Занимательная химия для детей и взрослых

Такую энергию имеют фотоны в дальней (вакуумной) ультрафиолетовой области с длиной волны 50 нм. Легче всего оторвать электрон от атома цезия – всего 3,89 эВ; атомы цезия могут подвергаться ионизации уже под действием солнечного света с длиной волны менее 320 нм.

Самая большая критическая масса у урана-235 – 48 кг (но так как уран очень тяжелый, радиус уранового шара в такой атомной бомбе невелик – всего около 9 см). Наименьшая – у калифорния-251 (всего 10 г).

Наиболее ковкий металл – золото: из 1 г можно вытянуть проволоку длиной 2,4 км; такая золотая проволочка в 10 раз тоньше человеческого волоса. Самый тугоплавкий металл – вольфрам, он плавится при 3380 °C. При более высокой температуре (4215 °С) плавится лишь твердый раствор карбидов гафния и тантала.

Самый большой атом вовсе не урановый (№ 92 в периодической системе) или атом одного из недавно открытых элементов конца периодической системы, например дармштадтия (№ 110) или рентгения (№ 111). Действительно, радиус атома урана – самого тяжелого элемента, который Д. И. Менделеев разместил в конце своей знаменитой таблицы, равен 154 пм, тогда как диаметр еще 16 атомов превышает это значение. Самый большой из них – атом цезия (272 пм), второе «призовое место» занимает рубидий (250 пм), третье – калий (235 пм). Четвертое и пятое места заняли соответственно атомы бария (224 пм) и стронция (215 пм). Зато никаких неожиданностей при определении самого маленького атома; конечно, это атом первого элемента в периодической системе, атом водорода (37 пм).

По-видимому, здесь нужны комментарии. Сначала о единицах измерения. Пикометр (от исп. pico – «малая величина») – первая составная часть наименований некоторых физических единиц, означающая одну триллионную (10^–12) долю исходной единицы. Например, 1 пФ (пикофарада) = 10^–12 фарады, 1 пм = 10^–12 м = 1000 нм (нанометров; от греч. nannos – «карлик»; нанометр – миллиардная часть метра).

Теперь о самих значениях радиусов. Не следует думать, что для их измерения нужны какие-то изощренные методы анализа. Атомы можно рассматривать как шары. Тогда их радиус легко рассчитать, зная постоянную Авогадро, массу моля элемента, его плотность и строение кристаллической решетки. Последнее необходимо для внесения поправки на «пустой объем» между шариками-атомами. Так, многие металлы имеют плотнейшую шаровую упаковку. При этом каждый атом-шар будет касаться 12 соседних: шесть из них разместятся вокруг него в одной плоскости и еще по три – сверху и снизу, в образовавшихся «ямках» (это легко увидеть с помощью шариков из пластилина). Чисто геометрически можно показать, что если шары уложить таким способом, то они займут 74,05 % всего объема (остальное приходится на пустоты между шарами).

Рассмотрим теперь атомы меди. Из справочника «Свойства неорганических соединений» следует, что радиус этих атомов равен 0,128 нм = 128 пм. Как получено это значение? Возьмем 1 моль (6,022 · 10²³ атомов) меди. Его масса равна 63,55 г. Плотность меди (из того же справочника) равна 8,96 г/см³, поэтому 1 моль занимает объем 63,55/8,96 = 7,093 см³. Из этого объема на сами атомы приходится 0,7405 · 7,093 = 5,252 см³, а один атом имеет объем V = 5,252/6,022 · 10²³ = 0,8721 · 10^–23 см³. Как известно, объем шара V = 4πr³/3, r = √3V/4π= 1,28 · 10^–8 см, что совпадает с данными справочника.

Почему же самые тяжелые атомы не самые большие? Здесь конкурируют два фактора: увеличение общего числа электронов (именно электронная оболочка, а не крошечное ядро, определяет размер атома) и усиление притяжения электронов к ядру. Так, в ряду лантаноидов и актиноидов с ростом атомного номера наблюдается не увеличение, а уменьшение радиуса атомов, несмотря на увеличение числа электронов в них (этот факт имеет существенное значение для химии этих элементов). Происходит это потому, что последовательное добавление f-электронов не может оказать серьезную конкуренцию действию возрастающего заряда ядра на внешние s– и p-электроны: они становятся чуть ближе к ядру. В результате атом последнего лантаноида – лютеция на 7 % меньше атома лантана. Теперь не покажется удивительным, что самый большой размер атома у цезия с его отдаленным от ядра s-электроном на внешней оболочке (атом франция должен иметь еще бо́льший радиус, но этот элемент нестабилен и принципиально не может быть получен в виде компактного металла, потому размер его атомов имеет лишь теоретический интерес).