Колесников А. Л

Закон Менделеева

издание третье, переработанное

ВВЕДЕНИЕ

Вспомните, не задавали ли вы себе вопросов: Из чего состоит вселенная? Из чего состоят отдельные тела — стол, хлеб, одежда, камень, поднятый на дороге? Есть ли между этими столь различными вещами что-либо общее?

Наверное, задавали. Вопрос о природе окружающих нас вещей неизбежно возникает у каждого мыслящего человека. Много веков человечество искало ответ на эти вопросы. Более двух тысяч лег назад философы древней Греции учили, что всё существующее на земле происходит от немногих начал — «элементов». Такими началами считались огонь, вода, воздух, земля. Эти элементы — неизменные, основные вещества мироздания. Из них состоят все окружающие нас тела. Позднее, в средние века, широкое распространение получила алхимия. Алхимики пытались превратить недрагоценные металлы в драгоценные (золото, серебро). Они считали, что многообразные тела природы строятся только из трёх «философских элементов» — «серы», «ртути» и «соли». «Ртуть» алхимиков — это носитель металлических свойств вещества, «сера» — горючих свойств, а «соль» придаёт телам способность растворяться в воде, придаёт им твёрдость и вкус.

Современная наука установила, что все окружающие нас тела действительно состоят из немногих «начал» — основных веществ вселенной, или, как их теперь называют, химических элементов. Но эти химические элементы не имеют ничего общего с «философскими элементами» учёных прошлых веков, когда думали, что «элементы» нематериальны, что они только характеризуют свойства различных тел, являются лишь суммой отдельных ощущений человека.

Передовая материалистическая наука отвергает такие ненаучные взгляды.

«Философский материализм Маркса исходит из того, что мир по природе своей материален», — писал И. В. Сталин. «В противоположность идеализму, утверждающему, что реально существует лишь наше сознание, что материальный мир, бытие, природа существует лишь в нашем сознании, в наших ощущениях, представлениях, понятиях, — марксистский философский материализм исходит из того, что материя, природа, бытие представляет объективную реальность, существующую вне и независимо от сознания, что материя первична, так как она является источником ощущений, представлений, сознания, а сознание вторично, производно, так как оно является отображением материи, отображением бытия, что мышление есть продукт материи, достигшей в своём развитии высокой степени совершенства, а именно — продукт мозга, а мозг — орган мышления, что нельзя поэтому отделять мышление от материи, не желая впасть в грубую ошибку» (Сталин).

Всё объективно существующее в мире материально. Материальны и все основные вещества мироздания — химические элементы.

Развитие науки об основных веществах вселенной тесно связано с именем великого русского учёного-химика Дмитрия Ивановича Менделеева, открывшего периодический закон химических элементов.

Этому закону и посвящена наша книжка.

ТЕЛА СЛОЖНЫЕ И ПРОСТЫЕ

Если через воду пропускать электрический ток, она разлагается на два новых вещества — на водород и кислород. Нагревая на огне известняк, можно разложить его на углекислый газ и негашёную известь. Полученные вещества можно в свою очередь разложить дальше: углекислый газ — на кислород и углерод, а негашёную известь — на кислород и металл кальций.

Различными способами — действием электричества, нагреванием, воздействием других веществ — можно разложить большинство тел природы, получить из одного вещества несколько других, более простых.

Вещества, которые можно разложить на другие, более простые, называются веществами сложными.

Однако не каждое вещество удаётся разложить на более простые. Есть группа таких веществ, которые далее не разлагаются, остаются неизменными. Так, не разлагаются углерод, кислород, водород и кальций. Нельзя разложить на более простые и некоторые другие вещества, например железо и медь, азот и хлор и ряд других. Это — простые вещества. Такие химически простые вещества называют также химическими элементами.

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

Около двух с половиной тысяч лет назад древнегреческие учёные-материалисты Левкипп и Демокрит высказали предположение, что все тела в мире состоят из мельчайших материальных частиц, далее неделимых, которые они назвали атомами. Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть, поэтому тела и кажутся нам сплошными.

