Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

Изотопы

Обычно я говорю, что изотопы – это атомы со своим характером. Они образуются, когда два или больше атома одного элемента имеют разное количество нейтронов. Изотопы хорошо распространены, однако в школе мы не уделяем достаточно времени на их изучение, так как нейтроны нейтральны. Соответственно они не влияют на поведение атома в химической реакции. (Вместо этого мы сосредотачиваемся на том, что влияет на поведение атома: протонах и электронах.)

Как я уже говорила, ученые охарактеризовали каждый открытый электрон. И знаете, я считаю, что это круто. Как и Lady Gaga, изотопы были «рождены такими» и совершенно спокойно существуют с парой лишних нейтронов.

Прекрасный пример – углерод. Большинство атомов углерода имеют шесть нейтронов и шесть протонов. Однако у некоторых их семь или восемь. Лишние нейтроны никак не влияют на свойства атомов углерода, однако это делает их всех изотопами.

Это можно сравнить с собаками. Представьте двух далматинцев: они выглядят одинаково, но у одного на несколько пятен больше. Две собаки практически одинаковые, и эти несколько «лишних» пятен не означают, что одна из них больше не далматинец. Точно так же работают изотопы: дополнительные нейтроны не меняют атом, элемент или реактивную способность. Это просто дополнительное определение.

Когда ученые определились с химическим названием, символом, атомным номером и атомной массой для каждого из элементов системы, они решили организовать вещества таким образом, чтобы можно было предугадать их химическую активность. Ученым было важно знать, что при реакции между двумя элементами не случится взрыва или выделения ядовитых газов. Лучший способ сделать это – найти между атомами что-то общее, сгруппировать их по физическим и химическим свойствам. Было сделано несколько попыток. Немецкий химик Иоганн Дёберейнер хотел распределить все элементы в группы по три, он заметил, что большие атомы чаще склонны к взрыванию. Вскоре другой немецкий химик, Питер Кремер, попытался объединить две триады, чтобы образовалась Т-образная фигура. Проблема заключалась в том, что при подобном раскладе ученым пришлось бы проверять множество триад, что сильно осложнило бы сравнение одной группы с другой.

Однако было двое ученых, работавших отдельно, – Дмитрий Менделеев и Лотар Мейер, – которые решили, что можно расставить все химические элементы в одной таблице в зависимости от их атомной массы. Они собрали все Т-образные триады Кремера – словно головоломку – и получили первую таблицу химических элементов.

Уникальность периодической таблицы Менделеева заключается в том, что в ней были два «новых» элемента. Составляя таблицу, химик заметил, что между атомными массами элементов существует закономерность, и понял, что ему нужно оставить место для еще двух элементов, которые только предстоит открыть. Пример: предположим, что учитель математики предложил вам определить пропущенное число в ряде: 2, 4, 8, 10. Надеюсь, вы понимаете, что отсутствует число 6 и что полный ряд должен выглядеть так: 2, 4, 6, 8, 10.

В принципе, Менделеев сделал то же самое. Были группы атомов с одинаковым числом валентных электронов, но структура атомных масс отличалась. Менделеев предположил не только то, что нам предстоит открыть новые элементы, но и то, какой атомной массой они будут обладать. И, как и множество ученых, о которых я уже говорила, Менделеев оказался прав. Галлий (Ga) и германий (Ge) были открыты в 1875 и 1886 годах соответственно, и вот тогда труд Менделеева по-настоящему оценили.

Современная периодическая таблица основана на периодической таблице, созданной Менделеевым. Она состоит из семи периодов и восемнадцати групп. Каждая ячейка – это отдельный элемент; в ячейке пишется основная информация об элементе: химический символ, химическое название, атомный номер, атомная масса. Имея всю информацию под рукой, химики вроде меня и вас могут с легкостью определить количество протонов, электронов и валентных электронов того или иного атома.

Периодическая таблица очень важна для ученых: она может дать много информации об элементах, из которых состоит вся материя этого мира. Важна настолько, что в прошлом году мой университет отпраздновал 150-летие таблицы Менделеева и по этому поводу устроил вечеринку. Там была таблица, выложенная из кексов, я продемонстрировала несколько опытов, декан нашего университета произнес прекрасную речь. Это была самая «ботанская» вечеринка в моей жизни, и знаете, она мне очень понравилась!

