Занимательная геохимия. Химия земли: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Постоянно соприкасаясь с окружающими нас телами природы, живыми и мертвыми, твердыми, жидкими и газообразными, человек пришел к одному из важнейших своих обобщений: к понятию о веществе, о материи. Каковы свойства этой материи, каково ее строение? Этот вопрос, который должен поставить перед собой всякий изучающий природу.

И первый ответ, который дает нам непосредственное ощущение, — это видимая непрерывность вещества. Но это впечатление — обман наших чувств. Пользуясь микроскопом, мы часто открываем в веществе пористость, то есть наличие мелких пустот, не видимых невооруженным глазом.

Но и для таких веществ, в которых, казалось бы, принципиально не может быть пор, как вода, спирт и другие жидкости, а также для газов мы должны признать наличие промежутков между частицами вещества, иначе нам нельзя было бы понять, почему вещества могут сжиматься при давлении, почему они могут расширяться при нагревании.

Всякая материя зерниста. Самые малые зернышки вещества получили название атомов или молекул. Удалось измерить, например, что у воды сами молекулы занимают всего лишь около трети или четверти пространства. Остальное приходится на поры.

Сейчас мы знаем, что при сближении атомов возникают силы отталкивания и атомы не могут слиться друг с другом. Около каждого атома можно описать «сферу непроницаемости», за которую при обычных химических реакциях не может проникнуть другая материя. Поэтому атомы вместе с этой сферой можно рассматривать как упругие шарики, непроницаемые друг для друга. Каждый элемент имеет сферу непроницаемости, радиус которой выражается в ангстремах. Меньше всего этот радиус у углерода — 0,18 ангстрема и у кремния — 0,41 ангстрема, радиус у железа — 0,67 и 0,79, у кальция — 1,01, у кислорода радиус сферы непроницаемости большой — 1,32 ангстрема (см. рисунок на странице 27, где элементы изображены в виде кружков, пропорциональных размерам радиусов их сфер).

Но если мы будем укладывать шары в какой-либо ящик, то беспорядочно расположенные шары займут больше места, чем при правильной укладке. Та из укладок, которая займет наименьший объем, называется плотнейшей упаковкой. Ее легко получить, например, при таком опыте: взяв несколько десятков стальных шариков (от шарикоподшипника), положить их на блюдечко и легко постукивать. Благодаря тому что все шарики будут стремиться к центру блюдечка, они будут теснить друг друга и скоро расположатся рядами, образующими между собой угол в 60°. Снаружи они расположатся по сторонам правильного шестиугольника. Это и будет плотнейшая упаковка шаров одного размера на плоскости[5].

Так уложены, например, атомы многих металлов — меди, золота и других.

Если шары неодинаковые, например двух резко различающихся размеров, то часто случается, что шары большего размера (например, хлор — у кристаллов поваренной соли) дают плотнейшую упаковку, а меньший атом располагается в промежутках между крупными шарами.

Таким образом, у поваренной соли, или минерала галита — NaCl, один атом натрия окружен с шести сторон атомами хлора, а каждый атом хлора окружен с шести сторон атомами натрия. При этих условиях силы притяжения между ионами натрия и хлора оказываются наибольшими.

Модель структуры каменной соли — NaCl. Атомы показаны в виде шаров (Na — черные, Cl — серые)

Итак, окружающие нас тела, независимо от степени их сложности, состоят из сочетания отдельных мельчайших, невидимых простым глазом частиц, или атомов, наподобие того, как большое красивое здание бывает построено из отдельных небольших кирпичей.

Мысль об этом зародилась в глубокой древности, и понятие «атом» (по-гречески — «неделимый») мы встречаем еще у греческих философов-материалистов Левкиппа и Демокрита за шестьсот — четыреста лет до нашей эры. По современным представлениям, начало которым было положено еще в девятнадцатом столетии, химический элемент в свободном состоянии в форме простого тела состоит из совокупности однородных атомов, далее не делимых без потери химических качеств и особенностей, присущих данному элементу.

