1. Основные понятия, определения и законы химии
1.2. Атом. Химический элемент. Простое вещество
Атом - центральное понятие в химии. Все вещества состоят из атомов. Атом - предел дробления вещества химическими способами, т.е. атом - наименьшая химически неделимая частица вещества. Деление атома возможно только в физических процессах - ядерные реакции и радиоактивные превращения.
Современное определение атома: атом - мельчайшая химически неделимая электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
В природе атомы существуют как в свободном (индивидуальном, изолированном) виде (например, из отдельных атомов состоят благородные газы), так и в составе различных простых и сложных веществ. Понятно, что в составе сложных веществ атомы не являются электронейтральными, а имеют избыточный положительный или отрицательный заряд (например, Na + Cl − , Ca 2+ O 2−), т.е. в сложных веществах атомы могут находиться в виде одноатомных ионов. Атомы и образующиеся из них одноатомные ионы называются атомными частицами .
Общее число атомов в природе не поддается подсчету, однако их можно классифицировать на более узкие виды, так же, как, например, все деревья в лесу по характерным признакам делят на березы, дубы, ели, сосны и т.д. За основу классификации атомов по определенным видам взят заряд ядра, т.е. число протонов в ядре атома, так как именно эта характеристика сохраняется, независимо от того, находится атом в свободном или в химически связанном виде.
Химический элемент - это вид атомных частиц с одинаковым зарядом ядра.
Например, имеется в виду химический элемент натрий независимо от того, рассматриваются ли свободные атомы натрия или ионы Na + в составе солей.
Не следует смешивать понятия атом , химический элемент и простое вещество . Атом - понятие конкретное, атомы существуют реально, а химический элемент - понятие абстрактное, собирательное. Например, в природе существуют конкретные атомы меди с округленными относительными атомными массами 63 и 65. А вот химический элемент медь характеризуется усредненной относительной атомной массой, приведенной в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева, которая с учетом содержания изотопов равна 63,54 (в природе атомы меди с таким значением A r отсутствуют). Под атомом в химии традиционно понимается электронейтральная частица, тогда как химический элемент в природе может быть представлен как электронейтральными, так и заряженными частицами - одноатомными ионами: , , , .
Простое вещество - одна из форм существования химического элемента в природе (другая форма - химический элемент в составе сложных веществ). Например, химический элемент кислород в природе существует в виде простого вещества O 2 и в составе ряда сложных веществ (H 2 O, Na 2 SO 4 ⋅ 10H 2 O, Fe 3 O 4). Нередко один и тот же химический элемент образует несколько простых веществ. В этом случае говорят об аллотропии - явлении существования элемента в природе в виде нескольких простых веществ. Сами простые вещества называются аллотропными модификациями (видоизменениями ) . Ряд аллотропных модификаций известен для углерода (алмаз, графит, карбин, фуллерен, графен, тубулены), фосфора (белый, красный и черный фосфор), кислорода (кислород и озон). Из-за явления аллотропии простых веществ известно примерно в 5 раз больше, чем химических элементов.
Причины аллотропии:
- различия в количественном составе молекул (О 2 и О 3);
- различия в строении кристаллической решетки (алмаз и графит).
Аллотропные модификации данного элемента всегда различаются по физическим свойствам и химической активности. Например, озон активнее кислорода, а температура плавления алмаза выше, чем фуллерена. Аллотропные модификации при определенных условиях (изменение давления, температуры) могут переходить друг в друга.
В большинстве случаев названия химического элемента и простого вещества совпадают (медь, кислород, железо, азот и т.д.), поэтому нужно различать свойства (характеристики) простого вещества как совокупности частиц и свойства химического элемента как вида атомов с одинаковым зарядом ядра.
Простое вещество характеризуется строением (молекулярное или немолекулярное), плотностью, определенным агрегатным состоянием в данных условиях, окраской и запахом, электро- и теплопроводностью, растворимостью, твердостью, температурами кипения и плавления (t кип и t пл), вязкостью, оптическими и магнитными свойствами, молярной (относительной молекулярной) массой, химической формулой, химическими свойствами, способами получения и применением. Можно сказать, что свойства вещества - это свойства совокупности химически связанных частиц, т.е. физического тела, поскольку один атом или молекула не имеют вкуса, запаха, растворимости, температур плавления и кипения, окраски, электро- и теплопроводности.
Свойства (характеристики ) химического элемента : атомный номер, химический знак, относительная атомная масса, масса атома, изотопный состав, распространенность в природе, положение в периодической системе, строение атома, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степени окисления, валентность, явление аллотропии, массовая и мольная доля в составе сложного вещества, спектры поглощения и испускания. Можно сказать, что свойства химического элемента - это свойства одной частицы или изолированных частиц.
Различия между понятиями «химический элемент» и «простое вещество» показаны в табл. 1.2 на примере азота.
Таблица 1.2
Различия между понятиями «химический элемент» и «простое вещество» для азота
| Азот - химический элемент | Азот - простое вещество |
|---|---|
| 1. Атомный номер 7. | 1. Газ (н.у.) без цвета, запаха и вкуса, не токсичен. |
| 2. Химический знак N. | 2. Азот имеет молекулярное строение, формула N 2 , молекула состоит из двух атомов. |
| 3. Относительная атомная масса 14. | 3. Молярная масса 28 г/моль. |
| 4. В природе представлен нуклидами 14 N и 15 N. | 4. Плохо растворим в воде. |
| 5. Массовая доля в земной коре 0,030 % (16-е место по распространенности). | 5. Плотность (н.у.) 1,25 г/дм 3 , немного легче воздуха, относительная плотность по гелию 7. |
| 6. Не имеет аллотропных модификаций. | 6. Диэлектрик, плохо проводит теплоту. |
| 7. Входит в состав различных солей - нитратов (KNO 3 , NaNO 3 , Ca(NO 3) 2). | 7. t кип = −195,8 °С; t пл = −210,0 °С. |
| 8. Массовая доля в аммиаке 82,35 %, входит в состав белков, аминов, ДНК. | 8. Диэлектрическая проницаемость 1,00. |
| 9. Масса атома равна (для 14 N) 14u или 2,324 · 10 −23 г. | 9. Дипольный момент равен 0. |
| 10. Строение атома: 7p ,7e ,7n (для 14 N), электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 3 , два электронных слоя, пять валентных электронов и др. | 10. Имеет молекулярную кристаллическую решетку (в твердом состоянии). |
| 11. В периодической системе находится во 2-м периоде и VA-группе, относится к семейству p -элементов. | 11. В атмосфере объемная доля 78 %. |
| 12. Энергия ионизации 1402,3 кДж/моль, сродство к электрону −20 кДж/моль, электроотрицательность 3,07. | 12. Мировое производство 44 · 10 6 т в год. |
| 13. Проявляет ковалентности I, II, III, IV и степени окисления −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5. | 13. Получают: в лаборатории - нагреванием NH 4 NO 2 ; в промышленности - нагреванием сжиженного воздуха. |
| 14. Радиус атома (орбитальный) 0,052 нм. | 14. Химически малоактивен, при нагревании взаимодействует с кислородом, металлами. |
| 15. Основная линия в спектре 399,5 нм. | 15. Используется для создания инертной атмосферы при сушке взрывчатых веществ, при хранении ценных произведений живописи и рукописей, для создания низких температур (жидкий азот). |
| 16. В организме среднего человека (масса тела 70,0 кг) содержится 1,8 кг азота. | |
| 17. В составе аммиака участвует в образовании водородной связи. |
Пример 1.2. Укажите, в каких из приведенных утверждений кислород упоминается как химический элемент:
- а) масса атома равна 16u;
- б) образует две аллотропные модификации;
- в) молярная масса равна 32 г/моль;
- г) плохо растворим в воде.
Решение. Утверждения в), г) относятся к простому веществу, а утверждения а), б) - к химическому элементу кислороду.
Ответ : 3).
Каждый химический элемент имеет свое условное обозначение - химический знак ( символ ) : K, Na, O, N, Cu и т.д.
Химический знак может также выражать состав простого вещества. Например, символ химического элемента Fe отражает также состав простого вещества железо. Однако химические знаки O, H, N, Cl обозначают только химические элементы; простые вещества имеют формулы O 2 , H 2 , N 2 , Cl 2 .
Как уже отмечалось, в большинстве случаев названия химических элементов и простых веществ совпадают. Исключения составляют названия аллотропных модификаций углерода (алмаз, графит, карбин, фуллерен) и одной из модификаций кислорода (кислород и озон). Например, когда мы употребляем слово «графит», то имеем в виду только простое вещество (но не химический элемент) углерод.
Распространенность химических элементов в природе выражается в массовых и мольных долях. Массовая доля w - отношение массы атомов данного элемента к общей массе атомов всех элементов. Мольная доля χ - отношение числа атомов данного элемента к общему числу атомов всех элементов.
