ТЯЖЕЛАЯ ВОДА

ВЕЛИКИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ

[]режде всего познакомимся со строением атомов химиче­ских элементов. В этом нам поможет знаменитый перио­дический закон Д. И. Менделеева. О чем говорит этот ве­ликий закон природы?

Как известно, все химические элементы размещаются в периодической системе элементов, которая была создана Д. И. Менделеевым.

Каждому элементу в таблице Менделеева отведено оп­ределенное место — клетка. Клетки пронумерованы; таким образом, всякий элемент имеет свой порядковый номер. Водород имеет порядковый номер 1, кислород — 8, медь — 29, ртуть — 80 и т. д.

Как же распределены элементы по отдельным клеткам?

В то время, когда Д. И. Менделеев работал над своей системой (60-е годы прошлого века), ученые почти ничего не знали о природе атомов. Было известно только одно — атомы отличаются друг от друга своими массами, или, что то же, атомными весами.

Напомним, что в химии принято пользоваться не истин­ным весом атома, а его относительным весом. Для этого вес какого-нибудь атома или определенную часть его веса считают условно за единицу. Вначале за единицу веса был принят вес одного атома водорода, а затем (с 1900 года) нашли, что более удобна в качестве единицы одна шестнадца­тая часть веса атома кислорода. Вес атома любого элемента,

Выраженный в таких условных единицах, и называют его атомным весом. При этом атомный вес кислорода равен точно 16, а веса других элементов в большинстве случаев представ­ляют дробные числа: для водорода— 1,0080, хлора — 35,457, железа — 55,85, ртути — 200,61, урана — 238,07 и т. д.

Располагая все известные элементы (их тогда было 63) в порядке возрастания атомных весов, Д. И. Менде­леев заметил, что свойства одних элементов более или менее заметно периодически повторяются у других элементов. Периодическая повторяемость свойств различных хими­ческих элементов и есть один из важнейших законов при­роды. Менделеев открыл его и назвал периодическим за­коном, а естественную последовательность элементов — периодической системой элементов.

Составляя свою таблицу, Д. И. Менделеев не придавал атомным весам решающего значения. При определении места в таблице он руководствовался всей совокуп­ностью свойств элемента. В ряде случаев он не согласился с принятыми в то время значениями атомных весов и смело исправил их у отдельных элементов.

В некоторых местах, где закономерность явно наруша­лась, великий химик оставил клетки пустыми, решив, что они принадлежат еще не открытым элементам.

В дальнейшем все исправления, сделанные Д. И. Мен­делеевым, подтвердились. Пустые клетки заполнили вновь открытые элементы, а новые определения атомных весов совпали с теми, которые он предсказал. Это было под­линным торжеством периодического закона.

Осталось только три места в таблице, где нарушался по­рядок возрастания атомных весов. Кобальт стоял впереди никеля, теллур — впереди иода и аргон — впереди калия, хотя атомные веса у первых больше, чем у вторых. Почему это так?

Ответ был найден позднее, когда наукой было открыто и изучено внутреннее строение атомов.

О том, как построены отдельные атомы, долгое время вы­сказывались лишь различные научные гипотезы. Так, напри­мер, полтора века назад английский врач и химик Проут счи­тал, что атомы всех химических элементов построены из атомов водорода, как наиболее легких. Недостаточно точно определенные в то время атомные веса у многих элементов были действительно кратными атомному весу водорода.

Однако позднее, когда атомные веса были определены бо­лее точно, оказалось, что для большинства элементов атом­ные веса не целые, а дробные числа по отношению к весу водорода. Гипотеза Проута лишилась своей опоры и была надолго забыта.

Лишь в начале нашего века, после того как были най­дены пути «проникновения» внутрь атомов, удалось полу­чить правильное представление об их строении. Атом оказался телом, состоящим из заряженного положитель­ным электричеством ядра, вокруг которого на некотором расстоянии вращаются отрицательно заряженные части­цы—электроны. В очень маленьком (по отношению ко всему атому) по своим размерам ядре сосредоточена основная мас­са атома. Электроны почти в две тысячи раз легче даже са­мого маленького ядра — ядра атома водорода. Они сущест­венного вклада в массу атома не вносят.