В средние века учение об атомах было запрещено. В этом учении церковь увидела серьёзную опасность для религии. Таинственные, загадочные явления природы, для объяснения которых привлекались божественные силы, материалистическое учение об атомах объясняет естественными причинами, и церковь объявляет его противным религии, греховным.

Церковь запрещала научное исследование природы, справедливо считая, что оно подрывает веру в бога.

С XV–XVI веков наступает эпоха быстрого развития производительных сил. Наука восстаёт против религии. В книге, вышедшей в первой половине XVII века, французский учёный Гассенди возрождает учение древнегреческих мыслителей-материалистов об атомах. Атомы отличаются друг от друга формой, величиной и весом, — учит он, — но различных атомов в природе немного. Как же строится из них всё многообразие тел природы? Гассенди пишет, что подобно тому, как из трёх десятков букв составляются десятки тысяч различных слов, так из разных атомов строятся все тела мира. Атомы объединяются в различных соединениях в небольшие устойчивые группы — молекулы. В различных телах эти молекулы различны. Они отличаются друг от друга как числом входящих в их состав атомов, так и видом последних.

Представление об атомах и молекулах позволяет убедительно объяснять многие явления природы.

Почему, например, мы чувствуем запах цветов и различных пахучих веществ на расстоянии? Если предположить, что эти вещества не сплошные, а состоят из мельчайших частиц, тогда можно дать ответ на этот вопрос: от пахучих веществ отлетают отдельные частички, которые попадают к нам в нос, и мы чувствуем запах.

Просто объясняются и такие всем известные явления, как испарение воды при нагревании или растворение сахара в воде. Если предполагать, что вода и сахар являются сплошными телами, то очень трудно понять, как может в воде растворяться сахар, а сама вода при нагревании превращаться в пар. Если же допустить, что эти тела состоят из отдельных мельчайших частичек, то растворение сахара в воде и испарение воды станет легко объяснимым. Кусок сахара, попадая в воду, распадается в ней на мельчайшие, невидимые глазом частички, которые расходятся по всей жидкости. При испарении воды отдельные её частички отрываются от поверхности жидкости и поднимаются в воздух.

Дальнейшее развитие учение об атомах получает в трудах великого русского учёного М. В. Ломоносова. В своих сочинениях он подробно объяснил, как из невидимых, «нечувствительных», как он их называл, частичек вещества строятся различные тела природы.

Каждое тело состоит из молекул (или, как их называл Ломоносов, «корпускул»). Молекулы бывают однородными и разнородными. Однородная молекула состоит из одинаковых атомов. Разнородная молекула состоит из атомов, отличных друг от друга.

Из однородных молекул строятся простые тела. Сложные тела состоят из молекул разнородных.

Ломоносов считал также, что атомы в молекулах сложных тел могут располагаться по-разному; от различного расположения одних и тех же атомов зависят свойства сложных тел.

Теперь мы знаем, что различные тела природы строятся из атомов именно таким образом, как указывал Ломоносов.

Каждому химическому элементу соответствует определённый вид атомов, причём атомы разных химических элементов отличаются друг от друга своей массой. Атом каждого химического элемента имеет свой собственный, отличный от других атомов, вес.

СКОЛЬКО В МИРЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ?

Изучая состав различных тел, встречающихся в природе, химики уже в конце XVIII века насчитывали более 20 веществ, неразложимых далее химическим путём, более 20 различных химических элементов. В начале XIX века было открыто много новых химических элементов — калий, натрий, барий, стронций, магний и другие.

Дальнейшие поиски приводят учёных к открытию всё новых и новых элементов.

Химики изучают вновь найденные элементы, определяют их свойства, устанавливают атомные веса.

Вес отдельных атомов в граммах ничтожно мал. Так, например, вес атома водорода равен 0,000 000 000 000 000 000 000 167 грамма; вес каждого из атомов кислорода примерно в 16 раз больше: он равен 0, 000 000 000 000 000 000 002 657 грамма.

Такие числа трудно запоминать, они неудобны для расчётов. Поэтому в химии принят не вес атомов химического элемента в граммах, а его атомный вес. Атомный вес химического элемента — число относительное; оно показывает, во сколько раз вес атомов какого-либо элемента тяжелее или легче атомов другого химического элемента, вес которого уже известен.

