Книга по химии для домашнего чтения - Степин Борис Дмитриевич

4.59. СИНОНИМЫ ЛИ ТЕРМИНЫ «ВАЛЕНТНОСТЬ» И «СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ»?

Некоторые химики часто путают два совершенно различных термина: валентность и степень окисления. Валентность — способность атома элемента образовывать в конкретном соединении определенное число химических связей с окружающими атомами. Количественной мерой валентности служит число ковалентных химических связей, образованных атомом. Степень же окисления атома элемента — формальный заряд, приобретаемый этим атомом в данном соединении в том случае, если бы все электронные пары его химических связей сместились в сторону более электроотрицательных атомов. В молекуле алгебраическая сумма степеней окисления атомов с учетом их числа равна нулю.

Например, в азотной кислоте HNO3 валентность атома азота равна четырем, а степень окисления — +V. Атом азота может выделить для образования связей с окружающими его атомами кислорода только три неспаренных электрона, находящихся на p-атомной орбитали, и одну неподеленную пару s-электронов. В молекуле монооксида углерода

степень окисления атома углерода +II, а валентность равна трем — у атома углерода три химические связи с атомом кислорода.

4.60. НУКЛИД, НУКЛОН, ИЗОТОП

К изотопам относят различные виды ядер одного и того же химического элемента — элемента с одним и тем же порядковым номером (см. 4.4), — различающихся по числу нейтронов.

Нуклон — ядерная частица, двумя состояниями которой являются протон p+ и нейтрон n0, взаимодействующие в ядре между собой путем обмена π-мезонами, пионами, имеющими массу в 270 раз большую, чем масса электрона. Например, в атоме бора 105B десять нуклонов: пять протонов и пять нейтронов.

Нуклиды — ядра, различающиеся как по числу нейтронов, так и по числу протонов. Нуклиды — это конкретные виды ядер различных элементов. Нуклидом называют ядро изотопа свинца 20782Pb с 82 протонами и 125 нейтронами, ядро изотопа кислорода 168O с 8 протонами. Три различных ядра атома углерода 126С, 136C и 146С содержат 12, 13 и 14 нуклонов. Эти ядра называют изотопами, или изотопными нуклидами. Каждый изотоп есть нуклид, ядро атомов элемента с определенным числом нейтронов и протонов.

4.61. ЕДИНСТВЕННЫЙ ИЗОТОП?

В природе насчитывается 21 элемент, у которых всего один стабильный изотоп. Такие элементы называют изотопночистыми. Среди них бериллий Be, фтор F, натрий Na, алюминий Al, фосфор Р, иод I, золото Au, висмут Bi, торий Th и др. Наибольшее число изотопов (десять) имеет элемент олово Sn.

4.62. НЕВИДИМАЯ И НЕУЛОВИМАЯ, НО ОЩУТИМАЯ ЧАСТИЦА

Все физики уверены в существовании самых элементарных частиц в ядрах атомов — кварков, находящихся внутри протонов, нейтронов и других частиц ядер. Выделить же кварки в свободном виде пока никак не удается, кварк остается неуловимым.

Кварки — универсальный «строительный материал» сильновзаимодействующих частиц ядра. Все окружающие нас вещества можно создать из трех «кирпичей»: электрона, кварка и антикварка, а в качестве «цемента» понадобятся еще три частицы, не имеющие массы, — фотон, глюон и гравитон. Фотоны привязывают электроны к ядру атома, глюоны склеивают кварк и антикварк в ядре, а гравитоны «цементируют» космические объекты: планеты, звезды и галактики.

Например, протон состоит из трех кварков. При взаимодействии двух любых кварков один из них испускает глюон, другой его поглощает. Кварки и глюоны несут особый «склеиватель» — цветовой заряд, не имеющий ничего общего с электрическим зарядом. Глюоны — удивительные частицы. Они обладают свойством самоликвидации и саморазмножения: глюон может испускать и поглощать глюоны.

Интересно, что действие глюонов на кварки увеличивается по мере их удаления от порождающих их кварков. Кварки связаны глюонами слабее всего, когда они находятся близко друг к другу. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возрастает стягивающее их глюонное поле. Другими словами, кварки становятся свободными не вне протонов и нейтронов ядра, а наоборот, глубоко внутри этих частиц. Этим, видимо, и объясняется невозможность разделить кварки, выбить какой-либо из них из ядра атома.

4.63. ЧАСТИЦА, ПРОНИКАЮЩАЯ СКВОЗЬ ЗЕМЛЮ И СОЛНЦЕ

Такой частицей является нейтрино (символ ν, греч. буква «ню») — стабильная частица, не имеющая ни массы, ни заряда, обладающая скоростью света. Чтобы отличить ее от тяжелого нейтрона, также не имеющего заряда, итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) назвал эту частицу «нейтрино» как нечто исчезающе малое, нейтральное.

При радиоактивном распаде ядер атомов выбрасываемый позитрон е+ всегда сопровождается нейтрино νe, а выбрасываемый электрон e- — двойником нейтрино, называемым антинейтрино ν-e. Антинейтрино отличается от нейтрино только характером своего движения — он вворачивается в направлении полета как штопор.

Появление нейтрино и антинейтрино из распадающихся ядер связано с ядерными реакциями:

n0 → p+ +e-↑ + ν-e↑; p+ → n0 + e+↑ + νe↑

Нейтрино и антинейтрино не содержатся в ядре, а образуются в момент вылета из него позитрона или электрона.

Вся земная кора за счет радиоактивного распада атомов излучает в секунду 2∙1026 антинейтрино, которые пронизывают Землю и живущих на ней людей, не причиняя им никакого вреда. Каждую секунду через человеческое тело пролетает 1750 антинейтрино. C веществом нейтрино и антинейтрино не взаимодействуют и поэтому в нем не задерживаются. На нашем Солнце в результате ядерного «горения» атомов водорода вместе с позитронами рождается в секунду 2∙1038 нейтрино, обрушивающихся на Землю. В любой части Вселенной существуют огромные потоки нейтрино и антинейтрино, есть и «нейтринные звезды».

5. О НЕКОТОРЫХ УДИВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВАХ ВЕЩЕСТВ

Известно, что люди могут быть похожими и непохожими друг на друга. Но каждый человек как личность уникален и неповторим. Подобным образом каждое вещество — «химический индивидуум» — тоже имеет свой собственный и неповторимый внешний облик, «характер», «привычки». О примечательных свойствах химических веществ пойдет речь в этом разделе.

5.1. ХРУПКАЯ ЗЕМНАЯ АТМОСФЕРА

Земная атмосфера сформировалась за счет выделения газов из горных пород и анаэробного фотосинтеза. Около 4 млрд., лет тому назад кислорода в атмосфере Земли не было. Она состояла из азота N2, диоксида углерода CO2 и водорода H2. Появление в воде океанов простейших живых организмов, в частности сине- зеленых водорослей, 2,5 млрд., лет тому назад стало началом появления и кислорода в атмосфере. Эти водоросли в ходе синтеза своих углеводов усваивали водород из воды, а углерод — из растворенного в воде CO2, одновременно выделяя кислород. Понадобилось около 20 000 лет, чтобы содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня.