Айзек Азимов - О времени, пространстве и других вещах
А как обстоят дела с другими элементами? Как я уже говорил, в их атомах электроны распределены так, что обеспечивают устойчивость ниже максимальной. Каждый обладает тенденцией к перераспределению электронов в сторону увеличения устойчивости. Например, в атоме натрия Na электроны распределены следующим образом: 2,8,1. Избавившись от электрона во внешней оболочке, он приобрел бы устойчивое распределение 2,8, как у атома неона Ne. Атом хлора Cl имеет распределение 2,8,7. Если бы он смог приобрести один электрон во внешнюю оболочку, получился бы вполне устойчивый атом 2,8,8 — такое распределение электронов у инертного аргона.
Следовательно, если атом натрия встретится с атомом хлора, перенос электрона из одного атома в другой устроит обоих. Однако потеря отрицательно заряженного электрона оставляет атом натрия с дефицитом отрицательного заряда, что создает избыток положительного заряда. Атом превращается в положительно заряженный ион (Na+). Атом хлора, получивший дополнительный электрон, приобрел избыточный отрицательный заряд и стал отрицательно заряженным ионом (Cl-).
Разноименные заряды притягиваются, поэтому ионы с разными зарядами окажутся притянутыми друг к другу. Сильное притяжение не может быть преодолено кинетической энергией, которой обладают атомы при комнатной температуре, поэтому ионы держатся друг за друга достаточно крепко, чтобы образовавшееся вещество NaCl — обычная поваренная соль — было твердым. Оно не переходит в газообразное состояние до достижения температуры 1413 °C.
Теперь рассмотрим атом углерода. Распределение электронов — 2,4. При потере 4 электронов он мог бы приобрести устойчивую конфигурацию 2, как в атоме гелия. При приобретении 4 электронов конфигурация стала бы 2,8, как в атоме неона, тоже устойчивая. Приобрести или избавиться от такого количества электронов сразу весьма непросто, поэтому атом углерода предпочитает понемногу делиться своими электронами. Он может выделить один электрон в совместное пользование своему соседу, который также отдаст для этой цели один электрон. В результате у двух соседних атомов углерода два электрона будут общими. Другой электрон можно выделить для совместного владения с другим соседом и т. д. Поэтому каждый атом углерода обычно окружен четырьмя другими.
Эти электроны совместного пользования помещаются во внешней оболочке каждого атома углерода, внесшего свою долю. Каждый атом углерода имеет во внешней оболочке четыре собственных электрона и четыре заимствованных от соседей (по одному от каждого). Таким образом, каждый атом углерода имеет конфигурацию неона 2,8, являющуюся устойчивой, но только оставаясь очень близко к соседям. Результатом является сильное межатомное притяжение даже без участия разноименных электрических зарядов. Углерод — твердое вещество и переходит в газообразное состояние только при нагревании выше 4200 °C.
Атомы металлов также очень плотно прилегают друг к другу (по аналогичным причинам), и, к примеру, вольфрам переходит в газообразное состояние только при достижении температуры 5900 °C.
Таким образом, мы вряд ли можем ожидать появление Газа, если атомы достигают устойчивости, передавая друг другу электроны и получая электрический заряд или делясь электронами с соседями, в результате чего атомы «склеиваются» друг с другом.
Нам необходимо нечто среднее — ситуация, когда атомы приобретают устойчивость, делясь электронами (чтобы не возникало электрических зарядов), но при этом общее количество атомов, вовлеченных в этот процесс, было бы небольшим, чтобы в результате образовывались только очень маленькие молекулы. Внутри молекул силы притяжения могут быть весьма значительными, в результате чего молекулы будут распадаться только при очень высоких температурах. А вот силы притяжения между молекулами будут слабыми.
Давайте рассмотрим атом водорода. Он имеет только один электрон. Два атома водорода объединяются вместе и пользуются ими совместно. Пока они остаются вместе, каждый может считать два электрона находящимися в своей внешней оболочке и будет иметь стабильную конфигурацию атома гелия. У них больше нет в запасе электронов, чтобы отдавать в совместное пользование с другими соседями. Поэтому образование молекулы на этом завершится. Молекула водорода состоит только из двух атомов (H2).
Сила притяжения между атомами в молекуле велика, поэтому, чтобы разбить ее на атомы, понадобится температура более 2000 °C. Но между отдельными молекулами, каждая из которых после объединения двух атомов стала вполне самодостаточной, существует лишь слабое притяжение. Поэтому водород — Газ, но состоящий не из отдельных атомов (как в случае с инертными газами), а из двухатомных молекул.
Подобное происходит и с фтором (распределение электронов 2,7), кислородом (2,6), азотом (2,5). Атом фтора может отдать электрон и образовать фонд совместного пользования из двух электронов с соседним атомом фтора, который также поделится электроном. Два атома кислорода могут внести вклад из двух электронов каждый и образовать совместный фонд из четырех электронов, а два атома азота могут отдать каждый по три электрона и совместно пользоваться шестью электронами.
Во всех случаях атомы достигнут распределения электронов 2,8 (как у атома неона) ценой образования молекул. В итоге достигается достаточная устойчивость; F2, O2, и N2 являются Газами.
Атом кислорода может также образовывать совместный фонд из двух электронов с двумя соседями, которые также могут образовать такой же фонд из двух электронов между собой. Результатом явится комбинация трех атомов кислорода (O3), каждый из которых имеет устойчивую конфигурацию неона. Комбинация O3 называется озоном. Это тоже Газ.
Кислород, азот и фтор могут образовывать также смешанные молекулы. К примеру, комбинация атомов азота и кислорода даст необходимую стабильность для каждого из них. Атом азота также может делиться электронами с каждым из трех атомов фтора, а атом кислорода — с двумя. В результате получается NO, NF3 и OF2. Все они являются Газами.
Атомы, сами по себе не образующие Газы, могут сделать это в комбинации с водородом, кислородом, фтором или азотом. К примеру, два атома хлора (распределение электронов 2,8,7), объединяясь в молекулу, пользуются двумя электронами совместно, и оба приобретают конфигурацию аргона 2,8,8. Cl2, — это газ даже при комнатной температуре, однако межмолекулярное притяжение в нем достаточно велико и не дает ему стать Газом. Однако, если атом хлора поделится электроном с атомом фтора, получится фторид хлора (ClF), являющийся Газом.
Атом бора (2,3) может образовывать совместный фонд из двух электронов с каждым из трех атомов фтора, а атом углерода — с каждым из четырех атомов фтора. Получившиеся в результате соединения — BF3 и CF4 — Газы.
Атом углерода может вступить в совместное пользование двумя электронами с каждым из четырех атомов водорода или четырьмя электронами с атомом кислорода. Получившиеся в результате метан CH4 и окись углерода CO — газы. Комбинация из двух атомов углерода (четырьмя электронами они владеют совместно) могут начать совместное пользование двумя электронами с каждым из четырех атомов водорода, атом кремния — соответственно двумя электронами с каждым из четырех атомов водорода. Получившиеся в результате этилен (C2H2) и силан (SiH4) — Газы.
Всего я могу назвать 20 Газов, которые можно разделить следующим образом.
1) Пять элементов, состоящих из одиночных атомов: гелий, неон, аргон, криптон и ксенон.
2) Четыре элемента, состоящие из двухатомных молекул: кислород, азот, водород, фтор.
3) Один элемент, имеющий трехатомную молекулу, — озон.
4) Десять веществ, молекулы которых состоят из различных элементов, по крайней мере один из них входит в категорию 2.
В приведенной далее таблице перечислены 20 газов в порядке повышения точки кипения, а температура кипения дана как по шкале Цельсия, так и по шкале Кельвина.
Пять инертных газов разбросаны среди других Газов. Кстати, два из трех Газов, имеющих самую низкую точку кипения, — это гелий и неон. Аргон в списке идет седьмым, криптон — десятым, а ксенон — семнадцатым. Поэтому, наверное, не стоило бы удивляться, если бы все Газы были также инертными.
Двадцать газов
Вероятно, так бы и было, если бы образующие их молекулы обладали устойчивостью, не распадались на атомы. Но дело в том, что все молекулы при определенных условиях могут распадаться на атомы, а свободные атомы (особенно фтора и кислорода) обладают высокой активностью.
В Газах это не проявляется. Что будет, если молекула фтора распадется на два атома фтора? Они окажутся в окружении одинаковых двухатомных молекул фтора, и единственным возможным результатом будет повторное воссоединение атомов в молекулу. Если же в составе газа присутствуют и другие молекулы, возможно образование другой молекулярной комбинации, обладающей большей устойчивостью, чем F2, то есть химическая реакция.
