполнение четвертого периода. Калий — один электрон на внешней, четвертой орбите, кальций — два электрона, скандий — два электрона. Титан и ванадий — опять по два. В чем дело? Почему, как только на внешней орбите размещаются два электрона, последующее заполнение четвертой орбиты прекращается, а каждый новый электрон размещается на внутренней, третьей орбите? Почему вообще с таким опозданием начинает заполняться третья орбита максимально возможным для нее числом электронов?

По-видимому, мешало сильное взаимное отталкивание одноименно заряженных электронов. Это привело к тому, что они начали образовывать новую орбиту дальше от ядра, вместо того чтобы «достраивать» старую. Но вот на новой орбите разместилась чрезвычайно устойчивая конфигурация из двух электронов. Настолько устойчивая, что вновь появляющимся электронам стало энергетически выгоднее «достраивать» внутреннюю, третью орбиту, тем более что такой «застройке» стал помогать увеличившийся положительный заряд ядра атома.

Впрочем, электроны внешней орбиты не совсем игнорируют пришельцев. Титан, например, несмотря на то, что имеет на внешней орбите всего два электрона, в химических реакциях проявляет валентность 4+ (как этого и требует номер группы). Недостающие два электрона он просто берет «взаймы» с третьей орбиты. Ванадию, поскольку он расположен в пятой группе, приходится «занимать» уже три электрона и т. д. Подобная картина наблюдается во всех четных рядах. У всех элементов четных рядов на внешней орбите имеется по два электрона, а это, как мы видели, признак металличности.

Но что же происходит после того, как внутренняя орбита полностью заполнена? В четвертом периоде это наступает у меди и цинка. Ну, тут уж делать нечего, и нашим двум электронам приходится потесниться. У следующего за цинком металла галлия на внешней орбите три электрона, у германия — четыре. А расположенные за германием мышьяк, селен и бром уже оказываются типичными неметаллами, то есть появляется закономерность изменения свойств такая же, как и в предыдущих (малых) периодах. Так образовался первый большой период. В дальнейшем, при заполнении следующих больших периодов, картина будет повторяться. С той лишь разницей, что в шестом периоде, после того как у бария появятся два электрона на внешней орбите, дальнейшее заполнение пойдет следующим образом. У лантана один электрон разместится на предыдущей, пятой орбите, а у лантаноидов начнется заполнение глубоко лежащей четвертой орбиты.

Вот, оказывается, в чем причина поразительного сходства этих элементов. В самом деле, единственный электрон с пятой орбиты «взять взаймы» нетрудно, но попробуйте добраться до четвертой орбиты! Поэтому и приходится ждать, пока она не будет заполнена целиком, а до тех пор довольствоваться лишь тремя электронами. Вот так и случилось, что целых четырнадцать элементов проявляют одну валентность 3+ и потому похожи друг на друга по своим химическим свойствам, как близнецы.

Но химическое сходство или различие элементов зависит не только от строения электронных орбит, но и от их числа. Ведь с каждой новой орбитой, с каждым новым периодом атом увеличивается в размерах. В результате электроны последних орбит уже так далеко расположены от притягивающего их ядра, что им ничего не стоит покинуть атом при самом незначительном воздействии. Вот почему самые металличные металлы, цезий и франций, расположены в левом нижнем углу периодической системы, а самый неметалличный неметалл, фтор, — наоборот, в правом верхнем. Лантаноиды еще и потому так похожи друг на друга, что заполнение электронами глубоко лежащей внутренней орбиты сопровождается не увеличением размеров атомов, а незначительным уменьшением за счет возросшего положительного заряда ядра. Более того, в результате такого «лантаноидного сжатия» следующие за ними элементы гафний и тантал имеют в точности такие же размеры атомов, как и их аналоги цирконий и ниобий, и потому цирконий особенно похож по своим свойствам на гафний, а ниобий — на тантал.

И, наконец, несколько слов о положении в системе водорода. Помещая водород в первую группу, мы должны отчетливо представлять себе, что делаем это лишь по единственному признаку — один электрон на орбите. Но ведь водород может проявлять валентность и 1–, то есть, подобно галогенам, он может принимать на свою орбиту один электрон, становясь отрицательно заряженным. Известен целый класс подобных соединений. Они называются гидридами. Например, гидрид кальция CaH₂, гидрид лития LiH. По этому признаку водород с полным правом можно поместить и в седьмую группу.

Можем ли мы сказать, что в наши дни периодическая система целиком и полностью безупречна? Пожалуй, все-таки нет. Взять хотя бы те же лантаноиды. То, что их помещают всего лишь в одну клетку лантана, оправдано с точки зрения теории строения электронных оболочек. Но тем самым в «короткую» форму таблицы Менделеева (которая изображена и на нашей цветной вкладке) вносится некоторый элемент искусственности. Далеко не все ясно и с положением трансурановых элементов. Этот вопрос сейчас вызывает очень много споров. Одни ученые полагают, что в седьмом периоде нужно выделить семейство актиноидов, аналогичное лантаноидам, и поместить торий, протактиний, уран и 11 трансурановых элементов (общим числом 14, как в случае лантаноидов) в клетку актиния (это показано на вкладке). Другие исследователи считают разумным выделить семейства уранидов и кюридов, оставив торий, протактиний и уран на прежних местах. Словом, ясности пока маловато. Ее внесет будущее.

Безусловно, многое еще ожидает впереди периодическую систему. Трудно гадать, какие еще дополнения и уточнения будут в нее внесены. Нельзя лишь сомневаться в том, что «будущее не разрушение периодическому закону, а развитие и расширение обещает». Так говорил Менделеев. Его слова многократно подтверждались и будут подтверждаться в ходе развития науки.

