Страница 98 из 120
Горизонтальные строки, тоже как и раньше, означают периоды элементов. Все семь периодов (исключая первый) начинаются щелочным металлом в левой части таблицы и завершаются инертным газом в правой части.
Необходимо отметить, что до тех пор, пока теория строения атома не получила должного развития, объяснить физический смысл периодической системы элементов было невозможно. Она составлялась скорее путем обобщения опытных данных, сделанного талантливым ученым, нежели путем достижений теории. Периодический закон элементов не имел научного объяснения.
Решающим моментом в раскрытии физического смысла периодической системы элементов были уже известные читателю работы Э. Резерфорда и Н. Бора, далеко продвинувшие теорию строения атома. Стало ясно, что главной характеристикой каждого элемента в периодической системе является не атомный вес, а номер элемента z, представляющий собой не что иное, как величину заряда ядра этого элемента. Поэтому в приведенном современном варианте периодической системы элементов самой крупной цифрой указывается порядковый номер данного элемента z, от первого (водород Н) до сто седьмого.
Цифрами меньшего размера указаны относительные атомные массы элементов. Поскольку элементы имеют изотопы, т. е. разновидности одного и того же элемента, отличающиеся массой атомов, образующейся за счет различного числа нейтронов в ядре атома (так как у различных изотопов одного и того же элемента заряд ядра z, а следовательно, и число электронов в оболочке атома остается неизменным, то химические свойства изотопов одного и того же элемента одинаковы), то массовые числа атомов являются дробными. Если массовое число атома дается целым, взятым в квадратные скобки, то это значит, что приведено значение массы атома превалирующего радиоактивного изотопа.
Из общего числа элементов таблицы все трансурановые элементы (z = 93—106), а также элементы с z = 43 (технеций Тс), 61 (прометий Рm), 85 (астат Аt), 87 (франций Fr), получены в ядерных реакциях искусственно, па Земле большая часть из них не найдена, за исключением технеция (Тс), прометия (Рm), франция (Fr) и нептуния (Np), обнаруженных в очень малых количествах. Американские химики в честь Менделеева назвали открытый ими трансурановый элемент z = 101 менделевий.
Цифры и буквы, написанные мелким шрифтом, например в клетке железа (Зd64s2) указывают на характер распределения электронов по застраивающимся и ближайшим подоболочкам. Мы не будем сколько-нибудь подробно останавливаться на этом вопросе. Заметим только, что расположение электронов относительно ядра атома имеет ¡решающее значение для химических свойств, химической активности элемента, так как химическая реакция происходит главным образом вследствие изменения орбит внешних электронов и молекулы могут иметь (говоря языком планетарной модели атома Резерфорда) «общие» внешние электроны, орбиты которых проходят вокруг двух или большего числа ядер атомов элементов, образующих молекулу.
Последние две горизонтальные строки периодической системы элементов — лантаноиды и актиноиды. Лантаноиды представляют собой семейство, состоящее из 14 химических элементов, очень близких как по своим химическим, так и по физическим свойствам, Все они входят в число редкоземельных элементов (редкоземельных металлов). Их атомные номера z = 58–71. Они имеют весьма близкое строение электронных оболочек, химически активны, входят в побочную подгруппу III группы периодической системы элементов Менделеева.
Актиноиды — семейство радиоактивных металлов, состоящее также из 14 элементов с атомными номерами z = 90 — 103, близки между собой по строению электронных оболочек ядер атомов. Как и лантаноиды, они входят в побочную подгруппу III группы таблицы элементов. Все изотопы актиноидов обладают радиоактивностью и в своем большинстве получены искусственным путем — в результате ядерных реакций. Все актиноиды, расположенные в таблице вслед за ураном, носят название трансурановых элементов.
Каково же значение периодической системы элементов и роли Менделеева в ее создании?
Периодическая система химических элементов имела и имеет огромное значение в развитии не только химии, но и естествознания в целом. Закономерности периодической системы содействовали разработке теории строения атомов, а эта последняя решающим образом помогла создать периодическую систему в ее современном виде. Периодическая система элементов помогает решению многих задач химии, таких, например, как синтез веществ с заранее заданными свойствами или разработка новых полупроводниковых материалов и различных катализаторов.
