Форма атомных орбиталей

не имеющих заряда нейтронов (n; от лат. neutrum — «ни то, ни другое»). Только ядро атома водорода состоит из единственного протона. Число протонов в ядре (Z) определяет атом­ный номер химического элемента (под этим номером он и числится в периодической системе), а сумма про­тонов и нейтронов называется мас­совым числом (А); очевидно, что оно всегда целое. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны (от лат. nucleus — «ядро»). Термином нуклид обозначают атом с определён­ным атомным номером Z и массовым числом А, т. е. с определённым набо­ром протонов и нейтронов. Нуклиды с одним и тем же атомным номером, но с разными массовыми числами на­зываются изотопными нуклидами или просто изотопами (от греч. «изос» — «равный» и «топос» — «мес­то»). Другими словами, в ядрах всех изотопов данного элемента содер­жится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Нуклиды обозначают символом элемента и массовым числом: ¹²С, ¹⁴N, ^l6O; другая форма записи: угле­род-12, азот-14, кислород-16. Если массовое число не указывать, то под­разумеваются все природные изото­пы данного элемента. Иногда указы­вают и атомный номер элемента, но это не обязательно, поскольку символ элемента однозначно связан с опре­делённым Z. Так, для атомов водоро­да Z =1, для азота Z=7, для кислоро­да Z =8 и т. д. Разных нуклидов значительно больше, чем элементов. Например, в природе найдены три

изотопа водорода — нуклиды ¹Н, ²Н (другое обозначение D — дейтерий) и ³Н (или Т — тритий), три изотопа углерода (¹²С, ¹³С и ¹⁴С), четыре — се­ры, пять — кальция, шесть — селена, семь — молибдена, восемь — кадмия, девять — ксенона и десять — олова (это рекорд). Есть и элементы-оди­ночки, представленные всего одним нуклидом: ⁹Ве, ¹⁹F, ²³Na, ²⁷Al, ³¹P и др. Некоторые природные нуклиды нестабильны: со временем они распа­даются; это — радионуклиды (см. ста­тью «Превращения атомных ядер»).

Если атом нейтрален, его положи­тельно заряженное ядро удерживает столько же отрицательно заряжен­ных электронов (е), сколько протонов в ядре. Электроны в атомах формиру­ют оболочки, называемые также энер­гетическими уровнями. Из всех воз­можных способов расположения электронов в атоме данного элемента реализуется тот, при котором энергия атома, т. е. системы «ядро — электро­ны», является минимальной. Чем бли­же к ядру расположены электроны, чем больше сила притяжения между ними и ядром, тем меньше суммарная энергия атома. А по мере увеличения числа электронов они стремятся рас­положиться подальше друг от друга, что уменьшает взаимное отталкивание электронов и также снижает энергию атома. При расчёте полной энергии атома следует учитывать оба эти фак­тора. Неудивительно, что подобные расчёты представляют собой очень сложную задачу.

Электрон движется около ядра в определённом пространстве, кото­рое называется атомной орбиталью. Орбитали могут иметь разную фор­му — шарообразную (s -орбиталь), гантелеобразную (p -орбиталь) или более сложную (d -, f -орбитали и т. д.), В этом отношении между движением планет вокруг Солнца и движением электронов около ядра нет ничего об­щего: электроны подчиняются другим (квантовым) законам. На каждой орбитали могут одновременно нахо­диться максимум два электрона, обла­дающие противоположными спинами (спин — собственная характеристика электрона, имеющая квантовую при-

АРИСТОТЕЛЬ ПРОТИВ АТОМОВ

Почему же удивительно стройная атомистическая гипотеза древних долго не получала признания? Учение Демокрита и других атомистов натолкнулось на ожесточённое сопротивление Аристотеля. Он показал, что неизбежное для учения об атомах понятие пустоты несёт в себе логическое противо­речие: ведь пустота — это «ничто», а как может быть то, чего не сущест­вует? Следовательно, пустоты в мире нет, это — абстракция, лишённая смыс­ла. «Natura abhorret vacuum» — «природа не терпит пустоты» {лат.). Данный постулат в течение многих столетий был основой так называемой аристо­телевой физики. Из-за огромного авторитета Аристотеля атомная гипоте­за строения материи два тысячелетия оставалась на задворках науки...

роду). Графически орбитали часто изображают в виде ячеек, а находящи­еся на них электроны — стрелками (стрелки, направленные в разные сто­роны указывают на противополож­ные спины двух электронов).

Для первого, самого нижнего энер­гетического уровня (K-оболочка) воз­можна только s-орбиталь, для второ­го (L-оболочка) —s и p, для третьего (М-оболочка) — s, p и d и т. д. Для изо­лированного атома орбитали с одина­ковой формой и энергией образуют энергетические подуровни (подслои). Их обозначают, указывая номер уров­ня и характер орбитали, скажем 2 s, 4 f Справа вверху указывают число элек­тронов на данной орбитали, напри­мер 1 s ¹ (у атома водорода) или 5d ¹⁰ (у атома золота). На каждом подуров­не может поместиться строго опреде­лённое число электронов: на s-подуровне — 2 (он состоит из одной s-орбитали), на p-подуровне — 6 (три p-орбитали: р_х, р_у, p_z), на d-подуровне — 10 (пять d-орбиталей: d_xy, d_xz, d_yz, , а на f -подуровне — 14 (семь f -орбиталей). При последовательном заполнении подуровней электроны

ведут себя примерно так, как пассажи­ры, входящие в пустой автобус: они вначале рассаживаются на сиденьях по одному, и лишь когда все места у окошек заняты, начинают занимать соседние.

Энергия данной орбитали не по­стоянна: она снижается (причём не всегда плавно) при переходе от более лёгких к более тяжёлым ато­мам. Это объясняется тем, что для лёг­ких атомов энергия данного уровня определяется в основном притяжени­ем электронов к ядру, тогда как для тяжёлых атомов велико влияние вза­имного отталкивания электронов. В результате происходит как бы со­ревнование между разными энергети­ческими уровнями.

Эта особенность позволяет понять ряд «исключений» в размещении электронов по энергетическим уров­ням и подуровням некоторых эле­ментов. Всё это очень важно для объяснения химических свойств эле­ментов: ведь именно перестройка электронных орбиталей при сближе­нии атомов и составляет сущность химической реакции.

ТАКАЯ РАЗНАЯ МАТЕРИЯ

Основные формы, в которых сущест­вует материя, называются её агрегат­ными, или фазовыми, состояниями. Традиционно таковыми считаются твёрдое вещество, жидкость и газ. Однако многообразие форм мате­рии этим не исчерпывается. Напри­мер, плазму — газ, содержащий оди­наковые количества отрицательно и положительно заряженных частиц, — иногда называют четвёртым состоя­нием вещества.

ГАЗЫ

Газы не имеют собственной формы и объёма и, как правило, смешиваются друг с другом в любых соотношениях (если, конечно, между ними не идёт