Музей химических элементов и соединений
Дядюшка Вод, рассказав ребятам о себе и сэре Геле, собрался было домой, но увидев, как велик интерес детей к химии, решил показать им Музей Химических Элементов и Соединений. С помощью Волшебного Кристалла дядюшка с ребятами очутились у входа огромного здания Музея.
— Всего в музее собрано несколько миллионов экспонатов,— сказал дядюшка,— и число их ежедневно растет. Здесь собраны атомы, молекулы и структуры всех известных науке элементов и химических соединений молекулярного и немолекулярного строения.
— Чтобы обойти все залы Музея, потребуются годы, поэтому мы с вами посмотрим сегодня только лишь небольшой отдел этой гигантской выставки,— с этими словами дядюшка провел ребят по лестнице и длинному коридору к высоким дверям, над которыми висела табличка.
Открыв двери, дядюшка, взявший на себя роль экскурсовода, подвел ребят к витрине:
— Я не буду называть вам элемент или вещество, надеюсь, что вы узнаете их сами. Перед вами модель изолированного атома одного из элементов. Ядро его состоит из двенадцати нуклонов (шести протонов и шести нейтронов).
Специальное устройство витрины позволяло зрителям разглядеть микроструктуру атомов или молекул, независимо от массы, заряда или скорости движения элементарных частиц.
На относительно большом расстоянии от ядра ребята увидели сферу ближайшей к нему электронной орбитали, образованной двумя спаренными электронами.
На втором энергетическом уровне было четыре электрона, два из них образовывали также сферическую орбиталь. Электронные облака двух других располагались в пространстве в виде симметричных объемных восьмерок перпендикулярно друг дружке.
— Любой атом, любую молекулу,— произнес дядюшка,— нельзя рассматривать как нечто постоянное, неизменное, застывшее. Микромир чрезвычайно динамичен и подвижен. И не только в том, что скорости движения элементарных частиц соизмеримы со скоростью света, но, главное, что частицы эти постоянно вступают во взаимодействия между собой, обмениваясь энергией, подвергаясь различным превращениям.
— Чтобы, к примеру, данный атом вступил в реакцию, он должен перейти в возбужденное состояние. Обратите внимание на электрон внешней сферической орбитали.
Дядюшка Вод нажал одну из кнопок на стенде, и ребята увидели, как квант врезался в орбиталь и слился с одним электроном. Получив дополнительную энергию, этот электрон изменил форму своего облака и образовал новую орбиталь в форме объемной восьмерки.
— В таком возбужденном состоянии,— заметил дядюшка,— когда на внешнем электронном уровне остается одна сферическая орбиталь, а три превращаются во взаимно перпендикулярные объемные восьмерки, атом существовать не может. Обязательно происходит усреднение, выравнивание энергии всех или нескольких внешних электронов, то есть их гибридизация. В результате на внешнем уровне получаются электронные орбитали одинаковой формы.
Экскурсанты увидели, что четыре электронные орбитали внешнего уровня на какое-то мгновение смешались, образуя единое облако отрицательного электричества. И тут же оно разделилось на четыре совершенно одинаковые гибридные орбитали, похожие на вытянутые капли тяжелой жидкости. Своими хвостиками орбитали были обращены в сторону ядра — центра атома. Сами же тела гибридных электронных орбиталей оказались симметрично направленными в разные стороны.
— Вокруг этого атома после гибридизации всех его внешних орбиталей можно описать правильный тетраэдр,— произнес негромко дядюшка.
На модели возник тетраэдр с едва светящимися ребрами, внутри него поместился атом. Ядро атома совместилось с центром тетраэдра, гибридные орбитали оказались в четырех углах этой фигуры под углом 109 градусов и 28 минут.
— Сейчас мы увидим процесс образования молекулы,— дядюшка щелкнул тумблером на стенде. Очертания тетраэдра стали едва заметными, зато на модели ярко обозначились четыре гибридных электронных облака. К каждому из них сбоку подплыли по одному атому водорода. По мере приближения этих атомов к тетраэдру их сферические электронные облака стали вытягиваться в сторону гибридных орбиталей первого атома, затем электронные облака атомов водорода слились с гибридными орбиталями, образовав четыре молекулярные электронные орбитали. Каждая такая орбиталь, состоявшая из двух спаренных электронов, принадлежала теперь одновременно ядру первого атома и одному ядру атома второго элемента,
— Между атомами возникла ковалентная связь. В результате выделилась энергия, и образовалась молекула одного из простейших веществ данного класса соединений,— дядюшка вновь нажал кнопку на стенде.— Вокруг молекулы этого вещества также можно описать тетраэдр, в центре которого будет находиться ядро атома четырехвалентного элемента, а по направлениям к вершинам — атомы одновалентного элемента. Углы между связями останутся равными 109 градусам и 28 минутам.
— Ну? а теперь,— тоном строгого учителя проговорил дядюшка Вод,— ответьте, пожалуйста, на мои вопросы. Что бы вы написали на табличке входной двери? Модель атома какого элемента мы с вами рассмотрели? Свидетелями образования молекулы какого вещества мы только что были?
Род и Рут, смущенно потупив головы, отвернулись в сторону, а Пал правильно ответил на все вопросы.
— Не отчаивайтесь,— дядюшка обнял младших ребят. — Это азы, то есть начала, органической химии, а их вы будете изучать в старших классах. Надеюсь, тогда вы вспомните эту экскурсию. Пока дядюшка Вод и ребята возвращаются домой, постарайтесь и вы, дорогие друзья, ответить на вопросы дядюшки. Если вы уже изучаете органическую химию, то они вас, конечно же, не затруднят.
«Химия на досуге», Г.И. Штремплер