Страница 7 из 8
Атомы, как уже говорилось, в целом электронейтральны. Однако при известных условиях они способны терять из внешней оболочки свои электроны или, наоборот, захватывать на свою внешнюю оболочку «чужие» электроны. В этом случае атом становится электрически заряженной частичкой — ионом.
Притягиваясь друг к другу, различно заряженные ионы — положительные и отрицательные — и образуют молекулы сложных веществ.
Металлы относятся к элементам, которые легко отдают свои электроны. Наоборот, неметаллы — металлоиды — стремятся «захватить» во внешнюю оболочку «лишние» электроны.
Некоторые элементы имеют свойства как металлов, так и неметаллов. Их называют амфотерными.
Способность отдельных атомов отдавать определённое число электронов или присоединять их и определяет валентность химических элементов.
Исследования строения атома показали связь между химическими свойствами элементов и строением электронных оболочек атома.
Возьмём для примера химический элемент литий (Li), начинающий второй период. В его электронной оболочке имеется три электрона. Два из них располагаются в первом слое, а третий образует новый слой, удалённый от ядра на большее расстояние. Этот последний электрон менее устойчив в системе; атом может легко его отдать, превращаясь при этом в положительно заряженную частицу — положительный ион.
Благодаря этому литий и принадлежит к химически активным элементам.
У каждого следующего за литием элемента — вплоть до неона — во внешнем электронном слое прибавляется по одному электрону. Неон завершает собой второй период таблицы Менделеева; в его внешнем электронном слое все восемь мест оказываются занятыми. У неона очень трудно «изъять» любой из восьми электронов его наружного электронного слоя.
Именно поэтому неон и является инертным газом: только с большим трудом он вступает в химические соединения с другими элементами.
Новый — третий — период в системе Менделеева начинает элемент натрий. У этого элемента 11 электронов, из них 10 находятся в ближних к ядру двух электронных слоях, полностью завершённых, а последний, одиннадцатый, начинает собой «застройку» нового, третьего, внешнего электронного слоя. Этот одиннадцатый электрон ещё легче, чем у лития, может быть оторван от атома, так как он находится ещё дальше от ядра. Поэтому натрий, как и литий, характеризуется высокой химической активностью.
Третий период заканчивает аргон; он, как и неон, входит в группу инертных газов Его внешний электронный слой заполнен уже целиком, включая в себя также восемь электронов, и он поэтому «безразличен» к другим химическим элементам.
Таким образом, завершённой электронной группировкой (слоем) в атоме заканчивается каждый период химических элементов в таблице Менделеева. Первому периоду соответствует слой, состоящий из двух электронов, второму и третьему — слой из восьми электронов. Далее следуют четвёртый и пятый периоды (см. таблицу Менделеева), объединяющие в электронных слоях по 18 электронов.
Шестой период, состоящий из 32 элементов, содержит электронный слой, имеющий 32 электрона.
У инертных элементов этих периодов внешняя электронная оболочка состоит из такой же устойчивой, «завершённой» группировки электронов, какую имеют неон и аргон.
Седьмой период — незаконченный, он не имеет завершённой электронной оболочки.
Если мы проследим, как в связи со строением электронных оболочек атомов изменяются химические свойства элементов, то мы увидим, что с увеличением числа электронов во внешней оболочке атомов каждого периода постепенно уменьшается способность атомов терять свои «внешние» электроны.
Одновременно с этим начинает проявляться другая способность атомов — легко «достраивать» свою внешнюю электронную оболочку до наиболее устойчивой структуры, то есть до восьми электронов. Эта способность наибольшая у электронов седьмой группы — у фтора, хлора и других. Поэтому атомы этих элементов легко образуют отрицательно заряженные ионы.
Как вы уже знаете, каждая группа элементов в периодической таблице объединяет в себе элементы, родственные по химическим свойствам. Решающую роль в этом играет структура внешней электронной оболочки.
Зная, в какую группу входит тот или иной элемент, можно заранее предугадать его химические свойства и родство с другими элементами.
Элементы средних групп, в особенности четвёртой (например, углерод, кремний, олово, свинец), как мы уже теперь легко можем сами подсчитать, содержат на внешней оболочке четыре электрона. Элементы этих групп имеют или очень слабо выраженные свойства металлов, или свойства металлоидов (например, углерод, кремний), или свойства металлов и металлоидов одновременно. К последним относятся, например, олово и свинец. Эти элементы обладают одинаковой способностью образовывать как положительно, так и отрицательно заряженные ионы.
Изучение электронного строения атомов показало также, что место химического элемента в таблице Д. И. Менделеева определяется не атомным весом элемента, а величиной заряда его ядра. Положительный заряд ядер различных химических элементов различен: заряд ядра водорода, как говорилось, равен единице, заряд ядра гелия равен двум, лития — трём единицам и т. д. Иными словами, заряд ядра у различных атомов численно совпадает с порядковыми номерами химических элементов в таблице Менделеева. Так, заряд ядра лития равен трём единицам и его порядковый номер в таблице — три, заряд ядра натрия 11, таков же и его порядковый номер в таблице и т. д.
Таким образом, в настоящее время периодический закон Д. И. Менделеева формулируется следующим образом: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их порядковых номеров.
Очень интересно отметить, что при распределении элементов в своей таблице Д. И. Менделеев безошибочно поставил на свои места такие элементы, как кобальт и никель, иод и теллур. Как теперь установлено, такое их расположение, хотя оно и нарушает последовательность в возрастании атомных весов, в точности соответствует заряду ядер атомов этих элементов!
Изучение радиоактивности привело учёных к открытию, что среди радиоактивных элементов имеются такие, которые, несмотря на различие в атомном весе, обладают совершенно одинаковыми химическими свойствами. Эти элементы не могут быть химически отделены друг от друга.
Такие элементы были названы изотопами.
Дальнейшие исследования показали, что изотопы имеются не только среди радиоактивных, но и среди большинства элементов периодической системы. В природе химические элементы оказались «смешанными», состоящими из нескольких изотопов.
В настоящее время известно уже до 1000 различных изотопов.
Явление изотопии изменило весь внешний облик периодической системы. Как теперь установлено, существуют многие группы химических элементов — изотопов, каждая из которых занимает только одну клетку, одно место в таблице Менделеева.
Явление изотопии дало также возможность объяснить нарушения в последовательности атомных весов элементов, встречающихся в таблице Д. И. Менделеева, — у теллура, иода и других.
Дальнейшее уточнение и пополнение таблицы Менделеева принесло изучение атомного ядра.
Первое расщепление атомного ядра было произведено 35 лет назад, в 1919 году, когда при облучении («бомбардировке») атомов азота альфа-частицами, вылетающими при распаде радия, были получены атомы одного из изотопов кислорода (с атомным весом 17). В опытах по расщеплению ядер было установлено, что в состав ядер входят положительно заряженные элементарные частицы — протоны, или, иными словами, ядра атомов водорода (как известно, заряд ядра атома этого элемента равен единице и является поэтому минимальным положительным зарядом ядерной частицы).
Было предположено, что в состав атомных ядер входят протоны и электроны. Однако это предположение оказалось неверным.
В 1932 году при «бомбардировке» альфа-частицами атомов элемента бериллия была открыта новая частица, входящая в состав атомного ядра, названная нейтроном. Масса этой частицы почти точно равна массе протона, но в отличие от него нейтрон не несёт никакого заряда.