Как там у вас, на Бета-Лире?

Да, все это известно. Но не все знают, что в таком размещении электронов, в атомах химических элементов, размещении, которое определяет структуру периодической системы, проявляется некоторая причудливость природы. И это, пожалуй, самое удивительное: кому-кому, а природе прихоти несвойственны. Размещая электроны на орбитах, природа пошла на нарушение одного из самых твердых своих принципов, согласно которому из всех путей осуществления какого-либо процесса, явления природа всегда выбирает самый простой.

Всегда? Увы, как мы сейчас увидим, не всегда. Количество элементов в периодах системы изменяется следующим образом: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32 — всего семь периодов. А ведь этих периодов в системе «должно» было бы насчитываться всего пять, и в каждом из них количество элементов «должно» было закономерно увеличиваться: 2, 8, 18, 32, 50. Слово «закономерно» здесь употреблено не случайно, потому что именно такой последовательности отвечал бы простой путь заполнения атомных орбит электронами.

Причины расхождения истинного положения дел с требованиями «простой» теории известны достаточно хорошо. И обусловлено это расхождение неуживчивостью электронов.

Располагаясь на определенной орбите, электрон как бы занимает место в уготованной для него комнате. Но, увы, природа не может предоставить электрону отдельную комнату. В соответствии с законами микромира в каждой комнате-орбите должны проживать несколько жильцов-электронов: в первой комнате 2 обитателя, во второй — 8, в третьей — 18, и так далее, в соответствии с тем перечнем, который был приведен для «простой» таблицы. Да, именно так электроны и размещались бы. Но дело в том, что в этом электронном общежитии приход каждого нового пришельца вызывает явное неудовольствие «старичков», да и «новичок», в общем, не расточает доброжелательность к старым обитателям. Скверный характер обитателей электронных орбит объясняется их одноименным зарядом. Итак, в плохом моральном климате на электронных оболочках следует винить закон старика Кулона!

Когда электронов в атоме немного (у элементов, располагающихся в начале периодической системы), они как-то «притираются» друг к другу, и расположение электронов на орбитах, а следовательно, и количество элементов в первых периодах совпадает с требованиями «простой» теории. Но вот когда число электронов становится уже достаточно заметным, то…

Вот хотя бы, к примеру, третий период периодической системы. «Простая» теория определила: в этом периоде может быть 18 элементов, то есть на «третью комнату» — орбиту электронного общежития оптимистически настроенная «простая» теория выдает 18 ордеров. И вот происходит вселение обитателей третьего электронного слоя.

Первым поселяется в этой комнате электрон натрия; вспомните: на внешнем электронном слое у натрия помещается всего 1-й электрон. Далее к нему подселяется электрон магния. Затем в компанию принимается 3-й электрон, электрон алюминия. И так далее, и тому подобное: 7-й электрон приходит вместе с хлором, 8-й — с аргоном, 9-й… А вот 9-го-то и нет, потому что третий период состоит, как мы помним, из восьми элементов и завершается аргоном. Но позвольте, ведь «простая» теория определила, что в комнате № 3 должно проживать 18 обитателей. Теория определила, а жильцы с этим не посчитались. Девятого пришельца восемь «старичков» в свою комнату попросту не пустили, и он, горемыка, желая того или не желая, вынужден был устроиться в следующей комнате, № 4, то есть начинает заполняться 4-й электронный слой. И следующий за аргоном элемент снова имеет на внешнем электронном слое лишь один электрон, то есть по своим химическим свойствам следующий за аргоном элемент должен походить на 1-й элемент третьего периода — натрий. Так и есть, четвертый период менделеевской системы открывается элементом калием, который, как известно, представляет собой полный аналог натрия.

Вот, оказывается, почему заполнение электронных оболочек в природе происходит не так, как хотелось бы «простой» теории, а гораздо замысловатее. Все дело в том, что электроны враждуют друг с другом! Довольно поучительная притча к старому тезису о худом мире и доброй ссоре.

Я, конечно, сознаю, что пояснение причин отступлений от требований «простой» теории введено с предельной примитивностью; я решился привести его лишь в надежде, что оно не попадется на глаза какому-нибудь специалисту в области квантовой химии. В противном случае может возникнуть ситуация, когда неприязненные отношения могут установиться не только между электронами…

Не будем высказывать сожаления по поводу того, что природа не пожелала в данном случае пойти простым путем. Полагаю, что природе виднее, как поступать. А все же интересно, как выглядела бы периодическая система элементов, если бы электроны заполняли свои орбиты, не испытывая при этом антагонизма друг к другу.

Как уже отмечалось, первые два периода такой «вырожденной» [9] периодической системы ничем не отличаются от обычной. Но вот уже третий период в этой необычной периодической системе насчитывает 18 элементов и, естественно, завершается не аргоном, а… никелем. Именно никель имеет на наружной электронной оболочке предельное число электронов и поэтому не способен к химическим реакциям. Конечно, не очень легко свыкнуться с мыслью, что никель может быть инертным… газом… нет, применить это слово не поворачивается язык… ну, скажем, инертным элементом. Но многие ли из научных положений становились сразу привычными?

Рассматривая «вырожденную» таблицу, мы столкнемся еще со многими неожиданностями. Некоторые из них будут довольно приятного свойства. Так, в этой системе не будет семейств лантаноидов и актиноидов, которые, согласитесь, все-таки немного нарушают гармонию менделеевской системы: в самом деле, что это такое — в одной клетке сразу 15 элементов! Зато окажется, что редкоземельный элемент диспрозий по своим свойствам будет весьма походить на серу, а прометий — на натрий, что, конечно, очень непривычно, но кто сказал, что такого быть не может?

Попробуем представить условия, при которых могут существовать такие необычные, «вырожденные» элементы. Что надо сделать, чтобы вернуть на свое законное место электрон, который негостеприимные соседи вытолкнули на высшую орбиту? Ну, скажем, повысим давление, и тогда обиженный электрон будет «вдавлен» на свое место. Каким же должно быть давление, чтобы восстановилась справедливость?

Расчет поначалу приводит к несколько обескураживающим результатам. Оказывается, для того чтобы могли существовать «вырожденные» элементы, необходимо создать давление где-то между 50 и 100 тысячами атмосфер. Конечно, с помощью довольно сложных устройств физики такое давление умеют создавать, но о том, чтобы встретиться с «вырожденными» химическими элементами где-нибудь в природе, говорить не приходится. Хотя все зависит от того, что понимать под словом «природа». Если ландшафты на поверхности земного шара, то, конечно, ни о каких давлениях, сколько-нибудь существенно отличающихся от одной атмосферы, речи быть не может. Но ведь и вершина Эвереста — природа, и глубокая шахта — природа. И то, что находится глубже самой глубокой шахты, — тоже природа. А расположены там глубинные слои земной коры, а еще ниже — мантия. Именно там царят такие давления.

Советский физико-химик А. Ф. Капустинский, который много занимался проблемой «вырожденной» периодической системы, предположил, что земной шар состоит из трех зон, в каждой из которых царят свои химические законы, своя периодическая система химических элементов.

Первый, наружный слой — это зона нормального химизма. Здесь все происходит в полном согласии с хорошо известными нам химическими законами, в абсолютном соответствии с периодической системой Менделеева. Простирается эта зона примерно на глубину 50 километров. Возможные же неожиданности начинаются ниже этой отметки. Именно здесь, по оценкам геологов, давление достигает нескольких десятков тысяч атмосфер. Вот тут и начинаются владения «вырожденной» периодической системы. Именно здесь калий возвращается в третий период, а медь переходит в щелочную веру.