В качестве единицы для сравнения химики взяли сначала самый лёгкий элемент — водород; вес его атомов был условно принят равным единице. Естественно, что атомные веса всех других химических элементов были больше атомного веса водорода и, следовательно, превышали единицу. Например, атомный вес натрия был равен 23, железа— 56, золота— 197 и т. д.

В дальнейшем для сравнения был взят атом кислорода, вес которого был принят равным точно 16; за единицу атомного веса была принята 1/16 веса атома кислорода (атомный вес водорода при этом равен 1,008).

В первой четверти XIX века были установлены единые условные обозначения известных в то время химических элементов. Каждый элемент стали обозначать одной или двумя латинскими буквами (первой или первой и одной из последующих букв латинского названия элемента). Например, латинская буква N обозначает азот (от слова Nitrogenium — азот), Cu — медь (Cuprum), Sn — олово (Stannum), Au — золото (Aurum), Pb — свинец (Plumbum) и т. д.

К середине прошлого века химикам было уже известно более 50 простых, неразлагаемых тел природы — более 50 различных видов атомов, из которых строится мироздание.

Но сколько в мире ещё неоткрытых химических элементов?

Ответа на этот вопрос никто дать не мог.

Не могли ответить химики прошлого века и на другой вопрос: связаны ли различные элементы друг с другом? Большинство учёных первой половины прошлого века считало, что различные химические элементы вообще не имеют между собой никакой связи, что бесцельно поэтому искать нечто единое, общее среди того разнообразия простых тел, какое мы наблюдаем в природе. Химические элементы, по мнению этих учёных, представляют собой совершенно независимые друг от друга, не имеющие между собой ничего общего вещества.

Но так ли это в действительности?

К этому времени в химии был накоплен большой опытный материал. Были изучены различные свойства не только всех известных к тому времени химических элементов, но и свойства многочисленных соединений этих элементов друг с другом. Таких соединений насчитывалось уже несколько тысяч.

Во всём этом множестве химических соединений необходимо было разобраться. Химия нуждалась в единой стройной системе, которая объединила бы и упорядочила это многообразие.

ВЕЛИКИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ

К концу 60-х годов прошлого века было известно уже 63 химические элемента.

Открытия новых элементов совершались случайно. Изучая те или иные вещества, химик обычно не подозревал, где и когда он может натолкнуться на новый вид атомов.

Так, химик Балар исследовал рассолы соляных промыслов Средиземного моря. Пропуская однажды через рассол газ хлор, он заметил, что цвет рассола изменился, стал бурым. Учёный заинтересовался этим явлением и ему удалось установить, что эту окраску сообщала рассолу неизвестная жидкость бурого цвета с резким неприятным запахом. Оказалось, что им был открыт новый химический элемент, названный бромом.

Столь же случайно открыты были иод, кадмий и другие химические элементы.

Так обстояло дело до 1869 года.

В марте месяце 1869 года на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге была зачитана работа молодого русского химика Д. И. Менделеева об открытой им зависимости свойств химических элементов от их атомного веса. Менделеев был в то время болен; его сообщение прочёл за него известный русский химик Н. А. Меншуткин. Д. И. Менделеев писал, что он создал естественную систему всех химических элементов, в которой они располагались друг за другом в порядке возрастания их атомных весов. В такой системе наблюдается замечательная закономерность: химические свойства элементов повторяются через определённые, правильные промежутки, повторяются периодически. Учёный так и назвал свою систему — периодической системой элементов.

Таким образом, Менделеев показал, что каждый химический элемент — это вид атомов, характеризующийся не только величиной атомного веса, но и местом, занимаемым в периодической таблице.

Великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (родился в 1834 году, умер в 1907 году).

Менделеев не был первым учёным, который искал единство в разнообразии химических элементов. Мысль о закономерной связи между свойствами химических элементов возникла ещё в XVIII веке. Однако попытки химиков найти закономерность среди химических элементов до Менделеева были безуспешными.