Металлы легче воды

Можно ли металл резать ножом? И даже костяным, которым обычно разрезают страницы книг? Мять пальцами, как воск? Расплавить теплом руки? И, наконец, может ли металл плавать в воде?

С первого взгляда вопросы эти кажутся несколько странными: в повседневной жизни мы привыкли иметь дело с твердыми, тугоплавкими металлами… И тем не менее существуют металлы мягкие, как воск, не тонущие в воде, плавящиеся от тепла руки. И более того, с точки зрения химических свойств они являются типичными: очень легко образуют катионы. При взаимодействии с водой они дают сильные щелочи; потому-то их и называют щелочными. Это литий, натрий, калий, рубидий и цезий.

Если вынуть кусочек щелочного металла из банки с керосином, где их обычно хранят, и разрезать ножом, то можно увидеть, что срез имеет серебристо-белый оттенок. Но стоит кусочку совсем немного побыть на воздухе, как срез темнеет и теряет свой блеск: металл взаимодействует с влагой воздуха — образуется пленка гидроокиси. Она поглощает углекислый газ воздуха и превращается в карбонат. Щелочные металлы очень активны. Потому их хранят в керосине. Если же бросить в воду маленький кусочек, например, натрия, он превратится в сверкающий шарик и, как паук-серебрянка, забегает по поверхности воды с потрескиванием и вспышками, подталкиваемый пузырьками образующегося водорода. Выделяется много тепла. Большее количество металла может вызвать воспламенение водорода и даже взрыв.

Необычная активность щелочных металлов объясняется слабой связью единственного внешнего электрона с атомом.

Три щелочных элемента — литий, натрий и калий — не тонут в воде. Удельный вес лития равен 0,534, он почти в два раза легче воды и в 40 раз легче осмия — самого тяжелого металла.

Космический корабль преодолел земное притяжение. Мощные двигатели уже не нужны. Они требуют слишком много горючего. Что же заменит их в космосе? Ионный двигатель. Он очень прост. Вот его схема. Мощные солнечные батареи раскаляют пластины вольфрама. На них подается самый легкоплавкий и самый активный щелочной металл цезий.

Под действием тепла, излучаемого вольфрамом, цезий ионизируется. Образовавшееся ионное облако разгоняется в электростатическом поле при напряжении порядка 10 100 вольт. Со скоростью 12 миллионов сантиметров в секунду ионы цезия вылетают из сопла ракеты. Образуется необычайно мощная удельная тяга в 12 000 кг·сек/кг[3], но масса ионного луча очень мала, общая тяга двигателя, сообщают американцы, не превышает одного килограмма.

Однако в космосе и такой двигатель сообщит современному планетолету высокую скорость. Отметим: в ионном двигателе цезий не топливо, он лишь переносчик энергии солнца, подобно пару, переносчику энергии сжигаемого угля.

Ионный пар окажет огромную услугу людям и на Земле. В будущем плазменные генераторы вытеснят современные паровые котлы, турбины, генераторы и конденсаторы, такие привычные и вместе с тем, что греха таить, очень неудобные, громоздкие и неэкономичные переводчики тепла в электричество.

Принцип работы плазменных генераторов сравнительно прост. Из сопла газовой турбины со сверхзвуковой скоростью, с оглушающим ревом вырывается нагретый до 3000 °C поток ионизированного газа. По выходе из сопла его стережет сильное магнитное поле. Но, как известно, газы очень слабо ионизируются даже при такой высокой температуре. Их электропроводность несравнима с электропроводностью металла. Чтобы значительно повысить электропроводность газа, необходимо ввести в поток заряженные частицы.

И снова на помощь приходят активные, легкоионизирующиеся щелочные металлы. Цезий (рубидий, калий) впрыскивают в газовый поток.

Для получения электрического тока надо пересечь магнитное поле металлическим проводником: здесь роль металла выполняет электропроводящий газовый поток.

В плазменном генераторе тепло нагретого газа непосредственно переходит в электричество. Его коэффициент полезного действия равен 50–60 процентам, то есть в два раза больше, чем у обыкновенных генераторов тока: паровых котлов, турбин, электрогенераторов и т. д.

Щелочные металлы связали свою судьбу с космосом. В этом 2 января 1959 года убедилось все человечество.

В морозную зимнюю ночь в назначенное время от невидимой ракеты, мчащейся к Луне, отделилось желтое пятнышко — облако паров атомарного натрия. Во вселенной появилась первая искусственная комета. С ее помощью определили точные координаты ракеты в момент выброса натриевого облака. Образованное на расстоянии 113 тысяч километров от Земли, оно обладало яркостью звезды шестой величины, звезды, заметной невооруженному человеческому глазу.

Для создания искусственных комет можно использовать все щелочные металлы. Все они легко испаряются и ярко светятся. Каждый элемент таблицы Менделеева светится по-своему, обладает своим, только ему присущим спектром.

Натрий окрашивает пламя в ярко-желтый цвет: киньте щепотку поваренной соли на пламя газовой горелки, и вы в этом легко убедитесь.

В космосе атомы натрия рассеивают желтую часть солнечного спектра, поглощая все остальные. Получается желтая комета, очень яркая. Общее количество света от кометы, на образование которой потребовался один килограмм натрия, такое же, как от электрического прожектора мощностью в 70 тысяч киловатт.

[3] Удельной называется тяга, которая приходится на каждый килограмм израсходованного в одну секунду топлива.