Но что же, собственно, делает золото золотом, а кислород кислородом, если не их составные части?
Тип элемента определяется количеством его протонов.
А сколько в элементе протонов, подскажет периодическая система. В ней все элементы упорядочены, но в каком именно порядке они расположены? Так называемый порядковый номер элемента указывает на его положение в периодической системе и соответствует числу протонов. Посмотрим на таблицу: кислород занимает место № 8, значит, у него 8 протонов. Золото стоит на месте № 79 – следовательно, там 79 протонов. И вот именно только это различие делает кислород кислородом, а золото золотом.
В прежние времена алхимики, предшественники химиков, пытались превратить неблагородные металлы в золото. Сегодня мы знаем, что никакими лабораторными способами этого не сделать. Причина кроется в строении атомов.
Возможно, вам встречалась картинка, подобная этой.
О чем говорит это изображение? О том, что атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро составляют положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны, то есть в сумме ядро атома заряжено положительно. Оболочка атома состоит из отрицательно заряженных электронов, кружащихся вокруг ядра.
Таким образом, вес атома определяется исключительно его ядром, то есть количеством нейтронов и протонов. Ведь электроны практически ничего не весят, поэтому учитывать их вес смысла нет – это как если бы мы взвешивали слонов, на чьих спинах было бы по два перышка. Таким весом вполне можно было бы пренебречь.
Отдельно взятый атом, разумеется, весит немного – он ведь крошечный. Но масса у атомов, естественно, тоже есть, иначе ни эта книга, ни ваши головы тоже ничего бы не весили.
Масса одного атома углерода: 0,00000000000000000000002 г
Атом золота, в котором 79 протонов, намного тяжелее атома кислорода с его 8 протонами. Прибавим сюда нейтроны – каждый весит приблизительно столько же, сколько протон. В ядре каждого атома количество нейтронов и протонов примерно одинаково. Посчитав все вместе, получаем, что атом золота примерно в 12 раз тяжелее атома кислорода.
А вот объем, то есть размеры атома, определяется не ядром, а электронной оболочкой. Поскольку ядро настолько крошечное (меньше крошечного атома!), его размером тоже можно пренебречь. Если представить себе облако из электронов в виде шара сахарной ваты, то палочка, на которую она накручена, была бы ядром атома. Размер порции сахарной ваты зависит только от нее самой. Будь палочка толще или тоньше – это для величины шара сахарной ваты несущественно. Мы представляем себе ядро атома как точечную массу, у которой практически нет размера: она концентрируется в одной крошечной точке.
Так что атом размером со свою электронную оболочку. Насколько велика эта оболочка, зависит помимо прочего от количества электронов. Как правило, у атома практически столько же электронов, сколько и протонов, ведь так компенсируются положительные и отрицательные заряды, и в сумме получается электрически нейтральный атом. Следовательно, в электронной оболочке атома золота вертятся 79 электронов, а в кислороде – всего 8. А поскольку каждому электрону требуется место, электронная оболочка атома золота больше оболочки атома кислорода. Значит, атом золота более чем в два раза крупнее атома кислорода.
* * *
Вот вам про массу и объемы атомов. А теперь давайте обратимся к самой увлекательной теме – собственно к химическим свойствам! Здесь ядро атома нас пока не интересует, поскольку в химических реакциях не участвует. Химические реакции разворачиваются только в электронных оболочках и между ними. Поэтому-то из железа не сделать золота: пришлось бы привлечь в игру протоны, а это невозможно. Количество протонов в ядре так легко не изменить (за исключением радиоактивности, где тяжелые, нестабильные ядра распадаются одно за другим). Так что тем более стоит чуть больше внимания уделить оболочкам. И тут начинается самое интересное!
На рисунке модели атома вы видели, что электроны крутятся вокруг ядра по неким траекториям. Это очень упрощенная модель. Есть такое общее правило, оно относится и к модели частиц тоже. Модель никогда не описывает реальность, она лишь дает упрощенное представление. Она никогда не бывает универсально достоверной, разве что в определенных обусловленных рамках. Как вы уже заметили по нашему разговору, мне нравятся простые модели. Ну действительно, зачем без надобности усложнять вещи?
Сейчас я покажу модель, которая поможет довольно хорошо объяснить химические реакции; это так называемая оболочечная модель.
Согласно оболочечной модели, электронам не положено кружить вокруг ядра как попало – они могут делать это лишь на строго определенном расстоянии. Оболочки можно представить себе как луковую шелуху вокруг ядра, этакая луковица. (Я бы даже назвала ее луковой моделью, но меня никто не спрашивал.)
Как на определенных удалениях от Солнца вращаются Земля и другие планеты, так и электроны могут кружить вокруг ядра. Почему недопустимы иные расстояния? Это имеет некоторое отношение к квантовой механике, поскольку для таких маленьких частиц, как электроны, действуют правила физики не только классической, но и квантовой.
Квантовая физика вообще трудно представима, поскольку все, что мы видим и с чем сталкиваемся в жизни, следует правилам классической физики. Поэтому окунаться в квантовую механику – все равно что представлять себе цвет, который никогда не видел. Но мы взамен представим себе следующее.
Оболочки – это ряды кресел, закрепленные как в кинотеатре. Сидеть можно только на стульях, но не между рядами. (Что в кино, впрочем, бессмысленно: ничего не увидишь.)
Каков же порядок рассадки по этим рядам? Электронные оболочки в элементах заполняются изнутри наружу. Когда оболочка заполнена, снаружи добавляется следующая. Особенно большое значение имеют электроны на внешнем уровне. Нахождение на наибольшем удалении от ядра обусловливает их особые свойства: чем дальше оболочки от ядра, тем меньше сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Таким образом, электроны на внешнем уровне более свободны, чем электроны нижних оболочек. Внутренние электроны пассивны и предпочитают оставаться ближе к положительному ядру, а внешние (или электроны на внешнем уровне) – ребята общительные, они с готовностью участвуют в химических реакциях.
