Драконоборцы. 100 научных сказок

Навязчивые посетители давно ушли, а пожилой учёный погрузился в воспоминания, машинально поглаживая густую седоватую бороду. Он вспоминал своё детство в Тобольске и долгую поездку в Санкт-Петербург, где получил университетское образование. Но этого молодому хваткому сибиряку было мало, и он, начав карьеру с должности школьного учителя в Симферополе и Одессе, написал диссертацию и стал в 23 года приват-доцентом Санкт-Петербургского университета. А потом были годы исследований – в России и в Европе, обустройство лаборатории с изготовлением нужных Менделееву точнейших приборов, множество экспериментов и тысячи прочитанных книг и статей.

План исследований у молодого учёного был глобален: связать химические свойства элементов с их физическими свойствами, в первую очередь с массой, объёмом и силой взаимодействия атомов. Годы и годы ушли на рассматривание и анализ карточек, на которых были записаны свойства известных элементов. Никакой сон не помог бы, если бы не было этих долгих лет…

Проблема классификации химических элементов по свойствам и весу атомов заключалась в том, что далеко не все химические элементы в то время были открыты, а для тех элементов, что были открыты, физические параметры нередко определялись с большой ошибкой. И молодому учёному нужно было сначала уловить скрытый ритм химических свойств элементов, а потом понять – если какие-то элементы не укладываются в найденную закономерность, то является ли это признаком ошибочности данной закономерности или признаком неправильно определённых свойств химических элементов?

Гениальность и смелость Дмитрия Ивановича Менделеева, достигшего к 1869 году, времени открытия своего Периодического закона, 35-летнего возраста, как раз в том и выразились, что он верно уловил гармонию в периодичности химических свойств элементов, а параметры тех элементов, которые ей не соответствовали, он смело исправил. Для этого нужно твёрдо верить в открытый закон! Например, в те времена атомный вес урана считался равным 120 единицам.

– А что такое единица атомного веса? – спросил Андрей.

– Это одна двенадцатая массы атома углерода. Так как ядро углерода имеет массу 12 и состоит из шести протонов и шести нейтронов, то получается, что за единицу принимается величина, близкая к массе одного нуклона в ядре, то есть протона или нейтрона. Возвращаясь к урану: Менделеев взял и увеличил его массу со 120 до 240 единиц! Впоследствии оказалось, что уран имеет среднюю массу в 238.

– То есть Менделеев, исходивший из теоретических соображений, оказался гораздо точнее, чем все экспериментаторы? – удивился Андрей.

– Да, хорошая теория должна обладать способностью к верным предсказаниям. Учёный исправил параметры девяти элементов: например, известную атомную массу тория учёный изменил с 174 до 231; массу индия исправил с 75,6 на 113,4; массу церия поднял с 92 до 140. Все эти и ряд других сдвигов в параметрах элементов потом полностью подтвердились. Более того – таблица Менделеева позволила не только правильно разместить известные элементы, она также указала на пропуски или пустые клетки в таблице.

– А в этих пустых клетках должны были находиться ещё не открытые элементы? – догадалась Галатея.

– Верно. На основе открытых периодичностей свойств химических элементов Менделеев детально описывал возможные характеристики ещё не открытых элементов, указывал их атомный вес и химические свойства.

Учёный писал: «Без Периодического закона мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения… Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь».

Базируясь на своём законе периодичности, Менделеев предсказал наличие десяти ещё не открытых химических элементов: скандия, галлия, германия, гафния, полония, астата, технеция, протактиния, рения и франция. Все они были впоследствии открыты, что стало настоящим триумфом Периодического закона Менделеева.

Дзинтара раздала детям красивые цветные листки с таблицей.

– Возьмите таблицу Менделеева и внимательно посмотрите на неё. Она рекордсмен по информационной ёмкости: эта таблица, умещающаяся на одной странице, рассказывает невообразимо много о тайнах нашего мира. Таблицу Менделеева, как и физическую карту Земли, можно рассматривать бесконечно долго.

– Мама, а почему химические элементы проявляют такую периодичность? – спросила Галатея.

Дзинтара призадумалась, а потом молча потянулась к вазе, заполненной разными ягодами, и стала что-то сортировать.

Вскоре на столе выросли три кучки: тёмно-красных вишен, полупрозрачного желтоватого винограда и ягод чёрной смородины.

