Но инертность, свойственная благородным газам, в мире элементов встречается редко. На один столбец влево от благородных газов находятся самые реактивные и энергичные вещества периодической таблицы – галогены. А если мы представим периодическую систему в виде глобуса (такую карту называют проекцией Меркатора), то запад и восток сомкнутся, и рядом с инертными газами окажутся самые активные металлы с крайнего запада, из первого столбца таблицы. Они называются «щелочными». Уравновешенные благородные газы образуют своеобразную «демилитаризованную зону», а по обе стороны от них гнездятся нестабильные соседи.
В некоторых отношениях щелочные металлы напоминают обычные, но, в отличие от большинства металлов, они не ржавеют и не корродируют, а спонтанно взрываются в воздухе или в воде. Щелочные металлы очень легко образуют соединения с галогенами. На внешнем энергетическом уровне в атомах всех галогенов содержится по семь электронов, то есть недостает всего одного электрона до полного октета. У щелочных металлов на внешнем энергетическом уровне всего один электрон, а под ним – полный октет[6]. Поэтому совершенно естественно, что щелочные металлы легко отдают свой единственный внешний электрон галогенам, а между образующимися в результате ионами – положительным и отрицательным – возникает сильная химическая связь.
Подобные связи образуются все время, а электроны являются важнейшими компонентами атома. Они занимают почти все пространство в атоме, вращаясь, подобно облакам, вокруг компактного центра атома – ядра. Такое неравномерное распределение элементарных частиц сохраняется даже несмотря на то, что частицы ядра – протоны и нейтроны – гораздо массивнее электронов. Если увеличить атом до размеров стадиона, то ядро, состоящее из протонов и нейтронов, можно будет сравнить с теннисным мячом на пятидесятиярдовой отметке[7]. Электроны стали бы похожи на булавочные головки, молниеносно проносящиеся вокруг ядра. Но они летали бы так быстро и врезались в вас настолько часто, что вы просто не смогли бы попасть на стадион: облака электронов преградили бы вам путь, как непроницаемая стена. Таким образом, при столкновении двух атомов их ядра не соприкасаются; происходит лишь обмен электронами[8].
Маленькая оговорка: не стоит буквально понимать модель, в которой маленькие электроны на огромной скорости проносятся вокруг плотного ядра. Точнее, электроны не похожи на маленькие планеты, вращающиеся вокруг огромного ядра (Солнца). Аналогия с планетарной системой хороша, но, как и любой аналогией, не увлекайтесь ею. Многие известные ученые убедились в неверности этой аналогии на собственном горьком опыте.
Ионные связи объясняют, почему легко образуются химические соединения между галогенами и щелочными металлами, например хлорид натрия (поваренная соль). Не менее активно связываются и атомы таких элементов, у которых есть два лишних электрона (например, кальций) и которым недостает двух электронов (кислород). Для них это простейший способ «удовлетворить взаимные нужды». Соединения между элементами, не относящимися к «взаимно противоположным» столбцам, образуются по схожим принципам. Два иона натрия (Na+) соединяются с одним ионом кислорода (О2), образуя оксид натрия (Na2O). В соответствии с этими же законами образуется хлорид кальция (СаСl2). В принципе, можно довольно точно угадать, какую формулу будет иметь соединение двух элементов, если проверить номера столбцов, откуда взяты эти элементы, и узнать их заряды. Эти принципы отлично сочетаются с двусторонней симметрией таблицы.
К сожалению, не все в периодической системе так просто и гладко. Для некоторых элементов характерен такой нонконформизм, что о них стоит поговорить отдельно.
Есть один старый анекдот о лаборанте, который ни свет ни заря врывается в кабинет к профессору, страшно воодушевленный, несмотря на то что целую ночь провел за работой. Он держит в руке закупоренную колбу с шипящей пузырящейся зеленой жидкостью и восклицает: «Я открыл универсальный растворитель!» А профессор многозначительно смотрит на склянку и спрашивает: «А что это за универсальный растворитель?» Лаборант с жаром произносит: «Это кислота, разлагающая любые вещества!»
Профессор еще мгновение осмысливает эту поразительную новость – ведь универсальный растворитель не только станет научным чудом, он еще и озолотит обоих химиков, – а потом спрашивает: «А как вам удалось принести его в стеклянном сосуде?»
Замечательная концовка, так и представляю себе ехидно ухмыляющегося Гилберта Льюиса. Электроны – это движущая сила периодической системы, и именно Льюис проделал огромную работу, пролившую свет на то, как электроны взаимодействуют и образуют межатомные связи. Работы Льюиса, связанные с природой электронов, особенно много значили для изучения кислот и оснований, поэтому он по достоинству оценил бы абсурдное заявление лаборанта. Возможно, соль этого анекдота напомнила бы Льюису, как недолговечна может быть научная слава.
Льюис вырос в Небраске, в зрелости ему довелось немало попутешествовать. Около 1900 года он учился в колледже и университете в Массачусетсе, потом продолжил образование в Германии, под руководством Вальтера Нернста. Обучение у Нернста оказалось таким тяжким, как по объективным, так и по субъективным причинам, что Льюис выдержал в Германии всего несколько месяцев, а потом вернулся в Массачусетс и поступил на академическую работу. Эта деятельность ему также не пришлась по душе, поэтому вскоре он отправился на Филиппины, незадолго до того перешедшие под контроль США, и стал работать на американское правительство. С собой он захватил всего одну книгу – «Теоретическую химию» Нернста. На Филиппинах Льюис годами выискивал у Нернста самые мелкие ошибки и с настоящей одержимостью публиковал статьи с их опровержениями[9].
Через какое-то время Льюис истосковался по дому и перебрался в Калифорнийский университет в городе Беркли. Там он сорок лет проработал на химическом факультете, превратив его в лучший в мире. Подобная фраза напоминает счастливый конец истории, но до конца еще далеко. Один из самых замечательных фактов из жизни Льюиса заключается в том, что он, вероятно, был величайшим из ученых, так и не получивших Нобелевскую премию. Никто не номинировался на Нобелевскую премию чаще, но неприкрытые амбиции и бесконечные дискуссии, которые Льюис вел по всему миру, лишили его шансов на достаточное количество голосов. Вскоре он начал отказываться от престижных должностей, выражая так свой протест (а возможно – и по принуждению) и превратился в глубокого научного отшельника.
Нобелевская премия не досталась Льюису не только из-за межличностных конфликтов, но и потому, что его исследования были обширными, но не слишком глубокими. Он не открыл ни одной удивительной вещи, такой, узнав о которой вы скажете «Ух ты!». Нет, он провел всю жизнь за уточнением того, как электроны из атомов взаимодействуют в различных средах. Особенно интересовали Льюиса два типа молекул – кислоты и основания. Любые взаимодействия атомов, при которых они обмениваются электронами, называются химическими реакциями. В результате химической реакции могут образовываться или распадаться соединения. Кислотно-основные реакции представляют собой яркие и зачастую бурные примеры такого межатомного обмена. Работа Льюиса с кислотами и основаниями значила для науки не больше, чем любые другие исследования, связанные с изучением электронного обмена на субмикроскопическом уровне.
Примерно до 1890 года ученые пробовали кислоты и основания на вкус – языком или окунув в жидкость палец. Разумеется, это не самый безопасный метод, который к тому же не особенно точен. За несколько десятилетий удалось установить, что кислоты, в сущности, являются донорами протонов. Многие кислоты содержат водород. Это простейший элемент, в ядре которого присутствует всего один протон, а вокруг него вращается единственный электрон (вот такое маленькое ядро у водорода). При смешивании кислоты (возьмем, к примеру, соляную кислоту – НС1) с водой кислота расщепляется на ионы Н+ и Cl-. Когда водород теряет единственный электрон, его ядро превращается в «голый» протон Н+. Слабые кислоты, например уксусная, отдают в раствор малое количество протонов. Сильные же кислоты, в частности серная, высвобождают множество протонов.
6
За исключением атома лития, в котором три электрона, то есть в его случае речь идет не об октете, а о паре. –
8
Чтобы подчеркнуть тот факт, что бóльшая часть атома – это пустое пространство, Алан Блэкмен, химик из новозеландского университета Отаго, привел в своей статье (она вышла 28 января 2008 года в газете
В качестве сноски к этой сноске необходимо отметить: ученые не уверены, что иридий является самым тяжелым элементом. Его плотность практически равна плотности осмия, в последние несколько десятилетий пальма первенства несколько раз переходила от одного элемента к другому. В настоящее время наиболее плотным металлом считается осмий.
9
Портреты Льюиса и Нернста (а также многих других ученых, в частности Лайнуса Полинга и Фрица Габера) гораздо подробнее воссозданы в книге Патрика Коффи Cathedrals of Science: The Personalities and Rivalries That Made Modern Chemistry. Эта работа – образец личностного подхода к самой важной эпохе в истории современной химии, с 1890 по 1930 год.