В земной коре (слой толщиной около 16 км) наибольшую массовую (49,13 %) и мольную (55 %) доли имеют атомы кислорода, на втором месте - атомы кремния (w (Si) = 26 %, χ(Si) = 16,35 %). В Галактике почти 92 % от общего числа атомов составляют атомы водорода, а 7,9 % - атомы гелия. Массовые доли атомов основных элементов в организме человека: O - 65 %, C - 18 %, H - 10 %, N - 3 %, Ca - 1,5 %, P - 1,2 %.
Абсолютные значения масс атомов чрезвычайно малы (например, масса атома кислорода порядка 2,7 ⋅ 10 −23 г) и неудобны для проведения расчетов. По этой причине была разработана шкала относительных атомных масс элементов. В настоящее время за единицу измерения относительных атомных масс принята 1/12 часть массы атома нуклида С-12. Данная величина называется постоянной атомной массы или атомной единицей массы (а.е.м.) и имеет международное обозначение u:
m u = 1 а. е. м. = 1 u = 1 / 12 (m a 12 C) =
1,66 ⋅ 10 − 24 г = 1,66 ⋅ 10 − 27 кг.
Нетрудно показать, что численное значение u равно 1/N A:
1 u = 1 12 m a (12 C) = 1 12 M (C) N A = 1 12 12 N A = 1 N A =
1 6,02 ⋅ 10 23 = 1,66 ⋅ 10 − 24 (г).
Относительная атомная масса элемента A r (Э) - это физическая безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз масса атома или средняя масса атома (соответственно для изотопно-чистых и изотопно-смешанных элементов) больше 1/12 части массы атома нуклида С-12:
A r (Э) = m a (Э) 1 а. е. м. = m a (Э) 1 u . (1.1)
Зная относительную атомную массу, можно легко рассчитать массу атома:
m a (Э) = A r (Э)u = A r (Э) ⋅ 1,66 ⋅ 10 −24 (г) =
A r (Э) ⋅ 1,66 ⋅ 10 −27 (кг).
Молекула. Ион. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Химическое уравнение
При взаимодействии атомов образуются более сложные частицы - молекулы.
Молекула - наименьшая электронейтральная обособленная совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем химических свойств вещества.
Молекулы имеют тот же качественный и количественный состав, что и образованное ими вещество. Химическая связь между атомами в молекуле гораздо прочнее, чем силы взаимодействия между молекулами (именно поэтому молекулу и можно рассматривать как обособленную, изолированную частицу). В химических реакциях молекулы, в отличие от атомов, не сохраняются (разрушаются). Подобно атому, отдельная молекула не обладает такими физическими свойствами вещества, как окраска и запах, температуры плавления и кипения, растворимость, тепло- и электропроводность и др.
Подчеркнем, что молекула является именно носителем химических свойств вещества; нельзя говорить, что молекула сохраняет (имеет точно такие же) химические свойства вещества, поскольку на химические свойства вещества существенное влияние оказывает межмолекулярное взаимодействие, которое для отдельной молекулы отсутствует. Например, способностью взрываться обладает вещество тринитроглицерин, но не отдельная молекула тринитроглицерина.
Ион - атом или группа атомов, имеющие положительный или отрицательный заряд.
Положительно заряженные ионы называются катионами , а отрицательно заряженные - анионами . Ионы бывают простые , т.е. одноатомные (K + , Cl −), и сложные (NH 4 + , NO 3 −), одно - (Na + , Cl −) и многозарядные (Fe 3+ , PO 4 3 −).
1. Для данного элемента простой ион и нейтральный атом имеют одинаковое число протонов и нейтронов, но различаются числом электронов: у катиона их меньше, а у аниона больше, чем у электронейтрального атома.
2. Масса простого или сложного иона такая же, как и масса соответствующей электронейтральной частицы.
Следует иметь в виду, что далеко не все вещества состоят из молекул.
Вещества, состоящие из молекул, называют веществами молекулярного строения . Это могут быть как простые (аргон, кислород, фуллерен), так и сложные (вода, метан, аммиак, бензол) вещества.
Молекулярное строение имеют все газы и практически все жидкости (исключение - ртуть); твердые вещества могут иметь как молекулярное (сахароза, фруктоза, иод, белый фосфор, фосфорная кислота), так и немолекулярное строение (алмаз, черный и красный фосфор, карборунд SiC, поваренная соль NaCl). В веществах молекулярного строения связи между молекулами (межмолекулярное взаимодействие) слабые. При нагревании они легко разрушаются. Именно по этой причине вещества молекулярного строения имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения, летучи (вследствие этого часто имеют запах).
Вещества немолекулярного строения состоят из электронейтральных атомов либо простых или сложных ионов. Из электронейтральных атомов состоят, например, алмаз, графит, черный фосфор, кремний, бор, а из простых и сложных ионов - соли, например KF и NH 4 NO 3 . Из положительно заряженных атомов (катионов) состоят металлы. Немолекулярное строение имеют также карборунд SiC, оксид кремния(IV) SiO 2 , щелочи (KOH, NaOH), большинство солей (KCl, CaCO 3), бинарные соединения металлов с неметаллами (основные и амфотерные оксиды, гидриды, карбиды, силициды, нитриды, фосфиды), интерметаллиды (соединения металлов друг с другом). В веществах немолекулярного строения отдельные атомы или ионы связаны между собой прочными химическими связями, поэтому при обычных условиях эти вещества твердые, нелетучи, имеют высокие температуры плавления.
Например, сахароза (молекулярное строение) плавится при 185 °С, а хлорид натрия (немолекулярное строение) - при 801 °С.
В газовой фазе все вещества состоят из молекул, и даже те, которые при обычной температуре имеют немолекулярное строение. Например, при высокой температуре в газовой фазе обнаружены молекулы NaCl, K 2 , SiO 2 .
Для веществ, разлагающихся при нагревании (CaCO 3 , KNO 3 , NaHCO 3), получить молекулы нагреванием вещества нельзя
Молекулярные вещества составляют основу органического мира, а немолекулярные - неорганического (минерального) мира.
Химическая формула. Формульная единица. Химическое уравнение
Состав любого вещества выражается с помощью химической формулы. Химическая формула - это изображение качественного и количественного состава вещества с помощью символов химических элементов, а также числовых, буквенных и других знаков.
Для простых веществ немолекулярного строения химическая формула совпадает со знаком химического элемента (например, Cu, Al, B, Р). В формуле простого вещества молекулярного строения указывают (если необходимо) число атомов в молекуле: O 3 , P 4 , S 8 , C 60 , C 70 , C 80 и т.д. Формулы благородных газов всегда записывают с одним атомом: He, Ne, Ar, Xe, Kr, Rn. При записи уравнений химических реакций химические формулы некоторых многоатомных молекул простых веществ можно (если специально не оговорено) записывать в виде символов элементов (одиночных атомов): P 4 → P, S 8 → S, C 60 → C (нельзя это делать для озона О 3 , кислорода О 2 , азота N 2 , галогенов, водорода).
Для сложных веществ молекулярного строения различают эмпирическую (простейшую) и молекулярную (истинную) формулы. Эмпирическая формула показывает наименьшее целочисленное соотношение чисел атомов в молекуле, а молекулярная формула - истинное целочисленное соотношение атомов. Например, истинная формула этана С 2 H 6 , а простейшая - CН 3 . Простейшую формулу получают делением (сокращением) чисел атомов элементов в истинной формуле на какое-либо подходящее число. Например, простейшую формулу этана получили делением чисел атомов С и Н на 2.
Простейшая и истинная формулы могут как совпадать (метан CH 4 , аммиак NH 3 , вода H 2 O), так и не совпадать (оксид фосфора(V) Р 4 О 10 , бензол C 6 H 6 , пероксид водорода Н 2 О 2 , глюкоза C 6 H 12 O 6).
Химические формулы позволяют рассчитывать массовые доли атомов элементов в веществе.
Массовая доля w атомов элемента Э в веществе определяется по формуле
w (Э) = A r (Э) ⋅ N (Э) M r (В) , (1.2)
где N (Э) - число атомов элемента в формуле вещества; M r (В) - относительная молекулярная (формульная) масса вещества.
Например, для серной кислоты M r (H 2 SO 4) = 98, тогда массовая доля атомов кислорода в этой кислоте
w (O) = A r (O) ⋅ N (O) M r (H 2 SO 4) = 16 ⋅ 4 98 ≈ 0,653 (65,3 %) .
По формуле (1.2) находят число атомов элемента в молекуле или формульной единице:
N (Э) = M r (В) ⋅ w (Э) A r (Э) (1.3)
или молярную (относительную молекулярную или формульную) массу вещества:
M r (В) = A r (Э) ⋅ N (Э) w (Э) . (1.4)
В формулах 1.2–1.4 значения w (Э) даны в долях единицы.