Отрицательный заряд электрона — это самая маленькая порция, «атом электричества». Имеется и равный ему по величине, но положительного знака заряд. Это — так на­зываемый позитрон. Положительный заряд ядра атома водорода и по величине и по знаку равен заряду одного позитрона. Заряд ядра атома водорода по величине равен также заряду электрона, но противоположен ему по знаку.

Заряд электрона можно условно принять за единицу от­рицательного электричества, а заряд ядра водорода — за единицу положительного электричества.

А каковы заряды других атомных ядер?

Исследование этого вопроса показало, что заряды ядер различных элементов различны. И самым интересным ока­залось то, что величина заряда ядра любого элемента (в выбранных нами единицах) в точности равна номеру клетки, которую этот элемент занимает в периодической таблице. Порядковый номер элемента имеет, таким образом, глубо­кий физический смысл: он равен заряду ядра атома. За­ряд ядра — вот то внутреннее свойство атома, которое ис­кал Д. И. Менделеев.

Заметим, кстати, что когда были проверены заряды ядер у кобальта, никеля, теллура, иода, аргона и калия, то обнаружилось, что они должны занимать в соответствии с величиной заряда как раз те клетки, куда их поместил Менделеев.

Периодическая система ныне включает в себя 102 хими­ческих элемента. Она состоит из семи периодов. Первый из них содержит два элемента, второй и третий по восьми, четвертый и пятый по восемнадцати, шестой — трид­цать два и седьмой (незаконченный) — шестнадцать элемен­тов. В пределах каждого периода свойства элементов с увеличением атомного веса закономерно меняются: метал­лические свойства ослабляются, а неметаллические — уси­ливаются. Характер изменения свойств одинаков для всех периодов. Каждый период начинается с щелочного метал­ла (литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций) и за­канчивается инертным газом (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон).

Рассмотрим атом самого легкого элемента — водорода. Его порядковый номер в таблице—первый. Положитель­ный заряд его ядра равен единице. Так как атом в целом электрически нейтральный, то в нем должен присутство­вать еще такой же по величине отрицательный заряд. Так в действительности и есть. Вокруг ядра водорода вращается единственный электрон. Ядро водорода называют обычно протоном (от греческого слова «протос» — первый), а атом водорода соответственно называют— протий. Этими назва­ниями в дальнейшем мы будем пользоваться.

Кислород занимает восьмую клетку таблицы, значит, заряд его ядра в восемь раз больше заряда протона. Вокруг ядра в атоме кислорода вращается восемь электронов.

Таким образом, зарядом ядра определяется не только место положения атома в периодической таблице элемен­тов, но и число электронов, входящих в состав атома. При переходе от элемента к элементу, с возрастанием порядково­го номера растут заряды ядер, растет и число электронов, движущихся вокруг ядра. Атом каждого последующего элемента в периодической таблице имеет на один электрон больше предыдущего.

В атоме гелия два электрона, вращаясь вокруг ядра, они образуют однослойную электронную оболочку. С возра­станием числа электронов структура электронной оболоч­ки усложняется. Начиная с третьего по порядку элемента — лития, который открывает второй период таблицы, электро­ны в оболочке располагаются уже не в один, а в два слоя. У натрия и далее вплоть до аргона (третий период) электроны в атомах образуют три слоя. А в атоме урана, стоящем в седьмом периоде, из 92 электронов строится се­мислойная оболочка (рис. 3). Часто в клетках таблицы Менделеева около каждого элемента помещаются колон-

Ки цифр, указывающие, какое число электронов размещает­ся в каждом слое.

Электроны, образующие самый внешний слой электрон­ной оболочки атома, находятся дальше других от ядра и ме -

Нее прочно с ним связаны. Электроны внутренних слоев крепче удерживаются ядром, их труднее вырвать из атома, чем электроны внешнего слоя.