Кислород

Восьмой по счету химический элемент таблицы Менделеева — кислород; его атомная масса равна 15,999. Он — самый распространенный на Земле элемент; в атмосфере его 21 процент, в твердой оболочке Земли — 47 процентов; в океанах — 86 процентов.

В нормальных условиях кислород — газ; температура кипения сжиженного кислорода равна минус 182,9 градуса Цельсия, а температура перехода из твердого состояния в жидкое — минус 218,7 градуса. В воздухе атмосферы атомы кислорода объединяются в молекулы; по два атома в каждой. Известна аллотропическая модификация кислорода — озон, молекула которого состоит из трех атомов. Озон возникает при воздействии ультрафиолетового излучения и при проскакивании электрического разряда (молнии).

Кислород химически очень активен; по своей активности он уступает только фтору. Он соединяется практически со всеми элементами, исключая инертные газы. В соединениях с металлами он проявляет переменную и даже дробную валентность. Почти все реакции с участием кислорода относятся к типу экзотермических, то есть происходят с выделением тепла или даже света, а соединение с водородом происходит даже в форме взрыва. Еще более активен озон.

Из соединений кислорода наиболее известна вода, молекула которой состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода; водород разнесен в молекуле на угол 104,5 градуса. Вода, больше известная как жидкость, входит основной составной частью в минералы, где предстает уже в твердом виде. Жидкая вода закипает при 100 градусах и замерзает при нуле градусов по Цельсию. В жидком состоянии вода имеет малую вязкость и большую теплоемкость. Известно, что в сплошной массе молекулы воды могут диссоциировать, то есть распадаться на составляющие атомы. Вода — хороший растворитель.

С углеродом кислород образует углекислый газ, молекула которого содержит один атом углерода и два атома кислорода; при недостатке кислорода образуется угарный газ, молекула которого содержит уже по одному атому того или другого элемента.

Самую большую химическую активность кислород проявляет в составе кислот. Он объединяется в них с азотом, серой, фосфором и другими элементами; замыкают молекулы кислот атомы водорода. Водные растворы кислот разъедают практически все металлы. Атомарный кислород тоже разъедает металлы, образуя окислы, но действует менее активно.

Топология атома кислорода продолжает ту же треугольную тему, что была начата атомом азота: исходное кольцо-тор деформируется с трех сторон, выступы вытягиваются, шнуры сближаются; и заканчивается первый этап образования трехлучевой звезды с петлями на концах лучей. У азота такая звезда некоторое время сохраняется плоской и в такой форме успевает за это время найти себе подобную и присосаться к ней, образуя двухатомную молекулу.

Размеры исходного тора атома кислорода несколько больше: номинальная длина его шнура составляет 29 400 эфирных шариков, то есть на 3700 шариков длиннее, чем у азота; поэтому возникает некоторая коррекция топологии атома. Одновременно с вытягиванием концов звезды происходит их сближение и закручивание; сблизившиеся любые два лепестка образуют между собой еще одну, вторичную петлю, а оставшийся в одиночестве третий лепесток заворачивается, создавая внешний присасывающий желоб, и накрывает ее своей петлей; это — второй промежуточный этап топологии атома кислорода.

На третьем, последнем этапе сблизившиеся два лепестка сначала поворачиваются друг к другу «лицом», то есть присасывающими сторонами, слипаются насколько это возможно, а затем загибаются и упираются макушками своих петель в присасывающий желоб завернувшегося одиночного лепестка; на этом топология одиночного атома кислорода завершается.

Что же в конце концов получилось? А получилась в некотором роде уникальная форма атома: своим контурным, открытым наружу присасывающим желобом он похож на атом металла, но все же это — не металл; все его загнутые части оказываются напряженными, и по этой причине они неустойчивы, и атом пульсирует, создавая вокруг себя стоячее тепловое поле; значит, он — пушист, и эта пушистость не позволяет ему соединиться с такими же атомами, как он сам, и образовать металлическое тело. Если же он все же соединится с ними, например при образовании молекул, то происходит это с разгибом спаренных лепестков и с разворотом их петель, то есть с разрывом замкнутого контурного желоба. Получается так, что, пока атом кислорода находится в одиночестве, он — металл, а когда соединяется с другими атомами, то — уже не металл.