В книге есть таблица Менделеева, однако если вам удобнее работать с электронной версией, то я настоятельно рекомендую сайт ptable.com. Я еще буду обращаться к периодической таблице, поэтому мне важно убедиться, что вы знаете, как правильно ею пользоваться. Я буду ссылаться на таблицу в разделе, посвященном здоровью и благополучию. Также она нам понадобится, когда мы будем определять влияние химии на повседневную жизнь. Нам важно знать положение элементов в системе: чем быстрее мы найдем необходимый нам элемент, тем быстрее сможем работать. Понимание периодической таблицы позволит понять, почему вы должны постоянно пользоваться одной и той же маркой шампуня и кондиционера для волос, а также почему ваши торты выглядят совсем не так, как в шоу «Лучший пекарь Британии».

Давайте рассмотрим один пример. Откройте периодическую таблицу и найдите ячейку с химическим символом водорода H в верхней левой части. Если вы посмотрите в верхний левый угол ячейки H, то увидите там число 1. Это атомный номер элемента, и он всегда стоит именно там. В нижней части вы видите число 1,008 – это атомная масса.

Вы можете заметить, что водород располагается в начале столбца. Столбцы называются группами или семействами, а номер группы указывает на количество валентных электронов каждого из элементов. (Помните, что валентные электроны располагаются на внешней оболочке, как наша крутка.)

Говорите как химик

Если вы хотите казаться настоящим химиком, то вычтите число 10 из номеров столбцов периодической таблицы. Большинство ученых ссылаются на группы 3, 4, 5, 6, 7 и 8 вместо столбцов 13, 14, 15, 16, 17 и 18 соответственно. Дело в том, что номер группы обозначает количество валентных электронов. Мы не используем это «правило» для столбцов 3–12, так как с элементами этих групп закономерность не всегда работает. Для столбцов 13–18 мы используем сокращенную запись, так как количество валентных электронов позволяет нам предсказать, как тот или иной атом будет вести себя в разных средах.

Например, водород стоит в первом столбце, значит, у него может быть только один валентный электрон. Точно такая же ситуация с литием, натрием и остальными элементами первой группы. Из этого мы можем сделать вывод, что все элементы первой группы будут вести себя одинаково в похожих средах и условиях. Важно отметить, что водород (и остальные элементы первой группы) любит отдавать свой электрон и становиться чрезвычайно реакционноспособным. Почему?

Логично предположить, что элемент с одним валентным электроном сделает все, чтобы сохранить этот электрон. Однако на самом деле ситуация обратная. Электрон отталкивается от ядра. Очень странно, правда?

Давайте рассмотрим это подробнее. Мы знаем, что ядро (ваша печень и почки) имеет положительный заряд; электроны (кофта и куртка) будут притягиваться к положительно заряженному ядру. Но если к атому присоединяются еще несколько электронов, то появляется вероятность, что электроны будут отталкиваться от ядра. Другими словами, ваша кофта буде отталкивать куртку. Следовательно, ядро не будет пытаться удержать один или два валентных электрона, наоборот: внутренняя оболочка начнет отталкивать валентные электроны на внешней (или ваша кофта начнет отталкивать куртку).

Именно поэтому атомы с двумя электронами чрезвычайно реакционноспособные. Они стабильнее элементов с одним электронов, однако свои валентные электроны отдают так же легко. Бериллий, магний, кальций и стронций являются прекрасными примерами элементов с двумя валентными электронами. Их электроны отталкиваются от ядра точно так же, как и электроны первой группы.

Углерод и кремний располагаются в четвертом столбце, так что у них по четыре валентных электрона. Следовательно, в одной и той же среде эти два элемента будут вести себя похоже. Так как химики уже знают, что углерод и кремний являются стабильными элементами, мы думаем, что любой элемент четвертой группы будет также стабилен – например, как германий, олово или свинец.

Менделеев оказался прав, когда думал, что будущие химики захотят предсказать, как элементы будут взаимодействовать друг с другом. Именно поэтому он создал периодическую таблицу такой, какой мы ее видим сейчас, – основанной на атомных массах и валентных электронах элементов. (Это также объясняет и то, почему форма таблицы напоминает чашу, а не прямоугольник. Свободное пространство в верхней части позволяет расположить элементы в соответствии с их физическими и химическими свойствами.)

