Занимательно о химии

В царстве неметаллов наиболее яростен фтор. У него во «внешних сферах» семь электронов. Восьмого как раз не хватает для идиллии. И он с жадностью отнимает его почти у любого элемента периодической системы, ничто не может устоять перед бешеным натиском фтора.
Другие неметаллы принимают электроны кто легче, кто труднее. И понятно теперь, почему группируются они главным образом в верхнем правом углу таблицы: ведь у них снаружи много электронов, а такая картина может быть только у атомов, стоящих ближе к концу периодов.
Еще два «почему»
Металлов так много, а неметаллов так мало на Земле? Металлы гораздо больше похожи друг на друга, чем неметаллы? В самом деле, трудно спутать по внешнему виду, скажем, серу и фосфор или йод и углерод. Но даже опытный глаз не всегда сразу определяет, какой металл перед нами: ниобий или тантал, калий или натрий, молибден или вольфрам.
…От перемены мест слагаемых сумма не меняется. Это едва ли не самый «железный» принцип арифметики. Для химии, когда она начинает копаться в устройстве электронных оболочек атомов, этот принцип подходит далеко не всегда…
Все идет гладко, пока мы имеем дело с элементами второго и третьего периодов менделеевской таблицы.
У каждого элемента этих периодов новые электроны входят во внешнюю оболочку атомов. Приплюсовался очередной электрон — глядишь, и свойства элемента совсем другие, нежели у его предшественника. Кремний не похож на алюминий, сера на фосфор. Металлические свойства быстро сменяются неметаллическими, потому что чем больше у атома электронов во внешней оболочке, тем неохотнее он с ними расстается.
Но вот четвертый период. Калий, кальций — металлы первого сорта. Ожидаем: вот-вот за ними должны появиться неметаллы.
Не тут-то было! Нам придется разочароваться. Ибо, начиная со скандия, очередные электроны идут не во внешнюю оболочку, а в предыдущую. «Слагаемые» меняются местами. Меняется и «сумма». Сумма свойств элементов.
Вторая снаружи оболочка более консервативна. Она в меньшей степени влияет на химические особенности элементов, чем внешняя. Разница в их облике становится не такой разительной.
Скандий словно «вспоминает», что третья электронная оболочка осталась у него недостроенной. В ней-то должно быть 18 электронов, а пока скопилось 10. Калий и кальций об этом точно «забыли» и свои очередные электроны разместили в четвертой оболочке. Со скандия справедливость начинает восстанавливаться.
На протяжении ряда из десяти элементов застраивается предыдущая оболочка. Внешняя остается неизменной. Всего 2 электрона на ней, такая «малость» электронов во внешней сфере атома — особенность металлов. А потому на «перегоне» скандий — цинк содержатся только металлы: какой им резон принимать на внешнюю оболочку электроны, вступая в соединения? Внешних-то электронов всего-навсего два. Взаимодействуя с другими, эти элементы запросто расстаются со своими электронами, да еще не прочь и позаимствовать их из достраивающейся предыдущей оболочки. Потому-то и способны они проявлять различные положительные валентности. Скажем, марганец может быть двух-, трех-, четырех-, шести- и даже семивалентным, положительно валентным.
Точно такую же картину мы наблюдаем и в последующих периодах менделеевской таблицы.
Вот почему металлов так много и почему они похожи друг на друга больше, чем неметаллы.
Некоторая несуразица
Слышал ли кто-нибудь о шестивалентном кислороде? Или семивалентном фторе? Никто и никогда.
Мы вовсе не хотим прослыть пессимистами. Но тем не менее с уверенностью заявляем: с такими ионами кислорода и фтора химии не придется иметь дела.
Этим элементам совсем невыгодно сразу сбрасывать такое большое количество электронов. Куда легче добрать — два или один, — чтобы образовалась устойчивая восьмиэлектронная оболочка. А потому известно очень мало соединений, в которых кислород проявлял бы положительную валентность. Так, удалось получить окисел F 2O, где кислород положительно двухвалентен. Этот факт уже из области химической экзотики. Соединения положительно валентного фтора тоже большая редкость.
В «Правилах распорядка Большого дома» есть один важный пункт: высшая положительная валентность элемента равна номеру группы, где он располагается.
Кислород и фтор порядок нарушают. Между тем они навсегда прописались в шестой и седьмой группах. И ни разу не вставал вопрос об их переселении. Поскольку по всем другим статьям химическое поведение кислорода и фтора ничем не отличается от образа жизни их более тяжелых соседей в других этажах Большого дома.
И все-таки некоторая несуразица налицо. Химики о ней хорошо знают, но не придают ей значения. Ибо архитектура менделеевской таблицы от этого не терпит никакого ущерба.
Увы, есть еще несуразица. И на этот раз повнушительнее.
В средние века рудокопы находили иногда странные руды. Они были очень похожи на железные. Но вот беда: выплавить из них железо никак не удавалось. Рудокопы объясняли свои неудачи проделками нечистой силы — зловредных карликов кобольдов и престарелого насмешника черта Ника.
Потом, конечно, выяснилось, что нечисть здесь ни при чем. Руды содержали не железо, а два других похожих на него металла. В память о былых заблуждениях их так и назвали — кобальт и никель.
В те же средние века на берегу реки Платино дель Пино в Южной Америке испанские завоеватели обнаружили странное металлическое вещество, блестящее и тяжелое, которое не растворялось ни в каких кислотах. Загадочный металл получил имя платины. А спустя три столетия выяснилось, что платина встречается в природе всегда вместе с пятью спутниками — рутением, родием, палладием, осмием и иридием. Все эти шесть редких металлов трудно отличить друг от друга. Дружную когорту стали именовать семейством платиновых металлов.
Настало время, когда их пришлось расселять в Большом доме.
Вы ждете теперь, наверное, занятного повествования о том, как это было сложно и как ученые постепенно, с трудностями, большими и малыми, справлялись?
Нет, все оказалось очень просто…
Об оригинальности в архитектуре
Приходилось ли вам видеть дом, где все пролеты, все секции одинаковы, спроектированы по типовому проекту, а одна выстроена иначе? Словно рассчитывал и возводил ее другой архитектор, обладающий иной творческой фантазией.
Вряд ли вам встречалось что-нибудь подобное.
А вот Большой дом как раз такое любопытное строение. Одну из его секций Менделеев сконструировал своеобразно. Добавим от себя: вынужден был так сделать.
Эта секция — восьмая группа периодической системы. Входящие в нее элементы располагаются по три. Притом не на каждом этаже, а только в больших периодах таблицы. В одном железо, кобальт и никель, в двух других платиновые металлы.
Менделеев всячески пытался найти для них более подходящие места. Но таких мест не оказывалось. И ему пришлось пристраивать к периодической системе дополнительную, восьмую группу.
Почему восьмую? Да потому, что последней до тех пор была седьмая, где разместились галогены.
Однако номер группы в этом случае имеет значение чисто формальное.
Валентность плюс восемь в восьмой группе — редкое исключение, а никак не правило. Только рутений и осмий с трудом пытаются установить соответствие: для них известны неустойчивые окислы RuO 4и OsO 4.
Все же остальные металлы подобных «высот» не достигают, как ни пытались им помочь ученые.
Разгадку давайте поищем вместе.
Обратим внимание и на такой факт: платиновые металлы в химические реакции вступают с большим трудом. Поэтому посудой, сделанной из платины, химики теперь часто пользуются для своих экспериментов. Платина и ее спутники как бы «благородные газы» среди металлов. И неспроста титул «благородные» закрепился за ними с давних пор. И в природе они встречаются в свободном, самородном состоянии.