Книга по химии для домашнего чтения - Борис Степин

в которой в результате захвата ядром электрона (K-захват) один из протонов ядра превращается в нейтрон n0 с излучением фотона γ:

p+ + е- = n0 + γ.

4.4. ПОРЯДКОВЫЙ ИЛИ АТОМНЫЙ НОМЕР?

Порядковый номер и атомный номер химического элемента — синонимы, совпадающие понятия. В Периодической системе Менделеева (см. 2.13) элементы располагаются в порядке возрастания их номеров, начиная с водорода H, порядковый или атомный номер которого равен единице. Порядковый номер элемента равен заряду ядер его атомов в единицах элементарного электрического заряда или числу протонов в ядре, а для нейтрального атома — числу электронов в нем.

Термин «порядковый номер элемента» впервые ввел в употребление английский химик Ньюлендс в 1875 г. без какого-либо физического смысла (см. 2.16). Этот термин вначале не имел никакого отношения к Периодической системе Менделеева. Термин «атомный номер элемента» ввел в употребление английский физик Эрнст Резерфорд в 1913 г. вместо термина «порядковый номер элемента» и настойчиво его внедрял. Так как Периодическая система Менделеева — это система химических элементов, а не атомов, их составляющих, то в настоящее время предпочтение отдается термину «порядковый номер элемента».

Если символ элемента Э, то порядковый номер элемента Z обозначается подстрочным индексом слева от символа, а массовое число А, или число нуклонов в ядрах элемента (см. 4.60) — надстрочным индексом слева, например AZЭ. Для изотопа золота-157 обозначение будет таким: 19779Au, где 197 — массовое число А, 79 — порядковый номер Z. 

Примечание. Эрнст Резерфорд (1871–1937) — английский физик, член Лондонского королевского общества, его президент, лауреат Нобелевской премии.

4.5. «ВЫМИРАЮТ» ЛИ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ?

Все вещества Земли образовались преимущественно из устойчивых атомов химических элементов. Но кроме них в земной коре, гидросфере и атмосфере присутствуют исчезающе малые количества радиоактивных элементов, таких как франций Fr, актиний Ac, технеций Tc (см. 4.42), радон Rn (см. 4.31), астат At (см. 4.40), полоний Po и некоторых других, которые относят к «вымершим» элементам. На ранних этапах формирования Земли их было много, но вследствие радиоактивного распада они постепенно превратились в устойчивые атомы ныне существующих элементов. В частности, технеций, элемент VIIB группы Периодической системы, существовавший около 4 млрд., лет тому назад, исчез в результате радиоактивного распада: Тс-99 (e-) Ru-99. Обнаруживаемые в некоторых минералах следы технеция порядка 10-9 г/кг — результат радиоактивного распада урана U и воздействия космических нейтронов n0 на минералы, содержащие молибден Mo, ниобий Nb и рений Re (см. 4.43).

Свои последние дни доживают в современную эпоху атомы калия-40, урана-235, актиния-235, астата-211 и некоторых других радиоактивных элементов.

В частности, было подсчитано, что в каждом килограмме урана через 100 млн. лет образуется 13 г свинца Pb и 2 г гелия He. А через 4 млрд., лет урана на Земле не останется. В бывших месторождениях его минералов найдут только соединения свинца, а атмосфера станет богаче гелием.

4.6. ЧТО В АТМОСФЕРЕ ВЕНЕРЫ, ЗЕМЛИ И МАРСА?

Атмосфера Венеры и Марса содержит преимущественно углерод в виде его диоксида CO2, а атмосфера Земли — азот N2. В атмосфере Венеры кроме диоксида углерода находятся в небольших количествах еще азот и аргон Ar. В атмосфере Марса после диоксида углерода наиболее распространенными являются диоксид серы SO2 и азот. В атмосфере Земли кроме азота содержатся кислород O2 и в очень небольших количествах аргон и диоксид углерода. Считают, что атмосфера Земли в начале ее эволюции состояла из диоксида углерода, а затем стала азотно-кислородной. Практически весь аргон атмосферы Земли образовался в результате радиоактивного распада ядер химического элемента калия-40.

4.7. «СЫРЬЕ» ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Звезды — водородно-гелиевая смесь. Не эта ли смесь — основное «сырье» для образования остальных химических элементов?

Все химические элементы образовались из ядер водорода Н, который вместе с гелием He является главной частью космического вещества. Остальные химические элементы могут рассматриваться как малая примесь. Большинство всех звезд, в том числе и наше Солнце, представляют собой водородно-гелиевую смесь. Только в звездах, называемых «белыми карликами», водород в результате ядерных реакций весь «выгорел» и вместо него появились более тяжелые элементы.