В настоящее время ученым известно 100 различных элементов, а значит, и 100 видов различных атомов[6].

Из сочетаний этих 100 видов атомов построены все известные нам тела природы (в том числе и искусственно созданные соединения двенадцати элементов, не существующих в природе).

Атомы одного и того же элемента, так же как и атомы различных элементов, сочетаясь друг с другом по два и более, могут образовывать молекулы различных веществ. Атомы и молекулы, соединяясь друг с другом, строят все многообразие природных тел. Разнообразие комбинаций атомов не так уж значительно, так как только некоторые обладают устойчивостью, но размеры их незначительны, поэтому число атомов и молекул очень велико. Например, если взять 18 граммов воды, так называемую грамм-молекулу, то в этом количестве воды будет содержаться 6.02 × 10²³ молекул воды.

Число это колоссально, оно во много тысяч раз больше, чем число зерен ржи и пшеницы, выросших на земном шаре за все время существования растительной жизни.

Для того чтобы составить себе представление о размере молекулы, сравним ее с самым мельчайшим из живых организмов — бактерией, видимой лишь в микроскоп при увеличении около тысячи раз. Размер самых маленьких бактерий равен двум десятитысячным долям миллиметра. Это в тысячу раз больше размера молекулы воды, а в самой маленькой бактерии содержится более двух миллиардов атомов, то есть больше, чем живет людей на земном шаре.

Цепочка из молекул воды, содержащихся в 1 см³, могла бы более тридцати раз протянуться от Земли до Солнца и обратно, так как ее длина равна 9 400 000 000 км.

Первоначально атом представляли себе в форме мельчайшей, далее не делимой частицы, однако при более близком изучении, по мере усовершенствования и уточнения наших методов исследования сам атом оказался весьма сложным образованием. Природа атома впервые проявилась наглядно, когда люди познакомились с явлениями радиоактивности и стали их изучать.

Структура атома и порядковый номер элемента. Строение атомов натрия и криптона

Оказалось, что атом каждого химического элемента, несмотря на свои ничтожные размеры (поперечник его равен одной стомиллионной части сантиметра), представляет собою весьма сложное образование, построенное наподобие нашей солнечной системы.

Атом состоит из ядра (поперечник его в сто тысяч раз меньше, чем поперечник атома, и меньше одной триллионной части сантиметра), в котором сосредоточена практически вся масса атома.

Ядро атома несет положительный электрический заряд. Количество положительных частиц в ядре возрастает по мере перехода от атомов легких химических элементов к тяжелым и численно равно порядковому номеру клетки периодической таблицы, которую занимает элемент.

Вокруг ядра на различных расстояниях вращаются электроны. Число электронов равно числу положительных зарядов ядра, так что атом в целом есть образование электрически нейтральное.

Ядра атомов всех химических элементов построены из двух простейших частиц — протона, или ядра атома водорода, и нейтрона.

Протон имеет массу, почти равную массе атома водорода, и несет один положительный заряд. Нейтрон — материальная частица, имеющая такую же массу, как протон, но лишенная какого-либо электрического заряда.

Протоны и нейтроны в ядрах атомов сцеплены настолько прочно, что при всех химических реакциях ядра атомов совершенно устойчивы и остаются неизменными.

Химические свойства элементов зависят от строения и свойств наружной электронной оболочки атомов, от способности их отдавать или присоединять электроны. Строение же ядра атома на химических свойствах атома почти не сказывается. Поэтому атомы, обладающие одним и тем же числом наружных электронов, даже если структура ядер, масса их или атомный вес различны, обладают близкими химическими свойствами и образуют родственные группы атомов, как, например, хлор, бром, йод и тому подобные группы.

[5] Строго говоря, проблема плотнейших упаковок в 3D, особенно для шаров различных размеров, не решена. Это достойная задача для молодых умов! — Науч. ред.

[6] На сегодня известно 118 химических элементов, из них 94 обнаружены в природе, 24 получены искусственно в ядерных реакциях. Не все они официально признаны Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC). Для этого нужны независимые подтверждения несколькими признанными лабораториями. — Науч. ред.