Представьте себе ряд химических элементов, расположенных в порядке возрастания их атомных весов.

При первом взгляде на такой ряд не видно никакой последовательности в изменении свойств химических элементов. Ни один элемент не походит на своих соседей. Сходство, однако, имеется, но не у элементов, стоящих рядом, а у элементов, разделённых другими, несходными химическими элементами.

ОПЫТЪ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВЪ,

ОСНОВАННОЙ НА ИХЪ АТОМНОМЪ ВѢСѢ И ХИМИЧЕСКОМЪ СХОДСТВѢ,

Д. Менделеев!» Рис. 1. Периодическая система химических элементов в том виде, в каком она была впервые опубликована (в 1869 году).

На рисунке 1 приведена периодическая система элементов в том виде, как она была впервые опубликована Д. И. Менделеевым. Вторым по порядку в этой таблице стоит элемент литий (Li). Это — лёгкий, так называемый щелочной металл; соединяясь с водой, он образует щёлочь. За ним следуют шесть элементов, свойства которых иные, чем у лития. Но седьмой элемент, натрий (Na), снова повторяет свойства лития; это — тоже щелочной металл. Ещё через шесть элементов, через период элементов, мы видим новый щелочной металл — калий (К).

Посмотрим, как повторяются свойства соседа лития — лёгкого металла бериллия (Be) — третьего по счёту химического элемента в таблице Менделеева. Оказывается, и здесь его свойства повторяются через тот же период — через шесть элементов находится химический элемент магний (Mg), тоже лёгкий металл, повторяющий в основных чертах свойства своего «родственника». Пропустите ещё шесть элементов, и вы увидите кальций (Са), напоминающий по своим свойствам бериллий и магний.

Таким же образом повторяются свойства бора (В) у элемента алюминия (Al), стоящего на седьмом после него месте, свойства фтора (F) — у хлора (Cl) и т. д.

Такая закономерность наблюдается, однако, не во всём ряду элементов. Начиная с калия, элементы с одинаковыми химическими свойствами располагаются уже не через шесть, а через шестнадцать мест друг от друга [1].

Подметив эти закономерности, Менделеев разделил весь ряд химических элементов на несколько частей — периодов — и затем расположил эти части одну под другой таким образом, что элементы со сходными свойствами поместились друг под другом, образуя вертикальные столбцы — группы сходных элементов:

литий — 7

бериллий — 9,4

бор — 11

углерод — 12

азот — 14

кислород — 16

фтор — 19

натрий — 23

магний — 24

алюминий — 27,4

кремний — 28

фосфор — 31

сера — 32

хлор — 35,5

и т. д. (цифры обозначают атомные веса элементов).

Свойства элементов в одном периоде изменяются также не случайно. И здесь имеется вполне определённая закономерность. Возьмём тот же период — от лития до фтора. Первым в нём стоит химически активный металл (литий); он легко вступает в соединения с другими веществами; за ним идёт металл, менее химически активный (бериллий); далее стоит элемент ещё менее активный, его металлические свойства выражены ещё слабее (бор). Затем мы видим уже переход от металлов к неметаллам (углерод, азот). Здесь химическая активность элементов идёт по восходящей линии: первый из элементов — азот — наиболее неактивный, следующий — кислород — уже значительно более активный металлоид (металлоид — значит неметалл) и последним стоит очень активный металлоид — фтор.

Чтобы яснее представить, как именно изменяются в периодической таблице свойства элементов по мере увеличения атомного веса, посмотрим, как изменяются некоторые их химические свойства.

Возьмём, например, такое важное химическое свойство, как валентность. Валентностью называется способность атома какого-либо элемента соединяться с определённым числом атомов другого элемента. Наименьшей валентностью обладает атом водорода, поэтому его валентность принята за единицу.

Валентность других химических элементов выражается числом, показывающим, сколько атомов водорода может присоединять или замещать атом того или иного элемента. Если атом элемента присоединяет или замещает один атом водорода, его валентность также равна единице; другими словами, говорят, что данный химический элемент одновалентен; если атом элемента присоединяет или замещает два атома водорода, элемент двухвалентен, и т. д.

