Читать «Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша»

Lars Öhrström

The Last Alchemist in Paris and other curious tales from chemistry

© Lars Öhrström, 2013

© Постникова О., перевод на русский язык, 2021

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2021

КоЛибри®

Если вам хочется действия, можете начать сразу с главы 1. Если же вам требуется краткое введение в Периодическую таблицу элементов и управление электронами, а также некоторое представление о том, что мог бы сотворить из этого Дэн Браун, начните с предисловия.

Периодическая система элементов часто пугает студентов. Вы можете испытывать трудности со спряжением неправильных французских глаголов, можете путать последовательность пребывания Эдуардов, Ричардов и Генрихов на английском престоле, но вам все равно будет казаться, что 114 элементов таблицы Менделеева, их обозначения и место, которое они занимают в маленьких ячейках этой совершенно несимметричной таблицы, представляют собой совершенно иной уровень сложности.

Для людей посвященных и для страстных любителей химии Периодическая система элементов – это источник бесконечного очарования, а для начинающих лаборантов, которые заучивают ее наизусть, – боевое крещение. Для всех остальных это лишь карта химического ландшафта, по которому все мы бродим, хотя связь между ней и нашей реальностью порой бывает довольно туманной. Истории, рассказанные в этой книге, помогут вам установить связь между картой и реальной жизнью: это истории о приключениях, успехах и неудачах обычных и необычных людей со всего света, которые намеренно встречались или случайно сталкивались с различными химическими элементами.

Рисунок 1. Периодическая таблица 2012 года по версии ИЮПАК (Международного союза специалистов по теоретической и прикладной химии)[1]. Это расширенная версия, в которой элементы La – Yb и Ac – No находятся на своих местах, а не вынесены в отдельные строки под остальными элементами.

Однако для начала я должен дать вам краткое руководство по географии и карте элементов. На рисунке 1 вы видите Периодическую таблицу в версии 2012 года, в так называемой «длиннопериодной» форме, в которой более тяжелые элементы, такие как уран (U) и гадолиний (Gd), находятся на своих местах, подобно тому как Оркнейские и Шетландские острова занимают на карте точное положение относительно основной территории Великобритании, а не сдвинуты в область нефтяных месторождений к востоку от Абердина и Данди. Или как Аляска и Гавайи, изображенные в той же координатной сетке, что и материковая часть США, а не нарисованные приблизительно к югу от Калифорнии и к западу от Техаса.

Чтобы вы поняли, почему мы изображаем таблицу именно так, позвольте мне пригласить вас на воображаемое сафари в заповеднике, где лениво пасутся только два вида зебр: в черную полоску и в белую полоску. Здесь лишь один источник воды, поэтому всем зебрам приходится ходить к нему хотя бы раз в день. Проблема в том, что эти зебры очень агрессивны. Зебра в белую полоску может вытерпеть всего одну зебру в черную полоску, и наоборот; если зебр будет больше, это закончится ужасной дракой.

Если зебр всего две, по одной каждого вида, проблем не возникнет. Животные будут лениво пастись, по возможности стараясь избегать друг друга, и сформируют круг выщипанной травы с водопоем в центре. Если мы хотим, чтобы зебр было больше (а скорее всего, так и есть – ведь это прекрасные животные), нам придется как-то управлять их передвижением, чтобы избежать драк, и мы решим разгородить саванну на участки, напоминающие куски пирога. Однако администрация заповедника разрешит нам сделать это лишь тремя способами: так, чтобы в каждой совокупности загонов находились шесть, десять и 14 зебр (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Загоны с зебрами, которые позволяют разделить их по типам, при этом у всех есть доступ к водопою в центре.

Поведение электронов немного напоминает поведение зебр: их притягивает положительно заряженное ядро, но при этом они любой ценой избегают друг друга, поскольку одноименные заряды отталкиваются. Они могут терпеть одного соседа, и то лишь в том случае, если у того противоположный спин[2] – это свойство связано со всем знакомым явлением магнетизма, но его тем не менее трудно точно определить. Существуют электроны с разными видами спина, но отличить их друг от друга так же сложно, как и решить, какая перед вами зебра: в черную полоску или все же в белую. Природа разделяет электроны, держа в каждой совокупности «загонов» по два, шесть, десять или 14 электронов. Теперь вам остается представить «загоны» в виде трехмерных участков пространства вокруг ядра. Мы называем эти участки орбиталями и используем для их обозначения буквы s, p, d и f.

Когда мы добавляем к ядрам протоны, чтобы создать более тяжелые элементы, мы также добавляем электроны, которые должны оказаться в секторе s, p, d или f, и, начав заполнять «загон», мы будем продолжать это делать до тех пор, пока он не будет полон. Вопрос в том, в какой степени и последовательности их заполняют. Давайте запишем числа на листе бумаги в стиле Дэна Брауна – так, чтобы они образовали паттерн, как на рисунке 3.

Рисунок 3. Ищем закономерность разделения электронов: каждый «загон», или тип орбиталей, может принять не больше двух, шести, десяти или 14 электронов. Линия, пересекающая числа справа, отмечает путь через таблицу Менделеева.

Рисунок 4. Периодическая таблица в виде четырех «континентов», соответствующих элементам, для которых на последних заполняемых типах орбиталей могут максимально разместиться два, шесть, десять или 14 электронов. Мы называем их s-, p-, d- и f- элементами соответственно.

Затем мы чертим диагональную зигзагообразную линию через эти числа, и она ведет нас через Периодическую таблицу в порядке увеличения зарядового числа: H, He, Li, Be, B и так далее. Если по мере продвижения мы будем заменять символ каждого элемента максимальным числом электронов в тех типах орбиталей, которые мы заполняем, то получим картину, изображенную на рисунке 4. Надеюсь, теперь стало совершенно очевидно, что географию Периодической таблицы можно приблизительно описать как четыре «континента», характеризующиеся соответственно двумя, шестью, десятью или 14 электронами в последнем заполняемом загоне, – или, как мы предпочитаем их называть, s-, p-, d- и f– элементы.

Это упражнение в нумерологии не интересовало бы химиков, если бы полученная в результате карта не помогала им маневрировать среди атомов и молекул в реальном мире; однако именно это она и делает[3]. Умение различать элементы по типу последней заполненной орбитали – s, p, d или f – полезно и служит первым шагом к пониманию природы химических веществ.

Время от времени химики перестраивают Периодическую таблицу, отображая ее в форме спирали, трехмерных конструкций, кругов или цилиндров. Ценители Периодической таблицы утверждают, что существует по крайней мере 700 ее версий[4], и некоторые из них подробно и детально подчеркивают различные