Пример 1.3. В некотором веществе массовая доля атомов серы составляет 36,78 %, а число атомов серы в одной формульной единице равно двум. Укажите молярную массу (г/моль) вещества:
Решение . Используя формулу 1.4, находим
M r = A r (S) ⋅ N (S) w (S) = 32 ⋅ 2 0,3678 = 174 ,
M = 174 г/моль.
Ответ : 2).
В следующем примере показан способ нахождения простейшей формулы вещества по массовым долям элементов.
Пример 1.4. В некотором оксиде хлора массовая доля атомов хлора равна 38,8 %. Найдите формулу оксида.
Решение . Так как w (Cl) + w (O) = 100 %, то
w (O) = 100 % − 38,8 % = 61,2 %.
Если масса вещества равна 100 г, то m (Cl) = 38,8 г и m (O) = = 61,2 г.
Представим формулу оксида как Cl x O y . Имеем
x : y = n (Cl) : n (O) = m (Cl) M (Cl) : m (O) M (O) ;
x : y = 38,8 35,5 : 61,2 16 = 1,093 : 3,825 .
Разделив полученные числа на наименьшее из них (1,093), найдем, что x : y = 1: 3,5 или, домножив на 2, получаем x : y = 2: 7. Следовательно, формула оксида Cl 2 O 7 .
Ответ : Cl 2 O 7 .
Для всех сложных веществ немолекулярного строения химические формулы являются эмпирическими и отражают состав не молекул, а так называемых формульных единиц.
Формульная единица (ФЕ) - группа атомов, соответствующая простейшей формуле вещества немолекулярного строения.
Таким образом, химические формулы веществ немолекулярного строения - это формульные единицы. Примеры формульных единиц: KOH, NaCl, CaCO 3 , Fe 3 C, SiO 2 , SiC, KNa 2 , CuZn 3, Al 2 O 3 , NaH, Ca 2 Si, Mg 3 N 2 , Na 2 SO 4 , K 3 PO 4 и т.д.
Формульные единицы можно рассматривать как структурные единицы веществ немолекулярного строения. Для веществ молекулярного строения таковыми, очевидно, являются реально существующие молекулы.
С помощью химических формул записываются уравнения химических реакций.
Химическое уравнение - это условная запись химической реакции с помощью химических формул и других знаков (равно, плюс, минус, стрелками др.).
Химическое уравнение является следствием закона сохранения массы, поэтому оно составляется так, чтобы числа атомов каждого элемента в его обеих частях были равными.
Цифры перед формулами называются стехиометрическими коэффициентами , при этом единица не записывается, но подразумевается (!) и учитывается при подсчете общей суммы стехиометрических коэффициентов. Стехиометрические коэффициенты показывают, в каких мольных отношениях реагируют исходные вещества и образуются продукты реакции. Например, для реакции, уравнение которой
3Fe 3 O 4 + 8Al = 9Fe + 4Al 2 O 3
n (Fe 3 O 4) n (Al) = 3 8 ; n (Al) n (Fe) = 8 9 и т.д.
В схемах реакций коэффициенты не расставляют и вместо знака равенства используют стрелку:
FeS 2 + O 2 → Fe 2 O 3 + SO 2
Стрелка применяется и при записи уравнений химических реакций с участием органических веществ (чтобы не путать знак равно с двойной связью):
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br–CH 2 Br,
а также уравнений электрохимической диссоциации сильных электролитов:
NaCl → Na + + Cl − .
Закон постоянства состава
Для веществ молекулярного строения справедлив закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808): всякое вещество молекулярного строения независимо от способа и условий получения имеет постоянный качественный и количественный состав.
Из закона постоянства состава следует, что в молекулярных соединениях элементы должны находиться в строго определенных массовых пропорциях, т.е. иметь постоянную массовую долю. Это верно, если изотопный состав элемента не изменяется. Например, массовая доля атомов водорода в воде независимо от способа ее получения из природных веществ (синтез из простых веществ, нагревание медного купороса CuSO 4 · 5H 2 O и др.) будет всегда равна 11,1 %. Однако в воде, полученной взаимодействием молекул дейтерия (нуклид водорода с A r ≈ 2) и природного кислорода (A r = 16), массовая доля атомов водорода
w (H) = 2 ⋅ 2 2 ⋅ 2 + 16 = 0,2 (20 %) .
Вещества, подчиняющиеся закону постоянства состава, т.е. вещества молекулярного строения, называются стехиометрическими .
Вещества немолекулярного строения (особенно карбиды, гидриды, нитриды, оксиды и сульфиды металлов d -семейства) закону постоянства состава не подчиняются, поэтому их называют нестехиометрическими . Например, в зависимости от условий получения (температура, давление) состав оксида титана(II) переменный и колеблется в пределах TiO 0,7 –TiO 1,3 , т.е. в кристалле этого оксида на 10 атомов титана может приходиться от 7 до 13 атомов кислорода. Однако для многих веществ немолекулярного строения (KCl, NaOH, CuSO 4) отклонения от постоянства состава весьма незначительны, поэтому можно считать, что их состав практически не зависит от способа получения.
Относительная молекулярная и формульная масса
Для характеристики веществ соответственно молекулярного и немолекулярного строения вводятся понятия «относительная молекулярная масса» и «относительная формульная масса», которые обозначаются одинаковым символом - M r
Относительная молекулярная масса - безразмерная физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 части массы атома нуклида С-12:
M r (B) = m мол (B) u . (1.5)
Относительная формульная масса - безразмерная физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса формульной единицы больше 1/12 части массы атома нуклида С-12:
M r (B) = m ФЕ (B) u . (1.6)
Формулы (1.5) и (1.6) позволяют находить массу молекулы или ФЕ:
m (мол, ФЕ) = uM r . (1.7)
На практике значения M r находят суммированием относительных атомных масс элементов, образующих молекулу или формульную единицу, с учетом числа отдельных атомов. Например:
M r (H 3 PO 4) = 3A r (H) + A r (P) + 4A r (O) =
3 ⋅ 1 + 31 + 4 ⋅ 16 = 98.
Тринадцатая глава. О самой маленькой крупинке вещества
Придя из школы, Саша попросила, чтобы ей не мешали, и закрылась в комнате.– Их класс готовит представление на последний звонок, – пояснила Маша. – Наверное, им задали сделать поздравления выпускникам и костюмы для концерта.
Через час мама все же решила заглянуть к дочке. Она ожидала застать девочку за рисованием или шитьем, но Саша просто сидела за столом и задумчиво смотрела на стакан с водой, который, по-видимому, был приготовлен для акварельных красок.
Услышав шорох, Саша подняла глаза и спросила:
– Стакан воды – это вода?
– Конечно, – машинально ответила мама, не совсем понимая, что дочка имела в виду.
– А полстакана – тоже вода?
– Почему же нет? – удивилась мама.
– И капля воды – тоже вода, и полкапли... – продолжала Саша. – А на сколько частей можно разделить каплю воды? Какой у воды самый маленький кусочек?
– Самый маленький кусочек воды – молекула воды, – сказала мама.
– Молекула, наверное, такая маленькая, что ее можно увидеть только под микроскопом, – предположила Саша.
– Нет, молекулу даже под микроскопом не увидишь. Она очень-очень маленькая. А огромное количество молекул и составляет ту воду, которая стоит перед тобой.
– Какое количество? – тут же спросила Саша.
– Оно такое большое, что его даже трудно представить. Кто-то подсчитал, что в одном стакане воды число молекул больше, чем число стаканов воды во всех морях, океанах, реках и озерах Земли.
– Вот это да!.. – Саша вдруг заговорила шепотом. – Удивительно!
– Самое удивительное, – спокойно сказала мама, – что даже одна-единственная молекула воды ведет себя в химических реакциях так же, как любое количество воды.
Саша огляделась по сторонам.
– Так значит, у каждого вещества есть своя молекула? – спросила она. – И все они такие же крошечные?
– Среди крошек-молекул есть разные: и побольше, и поменьше. Но все они, конечно, очень маленькие по сравнению с теми предметами, которые нас окружают. Правда, нельзя сказать, что все вещества состоят из молекул – бывают и другие частицы вещества. Но об этом ты узнаешь в старших классах, а сейчас давай-ка принимайся за работу, а то ваши старшеклассники останутся без праздника.
Мама вышла, а Саша стала думать, с чего бы ей начать. Нужно было нарисовать поздравительную открытку, надуть два воздушных шара и пришить блестки на костюм для концерта.
Немного поразмыслив, она решила сначала заняться воздушными шарами. Набрав побольше воздуха, девочка стала надувать первый шарик. Сначала шарик наполнялся воздухом легко, но чем дальше, тем сильнее шар увеличивался в размере, и надувать его становилось все труднее. Наконец он стал огромным. Саша с шаром в зубах подошла к маме и промычала:
– М-м-м, п-м-м м-м...