Однако не все элементы обладают постоянной валентностью.

Так, например, углерод в окиси углерода (СО) — двухвалентен, а в углекислом газе (СО_2) он четырёхвалентен. Это зависит от условий, при которых образуется соединение. Здесь валентность углерода определяют по кислороду, так как кислород всегда двухвалентен. Если с одним атомом кислорода соединяется один же атом какого-то другого элемента (как в случае СО), то, значит, этот элемент двухвалентен. Если же один атом элемента соединяется с двумя атомами кислорода (как в случае СО_2), — валентность элемента равна четырём.

Кислород вступает в химические соединения с большинством химических элементов. Такие соединения носят название окислов. Изучая окислы, можно определить и валентность этих элементов, установить, как она изменяется в зависимости от положения элементов в периодической таблице.

Менделеев нашёл, что среди кислородных соединений можно выделить восемь основных групп. В соответствии с этим химические элементы можно разбить на группы, имеющие однотипные окислы. Так, литий, калий, натрий и некоторые другие образуют окислы, в которых с одним атомом кислорода соединяются два атома металла — Li_2O, Na_2O, К_2O и т. д. Это — группа одновалентных элементов. Все они и входят как раз в первый вертикальный столбец периодической таблицы (см. табл, на стр. 20–21).

В другой группе элементы дают окислы, у которых на один атом кислорода приходится один атом металла, например CaO, ZnO. Эти элементы составляют второй столбец таблицы Все они имеют наивысшую валентность в кислородных соединениях, равную двум. В третий столбец входят трёхвалентные элементы и т. д.

В каждом периоде располагаются все восемь основных типов окислов Если мы рассмотрим вышеприведённые периоды — от лития до фтора и от натрия до хлора, то увидим, что наивысшая валентность в кислородных соединениях у этих элементов будет увеличиваться в периоде слева направо: 1, 2, 3, 4 и т. д, а затем в последней группе — инертных газов (см рис. 2) — она падает до нуля.

Такую же картину мы наблюдаем в других периодах. Таким образом, в то время как атомные веса в таблице беспрерывно растут, валентность элементов периодически колеблется.

Окислы различных элементов, имеющие отличные друг от друга химические свойства, размещаются в периодической таблице также закономерно. В первых двух группах располагаются окислы металлов, которые при химическом соединении с водой дают особую группу химических соединений, так называемые основания. Большинство оснований в воде нерастворимо. Но немногие, растворяясь, образуют щёлочи, например:

Na_2O + H_2O = 2NaOH

окисел натрия + вода = две молекулы едкого натра

К_2O + Н_2O = 2КОН

окисел калия + вода = две молекулы едкого кали

Щёлочи называются едкими потому, что они разрушают большое число органических веществ, например жиры, сахар и многое другое.

Окислы металлоидов, соединяясь с водой, образуют другие химические соединения — кислоты, которые обладают кислым вкусом и разъедают металлы. Все кислоты имеют в своём составе атомы водорода, например:

SO_3 + Н_2O = H_2SO_4

окисел серы + вода = серная кислота

CO_2 + Н_2O = H_2CO_3

окисел углерода + вода у + угольная кислота

К кислотным окислам относятся главным образом окислы IV–VIII групп периодической таблицы элементов.

Таким образом, в таблице Менделеева слева располагаются щелочные окислы, а справа — типичные кислотные. У серединных элементов наблюдается постепенное снижение щелочных и нарастание кислотных свойств. Так, у элементов III и IV групп слабо выражены как кислотные, так и основные свойства.

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, объединив в одно целое разрозненные до этого химические элементы, показала их естественную последовательность. До открытия Менделеева химические элементы казались ничем не связанными друг с другом, независимыми друг от друга. Периодический закон показал, что это не так. Все химические элементы взаимно обусловливают друг друга; именно поэтому они располагаются в периодической таблице в определённом естественном порядке.

Закон Менделеева показал, что химические элементы, т. е. основные вещества, из которых строятся все окружающие нас тела, едины по своей природе.

Вместе с тем периодическая система элементов позволила научно предсказывать существование в природе новых, ещё не известных химических элементов и их свойств! Слепым поискам неизвестных простых тел природы был положен конец.

