Сколько на земле водородов?

Получить Нобелевскую премию – высшая награда для ученого. Ученых в мире великое множество, но лишь немногим более ста удостоились этой чести. За самые выдающиеся из выдающихся открытий.

В почетный список попали в 1932 году Мэрфи, Юри и Брикведе.

Раньше думали, что на Земле существует только один водород. С атомным весом единица. Мэрфи и его коллеги обнаружили вдвое более тяжелого собрата водорода. Изотоп с атомным весом 2.

Изотопами называются такие разновидности атомов, у которых одинаковый заряд, но разные атомные веса. Или по‑другому: в ядрах атомов изотопов содержится равное число протонов, но разное – нейтронов. Все химические элементы имеют изотопы: некоторые существуют в природе, некоторые получены искусственно с помощью ядерных реакций.

Изотоп водорода, ядро которого – голый протон, называется протий, и обозначают его так: ¹Н. И это единственный пример атомного ядра, вообще не содержащего нейтронов (вот еще одна уникальная особенность водорода!).

Добавляем мы к этому протону‑одиночке нейтрон, и перед нами ядро тяжелого изотопа водорода – дейтерия (²H, или D). Протия в природе не в пример больше, чем дейтерия, – свыше 99 процентов.

Но оказывается, существует и третья разновидность водорода (имеющая два нейтрона в ядре) – тритий (³Н, или Т). Он непрерывно рождается в атмосфере под действием космических лучей. Рождается, чтобы сравнительно быстро исчезнуть. Он радиоактивен и, распадаясь, превращается в изотоп гелия (гелий‑3). Трития крайне мало: во всей земной атмосфере лишь 6 граммов. На 10 кубических сантиметров воздуха приходится один атом трития. А совсем недавно ученым удалось искусственно получить еще более тяжелые изотопы водорода – ⁴Н и ⁵Н. Они‑то уж совсем неустойчивы.

То, что у водорода есть изотопы, не выделяет его среди химических элементов. Выделяет другое: изотопы водорода довольно заметно разнятся по свойствам, прежде всего по физическим. Изотопы других элементов почти совершенно неразличимы.

У каждой разновидности водорода свое лицо. И, вступая в химические реакции, они ведут себя по‑разному. Протий, например, активнее дейтерия. Изучая поведение изотопов водорода, ученые открыли совершенно новую область науки – химию изотопов. Ведь привычная нам химия имеет дело с элементами в целом, с совокупностью изотопов. А химия изотопов занимается отдельными изотопами. Она помогает исследователям постигать самые тонкие детали различных химических процессов.

Химия = физика + математика!

Что бы вы сказали про строителей, которые сперва построили здание, а уж когда подвели под крышу, дали проектировщикам задание: рассчитать, правильно ли все построено?

Это скорее эпизод из сказки о государстве, где все делалось наоборот…

Но именно такая судьба постигла периодическую систему элементов. Большой дом сначала был возведен, химические элементы расселены каждый в своей квартире. Химики взяли таблицу Менделеева на вооружение. А почему свойства элементов периодически повторяются, этого они долгое время обосновать не могли.

Объяснение дали физики. Они рассчитали конструкцию здания менделеевской системы на прочность. И выяснилась удивительная вещь: оно построено совершенно правильно. В соответствии со всеми законами «химической механики». Так что остается преклоняться перед поистине гениальной интуицией Менделеева, интуицией и глубочайшим знанием химии.

Физики начали с того, что решили подробно разобраться в строении атома.

Его сердце – ядро. Вокруг крутятся электроны. Их столько, сколько положительных зарядов в ядре. Скажем, у водорода – один, у калия – девятнадцать, у урана – девяносто два… Как кружатся? Хаотически, подобно рою ночных бабочек, вьющихся вокруг лампочки? Или в каком‑то определенном порядке?

Чтобы это выяснить, ученым пришлось призвать на помощь новые физические теории и разработать новые математические методы. И вот что оказалось: электроны движутся вокруг ядра по определенным оболочкам, подобно планетам вокруг Солнца.

– Сколько электронов помещается на каждой оболочке? Сколько угодно или же ограниченное число? – спрашивали химики.

– Строго ограниченное! – отвечали физики. – Все электронные оболочки обладают конечной емкостью.

У физиков свои символы – обозначения электронных оболочек. Латинские буквы – K, L, M, N, O, P, Q. Так называют оболочки в порядке их удаления от ядра.

Физика вкупе с математикой подробно расписала, сколько электронов содержится в каждой из них.

В К‑оболочке может быть 2 электрона, никак не больше. Первый из них появляется в атоме водорода, второй в атоме гелия. Потому‑то первый период менделеевской таблицы состоит всего из двух элементов.

Значительно больше, а именно 8 электронов, способна вместить L‑оболочка. Первый принадлежащий ей электрон мы обнаруживаем у атома лития, а последний – в атоме неона. Элементы от лития до неона образуют второй период системы Дмитрия Ивановича Менделеева.

А сколько электронов в следующих оболочках? В М‑оболочке – 18, в N – 32, в О – 50, в Р – 72 и так далее.

Если два элемента имеют одинаково устроенные внешние электронные оболочки, то и свойства этих элементов подобны. Скажем, литий и натрий содержат на внешней оболочке по одному электрону. Поэтому они помещаются в одну и ту же группу периодической системы, в первую. Видите: номер группы равен числу валентных электронов у атомов входящих в нее элементов.

И вот вывод: одинаковое строение внешних электронных оболочек периодически повторяется. Потому периодически повторяются и свойства химических элементов.