1. Пути электронов
Вспомните, как мал атом. Его нельзя увидеть даже при увеличении в 40–50 тысяч раз. И тем не менее физики проникли внутрь этой ничтожно малой частицы, узнали много подробностей о её строении.
И сколько изумительных остроумнейших опытов ставилось и ставится физиками нашего времени для выяснения природы атомов и молекул! Сколько делается сложнейших расчётов! Сколько высказывается догадок и предположений!
Обо всём этом не расскажешь просто и коротко. Ведь на помощь себе учёные XX века привлекают все достижения науки.
Поэтому мы лишь кратко расскажем здесь о некоторых успехах физики наших дней, связанных с вопросом строения вещества.
В результате многочисленных опытов и расчётов было твёрдо установлено, что электроны располагаются в атоме не на одном расстоянии от ядра, а как бы по слоям. При этом в каждом слое, в каждой электронной оболочке может находиться лишь определённое число электронов. Так, в первом, ближайшем к ядру атома, слое может располагаться только 2 электрона, во втором — не более 8 электронов, в третьем — до 18, в четвёртом слое могут разместиться целых 32 электрона и т. д.
Наиболее совершенное, законченное строение имеют те атомы, у которых целиком заполнены одна (два электрона), две (десять электронов), три (двадцать восемь электронов) и более оболочки. Таковы, например, атомы гелия, они имеют два электрона, то-есть одну полную оболочку, или атомы неона, имеющие десять электронов — две полные оболочки. У этих элементов очень трудно оторвать хотя бы один электрон — здесь силы взаимодействия между частичками таковы, что любой электрон вырвать из атома одинаково трудно. И в этом как раз и кроется причина того, что оба эти элемента — и гелий и неон — не вступают в химическое соединение с другими веществами. Недаром эти газы называются инертными, то-есть бездеятельными.
Наоборот, если мы возьмём третий элемент таблицы Менделеева — литий, то его атомная постройка оказывается уже не столь завершённой. Два электрона у него располагаются в первом электронном слое, а третий, как показывают расчёты, находится дальше от ядра атома — во втором слое. Но этот слой может вмещать в себя до 8 электронов, и таким образом второй слой оказывается как бы недостроенным. А это сказывается на свойствах лития. Электрон этого элемента, расположенный во втором слое, удерживается в атоме много слабее, нежели другие. Поэтому достаточно какого-либо химического воздействия на атом лития, чтобы он уже потерял свой третий электрон. Поэтому-то он и вступает так легко в различные химические соединения. Поэтому-то он и имеет ярко выраженные свойства металла. Ведь во всех металлах, как теперь установлено, имеется много «свободных» электронов, перемещающихся в любом куске металла среди его атомов.
«Родственником» лития является металл натрий. И у этого элемента, имеющего 11 электронов, такая же картина строения — он имеет два полных электронных слоя (10 электронов) и один, последний, электрон, расположенный в третьем слое. Положение последнего электрона здесь еще более неустойчиво, чем у третьего электрона лития. Ведь он располагается еще дальше от атомного ядра. Значит, он еще легче может быть оторван от своего атома. Вот почему натрий еще более активен при химических реакциях, чем литий.
Бериллий имеет уже два электрона (из своих четырёх) во втором слое, и эти электроны также держатся в нём не так прочно, как в атомах гелия и неона. Однако отнять их от атома уже труднее, чем у лития и натрия; этим и объясняется, почему бериллий менее химически активен, чем, скажем, натрий.
Так вместе с выяснением порядка расположения электронов в атомах был разгадан секрет физико-химических свойств различных элементов.
То, что электроны располагаются в атомах именно таким образом, как было сейчас рассказано, блестяще подтвердилось одним замечательным предсказанием.