Молекула кислорода состоит из двух атомов, объединившихся путем слипания петель спаренных лепестков и примыкающих к ним присасывающих желобов. Молекула также пушиста: слипанию атомов в ней противодействуют их закрученные как пружины одиночные лепестки, и это противодействие порождает ее пульсацию, выражающуюся в том, что слипшиеся парные лепестки будут периодически выдвигаться из молекулы — удлиняясь, и убираться внутрь — укорачиваясь.

Соединение кислорода с водородом образует воду: в результате сильного теплового воздействия молекула кислорода распадается на атомы; их освободившиеся петли, не успев развернуться и слипнуться между собой, тотчас заполняются колечками атомов водорода; возникает знаменитая молекула аш-два-о. Бывшие ранее спаренными лепестки атома кислорода после подсоединения к их петлям атомов водорода расходятся под некоторым углом и успокаиваются. Успокаивается и вся молекула: несмотря на то, что присоединившиеся атомы водорода создают дополнительную пушистость, в целом пульсация молекулы воды оказывается несколько приглушенной, и в нормальных условиях она уже не является газообразной, а переходит в жидкость.

Вода отличается от других жидкостей многими своими свойствами, и одно из них — постоянство вязкости при изменении температуры. Если молекулы других жидкостей, ускоряя свои тепловые движения, уменьшают взаимный контакт и становятся как бы менее привязанными друг к другу, то молекулы воды сохраняют взаимную связь практически постоянной; это объясняется тем, что их подвижность вызвана в основном пушистостью атомов водорода и загнутых одиночных лепестков, а она очень мало зависит от температуры. Конечно, общие тепловые колебания молекул могут сделать их пушистыми до газообразности (это происходит при кипении) или, наоборот, уменьшить подвижность до прекращения взаимного скольжения (явление образования льда), но в интервале между этими состояниями связи между молекул между собой сохраняются практически постоянными.

Вода отличается еще очень большой своей теплоемкостью. У молекулы воды можно выделить следующие поглотители тепловых движений: это — загнутый в кольцо одиночный лепесток и два отогнутых (прямых) лепестка с водородными атомами на концах. Пульсирующее кольцо загнутого лепестка может иметь широкий диапазон амплитуд своих колебаний, то есть может накапливать большую энергию. Но основными поглотителями тепловых движений все же являются вытянутые лепестки; они представляют собой консоли с массами водородных атомов, отнесенными на их концы; момент инерции этих консолей — очень большой. Поглощая энергию внешних ударов, вытянутые лепестки лишь незначительно увеличивают амплитуду своих колебаний; и для того, чтобы раскачать их основательно, нужно приложить к ним много внешней энергии.

Объяснение других свойств воды и кислорода, таких как способности растворять и окислять, кроется в накопительстве атомом кислорода и молекулой воды в целом большего количества электронов. Атом имеет очень длинные присасывающие желоба, обращенные наружу; на таких желобах может скапливаться очень много электронов. У молекулы воды дополнительные присасывающие наружные желоба возникают по контурам атомов водорода. Поэтому молекулу воды можно считать накопителем электронов.

Большое скопление электронов является одной из причин диссоциации молекул воды: электроны, проникая в щели под атомами водорода, ослабляют их связи с атомами кислорода вплоть до их отделения. Другой причиной являются тепловые колебания консольных лепестков: молекула воды размахивает ими как деревья своими ветвями в сильный ветер; в общей массе жидкости молекулы лупят друг друга этими лепестками, как молотками; при этом атомы водорода на концах чувствуют себя не очень уютно.

Точно также происходит растворение в воде твердых веществ. Сначала, уткнувшись своим консольным лепестком в атом (или молекулу) твердого вещества, молекула воды производит инъекцию электронов (шприцует их); электроны ослабляют межатомные связи вещества; а затем ударами своих лепестков, как дубинами, вода срывает непрочные атомы и молекулы со своих мест и поглощает их. Растворение в воде кислот, содержащих кислород, сопровождается диссоциацией, то есть частичным или полным отделением атомов водорода.

Приблизительно также происходит окисление металлов. Сначала инъекцией электронов и ударами своих лепестков атомы кислорода, растворенные в воде, ослабляют крепление поверхностных атомов металла, а затем обволакивают их своими лепестками как щупальцами; при этом присасывающие желоба кислорода накладываются на присасывающие желоба металла и нейтрализуют их. Точно также ведет себя по отношению к металлу кислород, находящийся в составе кислот. Соединение их между собой происходит с помощью желобов, поэтому их количественное соотношение определяется соотношением длин желобов, и оно может быть некратным; отсюда — переменная и дробная валентность.

