Грубо говоря, существует сотня различных сортов атомов, не считая изотопов
(то есть атомов с одинаковыми химическими свойствами, но несколько различными
ядрами). Около десятка атомов - вещи эфемерные, их получают ученые-ядерщики
путем превращений других атомов. Остальные, вероятно, всегда существовали
в природе в более или менее неизменном виде. Из них около двадцати-тридцати
достаточно распространены, чтобы интересовать нас в рамках этой книги.
Каждый вид атомов зовется элементом. Все атомы одного элемента в основном
идентичны, но атомы разных элементов сильно различаются по своим свойствам.
Это основная причина того, почему материя представляется нам в таком бесконечном
разнообразии.
Атомы элемента могут существовать в чистом однородном “элементарном”
состоянии, например железо (Fe), углерод (С) и т.д. Они могут также существовать
в виде смеси или раствора, свойства которых представляют собой, как правило,
комбинацию свойств компонентов. Наконец, элементы могут образовать определенное
химическое соединение, которое оказывается уже совершенно новым веществом
со своими собственными характерными свойствами. Например, хлор (Сl) в нормальном
состоянии представляет собой зеленый ядовитый газ, натрий (Na) - мягкий
блестящий металл. Равное число атомов этих двух элементов образуют хлористый
натрий (NaCl), белый безвредный порошок, обычную поваренную соль.
Два-три десятка распространенных элементов могут комбинироваться и комбинируются
с образованием громадного количества веществ, твердых, жидких и газообразных,-
этим и занимается химия. Комбинация всего лишь четырех элементов - углерода,
водорода, кислорода и азота - может дать необозримое множество почти всех
веществ, которые мы находим в живой материи. Они же составляют основу большого
числа синтетических материалов (например, пластмасс), а также бензина,
масел, медикаментов, красок и т. д. Соединения этого типа называются органическими.
К неорганическим соединениям относятся минералы, керамика и т.п.
Основными строительными единицами твердых тел служат атом и молекула.
Например, кристалл хлористого натрия (NaCl) построен из атомов натрия и
хлора. Молекула бензола C>6H>6
содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Кроме того, многие
элементы существуют в форме молекул, например I>2
(иод). Молекулы могут быть очень разных размеров - от весьма малых, содержащих
пару атомов, до сложнейших структур, состоящих из сотен, а иногда и тысяч
атомов.
Самые большие органические молекулы могут достигать нескольких сотен
ангстрем в длину. Неорганические молекулы обычно (хотя и не всегда) меньше,
их типичный размер - что-нибудь около десятка ангстрем. Существуют, однако,
длинные неорганические цепи молекул (например, асбеста), которые по длине
не уступают органическим.
Атомы и молекулы, образующие вещества, удерживаются вместе химическими
связями. Существуют несколько типов связей, сильно отличающихся по своим
свойствам.
Ковалентная связь. Эта связь возникает, когда электрон, двигаясь
по эллиптической орбите, охватывает сразу два атома. Связь такая возникает
труднее других, но, раз возникнув, она часто бывает очень прочной и жесткой.
Такого типа связи существуют между атомами органических молекул, атомами
углерода в графите и алмазе и в ряде других случаев.
Ионная связь. Индивидуальные атомы элементов в целом электрически
нейтральны, поскольку заряды образующих их частиц сбалансированы. Но когда
натрий реагирует с хлором, металл отдает внешний электрон газу - натрий
оказывается заряженным положительно, а хлор отрицательно. В результате
два атома взаимно притягиваются. Ионная связь в твердых телах особенно
характерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаются
соединения, в которых связи имеют и ионный, и ковалентный характер. В то
время как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действует
более равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом.