Мама поскорее достала крепкую нитку и помогла завязать шарик. Взяв в руки, Саша стала его рассматривать со всех сторон. Ей показалось, что шарик надут недостаточно, и она попыталась слегка надавить на него. Шарик был очень упругим, но все же немного подался под Сашиной рукой.
– Мама, смотри, я уменьшаю молекулы воздуха!
– Ты ошибаешься, – сказала мама. – Во-первых, у воздуха нет молекул. Воздух – это смесь газов, и у каждого из них – свои молекулы. Во-вторых, ты уменьшаешь не молекулы, а промежутки между ними.
– Разве между молекулами есть промежутки? – удивилась Саша.
– А как бы ты могла надуть свой шарик? Ведь с каждой порцией воздуха ты вдуваешь в него все новые молекулы газов. Наверное, ты заметила, что газ в шарике немного сжат по сравнению с окружающим воздухом. Посчитай-ка, сколько выдохов нужно сделать, чтобы надуть шар.
Саша взяла еще один шарик. Вскоре он стал таким же большим, как и первый. Говорить она не могла, но из ее жестов мама поняла, что она дунула два раза по десять раз.
– За один раз человек выдыхает около одного литра воздуха. Но объем твоего шара, конечно, меньше двадцати литров – ведь это примерно два ведра.
Саша стала кивать головой в знак того, что она согласна с мамой. В этот момент шарик выскочил из ее рта и стал бешено носиться по всей комнате.
– Молекулы выбегают из шарика! – закричала Саша. – Они меня щекочут!
Мама рассмеялась. Саша подобрала упавший шарик и уселась на пол.
– А вот в полу уж точно нет никаких расстояний между молекулами, – сказала она. – Он же не сжимается.
– Хотя твердые и жидкие вещества почти не сжимаются, в них тоже есть промежутки между молекулами, только не такие большие, как в газах, – сказала мама.
– А если газ сжать очень сильно, он станет твердым? – предположила Саша.
– Конечно. Именно так и получают из углекислого газа сухой лед, который кладут в коробки с мороженым. А если кусочек сухого льда положить на стол, через какое-то время он испарится и опять превратится в газ.
– Тогда почему стол не превращается в газ? – ехидно спросила Саша.
– Молекулы одновременно и притягиваются друг к другу, и отталкиваются, – сказала мама.
Заметив, что Саша собирается задать еще один вопрос, мама продолжила:
– Почему это происходит, я тебе объяснить пока не смогу. Даже многие студенты не сразу это понимают. Но если притяжение сильнее, чем отталкивание, – вещество жидкое иди твердое, а если слабее – оно превращается в газ. Это зависит от самого вещества и от температуры: при нагревании притяжение становится слабее.
– Теперь мне понятно, – сказала Саша, – почему кипит вода. Кстати, давай попьем чаю.
– Хорошо, – согласилась мама. – Между прочим, Маша печет пирог. И, по-моему, он уже готов. Чувствуешь, как вкусно пахнет?
– Но Маша печет пирог на кухне, почему же запах добрался до комнаты?
– Это к нам прилетели молекулы веществ, которые выделились при выпечке. Любые молекулы все время движутся. В твердых веществах они чуть-чуть шевелятся на одном месте, в жидкостях – перемещаются с места на место, а в газах – носятся довольно быстро.
Пришел Максим, и Саша стала рассказывать ему про молекулы.
– А я знаю, на что похож наш класс, когда мы сидим за партами во время урока. Я и загадку подходящую вспомнил:
– Ты имеешь в виду застывшую воду, которая плавает в обычной жидкой
воде?
– Конечно! А когда мы идем, взявшись за руки, в столовую,
получается похоже на подвижную воду, словно бы плывем, – объяснил
Максим.
– Когда уроки заканчиваются, мы бежим на школьный двор, и тогда
получается, как в другой загадке:
Попив чай с пирогом, Саша и Максим отправились рисовать. Саша макнула
кисточку в стакан с водой, потом набрала на нее немного краски. Яркая
капля упала на стол, Саша вытерла ее тряпочкой. Затем такую же каплю она
уронила в воду. Капелька опустилась на дно и стала медленно
расплываться.
– Наверное, молекулы воды двигаются в стакане и
расталкивают молекулы краски, – предположила Саша. – Надо же, молекулы
нельзя увидеть, а то, что они делают, заметно...
Она открыла химическую
тетрадь, показала Максиму записи о том, что ей сказала мама.
Принялся Трурль ловить атомы, соскабливать с них электроны, месить протоны, так что лишь пальцы мелькали, приготовил протонное тесто, выложил вокруг него электроны и - за следующий атом; не прошло и пяти минут, как держал он в руках брусочек чистого золота: подал его морде, она же, на зуб брусочек попробовав и головой кивнув, сказала:
- И в самом деле золото, только я не могу так за атомами гоняться. Слишком я большой.
- Ничего, мы дадим тебе особый аппаратик! - уговаривал его Трурль.
Станислав Лем, «Кибериада»
Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир. Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул - и даже для исследования генома человека.
Буквы из ксеноновых пикселей
Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода - способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.
У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике. Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.
В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами - нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).
Бинниг не стал почивать на лаврах - в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение. Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий - сил Ван-дер-Ваальса.
Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком - кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков - сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10 –18 ньютон. Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.
За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов - от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).
За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются. Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.
Живо по зондам, в погоню за связями
Бесконтактной атомно-силовая микроскопия стала в 1998 году благодаря работам ученика Биннига - Франца Йозефа Гиссибла. Именно он предложил использовать в качестве кантилевера кварцевый эталонный генератор стабильной частоты. Спустя 11 лет исследователи из лаборатории IBM в Цюрихе предприняли еще одну модификацию бесконтактного АСМ: роль зонда-сенсора выполнял не острый кристалл алмаза, а одна молекула - монооксид углерода. Это позволяло перейти к субатомному разрешению, что и продемонстрировал Лео Гросс из цюрихского отдела IBM. В 2009 году с помощью АСМ он сделал видимыми уже не атомы, а химические связи, получив достаточно четкую и однозначно читаемую «картинку» для молекулы пентацена (рис. 3; Science , 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210 ).
Убедившись, что с помощью АСМ можно увидеть химическую связь, Лео Гросс решил пойти дальше и применить атомно-силовой микроскоп для измерения длин и порядков связей - ключевых параметров для понимания химической структуры, а следовательно, и свойств веществ.
Напомним, что различие в порядках связей указывает на разные значения электронной плотности и различные межатомные расстояния между двумя атомами (говоря проще, двойная связь короче одинарной). В этане порядок связи углерод-углерод равен единице, в этилене - двум, а в классической ароматической молекуле - бензоле - порядок связи углерод-углерод больше единицы, но меньше двух, и считается равным 1,5.
Определить порядок связи гораздо сложнее при переходе от простых ароматических систем к плоским или объемным поликонденсированным циклическим системам. Так, порядок связей в фуллеренах, состоящих из конденсированных пяти- и шестичленных углеродных циклов, может принимать любое значение от единицы до двух. Та же самая неопределенность теоретически присуща и полициклическим ароматическим соединениям.
В 2012 году Лео Гросс совместно с Фабианом Моном показал, что атомно-силовой микроскоп с металлическим бесконтактным зондом, модифицированным монооксидом углерода, может измерять различия в распределении зарядов у атомов и межатомные расстояния - то есть параметры, ассоциированные с порядком связи (Science , 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621 ).
Для этого они изучили два типа химических связей в фуллерене - связь углерод-углерод, общую для двух шестичленных углеродсодержащих циклов фуллерена С 60 , и связь углерод-углерод, общую для пяти- и шестичленного циклов. Атомно-силовой микроскоп показал, что при конденсации шестичленных циклов образуется связь более короткая и с большим порядком, чем при конденсации циклических фрагментов C 6 и C 5 . Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C 6 симметрично расположено еще шесть циклов C 6 , подтвердило результаты квантово-химического моделирования, согласно которым порядок связей С-С центрального кольца (на рис. 4 буква i ) должен быть больше, чем у связей, объединяющих это кольцо с периферийными циклами (на рис. 4 буква j ). Сходные результаты получили и для более сложного полициклического ароматического углеводорода, содержащего девять шестичленных циклов.
Порядки связей и межатомные расстояния, конечно же, интересовали химиков-органиков, но важнее это было тем, кто занимался теорией химической связи, предсказанием реакционной способности и изучением механизмов химических реакций. Тем не менее и химиков-синтетиков, и специалистов по изучению структуры природных соединений ждал сюрприз: оказалось, что атомно-силовой микроскоп можно применять для установления структуры молекул точно так же, как ЯМР или ИК-спектроскопию. Более того, он дает однозначный ответ на вопросы, с которыми эти методы не в состоянии справиться.
От фотографии к кинематографу
В 2010 году все тот же Лео Гросс и Райнер Эбел смогли однозначно установить строение природного соединения - цефаландола А, выделенного из бактерии Dermacoccus abyssi (Nature Chemistry , 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Состав цефаландола А установили ранее с помощью масс-спектрометрии, однако анализ спектров ЯМР этого соединения не давал однозначного ответа на вопрос о его структуре: возможны были четыре варианта. С помощью атомно-силового микроскопа исследователи сразу же исключили две из четырех структур, а из двух оставшихся правильный выбор сделали, сравнив результаты, полученные благодаря АСМ и квантово-химическому моделированию. Задача оказалась непростой: в отличие от пентацена, фуллерена и короненов, в состав цефаландола А входят не только атомы углерода и водорода, кроме того, у этой молекулы нет плоскости симметрии (рис. 5) - но и такую задачу удалось решить.
Еще одно подтверждение того, что атомно-силовой микроскоп можно использовать как аналитический инструмент, получили в группе Оскара Кустанца, в то время работавшего в инженерной школе Университета Осаки. Он показал, как с помощью АСМ различить атомы, отличающиеся друг от друга гораздо меньше, чем углерод и водород (Nature , 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц исследовал поверхность сплава, состоящего из кремния, олова и свинца с известным содержанием каждого элемента. В результате многочисленных экспериментов он выяснил, что сила, возникающая между острием зонда АСМ и разными атомами, различается (рис. 6). Так, например, самое сильное взаимодействие наблюдалось при зондировании кремния, а самое слабое - при зондировании свинца.
Предполагается, что в дальнейшем результаты атомно-силовой микроскопии для распознавания отдельных атомов будут обрабатываться так же, как результаты ЯМР, - по сравнению относительных величин. Поскольку точный состав иглы датчика трудно контролировать, абсолютное значение силы между датчиком и различными атомами поверхности зависит от условий эксперимента и марки устройства, а вот отношение этих сил при любом составе и форме датчика остается постоянным для каждого химического элемента.
В 2013 году появились первые примеры использования АСМ для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций: создается «фотосет» из продуктов и полупродуктов реакции, который потом можно смонтировать своего рода документальный фильм (Science , 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).
Феликс Фишер и Майкл Кромми из Университета Калифорнии в Беркли нанесли на поверхность серебра 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол , получили изображение молекул и нагрели поверхность, чтобы инициировать циклизацию. Половина исходных молекул превратилась в полициклические ароматические структуры, состоящие из конденсированных пяти шестичленных и двух пятичленных циклов. Еще четверть молекул образовала структуры, состоящие из четырех шестичленных циклов, связанных через один четырехчленный цикл, и двух пятичленных циклов (рис. 7) . Остальными продуктами были олигомерные структуры и, в незначительном количестве, полициклические изомеры.
Такие результаты дважды удивили исследователей. Во-первых, в ходе реакции образовалось всего лишь два главных продукта. Во-вторых, удивление вызвала их структура. Фишер отмечает, что химическая интуиция и опыт позволяли нарисовать десятки возможных продуктов реакции, однако ни один из них не соответствовал тем соединениям, которые образовывались на поверхности. Возможно, протеканию нетипичных химических процессов способствовало взаимодействие исходных веществ с подложкой.
Естественно, что после первых серьезных успехов в изучении химических связей некоторые исследователи решили применить АСМ для наблюдения более слабых и менее изученных межмолекулярных взаимодействий, в частности водородной связи. Однако в этой области работы еще только начинаются, а результаты их противоречивы. Так, в одних публикациях сообщается, что атомно-силовая микроскопия позволила наблюдать водородную связь (Science , 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в других утверждают, что это всего лишь артефакты, обусловленные конструкционными особенностями прибора, а экспериментальные результаты нужно интерпретировать аккуратнее (Physical Review Letters , 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102 ). Возможно, окончательный ответ на вопрос, можно ли наблюдать водородные и другие межмолекулярные взаимодействия с помощью атомно-силовой микроскопии, будет получен уже в этом десятилетии. Для этого необходимо еще хотя бы в несколько раз повысить разрешение АСМ и научиться получать изображения без помех (Physical Review B , 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421 ).
Синтез одной молекулы
В умелых руках и СТМ и АСМ превращаются из приборов, способных изучать вещество, в приборы, способные направленно изменять строение вещества. С помощью этих устройств уже удалось получить «самые маленькие химические лаборатории», в которых вместо колбы используется подложка, а вместо молей или миллимолей реагирующих веществ - отдельные молекулы.
Например, в 2016 году международная группа ученых во главе с Такаси Кумагаи использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию для перевода молекулы порфицена из одной ее формы в другую (Nature Chemistry , 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфицен можно рассматривать как модификацию порфирина, во внутреннем цикле которого содержится четыре атома азота и два атома водорода. Колебания зонда АСМ передавали молекуле порфицена достаточно энергии для переноса этих водородов от одних атомов азота к другим, и в результате получалось «зеркальное отражение» этой молекулы (рис. 8).
Группа под руководством неутомимого Лео Гросса также показала, что возможно инициировать реакцию отдельно взятой молекулы, - они превратили дибромантрацен в десятичленный циклический диин (рис. 9; Nature Chemistry , 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300 ). В отличие от Кумагаи с соавторами, они использовали сканирующий туннельный микроскоп для активации молекулы, а за результатом реакции следили с помощью атомно-силового микроскопа.
Комбинированное применение сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа позволило даже получить молекулу, которую невозможно синтезировать с помощью классических приемов и методов (Nature Nanotechnology , 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). Это триангулен - нестабильный ароматический бирадикал, существование которого было предсказано шесть десятилетий назад, но все попытки синтеза были неудачными (рис. 10). Химики из группы Нико Павличека получили искомое соединение, оторвав от его прекурсора два атома водорода с помощью СТМ и подтвердив синтетический результат с помощью АСМ.
Предполагается, что число работ, посвященных применению атомно-силовой микроскопии в органической химии, еще будет расти. В настоящее время все больше ученых пытаются повторить на поверхности реакции, хорошо знакомые «растворной химии». Но, возможно, химики-синтетики начнут воспроизводить в растворе те реакции, которые были первоначально осуществлены на поверхности с помощью АСМ.
От неживого - к живому
Кантилеверы и зонды атомно-силовых микроскопов можно применять не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для решения прикладных задач. Уже известны случаи использования АСМ в медицине, например для ранней диагностики рака, и здесь пионером выступает тот самый Кристофер Гербер, который приложил руку к разработке принципа атомно-силовой микроскопии и созданию АСМ.
Так, Герберу удалось научить АСМ определять точечную мутацию рибонуклеиновой кислоты при меланоме (на материале, полученном в результате биопсии). Для этого золотой кантилевер атомно-силового микроскопа модифицировали олигонуклеотидами, которые могут вступать в межмолекулярное взаимодействие с РНК, а силу этого взаимодействия все также можно измерить за счет пьезоэффекта. Чувствительность сенсора АСМ настолько велика, что его уже пытаются применить для изучения эффективности популярного метода редактирования геномов CRISPR-Cas9. Здесь воедино объединяются технологии, созданные разными поколениями исследователей.
Перефразируя классика одной из политических теорий, можно сказать, что мы уже сейчас видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии и вряд ли в силах представить, что ждет нас впереди в связи с дальнейшим развитием этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп дают нам возможность увидеть атомы и прикоснуться к ним. Можно сказать, что это не только продолжение наших глаз, позволяющее заглянуть в микрокосм атомов и молекул, но и новые глаза, новые пальцы, способные прикоснуться к этому микрокосму и управлять им.
Вода - одно из самых распространённых веществ в природе (гидросфера занимает 71 % поверхности Земли). Воде принадлежит важнейшая роль в геологии, истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов. Дело в том, что тело человека почти на 63% – 68% состоит из воды. Практически все биохимические реакции в каждой живой клетке - это реакции в водных растворах… В растворах же (преимущественно водных) протекает большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов. И в металлургии вода чрезвычайно важна, причём не только для охлаждения. Не случайно гидрометаллургия - извлечение металлов из руд и концентратов с помощью растворов различных реагентов - стала важной отраслью промышленности.
Вода, у тебя нет ни цвета, ни вкуса, ни запаха,
тебя невозможно описать, тобой наслаждаются,
не ведая, что ты такое. Нельзя сказать,
что необходимо для жизни: ты сама жизнь.
Ты исполняешь нас с радостью,
которую не объяснишь нашими чувствами.
С тобой возвращаются к нам силы,
с которыми мы уже простились.
По твоей милости в нас вновь начинают
бурлить высохшие родники нашего сердца.
(А. де Сент-Экзюпери. Планета людей)
Мной написан реферат по теме "Вода — самое удивительное вещество в мире". Я выбрал эту тему потому что — это самая актуальная тема, так как вода это самое важное вещество на Земле без которого не может существовать ни один живой организм и не могут протекать ни какие биологические, химические реакции, и технологические процессы.
