Получается так: всё, что происходит с телами и веществами без изменения молекул - физика. Все, что происходит с изменениями молекул, но без изменения входящих в них атомов -химия. Хотя сгорание топлива в тепловых двигателях вроде как считается больше физикой. А изменения самих атомов, вроде радиоактивного распада - опять физика. Я всё это к тому, чтобы вы понимали: природа - едина. А разделение процессов или чего-либо еще по разным наукам и разным разделам во многом - условность. Так что незачем о таких вещах спорить до хрипоты. После такого вступления - к делу.
Дмитрий Иванович Менделеев в момент открытия своего закона еще не мог знать о строении атома, и, следовательно, о причинах такой зависимости в свойствах элементов. Нам же сейчас куда проще. В основе своей это дело не особо сложное. Атом, как вы наверное знаете, состоит из положительно заряженного ядра, компанию которому составляют отрицательно заряженные и потому притягивающиеся к нему электроны. Теперь же нужно сообщить некоторые дополнительные подробности.
Чем больше номер атома в таблице Менделеева, тем больше вокруг его ядра неким образом движущихся электронов. Они помещаются вокруг ядра слоями или, как еще говорят, электронными оболочками. И во всяких вещах, которые мы творим с атомами в нашей повседневной жизни, проводим ли химические опыты или наэлектризовываем пластмассовую линейку, мы имеем дело с электронами только наружной оболочки.
Проблема, однако, в том, что все электроны заряжены отрицательно и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Так что поместить их вокруг атомного ядра непросто. Все вы знаете нынешние весьма экономные упаковки разной сложной бытовой техники - уложить ее части в коробку можно только в определенном порядке, иначе не влезет и вы даже крышку закрыть не сможете. Вот и в атомах наиболее устойчивая конфигурация стремящихся оттолкнуться друг от друга электронов получается только при определенном их числе - при 8. Если сказать точнее, то при двух S-электронах и шести P-электронах. Нет, это не электроны такие разные (они все одинаковы), а, как бы сказать, такие ячейки в "коробке" атома - разные формы тех областей электронной оболочки, в которых они движутся. Вот потому-то элементы у которых наружная оболочка собрана полностью и обладает наибольшей устойчивостью, почти невозможно заставить вступить в какие-то химические реакции - им и так хорошо. Такие элементы - это инертные газы, вроде неона, аргона и т.д. Правда, у простенького и маленького атома инертного газа гелия на его единственной наружной оболочке всего 2 электрона. Но это оболочка - самая ближняя к ядру атома, совсем маленькая, на ней только 2 S-электрона и помещается. И тоже получается весьма устойчиво.
А что будет, если у некоего атома на наружной оболочке всего один электрон? В таком случае конфигурации электрических полей и внутриатомных сил будут весьма активно стремиться вытолкать его ну хоть куда-нибудь, чтобы приобрести желанную устойчивую форму. Так устроены активнейшие щелочные металлы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий... В химических соединениях они обладают сильнейшими основными (щелочными) свойствами, а сами собой представляют ну просто образец "расовой арийской чистоты" металлических свойств.
Какие же из этих элементов наделены этими свойствами в наибольшей степени? Естественно те, у которых самые сложные и большие атомы. Ведь в этом случае наружные электроны оказываются слишком далеко от положительно заряженного ядра, хоть как-то их притягивающего. Если литий с его 3 электронами загорается только при температуре 300 градусов, то цезий с его 55 электронами на многочисленных оболочках на воздухе загорится сам даже в прохладной комнате. А его электроны могут вылетать из металла даже под действием света, что, например, используется в вакуумных фотоэлементах.
Но в этот раз мы займемся изучением химических элементов со свойствами, прямо противоположными. Теми, которым, наоборот, до наиболее устойчивой конфигурации наружной электронной оболочки одного электрона не хватает. Вот они и изо всех сил стараются притянуть на это место какой-нибудь электрон из окружающих их веществ. Это - галогены. То есть, фтор, хлор, бром, йод. Ну, можно еще и вписать в этот список получаемый искусственно и быстро распадающийся радиоактивный астат.
Какие галогены наиболее активны? Естественно, с наименьшим атомным номером и простейшими атомами небольшого размера. То есть с минимальным расстоянием от "дырки" в наружной электронной оболочке до положительно заряженного ядра, стремящегося втянуть в нее первый же попавшийся вблизи электрон. В жутко ядовитом газе фторе горит даже вода! Тогда как с йодом в свободной форме мы порой имеем дело в нашей аптечке.
В следующей статье мы опишем несложный опыт, главным героем которого будет самая обычная поваренная соль. Однако, чтобы извлечь из него максимум интересного и полезного, непременно запаситесь еще индикаторной бумагой, показывающей кислотную или щелочную реакцию раствора. Ее можно заказать на Али, а если вам не хочется ждать доставки - то найти в магазинах для садоводов.
А пока что закончим с темой таблицы Менделеева. Итак, первый период (горизонтальная строка) таблицы - всего из двух элементов. Потому, что в самой ближней к ядру и самой маленькой оболочке помещается только 2 s-электрона. Во втором и третьем периодах - по 8 элементов. Поскольку в их наружных оболочках до их полного заполнения и получения инертного газа помещается 2 s и 6 p-электронов. Но в остальных периодах элементов больше! Дело тут в том, что следующий электронные оболочки еще больше, и в них, кроме s и p помещаются еще и d-электроны. Причем d-"ячейки" начинают заполняться, когда сверху них появляются электроны следующей оболочки, своим отталкиванием внутрь не дающие тем разлететься.
Как вы уже знаете, химические свойства атома определяются в основном его наружной оболочкой. Вот во втором периоде есть 3 соседних элемента, отличающиеся друг от друга на один электрон - углерод, азот, кислород. Какие ярчайшие химические индивидуальности! Непохожие ни на друг друга, ни на что другое. А теперь возьмем 3 соседних элемента из 4-го периода - железо, кобальт, никель. И тут уже такой особой разницы нет. Все три - металлы серебристо-серого цвета, не особо химически активные, обладающие магнитными свойствами. Все потому, что они отличаются количеством электронов, не находящихся снаружи атома.
В еще более огромных, сложно устроенных атомах 6 и 7 периодов есть уже место и для так называемых f-электронов. Элементы, отличающиеся количеством только этих электронов вынесены в отдельные строчки. Это лантаноиды для 6-го периода и актиноиды - для 7-го. Их химические свойства очень похожи друг на друга, так что химикам было непросто их открыть и разобраться, сколько их вообще. То и дело их путали между собой, плохо разделенные смеси этих элементов принимали за какой-то новый элемент и т.д. И по сей день качественное разделение этих металлов - непростая задачка для промышленности. То, что у нас продают под названием "неодимовые магниты" на самом деле содержит заметные примеси и других лантаноидов. Правда, делу это сильно не вредит. Опять-таки из-за сходства свойств элементов этого семейства. Так, в советские времена, когда еще не знали, что лучшие магниты получаются с добавлением неодима, самые сильные магниты делали, добавляя к легированной кобальтом стали другой лантаноид - самарий.