Однако изменения одного типа атом испытывает и при обычных химических реакциях: с «поверхности» атома могут удалиться несколько электронов или же на этой «поверхности» могут разместиться несколько дополнительных электронов, хотя электронное облако как таковое может при этом сохраниться. Это открытие позволило окончательно решить проблему ионов, ставившую в тупик три поколения химиков.
Еще со времен Дальтона было известно, что разные атомы отличаются друг от друга массой (см. гл. 5), но чем обусловлено это различие? Как объяснить это различие, исходя из модели атома, предложенной Резерфордом? Ответить на этот вопрос помогло изучение рентгеновских лучей. Немецкий физик Маке Теодор Феликс Лауэ (1879—1960) в 1909 г. начал бомбардировать кристаллы рентгеновскими лучами. Благодаря этим экспериментам, признанными классическими, были установлены два существенных факта. Кристаллы состоят из атомов, образующих кристаллическую решетку, которая рассеивает рентгеновские лучи строго определенным образом. Теория рассеивания (или дифракции) рентгеновских лучей позволила связать длину волны рентгеновского излучения с параметрами элементарной ячейки кристалла.
Английский физик Чарльз Гловер Баркла (1877—1944) сделал следующий важный шаг. Он установил, что при рассеивании рентгеновских лучей различными элементами образуются пучки рентгеновских лучей, которые проникают в вещество на характеристические величины. Каждый элемент создает особый набор рентгеновских лучей. В трубке Крукса источником таких рентгеновских лучей становился под действием пучка катодных лучей антикатод (который изготавливали из различных металлов). Другой английский физик, Генри Гвин Джефрис Мозли (1887—1915), используя в качестве антикатода различные элементы, в 1913 г. установил, что чем больше атомная масса элемента, тем меньше длина волны образующихся рентгеновских лучей. Эта обратная зависимость, доказывал Мозли, связана с величиной положительного заряда ядра атома. Чем больше заряд, тем короче длина волны рентгеновских лучей.
Исходя из длины волны, можно вычислить заряд ядра атома любого элемента. Таким образом в итоге удалось показать, что заряд ядра водорода равен +1, гелия +2, лития +3 и так далее вплоть до урана [117], заряд ядра которого равен +92.
Величина заряда ядра получила название порядкового номера элемента, или атомного номера. Сразу же стало понятно, что, располагая элементы в порядке увеличения атомной массы, Менделеев по сути дела расположил элементы в порядке возрастания их атомных номеров. О тех двух случаях, когда он поместил атомы с большей массой впереди атомов с меньшей массой (см. гл. 8), поскольку эти атомы с меньшей массой тем не менее имеют больший порядковый номер, мы будем говорить особо.
На этом этапе, наконец, стало возможным заменить определение элемента, данное Бойлем. Согласно Бойлю, элемент — это вещество, которое нельзя разложить на более простые вещества, новое определение элемента звучит так: элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Впервые также стало возможным точно предсказать, сколько элементов еще осталось открыть. В 1913 г. все элементы с порядковыми номерами от 1 до 92 были уже открыты, кроме элементов с порядковыми номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. В 1917 г. был открыт протактиний (порядковый номер 91), в 1923 г.— гафний (порядковый номер 72), а в 1925 г.— рений (порядковый номер 75). В результате в периодической таблице оставались только четыре незаполненные клетки, соответствующие элементам с порядковыми номерами 43, 61, 85 и 87. Оставалось открыть только четыре элемента, но сделать это не удалось еще и в 30-е годы (см. гл. 14).
Поскольку протон — единственная положительно заряженная частица, обнаруженная в ядре, то порядковый номер элемента равен числу протонов ядра. В ядре алюминия, порядковый номер которого 13, должно содержаться 13 протонов, но так как его атомная масса равна 27, то в его ядре, как было установлено позднее, должно содержаться еще 14 нейтронов. Нейтроны изменяют массу ядра, но не влияют на его заряд. В ядре атома натрия, порядковый номер которого 11, атомная масса 23, должно содержаться 11 протонов и 12 нейтронов. (И протоны, и нейтроны находятся в ядре, поэтому их называют нуклонами[118].)
В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Это означает, что каждому протону в ядре соответствует электрон, расположенный на периферии атома. Следовательно, число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру. Так, в атоме водорода всего 1 электрон, в атоме натрия их 11, в атоме урана 92 и т. д. [119]
Когда два атома сталкиваются и вступают в реакцию, они или соединяются вместе, обобществляя свои электроны, или же вновь расходятся после перераспределения электронов. Именно это обобществление или перераспределение электронов и вызывает изменение свойств веществ, наблюдаемое при проведении химических реакций.
Кропотливое и тщательное изучение рентгеновских лучей показало, что и обобществление, и перераспределение электронов подчиняется какому-то определенному порядку, и в результате была выдвинута следующая гипотеза. Окружающие ядро атома электроны подразделяются на определенные группы и образуют так называемые электронные оболочки. Ближайшая к ядру атома оболочка получила название К-оболочка, а последующие оболочки были названы соответственно L-оболочка, M-оболочка, N-оболочка и т. д. Согласно этой гипотезе, на ближайшей к ядру оболочке могут располагаться только два электрона, на следующей L-оболочке — восемь, на M-оболочке — восемнадцать и т. д., т. е. чем дальше оболочка удалена от ядра, тем больше электронов на ней может располагаться. Например, три электрона атома лития, одиннадцать электронов атома натрия и девятнадцать электронов атома калия распределяются по электронным оболочкам в следующем порядке: Li 2, 1; Na 2, 8, 1; K 2, 8, 8, 1.
У каждого атома щелочных металлов электроны распределяются таким образом, что внешнюю оболочку занимает только один электрон. Поскольку при столкновении атомов в контакт вступают именно внешние электронные оболочки, то следует ожидать, что число электронов на внешней оболочке и определяет химическую активность элемента. Элементы с аналогичными внешними электронными оболочками имеют сходные свойства, как, например, вышеупомянутые щелочные металлы.
Рассуждая таким образом, можно сказать, что щелочноземельные элементы (магний, кальций, стронций и барий) похожи друг на друга также по этой причине: у каждого из них на внешней оболочке по два электрона. На внешних оболочках атомов галогенов (фтора, хлора, брома и йода) по семь электронов, а на внешних оболочках инертных газов (неона, аргона, криптона и ксенона) — по восемь.
Составляя периодическую таблицу, Менделеев, разумеется, сам того не зная, расположил элементы в соответствии со строением электронных оболочек их атомов.
В более тяжелых атомах, в которых число электронов все растет и растет, увеличивается число электронов на внутренних оболочках, но на внешней оболочке число электронов остается постоянным. Так, например, порядковые номера редкоземельных элементов лежат в пределах от 57 до 71 включительно. И хотя по мере продвижения по периодической таблице мы наблюдаем увеличение числа электронов на внешней оболочке, все редкоземельные элементы имеют по три электрона на внешней оболочке. Это тождество внешних оболочек объясняет, почему элементы этой группы так неожиданно оказались похожи друг на друга по свойствам.
Когда Менделеев составлял периодическую таблицу, он исходил из валентности элементов, поскольку о распределении в них электронов в то время ему еще ничего не было известно. Теперь вполне разумно было предположить, что валентность элемента определяется его электронной структурой.
Немецкий химик Рихард Абегг (1869—1910) в 1904 г. указал, что электронная структура инертных газов должна быть особенно устойчивой. Атомы инертных газов не проявляют тенденции к уменьшению или увеличению числа электронов на внешних электронных оболочках и поэтому не участвуют в химических реакциях. Можно было сделать вывод, что электронные оболочки инертных газов наиболее устойчивы, а другие атомы могут отдавать или принимать электроны, пока их электронная структура не станет такой же, как у ближайшего инертного газа.
Одиннадцать электронов натрия располагаются в порядке 2, 8, 1, а семнадцать электронов хлора — в порядке 2, 8, 7. Если натрий отдаст, а хлор примет один электрон, то первый приобретет элект ронную структуру неона (2, 8), а второй — электронную структуру аргона (2, 8, 8). Атом натрия, отдав отрицательно заряженный электрон, превращается в положительно заряженный ион натрия. Атом хлора, получив электрон, превращается в отрицательно заряженный ион хлора. Противоположно заряженные ионы под действием электрического притяжения стремятся соединиться. Именно это и предполагал Берцелиус столетие назад (см. гл. 7).
