Нгуэн-Ким Май Тхи - Комично, как все химично! [Почему не стоит бояться фтора в зубной пасте, тефлона на сковороде, и думать о том, что телефон на зарядке взорвется]

Помимо удаленности электронов на внешнем уровнеот ядра есть еще кое-что, обусловливающее их неспокойное поведение: в то время как внутренние электронные оболочки атомов полностью заняты, внешние у многих элементов частично не заполнены. Ведь, как уже говорилось, количество электронов ограничено – оно соответствует числу протонов. Лично я не против, если в кинотеатре в моем распоряжении окажется целый ряд свободных кресел. Но я же не электрон. А они, главным образом на внешнем уровне, экстраверты – ненавидят незаполненные ряды и хотят, чтобы их оболочки непременно были заняты!

Это желание проявляется интересным образом: элементы, у которых во внешней оболочке одновременно свободны несколько мест, не особенно агрессивны. Но если не занято одно-единственное место или если во внешней оболочке в одиночку сидит электрон, дело принимает неприятный оборот. Самые агрессивные элементы те, которые до заполнения внешней оболочки не дотянули самую малость. Припомните: по окончании мировых футбольных чемпионатов слезы на глазах обычно у игроков команды, занявшей второе место, – они были так близки к цели…

Итак, химический темперамент атома связан с числом его электронов на внешнем уровне. У нашего фтора таких семь, а в его крайней оболочке восемь мест. То есть не занято всего одно место, и это буквально бесит фтор. Он неустанно ищет себе восьмой электрон у других атомов и молекул и не успокоится, пока не заполнит последнее свободное место в своей внешней оболочке.

Впрочем, в этой проблеме фтор не одинок. Почти все элементы основных групп периодической системы хотели бы иметь по восемь электронов на внешнем уровне. Это страстное желание называют правилом октета. Название вводит в заблуждение в том смысле, что это не твердое правило в рамках физических законов – речь всего лишь о модели. Впрочем, об очень практичной, тесно связанной с оболочечной моделью. Правило октета не только объясняет, какие элементы особенно реактивны, но и подсказывает, какие реактанты подходят друг другу. У каждого элемента есть потребности, и выполнение правила октета может быть одной из них. Химические реакции и соединения происходят для удовлетворения этих потребностей. (По сути, в общем-то, как и у людей.)

Фтор – как младенец, который голоден и потому бузит. Его покормишь, и он успокоится. (Тут родители могут иметь другую точку зрения…) Как только фтор вступает в соединение, дарующее ему столь страстно желаемый восьмой электрон, такого больше не происходит.

Что же все это значит для моей сковородки? В тефлоне фтор связан с углеродом, у которого есть характерная особенность щедро делиться электронами и оболочками с другими атомами. (Как именно выглядит такое соединение, выясним в главе 8.) Чтобы извлечь фтор из этого благополучного для него состояния, потребовалось бы затратить очень много энергии. Тефлон пришлось бы нагреть до температуры выше 360 °C, чтобы разрушить соединения; рекомендуемая максимальная температура для тефлоновых сковородок – 260 °C (Кстати, для моей яичницы оптимальны всего 83 °C – при этой температуре сворачивается яичный белок.)

Итак, согласно правилу октета, атомы фтора и углерода в моей сковородке достигли всего, чего только может достичь элемент: заполненной внешней оболочки. Химическое соединение между фтором и углеродом сродни идеальному браку: никто из партнеров не заглядывается на другие атомы и молекулы. Даже на очень привлекательные белки моей шкварчащей на сковородке яичницы.

Когда на сковороде остаются прилипшие остатки еды, это тоже не что иное, как взаимодействие между молекулами.Но тефлон не проявит интереса к моей яичнице, как не заинтересуется вообще ничем съедобным. Может быть, содержащийся в сковороде фтор который раз вспоминает свою лихую молодость, когда он был фтороводородной кислотой, и несказанно рад, что та часть его жизни навсегда осталась в прошлом. «У меня есть все, чего хочу, оставьте меня в покое», – думает он. В то время как моя яичница говорит: «Ну и ладно, меня здесь вообще не было». И вся без остатка соскальзывает на тарелку.

Фториды в зубной пасте тоже довольны жизнью, как и атомы фтора в сковороде. Выше я упоминала, что у не имеющего заряда атома одинаковое количество электронов и протонов – таким образом электрические заряды взаимно компенсируются. Но атом может быть и заряженным, тогда он называется ионом. Отрицательно заряженный ион называется анионом, он возникает, когда электронов в нем оказывается больше, чем протонов. Когда электронов меньше, чем протонов, положительно заряженный ион называется катионом. Катионам не дают названий с каким-то определенным окончанием. Окончание – ид в слове «фторид» подсказывает, что мы имеем дело с отрицательно заряженным ионом: кто-то одарил фтор электроном, которого он так горячо желал. Теперь, будучи просто заряженным анионом с восемью электронами на внешнем уровне, фторид выполнил правило октета и всем доволен.

Как же свершилось это счастье? Пылким партнером и реактантом стал элемент натрий, входящий в первую основную группу периодической системы и относящийся к щелочным металлам [8] Щелочные металлы – это элементы первой группы периодической таблицы, имеющие один электрон на внешнем уровне. – Прим. науч. ред. . Натрий (обозначается как Na) знаком нам по хлориду натрия – поваренной соли. Однако в соли содержится не чистый натрий как элемент, а его катион с положительным зарядом, соединенный с анионом хлора. И вы наверняка с чистым натрием никогда не встречались. Поскольку так же, как в природе нет элементарного фтора, нет и такого натрия.

Натрий – это блестящий металл серого цвета; он настолько мягкий, что его можно резать ножом. Звучит мило, но если натрий бросить в воду, он будет интенсивно реагировать. (Как это происходит, можно посмотреть на YouTube; главное – сами не повторяйте.) Так что натрий – еще один агрессивный кандидат в партнеры и идеальный реактант для фтора. Дело в том, что электронов-то атому натрия хватает, но в его внешней оболочке, как и у всех щелочных металлов, есть одинокий электрон, который с бо́льшим удовольствием покинул бы этот атом, чем дальше торчать там в одиночку. Так что от этого электрона натрий хочет избавиться, причем чем скорее, тем лучше. И как хорошо, если кто-нибудь подоспеет со фтором – так оба элемента могут выполнить правило октета. А вместе они дадут соль фторид натрия (или фтористый натрий)– ту самую, что содержится в зубной пасте. (Тот же принцип, кстати, действует для натрия и хлора, дающих нам пищевую соль – хлорид натрия.) Фтор в зубной пасте не особенно реактивен, но это вовсе не означает, что он не токсичен. Может, он все-таки ядовит? Смерть от зубной пасты? Зачем вообще в пасте фторид? Мне сейчас так или иначе надо почистить зубы, поэтому давайте проясним это дело в ванной комнате.