Рассмотрим теперь атомы меди. Из справочника «Свойства неорганических соединений» следует, что радиус этих атомов равен 0,128 нм = 128 пм. Как получено это значение? Возьмем 1 моль (6,022 · 1023 атомов) меди. Его масса равна 63,55 г. Плотность меди (из того же справочника) равна 8,96 г/см3, поэтому 1 моль занимает объем 63,55/8,96 = 7,093 см3. Из этого объема на сами атомы приходится 0,7405 · 7,093 = 5,252 см3, а один атом имеет объем V = 5,252/6,022 · 1023 = 0,8721 · 10–23 см3. Как известно, объем шара V = 4πr3/3, r = √3V/4π= 1,28 · 10–8 см, что совпадает с данными справочника.
Почему же самые тяжелые атомы не самые большие? Здесь конкурируют два фактора: увеличение общего числа электронов (именно электронная оболочка, а не крошечное ядро, определяет размер атома) и усиление притяжения электронов к ядру. Так, в ряду лантаноидов и актиноидов с ростом атомного номера наблюдается не увеличение, а уменьшение радиуса атомов, несмотря на увеличение числа электронов в них (этот факт имеет существенное значение для химии этих элементов). Происходит это потому, что последовательное добавление f-электронов не может оказать серьезную конкуренцию действию возрастающего заряда ядра на внешние s– и p-электроны: они становятся чуть ближе к ядру. В результате атом последнего лантаноида – лютеция на 7 % меньше атома лантана. Теперь не покажется удивительным, что самый большой размер атома у цезия с его отдаленным от ядра s-электроном на внешней оболочке (атом франция должен иметь еще бо́льший радиус, но этот элемент нестабилен и принципиально не может быть получен в виде компактного металла, потому размер его атомов имеет лишь теоретический интерес).
До сих пор речь шла о невозбужденных атомах, поскольку при поглощении энергии излучения внешний электрон может удаляться от ядра все дальше и дальше, занимая орбиталь со все бо́льшим номером. Поэтому, например, атом водорода теоретически может иметь любые размеры. А практически? В 1991 г. в самом известном в мире журнале, посвященном химическому образованию – Journal of Chemical Education (он издается в США), была опубликована статья Д. Б. Кларка. В ней говорилось, что в межзвездных облаках были обнаружены по их спектрам атомы водорода диаметром 0,4 мм (они зафиксированы по спектральному переходу с 253-й на 252-ю орбиталь). Объекты таких размеров вполне можно увидеть невооруженным глазом! Однако Кларк ошибся – он завысил все размеры ровно в 100 раз (об этом сообщил тот же журнал год спустя; возможно, ошибка была связана с неправильным переводом нано– или пикометров в миллиметры). Значит, обнаруженные атомы водорода имеют диаметр «всего лишь» 0,004 мм, и такие атомы, даже если бы они были «твердыми», невооруженным глазом увидеть нельзя – только в микроскоп. Конечно, по атомным меркам и 0,004 мм – величина огромная, она в миллион раз больше диаметра невозбужденного атома водорода. Обсуждаемый же Кларком гипотетический атом водорода «размером с одноцентовую монетку» (ее диаметр 9 мм) с учетом исправлений должен соответствовать переходу с 13044-й на 13043-ю орбиталь, что отвечает частоте излучения 2,96 килогерц или длине волны 100 км. Такие спектральные переходы, даже если бы они происходили, невозможно было бы обнаружить никаким прибором (даже радиотелескопы фиксируют в тысячи раз меньшие длины волн).
Надпись IBM атомами ксенона
Если же говорить о «вооруженном» глазе, то отдельные атомы можно не только «увидеть» – ими можно даже что-нибудь написать. Например, всемирно известное название компьютерной фирмы IBM, как это сделали ученые, используя сканирующий туннельный микроскоп и 35 самых настоящих атомов ксенона, выстроенных в нужные микроскопические буквы на поверхности никелевого кристалла.
Другой «атомный» рекорд связан с временем жизни радиоактивных нуклидов (напомним, что нуклидом называется совокупность атомов с определенным числом протонов и нейтронов в Надпись IBM ядре; нуклиды одного и того же атомами ксенона элемента называются изотопами; сейчас известно примерно 2400 нуклидов 114 химических элементов, большинство из которых радиоактивны). Судя по справочнику «Физические величины», самый долгоживущий – теллур-128, который и радиоактивным-то назвать трудно: период полураспада этого нуклида (его в природном теллуре 31,7 %) превышает 8 септиллионов (8 · 1024) лет! Для сравнения – нашей Вселенной по оценкам «всего» 10 млрд (1010) лет.