«Выгорание» водорода с превращением его в гелий происходит в основном у центра звезды, где температура выше. При этом ядро звезды сжимается, а оболочка расширяется. Температура поверхности звезды падает, и она становится «красным гигантом». В «выгоревшем» и сильно сжавшемся ядре и начинаются ядерные реакции, приводящие к образованию новых химических элементов. Прежде всего с участием ядер бериллия Be образуются атомы углерода C:

84Ве + 42Не → 126C.

Новые ядра легких элементов служат исходным материалом для последующего образования всех тяжелых ядер в процессах нейтронного захвата. Например, образование ядер азота N происходит при захвате нейтронов n0 ядрами углерода с выбросом электронов e-:

126C + 10n = 136C = 137N + e-

Непрерывно действующими источниками нейтронов служат ядерные реакции типа:

136C + 42He = 138O + 10n.

Некоторые химические элементы, видимо, образовались при помощи ядерных частиц, ускоренных переменными электромагнитными полями в атмосферах звезд.

4.8. ЭЛЕМЕНТЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ

На Земле по убывающей распространенности химические элементы составляют ряд: О, Si, Al, Fe, Ca, …, H (9-е место), …, C (13-е место), …, Не (78-е место). Распространенность же элементов во Вселенной убывает в ряду: H>He>O>C>Ne>N>Si>S>…

В космосе было обнаружено присутствие аммиака NH3, воды H2O, циановодорода HCN, метанола CH3OH, муравьиной кислоты HCOOH и даже аминокислот. Среди метеоритов, падающих на Землю, встречаются так называемые углеродистые хондриты, в состав которых входит от 0,5 до 7,0% органических соединений. В частности, в метеорите «Мэрчисон» (Австралия, 1969 г.) было обнаружено 18 различных аминокислот. Поэтому считают, что образование органических и неорганических соединений — распространенный космический процесс.

4.9. ТРИАДЫ ДЁБЕРЕЙНЕРА

Иоганн-Вольфганг Дёберейнер (1780–1849), немецкий химик-технолог, свое химическое образование получил, работая помощником аптекаря в ряде городов Германии. Затем он стал владельцем небольшой фабрики медикаментов, но быстро разорился. Скопив капитал, Дёберейнер снова приобрел фабрику по отбеливанию тканей хлором, но в 1808 г. предприятие обанкротилось. Его спас от нищеты друг и покровитель, поэт и философ И.-В. Гёте, возглавлявший в то время правительство одного из герцогств Германии. Гёте предложил Дёберейнеру занять должность профессора химии и фармации в Иенском университете.

В 1817 г. Дёберейнер обнаружил, что некоторые элементы, обладавшие общностью химических свойств, можно расположить по возрастанию их атомных масс так, что атомная масса среднего из трех элементов окажется равной примерно среднему арифметическому из суммы атомных масс соседних элементов (правило триад). Он назвал такие семейства элементов триадами. Дёберейнер составил из известных в то время элементов четыре триады: литий Li—натрий Na—калий К; кальций Ca—стронций Sr—барий Ba; сера S — селен Se—теллур Те; хлор Cl—бром Br—иод I.

Работы Дёберейнера послужили началом в создании будущей Периодической системы, хотя взаимная связь триад так и осталась до Менделеева нераскрытой. Правило триад было использовано Менделеевым для классификации химических элементов.

4.10. МЕНДЕЛЕЕВ И МЕЙЕР

До сих пор в ряде зарубежных стран оспаривается приоритет открытия Периодического закона Менделеевым и преувеличивается роль Мейера в этом открытии. Первооткрывателями Периодического закона называют Мейера и Менделеева.

Лотар-Юлиус Мейер (1830–1895) — немецкий профессор химии, член-корреспондент Берлинской академии наук, иностранный член- корреспондент Петербургской академии наук с 1890 г., занимался проблемами физиологии, историей химических теорий и отчасти физической химией.

Одно время он пытался расположить химические элементы по возрастанию их степеней окисления. В 1864 г. в книге «Современные теории химии» Мейер предложил располагать элементы по группам, но дальше этого предложения не пошел и понятие «группа элементов» не раскрыл. Только в 1870 г., после опубликования Менделеевым Периодического закона, появилась статья Мейера, в которой он рассмотрел общую систему химических элементов, расположив их по возрастанию атомных масс, что сделал до него еще Ньюлендс (см. 2.16).