Вода — самое удивительное вещество на Земле
Вода — вещество привычное и необычное. Известный советский учёный академик И. В. Петрянов свою научно-популярную книгу о воде назвал "самое необыкновенное вещество в мире". А "Занимательная физиология", написанная доктором биологических наук Б. Ф. Сергеевым, начинается с главы о воде — "Вещество, которое создало нашу планету".
Учёные абсолютно правы: нет на Земле вещества, более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в тоже время не существует другого такого вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.
Почти 3/4 поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой — снегом и льдом — покрыто 20% суши. От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере — в облаках и в виде паров… без воды обойтись нельзя — это самое важное вещество на Земле.
Строение молекулы воды
Поведение воды "нелогично". Получается, что переходы воды из твёрдого состояния в жидкое и газообразное происходит при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Этим аномалиям найдено объяснение. Молекула воды H 2 O построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород — водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле H 2 O, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H 2 O в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H 2 O. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему, кстати, так велика теплоёмкость воды.
Какие связи имеет H 2 O?
В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н-О.
Они образованы за счёт перекрывания двух одноэлектронных р — облаков атома кислорода и одноэлектронных S — облаков двух атомов водорода.
В молекуле воды атом кислорода имеет четыре электронных пары. Две из них участвуют в образовании ковалентных связей, т.е. являются связывающими. Две другие электронные пары являются не связывающими.
В молекуле имеются четыре полюс зарядов: два — положительные и два — отрицательные. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две не связывающие электронные пары кислорода.
Подобное представление о строении молекулы позволяет объяснить многие свойства воды, в частности структуру льда. В кристаллической решётке льда каждая из молекул окружена четырьмя другими. В плоскостном изображении это можно представить так:
 |  |
На схеме видно, что связь между молекулами осуществляется посредством атома водорода:
Положительно заряженный атом водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы воды. Такая связь получила название водородной (её обозначают точками). По прочности водородная связь примерно в 15 — 20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды.
Структура жидкой воды напоминает структуру льда. В жидкой воде молекулы также связаны друг с другом посредством водородных связей, однако структура воды менее "жёсткая", чем у льда. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.
Физические свойства H 2 O
Вода, H 2 O, жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотность 1 г/см 3 (при 3,98 градусах), t пл =0 градусов, t кип =100 градусов.
Разная бывает вода: жидкая, твёрдая и газообразная.
Вода — это единственное вещество в природе, которое в земных условиях существует во всех трёх агрегатных состояниях:
жидком — вода
твёрдом — лёд
газообразном — пар
Советский учёный В. И. Вернадский писал: "Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могли бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества — минерала горной породы, живого тела, которое её бы не заключало. Всё земное вещество ею проникнуто и охвачено".
Химические свойства H 2 O
Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул дисоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы. Роль воды, как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул (смещением центров положительных и отрицательных зарядов) и, как следствие, её чрезвычайно высокий диэлектрической проницаемостью. Разноименные электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем на воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разобщить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих трудно растворимых веществ: капля камень точит…
Диссоциация (распадение) молекул воды на ионы:
H 2 O → H + +OH, или 2H 2 O → H 3 O (ион гидроксия) +ОН
в обычных условиях крайне незначительна; диссоциирует в среднем одна молекула из 500000000. При этом надо иметь в виду, что первое из приведённых уравнений сугубо условное: не может существовать в водной среде лишённый электронной оболочки протон Н. Он сразу соединяется с молекулой воды, образуя ион гидроксия H 3 O. Считают даже, что ассоцианты водных молекул в действительности распадаются на значительно более тяжёлые ионы, такие, например, как
8H 2 O → HgO 4 +H 7 O 4 , а реакция H 2 O → H + +OH - - лишь сильно упрощенная схема реального процесса.
Реакционная способность воды сравнительно невелика. Правда, некоторые активные металлы способны вытеснять из неё водород:
2Na+2H 2 O → 2NaOH+H 2 ,
а в атмосфере свободного фтора вода может гореть:
2F 2 +2H 2 O → 4HF+O 2 .
Из подобных же молекулярных ассоциатов соединений молекул состоят и кристаллы обычного льда. "Упаковка" атомов в таком кристалле не ионная, и лёд плохо проводит тепло. Плотность жидкой воды пи температуре близкой к нулю, больше чем у льда. При 0°C 1гр льда занимает объём 1,0905 см 3 , а 1гр жидкой воды — 1,0001 см 3 . И лёд плавает, оттого и не промерзают насквозь водоёмы, а лишь покрываются ледяным покровом. В этом проявляется ещё одна аномалия воды: после плавления она сначала сжимается, а уж потом, на рубеже 4 градусов, при дальнейшем процессе начинает расширятся. При высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемый лёд — 1, лёд — 2, лёд — 3, и т. д. — более тяжёлые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самый твёрдый, плотный и тугоплавкий пока лёд — 7 — полученный при давлении 3 кило Па. Он плавится при 190 градусах.
Круговорот воды в природе
Организм человека пронизан миллионами кровеносных сосудов. Крупные артерии и вены соединяют друг с другом основные органы тела, более мелкие оплетают их со всех сторон, тончайшие капилляры доходят практически до каждой отдельной клетки. Копаете ли вы яму, сидите ли на уроке или блаженно спите, по ним беспрерывно течёт кровь, связывая в единую систему человеческого организма мозг и желудок, почки и печень, глаза и мускулы. Для чего же нужна кровь?
Кровь доносит до каждой клетки вашего тела кислород из лёгких и питательные вещества из желудка. Кровь собирает отходы жизнедеятельности из всех, даже самых укромных уголков организма, освобождая его от углекислого газа и других ненужных, в том числе опасных веществ. Кровь разносит по всему телу особые вещества — гормоны, которые регулируют и согласовывают работу разных органов. Иными словами, кровь соединяет разные части тела в единую систему, в слаженный и работоспособный организм.
Так же кровеносная система есть и у нашей планеты. Кровь Земли — это вода, а кровеносные сосуды — реки, речушки, ручьи и озёра. И это не просто сравнение, художественная метафора. Вода на Земле играет ту же роль, что и кровь в организме человека, и как недавно заметили учёные, структура речной сети очень похожа на структуру кровеносной системы человека. "Возница природы" — так назвал воду великий Леонардо да Винчи именно она, переходя из почвы в растения, из растений в атмосферу, стекая по рекам с материков в океаны и возвращаясь обратно с воздушными потоками, соединяя друг с другом различные компоненты природы, превращая их в единую географическую систему. Вода не просто переходит из одного природного компонента в другой. Как и кровь, она переносит с собой огромное количество химических веществ, экспортируя их из почвы в растения, с суши в озёра и океаны, из атмосферы на землю. Все растения могут потреблять питательные вещества, содержащиеся в почве, только с водой, где они находятся в растворённом состоянии. Если бы не приток воды из почвы в растения, все травы, даже растущие на самых богатых почвах, погибли бы "от голода", уподобившись купцу, умершему от голода на сундуке с золотом. Вода снабжает питательными веществами и обитателей рек, озёр и морей. Ручьи, весело стекающие с полей и лугов во время весеннего таянья снега или после летних дождей, собирают по пути хранящиеся в почве химические вещества и доносят их до жителей водоёмов и моря, связывая тем самым наземные и водные участки нашей планеты. Самый богатый "стол" образуется в тех местах, где несущие питательные вещества реки впадают в озёра и моря. Поэтому такие участки побережий — эстуарии — отличаются буйством подводной жизни. А кто удаляет отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности различных географических систем? Опять же вода, причём в должности акселератора она работает намного лучше кровеносной системы человека, которая лишь частично выполняет эту функцию. Особенно важна очистительная роль воды сейчас, когда человек отравляет окружающую среду отходами городов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. В организме взрослого человека содержится примерно 5-6 кг. крови, большая часть которой беспрерывно циркулирует между разными частями его тела. А сколько воды обслуживает жизнь нашего мира?
Все воды на земле не входящие в состав горных пород, объединяются понятием "гидросфера". Её вес столь велик, что обычно его измеряют не в килограммах или в тоннах, а в кубических километрах. Один кубический километр — это куб с размером каждого ребра в 1 км., постоянно занятого водой. Вес 1 км 3 воды равен 1 млрд. т. На всей земле содержится 1,5 млрд. км 3 воды, что по весу равно примерно 1500000000000000000 тонн! На каждого человека приходится по 1,4 км 3 воды, или по 250 млн. т. Пей, не хочу!
