Дмитрий Иванович Менделеев - [22]

Наиболее интересный пример заполнения глубоких внутренних, пропущенных орбит представляет уже известная нам группа редкоземельных металлов из 14 элементов (с 58 по 71), которые стоят вместе с лантаном в одной клетке менделеевской таблицы. Атомы этих элементов различаются не внешними электронами, резко меняющими валентность и другие химические и физические свойства, но глубокими внутренними электронами, не играющими существенной роли в химических реакциях. Ясно, что все эти атомы должны быть весьма похожи друг на друга, что и наблюдается в действительности. Этим оправдано помещение указанных элементов в одну клетку периодической системы.

Такое представление об атоме позволяет разъяснить природу химических реакций и связь атомов внутри молекул. Атомы могут терять часть своих внешних электронов или, наоборот, приобретать их. В первом случае число отрицательно заряженных частиц в атоме становится меньше, и атом в целом приобретает положительный заряд, становится положительным ионом. Если же к атому присоединятся дополнительные электроны и заполнят свободные места на его внешней оболочке (слое), то число отрицательно заряженных частиц увеличивается, атом в целом приобретает отрицательный заряд и становится отрицательным ионом. От заполненности внешней оболочки (слоя), т. е. от числа внешних электронов, зависит число электронов, которые могут быть присоединены или отброшены при его превращении в ион, и, следовательно, пропорция, в которой данные элементы соединяются с другими, — валентность. В ряде молекул, например в молекуле соляной кислоты отрицательные и положительные ионы связаны друг с другом электрическим притяжением, как тела с разноименными зарядами.

Но атомы могут соединяться в молекулы и более сложным способом.

Рассматривая химические реакции и силы химического сродства как результат присоединения и потери электронов атомами, современная физика объясняет поведение благородных газов. В атоме благородного (или инертного) газа внешняя оболочка целиком заполнена. Такие атомы с заполненной внешней оболочкой химически инертны; им не надо для заполнения внешней орбиты отбрасывать или присоединять электроны и при этом приобретать соответственно положительный или отрицательный заряд. Поэтому атомы инертных газов не ионизируются, сохраняют равновесие между отрицательным и положительным электрическими зарядами и не соединяются с другими элементами.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ИЗУЧЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

Периодический закон помог раскрыть строение атома, он позволил вскрыть природу валентности и химических реакций. Периодический закон помог также проникнуть внутрь самого атомного ядра.

Атомное ядро занимает весьма малый объем по сравнению с объемом всего атома; но именно в ядре сосредоточена в основном масса атома, так как электроны обладают массой, примерно в 1836 раз меньшей, чем масса частиц, входящих в состав атомного ядра. Диаметр атомного ядра в десятки тысяч раз меньше, чем диаметр атома. Если бы диаметр атома увеличился до размеров диаметра Москвы, то атомное ядро выглядело бы как футбольный мяч.

С представлением о составе атомных ядер связана важная проблема, поставленная периодической системой. В этой системе мы встречаем, во-первых, порядковое число, правильно вырастающее на единицу при переходе от клетки к соседней, следующей клетке. Во-вторых, мы встречаем атомный вес, характеризующий элемент, находящийся в каждой клетке. Атомный вес также растет, но он растет не так правильно, как порядковый номер элемента. Это отношение между порядковым числом (номером) и атомным весом разъяснилось в 30-е годы нашего столетия, когда были открыты электрически незаряженные частицы — нейтроны — и выяснилось, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон имеют примерно одинаковую массу (равную, естественно, массе атомного ядра водорода, так как ядро водорода— это протон). Эту массу можно принять за единицу. Тогда масса ядра каждого атома, например, кислорода (атомный номер 8), равна 16. В тяжелых же ядрах, например, в ядре ртути (атомный номер 80, масса, или, точнее, массовое число, 200) на 80 протонов приходится 120 нейтронов. Таким образом, массовое число равно числу нейтронов и протонов вместе в данном ядре. Это дает нам ответ на вопрос о параллельном возрастании порядковых номеров и атомных весов элементов. При данном числе протонов атомные ядра могут обладать в известных пределах различным числом нейтронов. Веса подобных ядер, а значит и атомов, будут различны, но заряд ядра и число электронов, вращающихся вокруг ядра, — одинаковы. Следовательно, химические свойства этих атомов будут также практически совпадать, и мы должны будем поместить их в одну и ту же клетку периодической системы.

Подобные разновидности элементов, состоящие из атомов с одним и тем же числом протонов и различным числом нейтронов в ядре, называются изотопами. Они были впервые открыты у естественно радиоактивных элементов. Дальнейшие исследования показали, что и все обычные устойчивые элементы также являются смесями изотопов. Кислород, например, есть смесь изотопов с массами 16, 17, 18. Кроме обычного водорода, существует еще «тяжелый водород», или дейтерий, с массой 2, который, соединяясь с кислородом, дает «тяжелую воду». Масса атома дейтерия приблизительно вдвое больше массы атома водорода, потому что в ядре дейтерия, так называемом дейтероне, содержится протон плюс нейтрон, а ядро водорода состоит только из одного протона. Дейтерий содержится в обычном водороде в очень небольших количествах, в среднем около 0,02 %.