Как астрономы оказали химикам медвежью услугу

«Никогда мне в голову не приходило, что периодическая система должна начинаться именно с водорода».

Чьи это слова? Да уж скорее всего они принадлежат кому‑то из несметного легиона исследователей или просто любителей, кто ставил своей задачей создать новую, собственную периодическую систему. Перестроить ее на иной манер. Право же, всевозможных «периодических» систем появлялось на свет не меньше, чем проектов пресловутого перпетуум‑мобиле – вечного двигателя.

Так вот, взятая в кавычки фраза написана самим Дмитрием Ивановичем Менделеевым. В его знаменитом учебнике «Основы химии», по которому учились десятки тысяч людей.

Почему же заблуждался автор периодического закона?

В его время такое заблуждение имело под собой все основания. Ведь элементы‑то располагались в таблице в согласии с увеличением их атомных весов. Атомный вес водорода – 1,008, гелия – 4,003. А стало быть, почему не допустить существования элементов с атомными весами 1,5; 2; 3 и так далее? Или элементов легче водорода, чьи атомные веса меньше единицы?

Менделеев и многие другие химики вполне это допускали. И их поддерживали астрономы – представители науки, от химии весьма далекой. Поддерживали, правда, невольно. Это они впервые показали, что новые элементы можно открывать не только в лабораториях, анализируя земные минералы.

Англичанин Локьер и француз Жансен наблюдали в 1868 году полное солнечное затмение. Ослепительный блеск солнечной короны они пропустили через призму спектроскопа. И в сложном частоколе спектральных линий обнаружили такие, которые не могли принадлежать ни одному из элементов, известных на Земле. Так был открыт гелий, что по‑гречески означает «солнечный». И только двадцать семь лет спустя английский физик и химик Крукс обнаружил гелий земной.

Пример этот оказался весьма заразительным. Астрономы направили трубы телескопов на далекие звезды и туманности. Результаты открытий скрупулезно публиковались в астрономических ежегодниках, а кое‑какие перекочевали и на страницы химических журналов. Те, где речь шла о якобы открытых в безбрежных космических просторах новых элементах. Им давали звучные названия – короний и небулий, арконий и протофтор. Кроме названий, химики ничего о них не знали. Но, памятуя удачное завершение гелиевой эпопеи, спешили поместить небесных незнакомцев в периодическую систему. Перед водородом или в промежуток между водородом и гелием. В надежде, что новые Круксы когда‑нибудь докажут земное существование корония и его не менее таинственных собратьев.

Но когда за периодическую систему взялись физики, они развеяли эти мечты. Атомный вес оказался ненадежной опорой для периодического закона. На смену пришел заряд ядра, порядковый номер элемента.

При переходе от элемента к элементу в периодической системе этот заряд увеличивается на единицу.

Прошло время, и более точные астрономические приборы развеяли миф о загадочных небулиях. Они оказались атомами давно известных элементов. Атомами, потерявшими часть своих электронов, а потому дающими непривычные спектры. «Визитные карточки» небесных незнакомцев оказались фальшивыми.

Двуликий элемент

Быть может, на школьном уроке по химии вы сами были свидетелями такого диалога.

Учитель:

– В какой группе периодической системы стоит водород?

Ученик:

– В первой. И вот почему: атом водорода имеет на своей единственной электронной оболочке всего один электрон. Так же, как другие элементы первой группы, щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций. Как и они, водород в химических соединениях проявляет положительную валентность, равную единице. Водород, наконец, может вытеснять некоторые металлы из их солей.

Правда? Нет, полуправда…

Химия – наука точная. Она не любит недомолвок. Пример водорода в этом четко убеждает.

Что общего у водорода со щелочными металлами? Только положительная валентность, равная единице. Только одинаковое устройство внешней электронной оболочки. А в остальном – ничего похожего. Водород – газ, водород – неметалл. Водород образует молекулу из двух атомов. Все же прочие элементы первой группы – классические металлы, самые энергичные в химических реакциях. Размахивая своим единственным электроном, водород лишь пытается рядиться под щелочные металлы. А по сути своей он им чужак.

Большой дом устроен так, что в каждом пролете друг над другом обитают родственные элементы. Они‑то и составляют группы и подгруппы в периодической системе. Это закон для жильцов Большого дома. Попав в первую группу, водород этот закон невольно нарушает.

Куда же податься бедняге водороду? Но ведь в периодической системе целых девять групп, девять пролетов в Большом доме. И только в так называемой нулевой облюбовал себе квартиру гелий – сосед водорода по первому этажу. В остальных места свободны. Смотрите, сколько возможностей для перепланировки первого этажа, чтобы найти водороду истинное «место под солнцем»!

Быть может, поселить его во второй группе у щелочноземельных металлов во главе с бериллием? Нет, они‑то уж совсем не питают к водороду никаких родственных чувств. Третья, четвертая, пятая, шестая также открещиваются от него. Седьмая? Стоп! Стоящие в ней галогены – фтор, хлор, бром и так далее – готовы протянуть водороду руку дружбы.

…Встречаются двое детей.

– Тебе сколько лет?

– Столько‑то.