Но к сожалению, всё не так просто. Дело в том, что 94% этого объёма составляют воды мирового океана, не пригодные для большинства хозяйственных целей. Лишь 6% -это воды суши, из которых пресной всего 1/3, т.е. лишь 2% от всего объёма гидросферы. Основная масса этих пресных вод сосредоточена в ледниках. Значительно меньше их содержится под земной поверхностью (в неглубоко расположенных подземных, водных горизонтах, в подземных озёрах, в почвах, а так же в парах атмосферы. На долю рек, из которых в основном и берёт воду человек, приходится совсем мало — 1,2 тыс. км 3 . Совершенно ничтожен общий объём воды, единовременно содержащейся в живых организмах. Так что воды, которую может потреблять человек и другие живые организмы, на нашей планете не так уж и много. Но почему же она не кончается? Ведь люди и животные постоянно пьют воду, растения испаряют её в атмосферу, а реки уносят в океан.
Почему не кончается вода на Земле?
Кровеносная система человека представляет собой замкнутую цепь, по которой беспрерывно течёт кровь, перенося кислород и углекислый газ, питательные вещества и отходы жизнедеятельности. Этот поток никогда не кончается, потому что представляет собой круг или кольцо, а, как известно, "у кольца нет конца". По этому же принципу устроена и водяная сеть нашей планеты. Вода на Земле находится в постоянном круговороте, и убыль её в одном звене сразу же восполняется за счёт поступления из другого. Движущей силой круговорота воды является солнечная энергия и сила тяжести. За счёт круговорота воды все части гидросферы тесно объединены и связывают между собой другие компоненты природы. В самом общем виде круговорот воды на нашей планете выглядит следующим образом. Под действием солнечных лучей вода испаряется с поверхности океана и суши и поступает в атмосферу, причём испарение с поверхности суши осуществляется, как реками и водоёмами, так почвой, растениями. Часть воды сразу возвращается с дождями обратно в океан, а часть переносится ветрами на сушу, где выпадают в виде дождей и снега. Попадая в почву, вода частично впитывается в неё, пополняя запасы почвенной влаги и подземных вод, частично стекает по поверхности в реки и водоёмы почвенная влага частично переходит в растения, которые испаряют её в атмосферу, и частично стекает в реки, только с меньшей скоростью. Реки, питающиеся водой из поверхностных ручьёв и подземных вод, несут воду в Мировой океан, восполняя её убыль. Вода испаряется с его поверхности, снова оказывается в атмосфере, и круговорот замыкается. Такое же движение воды между всеми компонентами природы и всеми участками земной поверхности происходит постоянно и беспрерывно в течение многих миллионов лет.
Надо сказать, что круговорот воды не полностью замкнут. Часть её, попадая в верхние слои атмосферы, разлагается под действием солнечных лучей и уходит в космос. Но эти незначительные потери постоянно восполняются за счёт поступления воды из глубинных слоёв земли при вулканических извержениях. За счёт этого объём гидросферы постепенно увеличивается. по некоторым расчётам 4 млрд. лет назад объём её составлял 20 млн. км 3 , т.е. был в семь тысяч раз меньше современного. В будущем количество воды на Земле, по-видимому, так же будет возрастать, если учесть, что объём воды в мантии Земли оценивается в 20 млрд. км 3 — это в 15 раз больше современного объёма гидросферы. Сравнивая объём воды в отдельных частях гидросферы с притоком воды в них и соседних звеньев круговорота, можно определить активность водообмена, т.е. время, за которое может полностью обновиться объём воды в Мировом океане, в атмосфере или почве. Медленнее всего обновляются воды в полярных ледниках (один раз за 8 тыс. лет). А быстрее всего обновляется речная вода, которая во всех реках на Земле полностью меняется за 11 дней.
Водный голод планеты
"Земля — планета поразительной голубизны"! — восторженно докладывали возвращавшиеся из далёкого Космоса после высадки на Луну американские астронавты. Да и могла ли наша планета выглядеть по-другому, если более 2/3 её поверхности занимают моря и океаны, ледники и озёра, реки, пруды и водохранилища. Но тогда, что означает явление, название которого вынесено в заголовках? Какой же "голод" может быть, если на Земле такое изобилие водоёмов? Да, воды на Земле более чем достаточно. Но нельзя забывать и о том, что жизнь на планете Земля, как считают учёные, впервые появилась в воде, а лишь потом вышли на сушу. Свою зависимость от воды организмы сохранили в ходе эволюции в течение многих миллионов лет. Вода — главный "строительный материал", из которого состоит их тело. В этом легко убедиться, проанализировав цифры следующие таблицы:
Последнее число этой таблицы свидетельствует о том, что в человеке весом 70 кг. содержится 50 кг. воды! Но ещё больше её в человеческом зародыше: в трёхдневном — 97%, в трёхмесячном — 91%, в восьмимесячном — 81%.
Проблема "водного голода" состоит в необходимости недержания определённого количества воды в организме, так как идёт постоянная потеря влаги в ходе различных физиологических процессов. Для нормального существования в условиях умеренного климата человеку необходимо получать с питьём и пищей около 3,5 литров воды в сутки, в пустыне это норма возрастает, как минимум до 7,5 литров. Без пищи человек может существовать около сорока дней, а без воды гораздо меньше — 8 дней. По данным специальных медицинских экспериментов при потере влаги в размере 6-8 % от веса тела человек впадает в полуобморочное состояние, при потере 10% - начинаются галлюцинации, при 12% человек уже не может восстанавливаться без специальной медицинской помощи, а при потере 20% наступает неизбежная смерть. Многие животные хорошо приспосабливаются к недостатку влаги. Наиболее известный и яркий пример этого — "корабль пустыни", верблюд. Он может весьма долго жить в жаркой пустыни, не потребляя питьевой воды и теряя без ущерба для своей работоспособности до 30% первоначального веса. Так, в одном из специальных испытаний верблюд за 8 дней работал под палящим летним солнцем потеряв 100 кг. из 450 кг. своего начального веса. А когда его подвели к воде, он выпил 103 литра и восстановил свой вес. Установлено, что до 40 литров влаги верблюд может получить путём преобразования жира накопленного в его горбу. Совершенно не употребляют питьевую воду такие пустынные животные, как тушканчики и кенгуровые крысы, - им хватает влаги, которую они получают с пищей, и воды, образующейся в их организме при окислении собственного жира, так же как у верблюдов. Ещё больше воды потребляют для своего роста и развития растения. Качан капусты "выпивает" за сутки более одного литра воды, одно дерево в среднем — более 200 литров воды. Конечно, это довольно приблизительная цифра — разные породы деревьев в разных природных условиях расходуют весьма и весьма различное количество влаги. Так растущий в пустыне саксаул тратит минимальное количество влаги, а эвкалипт, в который в некоторых местах называют "дерево-насос", пропускает через себя огромное количество воды, и по этой причине его насаждения используют для осушения болот. Так превратили в процветающую территорию заболоченные малярийные земли Колхидской низменности.
Уже сейчас около 10% населения нашей планеты испытывают недостаток в чистой воде. А если учесть, что 800 млн. дворов в сельской местности, где живёт около 25% всего человечества, не имеет водопровода, то проблема "водного голода" приобретает поистине глобальный характер. Особенно остра она в развивающихся странах, где плохой водой пользуется примерно 90% населения. Недостаток чистой воды становится одним из важнейших факторов, ограничивающих прогрессивное развитие человечества.
Приобретаемые вопросы об охране водных ресурсов
Вода применяется во всех областях хозяйственной деятельности человека. Практически невозможно назвать какой-либо производственный процесс, в котором не использовалась бы вода. В связи с бурным развитием промышленности, ростом населения городов расход воды увеличивается. Первостепенное значение приобретают вопросы охраны водных ресурсов и источников от истощения, а так же от загрязнения сточными водами. Всем известно, какой ущерб наносят сточные воды обитателям водоёмов. Ещё страшней для человека и всего живого на Земле появление в речных водах ядохимикатов, смываемых с полей. Так наличие в воде 2,1 части пестицида (эндрина) на миллиард частей воды достаточно для гибели всех находящихся в ней рыб. Огромную угрозу для человечества представляют сбрасываемые в реки неочищенные стоки населенных пунктов. Эта проблема решается путём сознания таких технологических процессов, в которых отработанная вода не сбрасывается в водоёмы, а после очистки снова возвращается в технологический процесс.
В настоящее время уделяется огромное внимание охране окружающей среды и в частности естественных водоёмов. Учитывая значение этой проблемы, у нас в стране не принимают закон об охране и рациональном использовании природных ресурсов. Конституция гласит: "Граждане России обязаны беречь природу, охранять её богатства".
Виды воды
Бромная вода — насыщенный раствор Br 2 в воде (3,5% по массе Br 2). Бромовая вода — окислитель, бромирующий агент в аналитической химии.
Аммиачная вода — образуется при контакте сырого коксового газа с водой, который концентрируется вследствие охлаждения газа или специально впрыскивается в него для вымывания NH3. В обоих случаях получают так называемую слабую, или скрубберную, аммиачную воду. Дистилляцией этой аммиачной воды с водяным паром и последующей дефлегмацией и конденсацией получают концентрированную аммиачную воду (18 — 20% NH 3 по массе), которую используют в производстве соды, как жидкое удобрение и др.
