ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Предисловие редактора японского издания из "Химия и периодическая таблица" С тех пор как химия, отмежевавшись от метафизики и алхимии, утвердилась как современная научная дисциплина, ученые уделяли много внимания классификации и систематизации разнообразных веществ. После того как было сформулировано понятие об элементах и в результате обобщения эмпирических правил открыт периодический закон, эта стадия Б значительной мере завершена. Можно утверждать, что с конца XIX в. задачей химии стало, с одной стороны, исследование общих закономерностей в свойствах многочисленных веществ, а с другой — обнаружение индивидуальных качеств у разнообразных соединений. Естественно, что на химию возлагаются большие надежды как на науку, которая играет исключительную роль в повышении благосостояния человека благодаря открытию и производству материалов, обладающих своеобразными физическими и химическими свойствами. Насчитывается немало примеров, когда, прилагая усилия к установлению общих закономерностей, лежащих в основе всех явлений, в то же время пытаются понять, каким образом сочетание этих закономерностей может проявляться в форме индивидуальных свойств данного вещества. Такой дуализм определяет характерные черты современной химии как науки. Сейчас мы в состоянии заранее определить, способно ли к существованию то или иное вещество, и достаточно надежно прогнозировать свойства и поведение еще не полученных веществ. Это можно осуществить, опираясь на величайшие научные достижения открытие периодического закона и разработку теории строения атома. Данная книга — одна из первых в серии монографий, посвященных проблеме Общие свойства материи . [c.8] Несмотря на то что периодический закон был сформулирован в результате обобщения наблюдений, касающихся простых веществ и элементов, на современном этапе наиболее рационально исходить из рассмотрения свойств изолированных атомов соответствующих элементов, особенно из сравнения их электронных конфигураций. Наблюдая за многочисленными химическими явлениями, обычно рассматривают атомные ядра как некие точки, у которых электрический заряд равен атомному номеру, а масса совпадает с массовым числом . В то же время нельзя обойти молчанием вопросы ядерной структуры, если учесть ту роль, которую сыграли в процессе химических исследований явления, связанные со строением атомного ядра. [c.9] В простых веществах и химических соединениях множество атомов, соединенных химическими связями, образует единое целое — молекулы или агрегаты молекул. Однако с точки зрения классификации и того интереса, который представляют эти объекты, удобнее начать рассмотрение с атомов. Можно представить себе, насколько сложной является задача отобрать из огромного числа простых веществ и химических соединений такой пример, который бы наиболее ярко представлял одно из звеньев, из которых составлена периодическая система элементов. Много усилий было затрачено на то, чтобы рассмотреть в совокупности, насколько это возможно, данные по структуре, физическим и химическим свойствам простых веществ и соединений. [c.9] Вещества, обладающие необычными физическими свойствами, а также способные выполнять специфические функции (в первую очередь сюда относятся катализаторы), исключительно важны для жизни и деятельности человека и чрезвычайно интересны с познавательной точки зрения. Однако, говоря о возможностях современной химии, следует признать, что имеется еще немало проблем, которые пока не решены. И именно эти тайны химии придают ей особое очарование и, являются стимулом для исследователей. В гл. 5 на ограниченном числе объектов мы сделали попытку приоткрыть несколько иные стороны поведения элементов, отнюдь не претендуя на полноту охвата и касаясь лишь некоторых веществ со специфическими свойствами. Конечно, было бы крайне желательно, чтобы книга такого типа была написана одним автором, однако в нашей книге часть разделов написана специалистами в определенной области. Это относится к разд. 1 и 2 гл. 1, разд. [c.9] Неисчислимы и разнообразны вещества, которыми оперирует химия, однако все они построены из сравнительно неболь-щого числа основных частиц. Вне всяких сомнений, это положение является краеугольным камнем современной науки и способствует ее дальнейшему развитию. Такими основополагающими частицами являются