Введение

Число сложных веществ в природе необычайно велико и выражается несколькими миллионами. Число химических элементов гораздо меньше - их известно 107, а в повседневной жизни встречаются всего около 20-30. Кислород и азот воздуха, железо, медь, кристаллы природных алмазов, самородная сера и т. п.- вот примеры простых веществ, которые часто привлекают внимание ученых и инженеров, биологов и строителей. Эти вещества давно известны, их свойства изучены, и можно сказать, мы знаем, что такое кислород, медь или сера в так называемом свободном состоянии. В действительности атомы названных элементов не встречаются в природе в свободном состоянии. Они прочно связаны с другими атомами, и нужно затратить много энергии, чтобы получить элемент в виде простого вещества. Лишь в особых условиях (высокие температуры и низкие давления) удается получить атомы элементов в свободном состоянии. Во всех иных условиях и в простом веществе они соединены друг с другом (за исключением атомов благородных газов). Так, в алмазе все атомы углерода прочно связаны в кристаллическую решетку, в атмосферном кислороде атомы кислорода связаны попарно в двойные молекулы и т. д. Из этого ясно, что термин "свободное состояние" условен и относится к устойчивым формам, в которых существуют простые вещества.

Многие элементы знакомы нам главным образом в виде соединений. Вероятно, нет человека, который не видел бы поваренной соли - хлорид натрия, но далеко не все видели металлический натрий. В сельском хозяйстве широко применяются калийные удобрения, но не всем, применявшим их, доводилось держать в руках банку с керосином, в котором хранят металлический калий, и рассматривать голубовато-серые кусочки этого металла.

Очень активные элементы, входящие в состав I группы периодической системы Д. И. Менделеева и проявляющие типичные с точки зрения химика металлические свойства (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций), встречаются в природе всегда в виде соединений с другими элементами. Человечество познакомилось с ними гораздо позже, чем с малоактивными металлами - медью, золотом, серебром. Потребовалось немало усилий, чтобы "заставить" активные металлы расстаться со своими партнерами и обнаружить все свои удивительные физические и химические особенности.

Д. И. Менделеев, размышляя о глубоких связях между элементами, пришел к выводу, что, несмотря на большие различия между литием, натрием, калием, рубидием, цезием и францием, с одной стороны, и медью, серебром и золотом - с другой, все эти металлы надо поместить в одну группу химических элементов. Развитие науки показало, что Д. И. Менделеев был прав, и современная теоретическая химия может дать объяснение как сходству, так и различию в свойствах названных элементов.

На первом месте в периодической системе находится; водород, который образует простое вещество - знакомый нам газ, состоящий из двухатомных молекул Н₂. Он как будто совсем не похож на металлы, однако возглавляет I группу и, следовательно, у него должны быть какие-то особенности, заставившие Д. И. Менделеева определить водороду место на одной вертикали с металлами.

Так ли уж далек элемент водород от металлов? Вспомним, на каком электроде выделяются при электролизе водных растворов или расплавов солей ионы металлов (катионы). Они разряжаются на катоде - отрицательно заряженном электроде. Водородные ионы, так же как и катионы металлов, несут положительный заряд и тоже при электролизе разряжаются на катоде. Для водорода вообще характерно стремление отдать электрон и перейти в состояние положительного иона. Но способность отдавать электроны типична для металлов. Она определяет в целом их "химическое поведение", поэтому водород несомненно имеет общие черты с металлическими элементами. Металлы соединяются с галогенами, серой, кислородом за счет передачи неметаллам электронов. Водород ведет себя аналогично. Вот почему имеются веские основания поместить его в I группу.

Конечно, есть и различия между водородом и металлами. Ведь водородные атомы не образуют подобно атомам металла прочные металлические кристаллы (металлы состоят из кристаллов!), способные проводить электрический ток. Но оказывается, если подвергнуть водород громадным давлениям (миллионы атмосфер), то он переходит в состояние, близкое к металлическому. По-видимому, такой водород находится в центре больших планет (типа Юпитера). Сжатые атомы водорода соедини* ются друг с другом за счет своих общих электронов и получается металлическое вещество. Правда, и неметаллы могут претерпевать такое же превращение, так что границу между металлом и неметаллом можно провести лишь условно.

Остальные элементы I группы относятся к металлам уже без всяких оговорок. Рост массы атома, его радиуса и числа электронов способствует усилению металлических свойств.

Водород, щелочные металлы, металлы подгруппы меди имеют большое значение в различных областях народного хозяйства. Соединения натрия и калия служат одной из основ химической индустрии. Они играют важную роль в стекольной, содовой, мыловаренной промышленности, используются в сельском хозяйстве и различных областях техники. Значение меди и ее сплавов в технике исключительно велико. Вспомните об электрических проводах, электрогенераторах, различной арматуре - это медь и ее сплавы. Кино- и фотопромышленность потребляют серебро, мерой стоимости денежных знаков является золото, а водород - многообещающий источник энергии для двигателей и в то же время прародитель всех других элементов.

Посмотрите внимательно на периодическую таблицу, приведенную на обложке книги. Первое (верхнее) место в I группе занимает водород. Первые места во втором и третьем периодах принадлежат соответственно литию и натрию. Большие периоды делятся на ряды; в четвертом, пятом и шестом периодах по два ряда, а седьмой период незакончен, в нем известен пока только один ряд, содержащий неустойчивые радиоактивные элементы. В каждом большом периоде четные ряды - начала периодов - заняты элементами, похожими на литий и натрий; это калий, рубидий, цезий и франций (радиоактивный элемент). Все они называются щелочными металлами.

Нечетные ряды первой группы содержат серебро, медь и золото. Эти элементы похожи друг на друга, но заметно отличаются от щелочных металлов. В таблице они сдвинуты несколько вправо.

Основой нашего изложения служит периодический закон Д. И. Менделеева и электронное строение атомов химических элементов. Вам известно, что каждая группа элементов в таблице Д. И. Менделеева имеет свои особенности в конфигурации электронных слоев. Отличительная черта атомов - членов I группы - наличие лишь одного электрона на внешнем слое. Правда, этот единственный электрон на наружной оболочке ведет себя при химических взаимодействиях различно. У лития, натрия, калия, рубидия, цезия и франция электрон легко отрывается; у рубидия и цезия - даже под действием светового луча, при обычном освещении, так как он очень непрочно связан с ядром атома.

У меди, серебра и золота внешний электрон отрывается с большим трудом и, как правило, в "компании" с одним или двумя электронами предвнешнего слоя. Это различие и заставляет одни из членов I группы отнести к активнейшим металлам, а другие - к благородным, или драгоценным, металлам.

Литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций образуют главную подгруппу I группы, медь, серебро и золото - побочную. Мы рассмотрим сначала свойства, объединяющие все эти химические элементы в одну общую группу, а затем более подробно разберем каждую из подгрупп.