Но ведь они слишком малы, чтобы увидеть их с помощью оптического или даже электронного микроскопа. Тем не менее легко наблюдать некоторые явления, свидетельствующие об их существовании.
Когда заряженная частица, например ядро или гелия, проходит через влажный газ, она оставляет за собой след пара, подобный тому, который оставляет самолет высоко в небе. Этот след мы можем увидеть или сфотографировать даже без микроскопа.
Соединение атомов в молекулы
Хотя до последнего времени не удавалось разглядеть атом, но зато можно увидеть молекулу, которая является химической комбинацией атомов. Изредка встречаются настолько большие молекулы, что их уже можно наблюдать с помощью электронного микроскопа, хотя они слишком малы, чтобы отражать более длинные волны видимого света, и поэтому их не удается увидеть с помощью простого микроскопа.
Сколько атомов содержит молекула
Вирус — это и есть огромная молекула, одна из самых больших среди известных молекул. Вирус полиомиелита, принесший так много бед, представляет собой сферическую молекулу, содержащую много тысяч атомов. Его можно увидеть с помощью электронного микроскопа при увеличении в 180000 раз.
В 1957 г. ученый из Пенсильванского университета Эрвин Мюллер получил первую действительную фотографию отдельных атомов. Слева показаны атомы вольфрама, расположенные в кристаллической решетке на поверхности очень тонкой металлической иглы. Они наблюдались Мюллером в поле ионного микроскопа. Каждая маленькая точка — это отдельный атом, яркие точки — группы из нескольких атомов. Увеличение здесь составляет около 2000000.
В Массачузетском технологическом институте доктор Мартин Бюргер при помощи рентгеновских лучей зафиксировал расположение отдельных атомов в кристалле пирита. Пирит — дисульфид железа — является соединением железа и серы. Каждая ячейка пирита содержит 1 атом железа и 2 атома серы.
Атомы, конечно, чрезвычайно малы. Один атом железа имеет диаметр менее трех стомиллионных долей сантиметра. На фотографии нельзя детально рассмотреть атом, однако на ней ясно видно положение отдельных атомов в кристалле.
Как связаны атомы в молекулах
Теперь выясним вопрос, как заставить атомы различные , например железо и серу, соединиться и образовать молекулы?
Если мы тщательно перемешаем железные опилки с серой, то смесь все еще будет оставаться железными опилками и серой. Их легко вновь разделить. Для этого нужен только магнит. Таким образом, железо и сера при смешивании не образуют химического соединения. Они образуют смесь отдельных атомов железа и серы, просто лежащих рядом. Однако, если мы поместим смесь в тигель и нагреем ее, то атомы железа и серы образуют химическое соединение.
Нагретые вместе, они теряют свою индивидуальность и становятся соединением, а именно - сульфидом железа, которое отличается по всем своим свойствам как от железа, так и от серы. Каждая молекула этого сульфида железа, или FeS, имеет 1 атом железа и 1 атом серы. Это вещество очень похоже на дисульфид железа, формула которого FeS2. Совсем легко приготовить соединение из магния, потому что для этого требуется только небольшое количество металлического магния и тепло. Необходимый кислород будет поступать из воздуха.
Можно взвесить магний и убедиться, что при горении он увеличивается в весе, а не теряет его. Это происходит потому, что магний соединяется с кислородом воздуха, образуя новое соединение - окись магния MgO. Окись магния, конечно, тяжелее первоначального магния, так как мы должны прибавить к весу атома магния еще вес атома кислорода. Полученная окись магния не похожа ни на магний, ни на кислород.
Процесс соединения железа и серы или магния и кислорода называется химической реакцией. Химические формулы для обеих реакций очень просты:
- Fe + S -> FeS (железо плюс сера образуют сульфид железа)
- 2Mg + 0 2 -> 2MgO (магний плюс кислород образуют окись магния).
До сих пор мы видели, как химик получает соединение из двух элементов, но не выяснили вопрос, почему происходит реакция. Существует очень много способов, которыми атомы могут соединяться в молекулы, но любой из них всегда состоит в перегруппировке атомных электронов на орбитах.
Перегруппировка электронов в атомах фактически и определяет химические процессы.
Первый горизонтальный ряд периодической системы содержит только два элемента - водород и гелий. Каждый из них имеет одну электронную оболочку. Второй горизонтальный ряд состоит уже из восьми элементов с двумя электронными оболочками. Можно сказать, что у каждого из элементов имеется «восьмиместная» внешняя оболочка, причем одно или несколько «мест» на ней занято электронами.
Как мы уже видели, первый элемент этого ряда - литий - имеет только один электрон на внешней оболочке, бериллий - два, и т. д., вплоть до неона, у которого все восемь мест заняты электронами.
Подобное положение имеет место и в других пяти горизонтальных рядах . С первого элемента каждого ряда начинается заполнение новой оболочки.
В каждой вертикальной колонке периодической системы находятся элементы, имеющие одинаковое число электронов на внешней оболочке. Водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций - все они имеют единственный электрон на внешней оболочке.
На другом, правом краю периодической таблицы находятся элементы, у которых внешние оболочки заполнены,- это гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон.
Элементы каждой вертикальной колонки являются членами одного и того же семейства. А так как все они имеют одинаковое число электронов на своих внешних оболочках, то обладают сходными химическими свойствами.
Не считая самого водорода, элементы в первой колонке - химические родственники водорода - называются щелочными металлами. Каждый из них имеет единственный электрон, который способен перемещаться в химических реакциях.
Такая реакция имеет, например, место, когда натрий соединяется с хлором, образуя молекулы всем известной пищевой (поваренной) соли. На двумерной модели атома натрия можно видеть, что он имеет 11 протонов в ядре и 11 электронов, уравновешивающих положительный заряд ядра: два электрона на первой оболочке, 8 - на второй и 1 - на третьей.
В атоме хлора 17 электронов - 2, 8 и 7 на каждой из оболочек. У натрия имеется один внешний электрон, в то время как хлору не хватает одного электрона до заполнения оболочки. Они образуют химическое соединение тогда, когда единственный электрон с внешней оболочки натрия перепрыгнет и заполнит внешнюю оболочку атома хлора. Натрий, рставшийся без электрона, становится положительно заряженным. Один из его отрицательных зарядов (электрон) прибавился к хлору. Два атома теперь имеют противоположные заряды и, таким образом, удерживаются вместе сильной электрической связью.
Собственно, правильнее говорить не об атомах, а ионах, имеющих противоположные заряды, так как атомы, которые лишились своей нейтральности путем присоединения или потери электронов, называются ионами.
Чтобы осуществить на практике этот эксперимент, мы должны взять бутылку с хлором, который представляет собой желтовато-зеленый ядовитый газ, и бросить в нее кусочек мягкого ядовитого - натрия. Вскоре, когда натрий и хлор соединятся, образуется пищевая соль NaCl. Конечно, только очень большое число молекул соли или какого-нибудь другого соединения, сгруппировавшихся вместе, может образовать заметные количества его.
Натрий и хлор растут вместе в виде кристаллов. Ионы натрия и ионы хлора, перемежаясь между собой, образуют кубическую решетку. Кристаллы соли обычно несовершенны и имеют различные дефекты. Однако кристаллы, выращенные без нарушений, обладают отчетливой кубической структурой. Изображенный на предыдущей странице сложный кристалл включает огромное число атомов - приблизительно 1025.атомов натрия и столько же атомов хлора.
Это число выглядит очень внушительно: 10 000 000 000 000 000 000 000 000.
Поваренная соль иллюстрирует только один из способов соединения атомов при образовании молекул. Этот способ, однако, отнюдь не основной. Другим примером может служить . Пусть у нас есть два атома водорода, каждый из которых имеет по одному электрону, и один атом кислорода. Кислород, содержащий восемь протонов в ядре, имеет также 8 электронов. Два электрона находятся на внутренней оболочке и шесть - на внешней, при этом на ней остаются два незаполненных места, которые, вероятно, могут быть заняты электронами двух атомов водорода.
Но в данном случае электроны не передаются, как это было с натрием и хлором. Вместо этого два атома водорода приближаются к атому кислорода и владеют своими электронами совместно с ним. Соединение атомов в молекулы по такому способу называется по-разному: или совместное владение электронами, или связь с помощью электронных пар, или, наконец, . Огромное число молекул образуется именно по этому принципу.
В таких молекулах возникают ничтожные электрические токи, постоянно меняющие направление. Это обстоятельство заставляет молекулы притягиваться друг к другу и сцепляться вместе, образуя видимые количества воды, сахара или других веществ. При отсутствии сил, удерживающих молекулы вместе, все молекулы передвигались бы независимо, как в воздухе, и любое вещество было бы газообразным.