атомы, а совокупность атомов одного вида представляет собой элемент. [c.11] Возникает вопрос о том, где и как образовались те приблизительно 100 элементов, которые известны в настоящее время. Было время, когда не сомневались в том, что атомы являются неизменными. Однако постепенно становилось очевидным, что на протяжении значительных отрезков времени атомы могут периодически исчезать и возникать вновь. В данной главе изложены результаты современных исследований, посвященных проблемам рождения и гибели атомов, рассмотрены попытки классификации элементов в процессе развития химии и. прослежена история открытия периодического закона и периодической системы элементов. [c.11] На земном шаре встречается около 100 различных элементов. Интересно отметить, что вне Земли в пределах, досягаемых для наблюдения, не обнаружено элементов, отличающихся От тех, которые уже открыты. Более того, элементы, содержащиеся в метеоритах, падающих на Землю, идентичны с земными. Пожалуй, следует признать, что известное нам многообразие элементов сохраняет свою универсальность для всей Вселенной. [c.11] При детальном изучении частиц, входящих в состав космических лучей и многократно наблюдаемых в виде треков (рис. 1.1), установлено, что около 90% из их числа представляют собой положительно заряженные (+1) ионы с массовым числом 1, иными словами — изолированные протоны (Н+). Однако наряду с ними наблюдаются в небольших количествах ионы других атомов, как показано на рис. 1.1. Надо полагать, что большинство таких электрически заряженных частиц испускается небесными телами определенного типа в своем движении эти частицы приобретают ускорение и достигают Земли. [c.13] космические лучи представляются субстанцией, которую нельзя держать в руках , и тем не менее можно понять химический состав лежащей в их основе материи, анализируя получающуюся спектральную картину в тех случаях, когда они способны излучать или поглощать световые, электромагнитные и т. п. волны. На основании этого можно сделать вывод о химическом составе Вселенной. [c.13] Элементы, составляющие Вселенную. Совокупность элементов, отражающая состав космоса, графически представлена на рис. 1.2. По оси абсцисс отложены атомные номера, по оси ординат — логарифмы относительной распространенности элементов (по отношению к 10 атомов З ). Такую диаграмму впервые опубликовали Зюсс и Юри в 1956 г., впоследствии она корректировалась по мере накопления новых экспериментальных данных и с развитием теоретических воззрений на происхождение элементов. В основу рис. 1.2 положены данные, полученные до 1969 г. (А. Камерон). [c.13] Из спектров неподвижных звезд, находящихся в системе Млечного пути в той же галактике, что и наше Солнце, и родственных нашему Солнцу, получены количественные данные по относительной распространенности тех элементов, доля которых преобладает, и оказалось, что по существу они мало отличаются от данных для Солнечной системы. К тому же, если учесть, что Солнце — это обыкновенная звезда Галактики, тогда данные рис. 1.2 можно рассматривать как типичные для относительной распространенности элементов во всей Вселенной. Тем не менее известны неподвижные звезды и с другим элементным составом, поэтому вывод о характере элементов, из которых построена вся звездная система Млечного пути, сформулирован лишь в самом общем виде. [c.14] Нет сомнения, что неодинаковость относительной распространенности в зависимости от источника получаемых данных имеет глубокий смысл с точки зрения астрофизики, однако, не углубляясь в обсуждение этой проблемы, отметим некоторые особенности, которые становятся очевидными из рассмотрения рис. 1.2. Чем выше атомный номер элемента, тем меньше его распространенность. Элементов с четными атомными номерами в количественном отношении больше, чем соседних элементов с нечетными атомными номерами. При детальном рассмотрении на кривой обнаруживаются максимумы и минимумы. В частности, минимум отмечается для зЫ, Ве и 5В, а максимум — для 2бРе, вблизи 2 50—55 и 80. [c.17] Эволюция звезд и синтез элементов. Элементы неизменны — это положение сыграло важную роль в развитии современной химии. Когда речь идет о масштабах привычных явлений, происходящих в естественных условиях на Земле, и об энергетических изменениях, которые могут быть реализованы с применением традиционной техники, то можно утверждать, что