4. Топология атомов

О том, что микромир конкретен и прост по своему устройству, говорил еще великий Михаил Васильевич Ломоносов; в его научных трудах сквозит ясность и убедительность. Уже в то время он развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах (молекулах и иных малых частицах); он представлял атомы как неделимые и способные к движению и взаимодействию: «Нечувствительные /материальные/ частицы должны различаться массою, фигурою, движением, силою инерции или расположением». Это он заложил основы физической химии, превращающей ее из описательной науки в точную. «Физическая химия, — говорил он, — есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях». В 1752-1753 гг. М. В. Ломоносов впервые читал для студентов курс «Введение в истинную физическую химию».

Одним из шагов к конкретизации устройства микромира была разработка теории пространственного строения химических соединений — так называемой стереохимии; она касалась не только органических веществ, но и неорганических, то есть координационных соединений. В частности, стереохимия изучает пространственную изомерию: изомеры имеют одинаковый состав молекул и одинаковое химическое строение, но отличаются друг от друга расположением атомов в пространстве. Продолжением стереохимии стала топология — совсем уж конкретное описание форм молекул вплоть до их математического выражения.

Поставим перед собой задачу определить формы уже не молекул, а отдельных атомов, то есть займемся их топологией, зная в общих чертах, что атом представляет собой естественно скрученную торовую оболочку (микрозавихрение) из эфира. Но прежде окинем взором все многообразие атомарного мира, известного теперь как таблица Менделеева.

В коре нашей планеты обнаружены атомы с атомным весом от 1 (водород) до 238 (уран); искусственно получено несколько их разновидностей с весом до 272; но меньше водорода атомов не существует. Первоначально считалось, что атомы не похожи друг на друга, и каждый химический элемент существует сам по себе. Таких якобы непохожих элементов на Земле — 88; все они представлены в таблице Менделеева со своими именами, со своими атомными весами и со своими химическими характеристиками.

Однако более внимательное изучение микромира привело к признанию существования большого количества похожих элементов с отличающимися атомными весами; их назвали изотопами. Уже обнаружено около 1850 таких разновидностей; из них примерно 280 — стабильные изотопы, а 46 — природные радиоактивные в семействах тория-232, урана-238 и урана-235. Число изотопов с каждым днем все увеличивается, и можно даже предположить, что при более тонкой сортировке атомов по их атомным весам это число будет почти что неограниченно возрастать. И все же, несмотря на кажущуюся возникшую запутанность в атомном мире, по-прежнему незыблемой остается сама таблица Менделеева, как система химических элементов; в основе которой — периодический закон Д. И. Менделеева.

Датой открытия закона считается 1 марта (17 февраля по Православному календарю) 1869 года, когда Дмитрий Иванович завершил работу «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве»; термин «периодический закон» («закон периодичности») ученый впервые употребил в конце 1870 года. Его формулировка закона гласит: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». (Более поздние корректировки формулировок закона, привязывающим его к неким зарядам неких ядер, согласно эфирной теории, не состоятельны и нами в расчет приниматься не будут.)

Принципом построения периодической системы является ее подразделение на группы и периоды; группы, в свою очередь, делятся на главные и побочные подгруппы: в каждой подгруппе — химические аналоги. Элементы подгрупп в большинстве групп обнаруживают между собой определенное сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые чаще всего равны номеру группы. Период охватывает элементы, начиная со щелочных металлов и заканчивая инертным газом (исключение составляет первый период). Периодическая система состоит из семи периодов и восьми групп. Последний седьмой период в земных условиях не завершен, и нет никаких принципиальных ограничений на существование восьмого и последующих периодов.

В первый период включают водород и гелий; собственно даже это и не период, а отдельно стоящие элементы. А если исключить из него гелий и сместить его в начало следующего периода, как требует того эфирная теория (в этом мы убедимся чуть позже), то в первом периоде останется один только водород, место которому не находится нив одной из групп системы. Он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами.

Второй период, самый, пожалуй, интересный из всех; он начинается с лития и заканчивается инертным газом неоном; всего в него входят 8 элементов. Атом щелочного металла лития присоединяет исключительно только один атом кислорода, а атом следующего за ним бериллия — уже два. Далее следует бор, слабо проявляющий металлические свойства; его степень окисления +3. (Степень окисления определяет размер присоединения, а ее знак — перераспределение электронов при таком присоединении: положительный, когда атом теряет электроны, а отрицательный, когда забирает к себе.) Следующий за бором углерод — типичный неметалл, степень окисления которого бывает как +4, так и –4. Азот, кислород и фтор — все неметаллы; у азота высшая степень окисления +5, и соответствует она номеру группы. Кислород и фтор относятся к самым активным неметаллам.

Третий период (натрий … аргон) также содержит 8 элементов; характер изменения их свойств в основном подобен тому, что наблюдается во втором периоде. Особенности состоят в том, что магний, в отличие от бериллия, более металличен, как и алюминий по сравнению с бором. Кремний, фосфор, сера, хлор — типичные неметаллы; они проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы.

Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (по его словам — малых) типическими. Эти элементы — самые распространенные в природе; углерод, азот и кислород, как и водород, являются основными элементами органической и живой материи.

В четвертом периоде насчитывается уже 18 элементов, начиная со щелочного металла калия и кончая инертным газом криптоном. За калием следует щелочноземельный металл кальций, а далее следует ряд из десяти переходных металлов: скандий … цинк; большинство из них, кроме железа, кобальта и никеля, проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы.

Пятый период (рубидий … ксенон) аналогичен четвертому; в обоих этих периодах особенности изменения свойств элементов по сравнению со вторым и третьим периодами — более сложные. Шестой период (цезий … радон) включает 32 элемента; в нем, кроме переходных металлов (лантан, гафний … ртуть), располагаются лантаноиды (церий … лютеций), причисляемые к редкоземельным элементам. Седьмой период — все прочие элементы, начиная с франция.

Разделение элементов на группы и подгруппы вызвано ярко выраженным изменением химических свойств внутри периодов. Например, у химических элементов второго и третьего периода от лития до неона и от натрия до аргона с возрастанием атомной массы свойства изменяются следующим образом:

* ослабевают металлические свойства;

* усиливаются неметаллические свойства;

* возрастает высшая валентность в соединениях с кислородом;

* убывает валентность в водородных соединениях (у неметаллов);

* изменяются свойства соединений элементов от основных через амфотерные к кислотным.

Отдавая должное периодическому закону химических элементов и отмечая его системность, нельзя в то же время не упомянуть о том, что он далеко не идеален, и не потому, что ученые не до конца раскрыли его секреты, а по своей природе. Бросается в глаза такое исключение из закона: калий, имеющий меньшую атомную массу, чем аргон, должен был бы занимать место в периодической таблице перед ним; но он — щелочной металл, и его пришлось расположить после аргона. Таких перестановок в таблице оказалось три. Или еще: высшая валентность элементов отдельной группы в соединениях с кислородом должна определяться номером этой группы; но медь, относящаяся к первой группе, проявляет, например, двойную валентность, а фтор из седьмой группы никогда не бывает семивалентным. Особенно бросается в глаза нестабильность валентности: у некоторых элементов она может быть двойной, тройной и даже большей.