Если вы будете двигаться вниз по столбцу периодической таблицы, то обнаружите, что атомы становятся все больше. По правде говоря, самые крупные атомы располагаются в нижнем левом углу, а самые маленькие – в верхнем правом.

Каждая строка – или период (отсюда и название таблицы) – это дополнительный «слой» электронов для определенного атома. По мере того, как вы перемещаетесь по строке (слева направо), атомы будут становиться все меньше и меньше. Кажется странным, да? Как гелий может быть меньше водорода?

По мере продвижения вправо каждый элемент получает дополнительный протон и электрон. Это означает, что положительный заряд увеличивается всякий раз, когда увеличивается атомный номер элемента. Чем больше положительный заряд, тем сильнее к ядру притягиваются валентные электроны.

Например, атомная масса водорода составляет +1. Так как он располагается в первой группе, то имеет один валентный электрон. Следовательно, заряд +1 ядра притягивается к заряду –1 электрона.

А теперь давайте сравним это с притяжением внутри атома гелия. Так как гелий располагается во второй группе, то у него имеется 2 протона и 2 электрона. Притяжение между зарядом ядра и зарядом электронов гелия намного сильнее, чем притяжение между зарядом ядра и зарядом электрона водорода. Это значит, что валентные электроны гелия притягиваются к ядру с большей силой. Следовательно, атомный радиус будет меньше атомного радиуса водорода.

Если мы посмотрим на отталкивание электронов и притяжение между протонами и электронами, то заметим некоторые закономерности. Существует простой способ, с помощью которого можно запомнить, как работают периоды и группы: многослойный франций (авторский термин. – Прим. науч. ред.). Франций является одним из самых больших атомов в периодической таблице, и он располагается в левом нижнем углу с атомным номером – 87. Он имеет 87 протонов, 87 электронов и около 136 нейтронов. Если бы франций был человеком, то на нем было бы ОЧЕНЬ МНОГО одежды.

С помощью таблицы вы также можете узнать, насколько легко «изменить» атом. Помните, что атомы могут терять или приобретать электроны; это сравнимо с тем, как человек снимает или надевает куртку, а в случае с большими элементами, например францием, человек снимает слой одежды.

Мы описываем готовность элемента отдать или получить электрон как сродство к электрону. Большинство элементов в верхнем правом углу, например фтор или кислород, имеют большое сродство к электрону. Это значит, что они всегда могут принять дополнительный электрон от соседнего атома, при этом фтор реакционноспособнее кислорода.

Что такое анион?

Атом, который получает или теряет электрон, мы называем ионом. Термин «анион» используется для обозначения атома, получившего один или несколько электронов, а термин «катион» для обозначения атома, потерявшего один или несколько электронов.

Анион всегда имеет отрицательный заряд, так как количество электронов у него превышает количество протонов. Кроме того, он больше нейтральных атомов. Если бы муж одолжил мне свой пуховик, в нем я казалась бы крупнее. Атом, получивший дополнительный электрон (который теперь называется анионом), станет крупнее. В качестве примера возьмем фтор. Атомы фтора всегда готовы принять один электрон, чтобы превратиться во фторид-ион ([F]-). В нейтральном состоянии фтор бесполезен для человеческого организма; однако, как только он превращается во фторид, то он сразу становится полезным макроэлементом. Например, с помощью фторида можно предотвратить развитие кариеса или стимулировать рост костей в организме. Трудно представить, что один крошечный электрон может иметь такое большое влияние на химические свойства атомов.

Термин «катион» используется для классификации атомов, потерявших один или несколько электронов. Вернемся к примеру с пуховиком моего мужа. Отдав его мне – отдав электрон, – он стал бы катионом. Катионы всегда обладают положительным зарядом, так как количество протонов в них превышает количество электронов. Катионы на вид меньше нейтральных атомов. То же самое произошло бы с моим мужем, если бы он отдал мне пуховик, – он бы визуально уменьшился.

В отличие от анионов, катионы располагаются в верхнем левом углу периодической системы, например литий и бериллий. У этих элементов имеется один или два валентных электрона, которые легко могут быть переданы другому атому. Именно поэтому такие элементы с большей вероятностью станут катионами, а не анионами.

Особенно это относится к элементам, расположенным в первой группе, например к литию. Чтобы стать катионом лития (Li+), его атому нужно отдать один электрон. Ионы катиона лития используются при лечении биполярного расстройства: с его помощью можно воздействовать на чувствительность мозга к дофамину. При этом нейтральный литий не оказывает никакого полезного воздействия на человеческий организм. И снова мы наблюдаем, как приобретение или утрата одного электрона может сильно изменить физические свойства атома.

Напоследок я хочу рассказать вам о восьмой группе (восемнадцатый столбец). Элементы в ней инертны или неактивны: они не хотят приобретать или отдавать электроны. Знаете, когда я думаю о таких элементах, как гелий или неон, сразу представляю человека, который решил провести субботний вечер дома в одиночестве, а не на шумной вечеринке. Все элементы этой группы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) принято называть инертными газами, они очень редко вступают в химические реакции с другими элементами.

Периодическая таблица – это нечто большее, чем обычная шпаргалка. Посмотрев на нее, мы увидим открытия тысяч – или сотен тысяч – ученых по всему свету. С помощью таблицы можно делать множество удивительных вещей: проводить диагностики и исследования для выявления рака, изобретать полупроводники, которые потом будут работать в солнечных панелях… Даже литий-ионные батареи в вашем ноутбуке или телефоне – это результат взаимодействия элементов из периодической таблицы (батареи работают только из-за того, что электроны движутся внутри атомов и между ними). По правде говоря, чем лучше вы понимаете основную структуру атома, тем легче вам будет понять, как проходят электронно-протонные взаимодействия.

А теперь, когда мы разобрались, как устроен атом – протоны, нейтроны, электроны, – самое время увидеть, что же происходит, когда объединяются два атома разных элементов. И именно здесь химия становится очень интересной: знаете, притяжение между атомами похоже на свидание или встречу с другом. Будет ли их тянуть друг к другу? Как они отреагируют? Смогут ли они сформировать связь?

2. Все о форме. Атомы в пространстве

В предыдущей главе вы узнали, что атомы являются строительными блоками буквально всего во Вселенной. Но как эти блоки собираются вместе и формируют объекты? Например, компьютер? Или салатный соус? Или ледяное пиво?

С помощью электронов.

Если два или более атома соединяются, то образуется связь и происходит обмен или передача электронов. Связь могут иметь молекулы или сложные вещества. Отдельный атом никогда не станет молекулой или сложным веществом, потому что он всегда остается просто «атомом».

Но прежде чем мы перейдем к химическим реакциям, вам важно понять, что очень часто химики называют совокупность молекул «видом», «веществом» или даже «системой». Эти термины являются синонимами и обозначают одно и то же – совокупность молекул. Итак, когда я говорю о виде, вы должны понимать, что я имею в виду совокупность молекул. А когда я говорю о молекуле, то тут уже все и так понятно. Круто? Круто.

Сформированные между атомами связи увидеть очень легко, если понимать, что искать и куда смотреть: например, как соль растворяется в океане или как маска для лица «растворяет» комедоны. Атомы притягиваются друг к другу, и в этом они очень похожи на нас, людей! Так как протоны обладают положительным зарядом, а электроны – отрицательным, происходит нейтрализация (а это именно то, к чему стремятся все атомы).

Когда атомы находятся рядом друг с другом, они испытывают взаимное притяжение. Поскольку электроны располагаются снаружи атома, а протоны – внутри, то происходит два притяжения.

Пример: у нас есть два атома, атом А и атом В. Электроны атома А будут притягиваться к протонам атома В, а электроны атома В – к протонам атома А. Единственное, что может помешать электронам и протонам соединиться, так это то, что электроны двух атомов будут отталкивать друг друга.

Атомы могут не образовать связь, если они будут находиться слишком близко друг к другу. Если в кофейне о вас начнет тереться незнакомец, вы оттолкнете его, верно? Когда незнакомец вторгается в наше личное пространство, мы всегда стараемся создать дистанцию – нам просто будет так комфортнее. Иногда это означает, что нам нужно встать и уйти; у атомов этот процесс происходит точно так же. Если электроны одного атома находятся слишком близко к электронам другого, то они отталкиваются друг от друга и отдаляются на некоторое расстояние.

В конце концов, два атома могут находиться на идеальном расстоянии, при котором притяжение между электронами и протонами будет сильнее отторжения между двумя видами электронов. Проще говоря, притяжение между протоном и электроном достигнет своего максимума, а отторжение между электронами – минимума. Когда происходит такая ситуация, может образоваться связь.

Давайте представим, что вы и незнакомец из кофейни находитесь на комфортном расстоянии и заводите разговор. Если вас притягивает друг к другу, вы перейдете на следующую ступень: установление постоянной связи. Вероятно, вы встретитесь еще пару раз за чашечкой кофе или обменяетесь номерами телефонов. Но так как мы все-таки говорим о соединении атомов, то представим, что на следующей ступени они берутся за руки.

Когда атомы «берутся за руки», они образуют связь. По сути, связь в химии – это соглашение между двумя атомами. Теперь они будут всегда вместе, до тех пор, пока не появится более привлекательный атом. Представим, что я держусь за руки с прекрасным незнакомцем, и я буду делать это до тех пор, пока в помещение не войдет Райан Рейнольдс. Тогда я отпускаю руку того прекрасного незнакомца и бросаю его, чтобы установить «лучшую» связь. То же самое происходит с атомами.

Но есть небольшое различие. Я могла бы уйти в закат с Райаном Рейнольдсом и быть той же самой Кейт, которая недавно вошла в кофейню, и той же девушкой, которая держала за руку незнакомца. Ни Райан, ни незнакомец не забрали мою руку или ногу, верно? К сожалению, у атомов А и В не всегда все проходит так мирно.

В отличие от меня и незнакомца, когда два атома решают соединиться друг с другом, они перестают существовать как два отдельных, независимых атома. Когда они образуют связь, сразу же происходит обмен электронами. Поэтому иногда после распада связи атом А может иметь один или два электрона атома В.

Но когда атомы остаются вместе, мы стараемся проанализировать, насколько равномерно электроны распределяются между ними. И чтобы сделать это, нам нужно изучить характер атома, исследовать его состав. Самый простой способ сделать это – классифицировать атом как металл или неметалл. К счастью, отличить два этих типа друг от друга очень просто как в лаборатории, так и в обычной жизни.

Для начала, если металлы очистить, то они очень красивые. Металлы, например золото, кобальт или платина, блестят: они обладают способностью отражать падающий на них свет. К тому же большинство металлов имеют свойства ковкости и пластичности, благодаря чему они идеальны для изготовления ювелирных украшений. (Мы используем эти термины для описания металла, форму которого можно изменять.) Металлы также обладают высокой теплопроводностью, о чем вы, скорее всего, уже знаете: вы обожжетесь, если прикоснетесь к горячей кастрюле на плите. А кроме того, высокой электропроводностью. Это означает, что электроны большинства металлов могут перемещаться между металлами практически без сопротивления. Именно поэтому стоять во время грозы с зонтом – не самая лучшая идея. Металл, из которого обычно делается ручка (а также верхняя часть зонта), притягивает к себе молнию. А так как металлы хорошо проводят электрический ток, то именно из-за электронов люди умирают от удара током. С другой стороны, мы очень часто пользуемся этим свойством металлов, например, когда делаем аккумуляторы для телефонов.

Металлы с легкостью отдают свои электроны другим атомам, но при этом они редко образуют связи, в которых им нужно принимать чужие электроны. Металлы очень похожи на Санта-Клауса: он очень любит дарить подарки, но не любит их получать! (К сожалению, у атомов нет эквивалентов молока и печенья.) При объединении с другим металлом они должны принять чужой электрон; поэтому они стараются избегать подобных связей.

Элементы из группы неметаллов не отражают свет, непластичны и не обладают ковкостью. Термин «ковкость» используется в том случае, если вещество (обычно это металл) можно вытянуть в тонкую проволоку. Но что определяет неметаллы? Ну, они не являются металлами. (Да-да, я знаю, что это очевидно.) Большинство твердых неметаллов не блестят. Газообразные неметаллы в основном бесцветны, а это значит, что мы даже не можем увидеть эти элементы или сделать из них украшения.

Что вам еще нужно знать о неметаллах? Они обладают плохой тепло- и электропроводностью. Электроны с трудом двигаются в подобных элементах, так что многие из неметаллов инертны. (Вот почему все инертные газы, о которых я рассказала вам в прошлой главе, не вступают в химические реакции.) Проще говоря, их электроны не могут переходить от одного атома к другому так же легко, как у металлов.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Chemistry 101 – полезное приложение для изучения химии. (Прим. лит. ред.)