Чтение онлайн

Количество электронов на внешней оболочке атома, находящегося в основном состоянии (и соответствующее количество электронов, недостающих до полной заполненности внешней оболочки) определяет основные химические свойства атомов (валентность, ионизационные потенциалы и т. д.).

Этим обусловлена периодичность свойств атомов, при возрастании атомного номера определяющая таблицу Менделеева. Замыкают каждый период атомы с полностью укомплектованными оболочками – инертные газы.

Чтобы вывести стабильный, отдельный атом из устойчивого состояния, необходимо внешнее достаточно мощное воздействие, имеющее энергию не меньше, чем энергия ионизации этого атома. На фигуре 6 приведён график зависимости энергии ионизации от атомного номера.

Фиг. 6. Ионизационные потенциалы атомов

На графике видно, что с увеличением номера периода средняя энергия ионизации атомов периода уменьшается. То есть с увеличением номера периода устойчивость атомов – необходимая энергия воздействия для ионизации – сравнительно падает. Напомним, что атомное ядро при увеличении Z также становится менее устойчивым. Этими обстоятельствами предопределяется сравнительно большая распространённость «лёгких» атомов как на Земле, так и в исследованной Вселенной.

На фигуре 6 видно, что ионизационный потенциал лития равен 5,4 эв. То есть для того, чтобы наименьше связанный электрон (электрон внешней оболочки) лития покинул систему атома, достаточно энергии в 5,4 эв. Такая энергия вполне достижима при давлении 1 атм. и определённой температуре. Для сравнения напомним, что электрон в атоме водорода возбуждается (переходит с первой оболочки на вторую) при получении энергии в 10,2 эв.

Второй ионизационный потенциал лития (соответствующий освобождению второго электрона – одного из обитателей внутренней оболочки) равен 75,6 эв., что примерно в три раза превышает ионизационный потенциал самого инертного (устойчивого) атома среди всех элементов атома гелия (24,6 эв.).

Приведённый пример иллюстрирует тот факт, что в определённых условиях (при наличии только лития и его ионов определённой температуры, плотности и т. д.) некоторые химически неравновесные состояния могут быть – по общему определению устойчивости – более устойчивы, чем химически равновесные состояния. Так как литий в ионизированном состоянии (в определённых условиях) выдерживает, не изменяя своих основных свойств (ионизированность и т. д.) большие воздействия окружающей среды (в указанных условиях), чем литий в равновесном состоянии (с электростатической точки зрения).

В ионизированном состоянии реализуется обобщённо равновесное состояние, в котором уравновешиваются силы отталкивания и притяжения заряженных частиц при довольно высоком уровне механических воздействий окружающей среды.

В каждом периоде наиболее устойчивыми атомами являются атомы с полностью укомплектованными внешними оболочками – атомы инертных газов.

Это объясняется, во-первых, полной укомплектованностью внешней оболочки – новому кандидату, электрону, нет места в системе – все разрешённые состояния электронов на всех уровнях, вплоть до внешней оболочки, заняты.

Во-вторых, следующая оболочка, где вроде ни одно состояние не занято, достаточно удалена от ядра и электронов внешней оболочки; сил притяжения, удерживающих какую-либо движущуюся частицу, на ней нет. Все внутренние силы полностью уравновешены.

И, в-третьих, электроны внешней оболочки связаны с атомом силой, максимально возможной на этом энергетическом уровне. Положительный заряд совокупности частиц (без электронов внешней оболочки), действующий на внешнюю оболочку, максимален.

Для сравнения: в атомах щелочных металлов (начинающих периоды – лития, натрия, калия) положительный потенциал создаётся только одним зарядом (остальные уже скомпенсированы).

Ионизированный потенциал атомов инертных газов превосходит ионизационный потенциал щелочных металлов не в несколько раз, а меньше из-за того, что электроны внешней оболочки отталкиваются друг от друга.

Согласованность возможных и реализуемых состояний с полностью уравновешенными внутренними силами обуславливает относительно повышенную устойчивость атомов инертных газов, приводит к повышенной интенсивности по отношению к воздействиям внешней среды и к обособленности. Только достаточно тяжёлые инертные атомы образуют некоторые соединения.

Изменение количества электронов, находящихся на внешней оболочке атомов периода с возрастанием атомного номера, обуславливает и изменение свойств атомов. С увеличением атомного номера щелочные свойства ослабевают и возрастают кислотные свойства. Замыкают период атомы инертных газов. В середине периодов находятся атомы, способные в некоторых условиях проявлять слабые кислотные, а в некоторых условиях слабые щелочные свойства. Способность проявлять разные свойства достаточно устойчивыми атомами называются их лабильностью.

Лабильность объектов связана с достаточной малостью барьеров, отделяющих одно относительно устойчивое состояние от другого, а в предельном случае – достаточно большим пространством, в котором эффективность относительной устойчивости не зависит от каких-либо факторов. Ярким примером такого безразличного отношения к одному из факторов является отношение относительно устойчивых состояний вышерассмотренного шарика, находящегося на горизонтальной поверхности. Расстояние от центра шарика до центра притяжения Земли постоянно и не зависит от угла и предопределяет безразлично равновесное, относительно устойчивое положение шарика на поверхности (фигура 7а). Изменение угла под действием малых возмущений не изменяет эффективности относительно устойчивого положения шарика. В случае с достаточно большими энергетическими барьерами между относительно устойчивыми состояниями при малом изменении угла положение шарика в потенциальной яме изменяется. Из-за высокого барьера шарик остаётся в той же яме, но его положение устойчиво только при одном значении . В этом случае лабильность по теряется.

Фиг. 7

С повышением уровня объектов количество факторов, различным образом влияющих и не влияющих на эффективность относительно устойчивого состояния объектов, увеличивается, поэтому свойства объектов с повышением уровня объектов становятся всё многообразнее. Девять стабильных элементарных частиц в различных условиях образуют более ста видов атомов, различающихся своими свойствами (не считая их изотопные варианты).

Атомы, элементарные частицы и их совокупность (например, положительные или отрицательные ионы), взаимодействуя друг с другом (сталкиваясь, притягиваясь, отталкиваясь и т. п.) – всё время стремясь к своему устойчивому положению в определённых условиях (при достаточной плотности и т. п.), образуют сложные и устойчивые совокупности. Суммарная энергия составляющих молекул не в связанном состоянии превышает суммарную энергию молекулы, поэтому их положение в молекуле (в связанном состоянии) энергетически более выгодно и поэтому связанное состояние более устойчиво.