Рассказ о строении вещества

В 1923 году был открыт один из последних остававшихся неоткрытыми элементов менделеевской таблицы — гафний (порядковый номер 72). Долгое время этот элемент искали в рудах его «родственника» — лантана. Поиски были тщетны. Но вот в 1922 году, рассчитав, как должны быть расположены в атомах этого неизвестного элемента электроны, учёные пришли к выводу, что он по расположению электронов более родственен цирконию, чем лантану. Значит, его нужно искать не в лантановых рудах, а в природных минералах, содержащих цирконий. И уже через год предсказанный элемент был найден в норвежской цирконовой руде!

После того как было выяснено расположение электронов в различных атомах, удалось установить, каким путём атомы соединяются в молекулы.

Вот как это происходит. Когда атомы соединяются в молекулы, то при этом в них изменяется движение некоторых электронов — как раз тех, которые наиболее удалены от ядра. Так, например, когда соединяются два атома кислорода и атом углерода в молекулу углекислого газа, то часть электронов углерода и кислорода перестаёт уже принадлежать одному атому — они охватывают теперь все ядра. Так образуется молекула (рис. 17).

Рис. 17. Схема образования молекулы углекислого газа.

А вот другой способ соединения атомов: атом натрия (11 электронов) имеет один «лишний» электрон (рис. 18).

Рис. 18. Схема образования молекулы поваренной соли.

Этот электрон только начинает «надстраивать» третью оболочку атома, и поэтому натрий без особого труда отдаёт его другим атомам. Наоборот, атом хлора (17 электронов) имеет в своей третьей оболочке семь электронов; эта оболочка уже достаточно прочная И вместо того, чтобы отдавать электроны из неё, атом хлора захватывает чужой электрон, необходимый для «достройки» своей оболочки. Поэтому как только атом натрия приближается к атому хлора, «лишний» электрон натрия переходит в электронную оболочку хлора. Атомы натрия и хлора становятся электрически заряженными — атом натрия становится положительно заряженным ионом, а атом хлора — отрицательно заряженным. Это сделал электрон-«перебежчик». Теперь оба атома-иона будут держаться вместе — ведь заряды их противоположны, и они притягиваются друг к другу.

Такими способами — как первым, так и вторым — и соединяются атомы. При этом замечено, что атомы в молекулах сложных веществ чаще имеют наружное электронное окружение, состоящее из восьми электронов. Это, как показывают исследования, наиболее устойчивое окружение.

Русский ученый М. Г. Павлов, о котором мы уже говорили ранее, первый предугадал, что происходит при объединении атомов в химическое соединение. Он писал, что «…при сем возбуждаются противуположные электричества. А поелику химическое соединение совершается между атомами, то между ними же должно быть и возбуждение противуположных электричеств, и в сем состоит взаимное атомов одного на другой действие».

Установлена физиками XX века и структура различных молекул. На рисунке 19 для примера показано строение молекул воды, углекислого газа и нафталина.

Рис. 19. Так соединяются атомы в молекулах воды, углекислого газа и нафталина.

Основоположником этой отрасли знания является А. М. Бутлеров, который еще в 50-х годах прошлого века разработал свою знаменитую теорию строения молекул органических веществ. Многие известные иностранные учёные того времени такие, как Жерар и Бертело, утверждали, что наука никогда не сможет узнать, как располагаются атомы в молекулах. Русский учёный разбил эти взгляды. Он показал, что, испытывая вещество различными физико-химическими методами, можно очень точно установить, как именно располагаются атомы в его молекулах, то-есть определить строение, структуру молекул.

Свойства органических веществ определяются прежде всего строением их молекул, их структурой — такова суть структурной теории А. М. Бутлерова.

Структурная теория Бутлерова объяснила загадку так называемых изомеров — веществ, имеющих одинаковый состав, но резко различные свойства. Оказывается, различные свойства изомеров объясняются различным расположением атомов в молекулах этих веществ.

Так было подтверждено гениальное предвидение Ломоносова о зависимости свойств вещества от расположения атомов в его молекулах!

Вместе с тем структурная теория А. М. Бутлерова необычайно облегчила задачу искусственного получения новых органических веществ. Ведь теперь стало возможным строить молекулы сложных органических веществ «с открытыми глазами», — приступая к синтезу нового вещества, химик имел перед собой структурную формулу его молекул.

2. Частицы-волны

Итак, физики установили, как располагаются электроны в атомах.

Было доказано, что электроны вращаются вокруг ядер по замкнутым орбитам, образуя электронные оболочки атомов.

Но, установив это, современные физики отнюдь не исчерпали всего того, что таит в себе атом. Наоборот, именно теперь они оказались на пороге необычайных и удивительных открытий.

Еще задолго до того, как люди убедились в реальном существовании атомов, многие учёные искали ответа на вопрос: что такое свет?

Многочисленными работами физиков прошлого века на этот вопрос был дан совершенно определённый ответ: свет — это электромагнитные волны, распространяющиеся от светящегося тела во все стороны.

Что такое электромагнитная волна?

Если в какой-либо точке пространства происходит изменение электрического состояния, например по проводу проходит переменный электрический ток, постоянно меняющий своё направление, то вокруг этого провода, в пространстве, возникает так называемое электромагнитное поле, напряжение которого будет также постоянно меняться. Иными словами, здесь возникает колебание магнитных и электрических сил, причём это-колебание, как только оно возникает в каком-либо месте, сразу вызывает подобное же себе колебание и в соседних точках пространства. Таким путём и возникает в пространстве электромагнитная волна, то-есть периодически изменяющееся электромагнитное состояние пространства.

Такое колебание электрических и магнитных сил напоминает собой колебание частичек воды, когда по ней идут волны. Как на воде отдельные частички её не передвигаются вместе с волной, а лишь колеблются вверх и вниз, образуя таким образом гребни и впадины волн и передавая это колебательное движение дальше, так и в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства происходит как бы волнообразное изменение электрического состояния с образованием «гребней» и «впадин», приводящее к передаче энергии от одной точки пространства к другой.

Исследование таких электромагнитных волн показало, что они подобны световым лучам.

Как и свет, они распространяются в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду, как и свет, они отражаются, преломляются, как и свет, они дают явление, называемое дифракцией.

Что это за явление?

Известно, что световые лучи распространяются прямолинейно. Но бывают и исключения из этого правила: при определённых условиях световые лучи как бы начинают изгибаться.

Посмотрите на рисунок 20. Это — фотография тени небольшого винта.