Обволакивание атомов различных химических элементов с помощью щупальцев (лепестков) воды способствует успокоению пульсаций ее молекул: их колебания амортизируются соседними атомами. Лишившись своей подвижности, молекулы воды становятся средствами скрепления других атомов, то есть клеем как азот, как углерод, как бор или бериллий в подобной роли. Поэтому в минералах оказывается так много воды.

Среди петлевых соединений кислорода можно выделит образование угарного и углекислого газов. При недостатке кислорода его атомы в первую очередь соединяются своими петлями с выкрученными петлями атомов углерода; его нормально замкнутые петли при этом не раскрываются; это — угарный газ. При избытке кислорода и при высокой температуре замкнутые петли углерода также раскрываются и соединяются с петлями других атомов кислорода; возникает углекислый газ. В указанных соединениях напряженность атомов углерода и кислорода уменьшается, то есть уменьшается их потенциальная энергия, и соответственно увеличивается кинетическая, тепловая энергия. Повышение температуры сопровождается выделением света: светятся атомы углерода.

Из трех состояний кислорода: атомарного, молекулярного и озонного, — последнее — наиболее активное. Если у одиночного атома кислорода и молекулы парные лепестки замкнуты своими петлями и не совсем готовы для присоединения к другим атомам, то у озона они находятся в непрочном соединении между собой и легко раскрываются.

Фтор

Фтор — девятый по счету химический элемент таблицы Менделеева, его атомная масса равна 18,998. Он представляет собой бледно-желтый газ с температурой плавления минус 219,6 и кипения минус 188,1 градусов Цельсия.

Фтор — самый сильный окислитель, он окисляет даже кислород; его химическая активность настолько высока, что он реагирует почти со всеми веществами, за исключением инертных газов: гелия, аргона, неона; при нормальных условиях он не взаимодействует также с азотом и с углеродом в алмазной модификации. При реакциях с его участием выделяется много тепла, иногда это происходит в виде взрыва.

Странное дело, углефторовые соединения — фторопласт и тефлон — отличаются, наоборот, поразительной химической стойкостью: их не берет даже царская водка — концентрированная смесь азотной и соляной кислот. Инертностью отличаются также фреоны (хладоны) — насыщенные углеводороды, в которых водород заменен на фтор и хлор; фреоны являются газами и используются в качестве хладоагентов для холодильников; их температура кипения — около минус 30 градусов Цельсия.

Из других соединений широко известны плавиковая кислота, молекула которой состоит из одного атома углерода и одного атома фтора, и природные минералы: флюорит, плавиковый шпат и другие. Свободный фтор в природе не встречается.

Топология атома фтора завершает треугольную тему. После формирования из исходного тора трехлучевой звезды процесс дальнейшего развития атома выбирает иное, чем у азота и кислорода, направление: два лепестка (луча) успевают сблизиться своими концами, на которых расположены присасывающие петли, раньше, чем, сойтись своими основаниями; сблизившиеся петли разворачиваются и слипаются, нейтрализуя друг друга; слипшиеся петли изгибают дугой свои спаренные шнуры и ловят макушками желоб оставшегося одиночного лепестка. В законченном виде атом фтора напоминает летящего гуся с крыльями из завернувшихся лепестков и с вытянутой шеей последнего третьего из них; петля на конце третьего лепестка ассоциируется с клювом, готовым ущипнуть. Отличие от принятого образа будет состоять, скорее всего, в том, что голова гуся не вытянута в струнку, а мечется из стороны в сторону. Новое, фторовское направление в формировании атома обусловлено удлинением лепестков: у фтора они длиннее приблизительно на 1000 эфирных шариков, чем у кислорода, и на 1500, чем у азота, а вся длина шнура атома фтора составляет 35 000 шариков.

Повышенная активность атома фтора объясняется тем, что он, во-первых, может накапливать на своих присасывающих желобах электронов больше, чем даже атомы кислорода (за счет более длинных желобов, на которых может скопится более 17 000 электронов), а во-вторых, весь этот запас электронов приходится не на два щупальца как у кислорода, а на один клюв. Имея очень длинную шею, атом фтора может дотянуться до самых удаленных слипшихся участков в молекулах других веществ, выбросить на них большую порцию электронов, ослабив тем самым их связи, прилипнуть своей петлей или своим желобом к столкнувшимся атомам или молекулам и образовать новое соединение. Поэтому перед агрессией фтора не может устоять практически ни одно вещество, и поэтому оно называется разрушителем (по гречески «фторос» — разрушение). К слову, разъединительное влияние электронов сказывается и на соединениях самого фтора: если пропустить через плавиковую кислоту электрические разряды, она распадается на водород и фтор.