– С помощью этих ягод мы сейчас смоделируем набор элементов, из которых создан наш материальный мир. Пусть вишни означают протоны, виноградинки – нейтроны, а мелкие ягоды смородины – электроны.

Дзинтара взяла прозрачные стаканы и расставила их в ряд. В первый стакан она бросила одну вишенку, во второй – две, в третий – три.

– Каждый стакан – это ядро какого-то химического элемента. В таблице Менделеева больше сотни элементов, но мы не будем брать сотню стаканов – ведь нам важно понять общий принцип строения ядер химических элементов. В каждый следующий стакан мы кладём на одну вишенку больше, так что количество вишенок в стакане будет означать его порядковый номер в общем ряду.

– Значит, заряд каждого элемента будет всё время нарастать! – сказал Андрей.

– Верно, – согласилась Дзинтара. – Электрический заряд ядра каждого элемента, измеренный в зарядах протона, который равен заряду электрона, строго равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева – и растёт вместе с ним. Масса ядра тоже увеличивается с порядковым номером, но по более сложной функции.

Дело в том, что все протоны заряжены положительно и отталкиваются друг от друга. Чтобы склеить их вместе, нужны нейтроны – частицы, очень похожие на протоны, но не обладающие электрическим зарядом. Протоны и нейтроны притягиваются друг к другу за счет мощных сил, которые так и называют – ядерными. Нейтроны нужны, чтобы «сцементировать» атомные ядра. Нейтроны склеиваются с протонами ядерными силами – и делают ядро стабильным, не радиоактивным.

Дзинтара указала на стакан с одинокой вишенкой.

– Этот единственный протон – ядро водорода, он стабилен и не нуждается в поддержке нейтроном. Зато если у этого элемента, гелия, – Дзинтара указала на следующий стакан с парой вишен, – составить ядро всего из двух протонов, то оно окажется очень нестабильным. Если мы добавим в ядро гелия один нейтрон, – Дзинтара бросила в стакан виноградинку, – то получим стабильный изотоп гелия – гелий-3. Если добавить ещё один нейтрон, то получится отличное, очень крепкое ядро гелия-4, которое настолько прочно, что может рассматриваться как отдельная элементарная частица – альфа-частица, – ведь именно она вылетает из многих радиоактивных ядер.

– А что будет, если к вишнёвому ядру водорода добавить виноградный нейтрон? – Галатея указала пальцем на стакан с одной вишней.

– Мы получим тяжёлый водород – дейтерий, который будет стабильным. Присоединение второго нейтрона дает тритий – сверхтяжёлый и нестабильный водород, с периодом полураспада двенадцать лет.

Но давайте обсудим третий элемент – литий, в состав ядра атома которого входят три протона. Чтобы ядро лития стало стабильным, нам нужно добавить ему три или четыре нейтрона. Ядра, которые содержат одинаковое количество протонов, принадлежат одному химическому элементу, но если у них разное число нейтронов, то говорят, что элемент имеет несколько изотопов. Поэтому литий с тремя протонами имеет два стабильных изотопа – с тремя и четырьмя нейтронами.

Дзинтара бросила в стакан три виноградинки, а потом – ещё одну.

– Для стабильности ядра требуется нейтронов больше, чем протонов, или, как минимум, столько же – это правило неукоснительно выполняется во всей таблице Менделеева, за исключением водорода.

Четырёхпротонное ядро бериллия нуждается для стабильности в пяти нейтронах, а пятипротонное ядро бора содержит пять или шесть нейтронов. Три следующих важнейших для жизни элемента: углерод, азот и кислород – достигают стабильности при минимальном количестве нейтронов, равном числу протонов, но сохраняют стабильность и при увеличении числа нейтронов на единицу или даже на двойку, как в случае кислорода. С ростом заряда ядра избыток числа нейтронов над числом протонов нарастает.

– Ведь протоны отталкиваются друг от друга, а нейтроны нет – так что чем их больше, тем ядру легче сохранять свою стабильность, – авторитетно заявил Андрей.

– Прочность ядер нарастает вместе с массой и достигает максимума на ядре железа. Потом ядерная прочность начинает падать – и после последнего стабильного ядра свинца с номером 82, в котором находится 82 протона и 125 нейтронов, уже никакая комбинация из нейтронов и протонов не может обеспечить устойчивость ядра.

– А какой номер клетки у радиоактивного урана? – спросила Галатея.