– И мне столько‑то.

– А у меня есть велосипед!

– А у меня тоже!

– У тебя папа кто?

– Шофер!

– Ух ты, и у меня тоже!

– Давай дружить?

– Давай!

– Ты неметалл? – спрашивает фтор у водорода.

– Неметалл!

– Ты газ?

– Точно.

– Мы тоже, – говорит фтор, кивая на хлор.

– А у меня молекула состоит из двух атомов! – сообщает водород.

– Скажи‑ка! – удивленно произносит фтор. – Прямо как у нас.

– А можешь ли ты проявлять отрицательную валентность, принимать добавочные электроны? Мы страшно любим это делать!

– Конечно! С теми же самыми щелочными металлами, которые меня недолюбливают, я образую водородные соединения – гидриды. И там моя валентность – минус единица.

– Ну что ж! Пристраивайся к нам! Будем дружить!

Поселяется водород в седьмой группе. Надолго ли? Познакомившись как следует со своим новым родственником, кто‑нибудь из галогенов разочарованно замечает:

– А у тебя, брат, того… На внешней оболочке электронов‑то маловато. Всего один… Как в первой группе. Шел бы ты лучше к щелочным металлам…

Вот ведь какая беда с водородом: мест много, а поселиться – прочно, надежно, с полным правом – негде. Так и просится на бумагу «химическая» пословица: «водород, водород – элемент наоборот: от щелочных металлов отстал и к галогенам не пристал».

Но почему? Где причина удивительной двуличности водорода? Почему водород ведет себя так необычно?

Характерные свойства всякого химического элемента проявляются тогда, когда он вступает в соединение с другими. При этом он отдает или приобретает электроны. Они либо уходят с внешней электронной оболочки, либо входят в нее. Когда элемент теряет все электроны с наружной оболочки, то предыдущие сохраняются обычно неизменными. У всех элементов, кроме водорода. Стоит ему расстаться со своим единственным электроном, как остается голое атомное ядро. Остается протон. Он‑то и представляет собой ядро водородного атома (впрочем, не всегда протон, но до этой важной тонкости мы с вами еще доберемся). А это значит, что химия водорода как бы является единственной в своем роде химией элементарной частицы – протона. В случае водорода протон активно влияет на ход реакций, в которые вступает этот элемент.

Вот где разгадка столь непоследовательного поведения водорода.

Самый первый, самый удивительный…

Открыл водород знаменитый английский физик сэр Генри Кавендиш. Самый богатый из ученых и самый ученый из богачей, как сказал о нем современник. Мы бы добавили: самый педантичный из ученых. Рассказывают, что, когда Кавендиш брал книгу из собственной библиотеки, он расписывался в формуляре. Самый сосредоточенный из ученых, всецело поглощенный наукой, он слыл нелюдимом. Но эти качества и позволили ему обнаружить новый газ – водород. Поверьте, это было нелегкой задачей!

Открытие свершилось в 1766 году, а в 1783 году французский профессор Шарль запустил первый воздушный шар, наполненный водородом.

И для химиков водород оказался ценнейшей находкой. Он помог, наконец, понять, как построены кислоты и основания – эти важнейшие классы химических соединений. Он стал незаменимым лабораторным реактивом – осаждал металлы из растворов солей, восстанавливал металлические окислы. Хотите парадокс? Будь водород открыт не в 1766 году, а, скажем, на полстолетия позже (право же, такое могло случиться), развитие химии, и теоретической и практической, задержалось бы надолго.

Когда химики достаточно освоили водород, а практики стали использовать его для получения важных веществ, этот газ привлек внимание физиков. И те узнали массу сведений, которые сделали науку богаче во много раз.

Хотите в этом убедиться? Водород становится твердым при температуре более низкой, чем любые другие жидкости или газы (кроме гелия), при минус 259,1 градуса по Цельсию, – раз. Атом водорода позволил датскому физику Нильсу Бору разработать теорию распределения электронов вокруг атомного ядра, без чего нельзя было бы понять физического смысла периодического закона, – два. А эти факты создали почву для других величайших открытий.

Затем физики передали эстафету своим близким родственникам по профессии – астрофизикам. Они изучают состав и строение звезд. И астрофизики пришли к выводу, что водород во вселенной – это элемент номер один. Он главная составная часть Солнца, звезд, туманностей и основной «наполнитель» межзвездного пространства. Водорода в космосе больше, чем всех остальных химических элементов, вместе взятых. Не то что на Земле, где его менее одного процента.

Именно от водорода ведут ученые длинную цепочку превращений атомных ядер. Цепочку, которая привела к образованию всех химических элементов, всех атомов до единого. Наше Солнце, все звезды светят потому, что в них происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и выделяется огромное количество энергии. Видный химик на Земле, водород – выдающийся химик в космосе.

А вот еще одно удивительное свойство: атом водорода испускает радиоизлучение с длиной волны в 21 сантиметр. Это так называемая мировая константа, общая для всей вселенной. И ученые подумывают о том, нельзя ли организовать радиосвязь на водородной волне с другими обитаемыми мирами. Если там живут разумные существа, они должны иметь представление об этой величине: 21 сантиметр…