Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Еще совсем недавно, в 1997 году, между США, Россией и Германией шла ожесточенная борьба из-за названий элементов со 104-го по 109-й. В 2002 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) дал рекомендации касательно того, как следует называть элементы. Сейчас эти рекомендации соблюдаются, но иногда может пройти около десяти лет, прежде чем новому элементу дадут официальные название.

Определить химический символ каждого элемента было намного проще, так как обычно это аббревиатура названия: Н – это водород, а С – углерод. Но символы некоторых элементов не так очевидны. Например, химический символ железа – Fe – происходит от латинского ferrum. Сюда же можно отнести W – вольфрам (tungsten) и Hg – hydrargyrum (ртуть).

Когда каждому элементу присвоены имя и символ, вычисляется его атомный номер (или зарядовое число). Он равен количеству протонов в ядре. Водород имеет первый атомный номер, и это означает, что в его ядре один протон. На данный момент самым большим порядковым номером является 118. Элемент под именем оганесон (Og), в его ядре, как можно догадаться, 118 протонов. А это означает, что оганесон должен иметь 118 электронов снаружи ядра. Дело в том, что атомный номер указывает не только на количество протонов в ядре, но также и на количество электронов вне ядра. Важно помнить, что все элементы по сути являются нейтральными. Следовательно, количество протонов внутри ядра равно количеству электронов снаружи. Если бы мы посмотрели на атомный номер водорода – 1, – то поняли бы, что у него один протон и один электрон. Немного подробнее: протон внутри имеет положительный (+1) заряд, который нейтрализует электрон с отрицательным (–1) зарядом, делая элемент нейтральными. То же самое и с оганесоном: (118) + (–118) = 0.

К сожалению, с нейтронами не все так просто. Число нейтронов колеблется от атома к атому, даже если это атомы одного и того же элемента. Поэтому химики решили добавить еще одно число в периодическую таблицу – атомная масса. Это сумма протонов и нейтронов внутри ядра элемента. В отличие от атомного номера, атомная масса редко является целым числом. Дело в том, что ученые используют средневзвешенное количество нейтронов в атоме, а затем добавляют его к сумме протонов. Так и определяется атомная масса элемента.

Как правило, в отдельных атомах поддерживается соотношение протонов и нейтронов, равное 1 к 1. Это означает, что мы сможем узнать атомную массу, если удвоим атомный номер. Например, атомный номер магния – 12, а его атомная масса – 24,31 (12 протонов и средневзвешенное количество нейтронов, равное 12,31). Атомный номер кальция – 20, а его атомная масса 40,08 (20 протонов и средневзвешенное количество нейтронов, равное 20,08).

Но из каждого правила есть исключения. Например, порядковый номер урана – 92, поэтому ожидается, что его атомная масса будет составлять 184. Однако она составляет 238,03 из-за изотопов урана, в которых содержится различное количество нейтронов. Большинство атомов, подобных урану, имеют несколько изотопов. Изотоп возникает в том случае, если два или более атома одного элемента имеют различное количество нейтронов. Мы не выделяем «лучшие» изотопы; мы собираем все атомы и вычисляем среднее количество нейтронов. Затем это число используется в подсчете атомной массы. Уран называется уран-238. Магний и кальций – магний-24 и кальций-40 соответственно.

Обычно я говорю, что изотопы – это атомы со своим характером. Они образуются, когда два или больше атома одного элемента имеют разное количество нейтронов. Изотопы хорошо распространены, однако в школе мы не уделяем достаточно времени на их изучение, так как нейтроны нейтральны. Соответственно они не влияют на поведение атома в химической реакции. (Вместо этого мы сосредотачиваемся на том, что влияет на поведение атома: протонах и электронах.)

Как я уже говорила, ученые охарактеризовали каждый открытый электрон. И знаете, я считаю, что это круто. Как и Lady Gaga, изотопы были «рождены такими» и совершенно спокойно существуют с парой лишних нейтронов.

Прекрасный пример – углерод. Большинство атомов углерода имеют шесть нейтронов и шесть протонов. Однако у некоторых их семь или восемь. Лишние нейтроны никак не влияют на свойства атомов углерода, однако это делает их всех изотопами.

Это можно сравнить с собаками. Представьте двух далматинцев: они выглядят одинаково, но у одного на несколько пятен больше. Две собаки практически одинаковые, и эти несколько «лишних» пятен не означают, что одна из них больше не далматинец. Точно так же работают изотопы: дополнительные нейтроны не меняют атом, элемент или реактивную способность. Это просто дополнительное определение.

Когда ученые определились с химическим названием, символом, атомным номером и атомной массой для каждого из элементов системы, они решили организовать вещества таким образом, чтобы можно было предугадать их химическую активность. Ученым было важно знать, что при реакции между двумя элементами не случится взрыва или выделения ядовитых газов. Лучший способ сделать это – найти между атомами что-то общее, сгруппировать их по физическим и химическим свойствам. Было сделано несколько попыток. Немецкий химик Иоганн Дёберейнер хотел распределить все элементы в группы по три, он заметил, что большие атомы чаще склонны к взрыванию. Вскоре другой немецкий химик, Питер Кремер, попытался объединить две триады, чтобы образовалась Т-образная фигура. Проблема заключалась в том, что при подобном раскладе ученым пришлось бы проверять множество триад, что сильно осложнило бы сравнение одной группы с другой.

Однако было двое ученых, работавших отдельно, – Дмитрий Менделеев и Лотар Мейер, – которые решили, что можно расставить все химические элементы в одной таблице в зависимости от их атомной массы. Они собрали все Т-образные триады Кремера – словно головоломку – и получили первую таблицу химических элементов.

Уникальность периодической таблицы Менделеева заключается в том, что в ней были два «новых» элемента. Составляя таблицу, химик заметил, что между атомными массами элементов существует закономерность, и понял, что ему нужно оставить место для еще двух элементов, которые только предстоит открыть. Пример: предположим, что учитель математики предложил вам определить пропущенное число в ряде: 2, 4, 8, 10. Надеюсь, вы понимаете, что отсутствует число 6 и что полный ряд должен выглядеть так: 2, 4, 6, 8, 10.

В принципе, Менделеев сделал то же самое. Были группы атомов с одинаковым числом валентных электронов, но структура атомных масс отличалась. Менделеев предположил не только то, что нам предстоит открыть новые элементы, но и то, какой атомной массой они будут обладать. И, как и множество ученых, о которых я уже говорила, Менделеев оказался прав. Галлий (Ga) и германий (Ge) были открыты в 1875 и 1886 годах соответственно, и вот тогда труд Менделеева по-настоящему оценили.

Современная периодическая таблица основана на периодической таблице, созданной Менделеевым. Она состоит из семи периодов и восемнадцати групп. Каждая ячейка – это отдельный элемент; в ячейке пишется основная информация об элементе: химический символ, химическое название, атомный номер, атомная масса. Имея всю информацию под рукой, химики вроде меня и вас могут с легкостью определить количество протонов, электронов и валентных электронов того или иного атома.

Периодическая таблица очень важна для ученых: она может дать много информации об элементах, из которых состоит вся материя этого мира. Важна настолько, что в прошлом году мой университет отпраздновал 150-летие таблицы Менделеева и по этому поводу устроил вечеринку. Там была таблица, выложенная из кексов, я продемонстрировала несколько опытов, декан нашего университета произнес прекрасную речь. Это была самая «ботанская» вечеринка в моей жизни, и знаете, она мне очень понравилась!

В книге есть таблица Менделеева, однако если вам удобнее работать с электронной версией, то я настоятельно рекомендую сайт ptable.com. Я еще буду обращаться к периодической таблице, поэтому мне важно убедиться, что вы знаете, как правильно ею пользоваться. Я буду ссылаться на таблицу в разделе, посвященном здоровью и благополучию. Также она нам понадобится, когда мы будем определять влияние химии на повседневную жизнь. Нам важно знать положение элементов в системе: чем быстрее мы найдем необходимый нам элемент, тем быстрее сможем работать. Понимание периодической таблицы позволит понять, почему вы должны постоянно пользоваться одной и той же маркой шампуня и кондиционера для волос, а также почему ваши торты выглядят совсем не так, как в шоу «Лучший пекарь Британии».

Давайте рассмотрим один пример. Откройте периодическую таблицу и найдите ячейку с химическим символом водорода H в верхней левой части. Если вы посмотрите в верхний левый угол ячейки H, то увидите там число 1. Это атомный номер элемента, и он всегда стоит именно там. В нижней части вы видите число 1,008 – это атомная масса.

Вы можете заметить, что водород располагается в начале столбца. Столбцы называются группами или семействами, а номер группы указывает на количество валентных электронов каждого из элементов. (Помните, что валентные электроны располагаются на внешней оболочке, как наша крутка.)

Если вы хотите казаться настоящим химиком, то вычтите число 10 из номеров столбцов периодической таблицы. Большинство ученых ссылаются на группы 3, 4, 5, 6, 7 и 8 вместо столбцов 13, 14, 15, 16, 17 и 18 соответственно. Дело в том, что номер группы обозначает количество валентных электронов. Мы не используем это «правило» для столбцов 3–12, так как с элементами этих групп закономерность не всегда работает. Для столбцов 13–18 мы используем сокращенную запись, так как количество валентных электронов позволяет нам предсказать, как тот или иной атом будет вести себя в разных средах.

Например, водород стоит в первом столбце, значит, у него может быть только один валентный электрон. Точно такая же ситуация с литием, натрием и остальными элементами первой группы. Из этого мы можем сделать вывод, что все элементы первой группы будут вести себя одинаково в похожих средах и условиях. Важно отметить, что водород (и остальные элементы первой группы) любит отдавать свой электрон и становиться чрезвычайно реакционноспособным. Почему?

Логично предположить, что элемент с одним валентным электроном сделает все, чтобы сохранить этот электрон. Однако на самом деле ситуация обратная. Электрон отталкивается от ядра. Очень странно, правда?

Давайте рассмотрим это подробнее. Мы знаем, что ядро (ваша печень и почки) имеет положительный заряд; электроны (кофта и куртка) будут притягиваться к положительно заряженному ядру. Но если к атому присоединяются еще несколько электронов, то появляется вероятность, что электроны будут отталкиваться от ядра. Другими словами, ваша кофта буде отталкивать куртку. Следовательно, ядро не будет пытаться удержать один или два валентных электрона, наоборот: внутренняя оболочка начнет отталкивать валентные электроны на внешней (или ваша кофта начнет отталкивать куртку).

Именно поэтому атомы с двумя электронами чрезвычайно реакционноспособные. Они стабильнее элементов с одним электронов, однако свои валентные электроны отдают так же легко. Бериллий, магний, кальций и стронций являются прекрасными примерами элементов с двумя валентными электронами. Их электроны отталкиваются от ядра точно так же, как и электроны первой группы.

Углерод и кремний располагаются в четвертом столбце, так что у них по четыре валентных электрона. Следовательно, в одной и той же среде эти два элемента будут вести себя похоже. Так как химики уже знают, что углерод и кремний являются стабильными элементами, мы думаем, что любой элемент четвертой группы будет также стабилен – например, как германий, олово или свинец.

Менделеев оказался прав, когда думал, что будущие химики захотят предсказать, как элементы будут взаимодействовать друг с другом. Именно поэтому он создал периодическую таблицу такой, какой мы ее видим сейчас, – основанной на атомных массах и валентных электронах элементов. (Это также объясняет и то, почему форма таблицы напоминает чашу, а не прямоугольник. Свободное пространство в верхней части позволяет расположить элементы в соответствии с их физическими и химическими свойствами.)

Если вы будете двигаться вниз по столбцу периодической таблицы, то обнаружите, что атомы становятся все больше. По правде говоря, самые крупные атомы располагаются в нижнем левом углу, а самые маленькие – в верхнем правом.

Каждая строка – или период (отсюда и название таблицы) – это дополнительный «слой» электронов для определенного атома. По мере того, как вы перемещаетесь по строке (слева направо), атомы будут становиться все меньше и меньше. Кажется странным, да? Как гелий может быть меньше водорода?

По мере продвижения вправо каждый элемент получает дополнительный протон и электрон. Это означает, что положительный заряд увеличивается всякий раз, когда увеличивается атомный номер элемента. Чем больше положительный заряд, тем сильнее к ядру притягиваются валентные электроны.

Например, атомная масса водорода составляет +1. Так как он располагается в первой группе, то имеет один валентный электрон. Следовательно, заряд +1 ядра притягивается к заряду –1 электрона.