– Ядро урана содержит 92 протона и почти полтораста нейтронов.

Тут Андрея осенило:

– Теперь я понимаю, почему атомные электростанции производят так много радиоактивных отходов! Ядро урана с большим количеством нейтронов, поделившись пополам, дает два ядра из середины таблицы Менделеева, которым не нужно такое количество нейтронов! Радиоактивность таких новых ядер будет огромной!

– Ты сообразил быстрее меня, – признала Дзинтара. – В целом ядра химических элементов являются довольно простыми и прочными сгустками из протонов и нейтронов. Зато эти ядра служат основой для возникновения атомов, которые включают в себя электроны и оказываются гораздо более сложными конструкциями.

– Действительно, ядра атомов имеют положительный электрический заряд – значит, они должны притягивать к себе электроны везде, где только встретят их, – сказал Андрей.

– Верно, – согласилась Дзинтара. – Ядра химических элементов крайне редко можно встретить голыми, без электронов. В нормальных условиях атомы обычно содержат столько электронов, чтобы полностью компенсировать заряд ядра.

– Это значит, что в нейтральном атоме столько же электронов, сколько протонов в его ядре. А это число равно номеру химического элемента! – выпалила Галатея.

– Молодец! – сказала Дзинтара. – Ты хорошо разобралась. Это означает, что вокруг атома, например, свинца размещаются 82 электрона. Но, притягиваясь к ядру, они одновременно отталкиваются друг от друга, поэтому устойчивое размещение отрицательных электронов вокруг положительных ядер оказывается очень непростой задачей.

Дзинтара положила возле стакана с одной вишенкой одну ягодку смородины, а возле стакана с двумя вишенками и двумя виноградинками – две смородинки.

– Это модели атома водорода с одним электроном и атома гелия с двумя. Учёные знают, что эти элементы весьма различны по химическим свойствам: в ходе некоторых реакций у водорода можно отнять его собственный электрон, а можно присоединить к нему лишний. Например, при горении водорода в кислороде образуется вода с молекулой, состоящей из двух атомов водорода и атома кислорода. В молекуле воды кислород отнимает у атомов водорода по электрону, присоединяя их к своей электронной свите. Но и ядра водорода он не отпускает – ведь они заряжены положительно и притягиваются к отрицательно заряженному кислороду, получившему избыток электронов, – именно так и получается прочная молекула воды.

Зато у гелия очень трудно что-либо отнять – это такой скряга, который не хочет расставаться со своими электронами. Впрочем, и чужих электронов ему не надо. Это свойство гелия обеспечивает ему почти идеальную химическую инертность. Его так и называют: инертный газ, что значит – неповоротливый, не реагирующий ни на что.

В таблице Менделеева выделяют восемь групп элементов, которые проявляют периодичность. А знаете, почему их восемь? Потому что вокруг атомных ядер известно восемь уровней, где могут располагаться электроны. На первом уровне могут размещаться только два электрона…

Дзинтара нарисовала возле каждого из стаканов что-то вроде деревьев с восемью длинными ветками.

– Электроны водорода и гелия – это электроны первого уровня. Больше чем два электрона на первой или нижней ветке не поместятся. Поэтому, когда к ядру лития присоединяются три электрона, два из них садятся на самый низкой уровень, а третьему приходится помещаться на ветке повыше – на втором уровне.

Дзинтара нужным образом разместила три ягоды смородины возле стакана, где лежало три вишни и четыре виноградинки. Дети смотрели на её ловкие руки, которые сортировали ягоды, и переводили глаза на карточки с таблицей Менделеева, где в каждой клетке, соответствующей отдельному химическому элементу, указывалось размещение электронов по разным орбитам вокруг ядра данного элемента.

– На втором уровне могут уместиться восемь электронов. Поэтому следующие за литием семь атомов размещают свои электроны именно на этом, втором уровне: бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон. Последние три элемента особенно интересны: кислороду для заполнения второго уровня не хватает двух электронов, фтору – одного, а неон полностью заполнил второй уровень электронами. Эти особенности строения электронных оболочек определяют химические свойства данных элементов: кислород и фтор стремятся отобрать недостающие им электроны у любых встреченных ими атомов, заодно присоединить и сами эти атомы, «окислить» их, образовав молекулу «оксида» с одним атомом кислорода или «диоксида» – с двумя. Кислород – это самый распространённый окислитель, поэтому процесс окисления даже назвали по его имени.