А какие атомы живут меньше всех? В справочнике «Физические величины» для самого короткоживущего изотопа – франция (215Fr) приводится значение 9 · 10–8 с (меньше одной десятимиллионной доли секунды). Следует воздать должное исследователям, сумевшим измерить эту величину. А вот в «Справочнике нуклидов» для самого легкого из известных изотопов кислорода, 12О, приводится удивительное значение: 1,0 · 10–21 с (одна секстиллионная секунды)! Удивительно оно потому, что даже свет, скорость которого составляет 3 · 108 м/с за это время прошел бы всего 3 · 10–13 м = 0,3 пм, что намного меньше размеров атомов и сопоставимо с размером атомного ядра. Значит, за это время частица, которая должна вылететь из ядра при его распаде и скорость которой намного меньше световой, не успеет его даже покинуть. Было бы интересно узнать, как такое ядро может образоваться и как получили такое значение для его времени жизни.
Атомы соединяются между собой химическими связями. Эти связи могут быть сильными и слабыми, короткими и длинными. В результате образуются молекулы, а также ионные, атомные и металлические кристаллы. Между молекулами тоже действуют химические связи. Какая же связь самая прочная? Если рассматривать только одинарные связи, то самой прочной будет связь Т–Т в молекуле тяжелого водорода – трития Т2 (447,2 кДж/моль); далее следуют связи с атомами дейтерия: D–T (445,5 кДж/моль), D–D (443,6 кДж/моль) и H–D (439,6 кДж/моль). Самая слабая (хотя и не намного) в «водородных молекулах» – связь Н–Н (436,2 кДж/моль).
В случае кратных связей одна из самых прочных – тройная связь N≡N между двумя атомами азота (945,3 кДж/моль). Известны и более прочные связи. Так, прочность четверной связи между атомами хрома в дианионе [Cl3(H2O)Cr == Cr(H2O)Cl3]2– оценивается в 1200 кДж/моль! Самая прочная связь между атомами разных элементов в молекуле угарного газа СО (1070,3 кДж/моль). Вероятно, самая слабая ковалентная связь между атомами азота в молекуле азотистого ангидрида N2O3 (40,6 кДж/моль); она почти в 25 раз слабее связи между теми же атомами в молекуле N2. Недаром азотистый ангидрид (в чистом виде его можно получить в виде голубого порошка при пропускании электрических искр через жидкий воздух при температуре ниже –190 °С) начинает разлагаться на NO и NO2 уже ниже 0 °С. При этом образуется раствор зеленого цвета (смешение синего цвета N2O3 и желтобурого цвета NO2).
Слабыми (по сравнению с ковалентными) традиционно считаются водородные связи. Однако водородная связь между HF и ионом F– (150 кДж/моль) значительно прочнее ковалентных связей в оксидах азота N2O3 и N2O4 (40,6 и 56,9 кДж/моль). Но, конечно, самые слабые связи (вандерваальсовы) существуют между неполярными молекулами и между атомами благородных газов. В 1993 г. было доказано существование молекул Не2, в которых энергия связи между атомами гелия равна всего лишь 0,008 Дж/ /моль. Это в десятки миллионов раз меньше, чем в случае типичных ковалентных связей! Атомы гелия в этой молекуле находятся в среднем на расстоянии 6,2 нм друг от друга, тогда как длина типичной химической связи находится в пределах 0,1–0,3 нм. Это общая закономерность: обычно чем связь слабее, тем она длиннее, и наоборот. И еще одна очевидная закономерность: чем больше атомы, тем больше расстояние между их центрами в молекуле. Так, в полиядерных комплексных соединениях длина связи между атомами рения достигает 0,309 нм, осмия – 0,315 нм, палладия – 0,433 нм.
Конечно, «молекулы» типа Не2 могут существовать лишь при исключительно низких температурах, порядка 0,0001 К, иначе тепловое движение разрушает такие непрочные структуры. При дальнейшем понижении температуры возможно образование еще более слабых и длинных связей. Так, группа французских физиков сообщила, что при температуре 10 мкК (0,00001 К) они получили двухатомные молекулы гелия размером от 8 до 60 нм, что уже соизмеримо с размерами вирусов!
Самая короткая одинарная связь между атомами водорода и дейтерия в молекуле H–D (0,074166 нм; обратите внимание на точность измерения!). Чуть длиннее связи в молекулах D2 и Н2. Самая короткая связь между атомами кислорода в молекуле FО– – ОF (0,1217 нм), а самая длинная – в трехчленном цикле с двумя атомами кислорода, дифтордиоксиране CO2F2 (0,1578 нм). Очень сильно отличаются самая короткая и самая длинная связь азот – азот: 0,10976 нм в N2 и 0,218 нм в димере N2O2.
Для органической химии очень важны связи углерод – углерод. В среднем энергия связи С–С составляет 300–400 кДж/моль; например, в молекуле этана 368,2 кДж/моль. Самая же прочная связь С–С (600 кДж/моль) в молекуле дициана NC–CN, а самая слабая (50,2 кДж/моль) между двумя трифенилметильными радикалами в молекуле гексафенилэтана (С6Н5)3С–С(С6Н5)3. При комнатной температуре такая молекула существовать не может, и в этих условиях рекомбинация двух трифенилметильных радикалов (в одном из них неспаренный электрон локализуется на концевом атоме углерода бензольного кольца) приводит к другой структуре – хиноидной, в которой одно из колец перестает быть ароматическим: