Игорь Гордий - Химические элементы

На этом моменте, конечно, нужно упомянуть про теорию вероятности, но мы же не изверги, чтобы напрягать ваш мозг таким материалом. Мы здесь собрались получать удовольствие от изучения науки в легкой форме. Это потом в ВУЗах преподаватели вам будут читать сложные лекции, а мы – не они. Однако отметим, что электрон может находиться где угодно. Он может находиться бесконечно далеко от ядра атома или, наоборот, бесконечно близко к ядру, но вероятность такого нахождения электрона бесконечно мала. То есть электроны находятся на какой-то стационарной «орбите» над ядром, как космические спутники. Можно даже привести в пример Луну. Она же тоже находится на определенном расстоянии от Земли. Не улетает и не падает на Землю. Так и электроны.

Правда говоря, природа сил, которые удерживают Луну и Землю вместе, отличаются от тех, что удерживают электрон рядом с ядром. В первом случае мы имеем дело с гравитацией (она создается за счет масс), во втором случае – с притяжением противоположных зарядов (электрон заряжен отрицательно, а протон положительно).

А теперь давайте возьмем какой-нибудь элемент с большим количеством электронов. В таком атоме электронам сложно «летать» на одной и той же «орбите». Поэтому они находятся на разных «орбитах». Только в химии их называют орбитали. И как показывают математические расчеты, формы этих орбиталей разные. Существуют s, p, d, f – орбитали. Только не спрашивайте почему не а, б, в, г, д. Все они имеют разные формы. Опять же, это рассчитали математики. Боюсь, что в школе или в ВУЗе вы часто говорили что-то типа: «эти синусы/косинусы/интегралы/роторы/дивергенции/… мне в жизни не пригодятся», поэтому вы не сможете проверить вычисления этих самых ученых-математиков и придется поверить им на слово.

Электроны располагаются на разных орбиталях. И чем больше электронов, тем больше орбиталей они занимают. Отметим, что через какое-то время, эти орбитали начинают повторяться. Например, первая орбиталь – s. Затем идет вторая орбиталь и она тоже s. Третья орбиталь уже p. Четвертая снова s и так далее. Далее появляются d и f орбитали. Их порядок можно посмотреть в таблице Менделеева. На заметку: на s-орбтитали помещается только 2 электрона, на p-орбитали помещается 6 электронов, на d-орбитали помещается 10 электронов, а на f-орбитали 14 электронов.

Как мы уже отметили, электроны занимают разные орбитали на столько, на сколько их хватает. При этом через какое-то время орбитали повторяются. И если у двух атомов разных элементов их последние орбитали похожи, то есть они одинаковы и имеют одинаковое количество электронов, то и их свойства похожи. Например, возьмем литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Как вы видите, все они располагаются друг под другом. При этом их самый последний электрон находится на s-уровне. Причем на этом самом s-уровне находится всего лишь 1 электрон. Свойства этих элементов очень схожи. Их еще называют щелочными металлами.

А теперь самая хорошая новость для лентяев, изучающих химию: все элементы таблицы Менделеева можно разбить на такие группы со схожими свойствами. Поэтому учить или зубрить свойства каждого элемента в отдельности не надо!

В данной книге мы не будем разбирать каждый элемент в отдельности. Мы расскажем про группы элементов со схожими свойствами и про самые интересные элементы в этих группах.

А теперь, когда мы стали гораздо умнее, давайте пользоваться нашими мозгами и получать от этого неимоверное удовольствие! Перелистывай страницу, и начнем погружение в этот дивный мир элементов!

Со школы мы не раз сталкивались с термином «щелочные металлы». Многим понятно только второе слово «металлы». Но что значит «щелочные»? Это какие-то особые металлы? Они обладают какими-то уникальными свойствами? Давайте вместе разбираться.

Обратимся к нашему вечному спутнику и соратнику в изучении химии – Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Найдите в ней первую колонку (химики именуют ее группой), в ней располагаются H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr.И здесь незадачливого ученика подстерегает опасность: водород не является металлом, в то время как все остальные элементы составляют группу щелочных металлов.

Почему же водород не относится к щелочным металлам? Для всех элементов этой группы характерно то, что они с легкостью отдают свой последний (валентный) электрон. А водород не такой. Он отдает его гораздо хуже, то есть с большими затратами энергии. Еще надо постараться, чтобы отобрать у него единственный электрон.

Если мы сравним физические свойства всех элементов из первой группы, то увидим, что водород – газ при нормальных условиях, а все остальные – твердые тела. Кстати, среди химиков до сих пор существует спор о том, к какой группе отнести водород: к I группе или же VII, где расположены фтор, хлор, бром, йод и астат. Но как вы заметили, элемент под номером 1 все-таки гораздо чаще относят к первой группе.

И все же почему эту группу называют щелочными металлами? Дело в том, что при соприкосновении с водой эти металлы образуют щелочи, попутно выделяется водород. Стоит отметить, что эта реакция происходит очень бурно, с образованием большого количества тепла. Небольшие количества лития, натрия и калия горят на поверхности воды, большие же просто взрываются. Любое количество рубидия и цезия ждет такая же участь. Поэтому, если вы вдруг увидите горящий щелочной металл, не тушите его ни в коем случае водой, иначе пламя будет еще ярче. Во времена СССР дети в школах взрывали туалеты, бросая в них металлический калий, правда, для многих это оборачивалось не только срывом контрольной работы, но и тяжелыми химическими ожогами.

Энергия, требуемая на отрыв электрона от атома, называется «энергией ионизации».

Люди знакомы с соединениями этих металлов еще с давних времен, историки находят упоминания соды в трудах Аристотеля и даже в Ветхом завете! Выделить в свободном виде их удалось лишь полторы тысячи лет спустя, когда Гемфри Деви в 1807 году проводил электролиз гидроксидов калия (KOH) и натрия (NaOH) в платиновой чашке. Уже через десять лет, после блестящих опытов Деви, талантливый ученик Берцелиуса – Арфведсон открыл самый легкий металл – литий. Однако чистый литий был выделен Бунзеном и Матиссеном значительно позднее, в 1855 году, во время проведения электролиза расплавленного хлорида лития (LiCl). Спустя еще восемь лет Бунзен выделил свободный рубидий.