Великий русский ученый Д. И. Менделеев открыл один из фундаментальных законов природы — периодический закон элементов, на основании которого им была построена периодическая система элементов. Закон и система носят имя Менделеева. Естественно, что периодическая система элементов за последующие годы получила дальнейшее развитие. Было, как уже говорилось, установлено, что основной величиной для каждого элемента системы Менделеева является порядковый номер, значение которого есть электрический заряд ядра атома элемента. Имя Д. И. Менделеева вошло в историю науки.
Л. Полинг и П. Полинг в книге «Химия» пишут: «Химию можно рассматривать в двух аспектах, выделяя описательную химию — открытие химических фактов и их описание — и теоретическую химию — разработку теорий, позволяющих после проверки установленных фактов обобщить их и представить в виде определенной системы[341].
Нельзя глубоко постигнуть химию, просто изучив химические теории. Даже если студент выучит все известные теории, он не будет знать эту науку, поскольку большая часть химии (многие специфические свойства отдельных веществ) пока еще полностью не обобщена химическими теориями»[342].
Следуя путем, указанным Л. Полингом и П. Полингом, мы приведем несколько примеров как теоретического, так и практического развития химии.
В 1840 г. известным химиком, жившим и работавшим в России, Германом Ивановичем Гессом (1802–1850) был открыт закон, носящий теперь его имя. Закон Гесса — основной закон термохимии — может быть сформулирован так: тепловой эффект химических реакций при отсутствии работы внешних сил определяется только начальным и конечным составом участвовавших в реакции веществ и не зависит от «пути следования» химического процесса.
К сказанному необходимо дать некоторые пояснения. Во-первых, при прохождении химических реакций либо выделяется, либо поглощается тепло. Реакции, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими. К ним относятся, в частности, реакции сжигания любого органического топлива: продуктов переработки нефти, природного или промышленного газа, угля, сланцев, дров и т. д. Собственно, именно ради получения тепла топливо и сжигается. Реакции, протекающие с поглощением тепла, называются эндотермическими. Во-вторых, из закона Гесса следует, что если бы мы провели кольцевую реакцию, т. е. в результате ряда химических превращений мы в конце концов получили бы исходные вещества, то суммарный тепловой эффект оказался бы равным нулю. В-третьих, если бы в реакции участвовало вещество, влияющее на скорость протекания реакции (катализаторы, увеличивающие скорость реакции, или ингибиторы, уменьшающие скорость реакции), то на суммарный тепловой эффект это не повлияло бы, так как катализаторы и ингибиторы, по крайней мере теоретически, в конце концов в реакции не участвуют.
В качестве второго примера возьмем закон действующих масс, установленный в 1864–1867 гг. норвежскими учеными К. Т. Гульдбергом (1836–1902) и П. Вааге (1833–1900). Закон действующих масс может быть сформулирован так: скорость химической реакции, протекающей при постоянной температуре, пропорциональна концентрациям исходных веществ в степенях, равных их стехиометрическим числам, и обратно пропорциональна концентрациям продуктов реакции в степенях, равных их стехиометрическим числам.
341
Широчайшую научную область, охватываемую химией, можно подразделить иначе. Важным представляется деление па органическую и неорганическую химию. Органическая химия — химия соединений углерода, в частности таких, которые входят в состав тканей растений и животных. Неорганическая химия — химия соединений всех остальных элементов, кроме углерода. Каждое из этих направлений химии является частично описательным, частично теоретическим. Многие другие разделы химии, которые, в общем, являются частями органической или неорганической химии, также получили свои названия; таковы аналитическая химия, физическая химия, биохимия, ядерная химия, промышленная химия (химическая технология) и т. д. Их содержание ясно из самих названий. — Примеч. Л. Полинга и П. Полинга.
342
Полинг Л., Полинг П. Химия, с. 11.