В 1923 году был открыт один из последних остававшихся неоткрытыми элементов менделеевской таблицы — гафний (порядковый номер 72). Долгое время этот элемент искали в рудах его «родственника» — лантана. Поиски были тщетны. Но вот в 1922 году, рассчитав, как должны быть расположены в атомах этого неизвестного элемента электроны, учёные пришли к выводу, что он по расположению электронов более родственен цирконию, чем лантану. Значит, его нужно искать не в лантановых рудах, а в природных минералах, содержащих цирконий. И уже через год предсказанный элемент был найден в норвежской цирконовой руде!
После того как было выяснено расположение электронов в различных атомах, удалось установить, каким путём атомы соединяются в молекулы.
Вот как это происходит. Когда атомы соединяются в молекулы, то при этом в них изменяется движение некоторых электронов — как раз тех, которые наиболее удалены от ядра. Так, например, когда соединяются два атома кислорода и атом углерода в молекулу углекислого газа, то часть электронов углерода и кислорода перестаёт уже принадлежать одному атому — они охватывают теперь все ядра. Так образуется молекула (рис. 17).
Рис. 17. Схема образования молекулы углекислого газа.
А вот другой способ соединения атомов: атом натрия (11 электронов) имеет один «лишний» электрон (рис. 18).
Рис. 18. Схема образования молекулы поваренной соли.
Этот электрон только начинает «надстраивать» третью оболочку атома, и поэтому натрий без особого труда отдаёт его другим атомам. Наоборот, атом хлора (17 электронов) имеет в своей третьей оболочке семь электронов; эта оболочка уже достаточно прочная И вместо того, чтобы отдавать электроны из неё, атом хлора захватывает чужой электрон, необходимый для «достройки» своей оболочки. Поэтому как только атом натрия приближается к атому хлора, «лишний» электрон натрия переходит в электронную оболочку хлора. Атомы натрия и хлора становятся электрически заряженными — атом натрия становится положительно заряженным ионом, а атом хлора — отрицательно заряженным. Это сделал электрон-«перебежчик». Теперь оба атома-иона будут держаться вместе — ведь заряды их противоположны, и они притягиваются друг к другу.
Такими способами — как первым, так и вторым — и соединяются атомы. При этом замечено, что атомы в молекулах сложных веществ чаще имеют наружное электронное окружение, состоящее из восьми электронов. Это, как показывают исследования, наиболее устойчивое окружение.
Русский ученый М. Г. Павлов, о котором мы уже говорили ранее, первый предугадал, что происходит при объединении атомов в химическое соединение. Он писал, что «…при сем возбуждаются противуположные электричества. А поелику химическое соединение совершается между атомами, то между ними же должно быть и возбуждение противуположных электричеств, и в сем состоит взаимное атомов одного на другой действие».
Установлена физиками XX века и структура различных молекул. На рисунке 19 для примера показано строение молекул воды, углекислого газа и нафталина.
Рис. 19. Так соединяются атомы в молекулах воды, углекислого газа и нафталина.
Основоположником этой отрасли знания является А. М. Бутлеров, который еще в 50-х годах прошлого века разработал свою знаменитую теорию строения молекул органических веществ. Многие известные иностранные учёные того времени такие, как Жерар и Бертело, утверждали, что наука никогда не сможет узнать, как располагаются атомы в молекулах. Русский учёный разбил эти взгляды. Он показал, что, испытывая вещество различными физико-химическими методами, можно очень точно установить, как именно располагаются атомы в его молекулах, то-есть определить строение, структуру молекул.
Свойства органических веществ определяются прежде всего строением их молекул, их структурой — такова суть структурной теории А. М. Бутлерова.
Структурная теория Бутлерова объяснила загадку так называемых изомеров — веществ, имеющих одинаковый состав, но резко различные свойства. Оказывается, различные свойства изомеров объясняются различным расположением атомов в молекулах этих веществ.
Так было подтверждено гениальное предвидение Ломоносова о зависимости свойств вещества от расположения атомов в его молекулах!
Вместе с тем структурная теория А. М. Бутлерова необычайно облегчила задачу искусственного получения новых органических веществ. Ведь теперь стало возможным строить молекулы сложных органических веществ «с открытыми глазами», — приступая к синтезу нового вещества, химик имел перед собой структурную формулу его молекул.