атомы остаются неизменными если же говорить о температурах, значительно превышающих обычную (более 10 К), то изменения затрагивают также и ядра атомов, а следовательно, изменяются и элементы. Взаимное превращение ядер было обнаружено в конце XIX в. и получило название естественной радиоактивности. В наше время применение ядерных реакторов, циклотронов и других ускорителей электрически заряженных частиц также сопровождается превращением атомных ядер, хотя и в небольшом масштабе. Необычайно яркий свет, испускаемый регулярными звездами, обусловлен взаимодействием атомов активность звезд также неразрывно связана с ядерными реакциями. [c.18] Один из протонов превращается в нейтрон и позитрон — частицу, масса которой равна массе электрона, а заряд положителен в свою очередь нейтрон соединяется с протоном и становится ядром тяжелого водорода (дейтерия), при этом рождается еще одна элементарная частица — нейтрино. [c.18] В итоге, согласно реакциям (1.1) — (1-3), из 4 протонов образуется ядро гелия Не. При этом выделяется энергия, равная 26 МэВ, что в пересчете на 1 моль (4 г) синтезированного гелия Не соответствует избыточной энергии 2,4-10 Дж. При температурах свыше 2-10 К реакция синтеза ядер Не из 4 ядер Н легко протекает в присутствии С и Ы, которые выполняют роль катализаторов. Таким образом происходит образование Не из Н в недрах большинства звезд так называемой главной последовательности, а выделяющаяся при этом энергия преобразуется в световое излучение. [c.19] Тосле того как Н превратится в Не, уменьшается число частиц при практически той же массе, однако повышаются температура и плотность системы в целом, так что сохраняется баланс по давлений). В свою очередь, когда возрастают температура и плотность, то в реакции начинает принимать участие Не, причем из трех Не рождается е С, а последний, соединяясь с Не, Н или нейтронами, образующимися при реакции ядерного взаимодействия, дает еще более тяжелые ядра. Что касается стабильности атомных ядер, то она увеличивается по мере увеличения массы ядра (гл. 2, разд. 2), и наиболее устойчивыми оказываются ядра вблизи 2бРе. Следовательно, реакции (1.1) — (1.3) и последующие реакции ядерных превращений почти все экзотермичны, и выделяющаяся при этом энергия в основном излучается в виде света и лишь частично— в виде потока нейтрино. Реакции, в которых принимают участие тяжелые ядра, требуют высокой температуры тяжелые ядра тяготеют к центру, обусловливая слоистую структуру небесного тела. [c.19] У элементов с атомным номером больше 30 с увеличением массы ядра стабильность его уменьшается. Однако когда нейтроны выделяются в значительном количестве, возможно также образование еще более тяжелых ядер в результате реакции захвата нейтронов. Большая часть этих ядер претерпевает Р -распад, при этом атомный номер возрастает. В результате таких процессов внутри звезд рождаются разнообразные элементы. [c.19] Круговорот элементов во Вселенной. Из вышеизложенного становится ясно, что элементы синтезируются в недрах неподвижных звезд, причем наряду с синтезом происходит и разрушение элементов. Космические лучи, сталкиваясь с ядрами тяжелых атомов, разбивают их и порождают ядра лития, бериллия и бора осколки остаются в межзвездном веществе, давая начало соответствующим элементам Ве, В. Считают, что большая часть Н, Не, Не и некоторая часть образовалась в результате слияния ядер в условиях высоких температур на ранних стадиях возникновения Вселенной. [c.20] В одинарных прямоугольных рамках —состояния звезд, в овальных рамках —видимые явле [ия, в двойных прямоугольных рамках—явления, непосредственно связанные с синтезом элементов. [c.21] Изложенные выще выводы получены путем обобщения экспериментальных данных по испускаемому разнообразными небесными объектами электромагнитному излучению —от рентгеновских лучей (с длиной волны порядка м) до видимого света и электрических волн в диапазоне до 10 м,— а также на основе свёдений, полученных в опытах с атомными ядрами, и с учетом теоретических гипотез, опирающихся на законы физики. В общей картине мироздания есть области, детали которых еще не вполне ясны, однако не вызывает сомнения тот факт, что основными компонентами в эволюции космоса являются атомные ядра, которые синтезируются и расщепляются вновь и вновь, и этот процесс бесконечен. [c.21] Вернуться к основной статье