С другой стороны, удивительную химическую инертность фторопласта и тефлона можно объяснить тем, что в соединениях атомов фтора с атомами углерода нейтрализуются (закрываются) не только присасывающие стороны их петель, но и их присасывающие желоба: и у того и у другого длина каждого из желобов составляет приблизительно 5000 эфирных шариков, поэтому они смыкаются без остатка. Между собой молекулы тетрафторэтилена, образующие фторопласт и тефлон, контактируют отдельными точками, в частности боковушками петель; эти контакты не очень прочны.

С азотом фтор не соединяется по простой причине: молекула азота, как мы знаем, полностью закрыта, и атом фтора бессилен подобрать к ней ключи; к тому же молекула не очень боится его электронных инъекций: у нее у самой имеется большое количество электронов. Также нам должно быть понятно то, что атом фтора не способен разрушить кристаллы алмаза: они так крепко сшиты, что не имеют щелей и прорех, через которые он мог бы проникнуть своим клювом; самое большое, что способен сделать фтор с алмазом, так это прилипнуть к нему, но и это возможно только в том случае, если поверхностные связи кристалла случайно окажутся незавершенными.

В качестве хладоагентов соединения фтора применяют потому, что они имеют очень удобную температуру кипения: давлением компрессора и охлаждением их легко превращать в жидкость, а она, испаряясь, отбирает тепло. К тому же теплоемкость фтора, атом которого имеет консоль, то есть длинную шею, довольно большая. Она — эта теплоемкость — является причиной того, что все реакции с участием фтора идут с выделением тепла: успокаиваясь в соединениях с другими атомами, фтор передает вновь образованным молекулам все свои тепловые движения.

Неон

Инертный газ неон занимает в таблице Менделеева десятую позицию: атомная масса неона равна 20,179. Об инертных газах известно только одно: они не способны вступать в химическую реакцию вообще. С одним из таких газов — с гелием — мы уже познакомились: неон — второй из них.

Топология атомов неона открывает новую страницу. Забегая вперед, скажем, что атом неона представляет собой два спаренных атома гелия; и такими же спаренными будут все атомы третьего периода. Отсюда можно сделать вывод о том, что в таблице Менделеева неону больше подходит место в третьем периоде перед натрием. Впрочем, подобную передвижку следовало бы сделать со всеми химическими элементами инертных газов: каждый из них лучше было бы сместить в следующий период и поставить перед первым щелочным металлом.

Исходное кольцо-тор будущего атома неона деформируется уже с четырех сторон; этому способствует длина кольца — она составляет 37 100 эфирных шариков у номинального атома, что на 2 100 шариков больше, чем у фтора. Шнуры выступов сближаются; сами выступы вытягиваются и образуют четырехлучевую звезду; на концах лучей возникают петли. Далее петли попарно сближаются, и фигура приобретает двухчастный вид; полуфигуры разворачиваются на 180 градусов, и в центре между ними возникает перехлест. Столкнувшиеся макушками петли делают полуповорот в разные стороны и взаимно сдвигаются, образуя гелиевые накладки. Завершается топология атома неона тем, что круглые полуфигуры, стягиваемые наружными присасывающими желобами, чуть-чуть поворачиваются вокруг своих осей и успокаиваются, обращенные петлевыми накладками в одну сторону; присасывающие желоба при этом укорачиваются почти до нуля.

Возникший атом неона пульсирует точно также, как атом гелия; поэтому он такой же пушистый: его температура кипения равна минус 245,9 градуса Цельсия.

Инертность атома неона объясняется тем, что у него практически нет обращенных наружу присасывающих желобов и нет открытых присасывающих сторон петель.

Натрий

Топология атома первого щелочного металла третьего периода таблицы Менделеева — натрия развивает четырехлучевое направление неона: вместо гелиевых накладок полуфигуры атома натрия образуют литие-бериллиевские сердечки. Они стали возможными потому, что длина шнура атома натрия на 5200 эфирных шариков длиннее, чем у атома неона, и составляет 42 300 шариков.

И так далее.

Спасибо, что скачали книгу в бесплатной электронной библиотеке Royallib.ru

Оставить отзыв о книге

Все книги автора