ПРЕДВИДЕНИЕ УЧЁНОГО

В поисках всеобъемлющей связи между химическими элементами Д. И. Менделеев взял за основу их атомный вес. Но при изучении построенной им таблицы элементов великий учёный стремился прежде всего найти естественную, действительно существующую закономерность в изменении свойств элементов в зависимости от массы их атомов.

Составляя свою знаменитую таблицу, Менделеев руководствовался не только атомным весом, но и всей совокупностью свойств каждого отдельного элемента.

Найдя основную закономерность, определив периодическую зависимость свойств химических элементов от их положения в периодической системе, Д. И. Менделеев сделал отсюда замечательный вывод. Он понял, что знание того, как должны изменяться свойства химических элементов в периоде, какова периодическая повторяемость свойств у разных элементов, даёт в руки химика необыкновенные возможности проверять правильность атомных весов элементов; более того, видеть, где, в каком из периодов таблицы нет «полного набора» элементов, и таким образом строго научно предсказывать существование в природе ещё не открытых элементов!

«Каждый естественный закон, — писал Д. И. Менделеев, — однако, тогда только приобретает особое научное значение, когда из него есть возможность извлекать практические, если можно так выразиться, следствия, то есть такие логические заключения, которые объясняют не объяснённое ещё, указывают на явления, до тех пор неизвестные, и, особенно, когда он даёт возможность делать такие предсказания, которые возможно подтвердить опытом. Тогда очевидной становится польза закона и получается возможность испытать его справедливость».

Убеждённый в правоте своих выводов, он приступает к исправлению и дополнению своей таблицы.

Так, если считать, что атомный вес урана равен 120, то его место должно находиться где-то посредине периодической таблицы. Но Менделеев видит, что уран по его свойствам должен находиться не в середине, а в самом конце таблицы, и учёный смело исправляет принятый в то время вес урана — увеличивает его вдвое. Проверка атомного веса устанавливает, что Менделеев прав. Точно так же учёный исправил атомные веса элементов индия, церия и других.

Изучая свойства элементов по периодам, Менделеев увидел далее, что периодическая последовательность в изменении свойств химических элементов в отдельных местах нарушается. Так, на месте элемента, родственного алюминию (Al), стоял согласно атомному весу титан (Ti). Но этот элемент обладает совершенно иными свойствами. Более того, если всё же оставить титан на этом месте, то тем самым нарушается последовательность в периодичности свойств и у других элементов.

Для Менделеева, убеждённого в правоте своего закона, было ясно, что на месте титана должен стоять какой-то другой элемент. Но какой? Среди известных элементов, близких по атомному весу к титану, таких элементов не было.

Учёный был уверен, что такой элемент должен существовать в природе. И он оставляет в своей таблице для этого ещё не открытого элемента пустое место с вопросительным знаком, Менделеев даёт этому элементу условное название — экаалюминий.

Он подробно описывает свойства этого «ещё ни одному человеку в мире неизвестного элемента. В статье, напечатанной в журнале Русского химического общества за 1871 год, учёный пишет, что атомный вес экаалюминия близок к 68, его удельный вес около 6,0, температура плавления очень низка — в чистом виде этот металл должен плавиться в руке человека; химическое соединение неизвестного элемента с кислородом — его окись — очень летуче, поэтому всего вероятнее, что новый элемент должен быть открыт при помощи спектрального анализа (об этом особом способе физического исследования см. далее, стр. 26).

Помимо экаалюминия, Менделеев предсказывает также открытие экабора и экакремния — элементов, родственных по их свойствам бору и кремнию.

«Это применение закона периодичности показывает всю его силу и новизну, потому что, должно сознаться, до сих пор мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения. И оттого-то только слепой случай и особая прозорливость и наблюдательность вели к открытию новых элементов. Теоретического интереса в открытии новых элементов вовсе почти не было и от того важнейшая область химии, а именно, изучение элементов, до сих пор привлекала к себе только немногих химиков. Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь…», — так определяет Д. И. Менделеев значение периодического закона для научного предсказания существования в природе неизвестных ещё химических элементов.

КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЁН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА

20 сентября 1875 года на заседании Парижской Академии наук было зачитано письмо французского химика Лекок-де-Буабодрана об открытии им нового химического элемента — галлия. Галлий был обнаружен в минерале цинковая обманка при помощи спектрального анализа.

Первые же испытания нового элемента показали, что по своим свойствам он очень похож на алюминий.

Это был предсказанный Д. И. Менделеевым в 1871 году экаалюминий.

6 ноября 1875 года в протокол заседания Русского химического общества заносится: «Менделеев обратил внимание на то, что элемент, открытый недавно Лекок-де-Буабодраном…, совпадает с долженствующим существовать экаалюминием, свойства которого указаны четыре года назад и выведены Менделеевым на основании периодического закона. Если галлий тождественен с экаалюминием, то он будет иметь атомный вес 63, плотность 5,9…».

Все предсказанные Менделеевым свойства нового элемента подтвердились!

Интересно отметить, что Буабодран на первых порах неверно определил удельный вес галлия. Д. И. Менделеев тут же написал в Париж письмо, указав, что Буабодран ошибся. Французский химик повторил опыт и убедился, что Менделеев прав, — удельный вес галлия оказался равным, как и предсказывал русский химик, около 6, а именно 5,94.

В 1880 году было получено новое подтверждение закона Менделеева: в Швеции был открыт экабор — скандий (Sc). Нильсон, открывший этот новый элемент, писал: «Не остаётся никакого сомнения, что в скандии открыт экабор… Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперёд указать его важнейшие свойства».

Третий из предсказанных Д. И. Менделеевым в 1871 году элементов — экакремний (германий) — был найден немецким учёным Винклером в 1886 году. Свойства нового элемента почти в точности совпали с предсказанными.

Оценивая это открытие, Ф. Энгельс писал, что Менделеев совершил научный подвиг.

Менделеевым было предсказано открытие и других химических элементов, в том числе полония, рения, протактиния и других. Все они позднее были найдены.

Рис. 2. Современная периодическая система элементов.

В конце прошлого века были открыты упомянутые нами ранее инертные, недеятельные газы — аргон и другие. По своим свойствам эти газы отличались от всех известных элементов. Они не давали никаких химических соединений с другими элементами (в наше время некоторые из таких газов — аргон и неон — используются в газосветных трубках для светящихся реклам).

Встал вопрос: куда поместить их в таблице Менделеева? Затруднение было разрешено просто. Инертные газы — всего их было открыто шесть — были помещены в отдельную, нулевую группу. Заканчивая периоды, эти газы как бы закрывают разрыв в свойствах между последним в периоде наиболее активным металлоидом и первым в следующем периоде наиболее активным металлом. Что в природе должны существовать эти элементы, об этом говорил сам Менделеев. В 1870 году он писал, что заметно отсутствие элементов между водородом и литием и между натрием и фтором. Именно на этих местах теперь и стоят инертные газы: гелий и неон.

На рис. 2 приведена современная периодическая система химических элементов. В ней все элементы расположены в десяти горизонтальных рядах, составляющих семь периодов — коротких и длинных, и в девяти вертикальных столбцах — группах.

Периоды заключают в себе разное число элементов: в первом периоде всего два элемента — водород и гелий; во втором и третьем — по восьми элементов; в четвёртом и пятом — по восемнадцати; в шестом, самом большом периоде таблицы заключено тридцать два химических элемента; здесь в клетке под № 57 помещается сразу 15 элементов — от лантана до лютеция, очень похожих по химическим свойствам друг на друга; это — так называемые «редкоземельные» элементы, или лантаниды (лантаноиды); они выделяются обычно в отдельную группу (см. внизу таблицы на рис. 2); и, наконец, последний, седьмой, неполный период включает в себя двенадцать химических элементов; сюда входят особой группой так называемые актиниды (актиноиды), в числе которых находятся и все элементы с атомным весом, большим атомного веса урана; начинается этот период с искусственно полученного элемента франция и обрывается калифорнием.

Таким образом, всего до настоящего времени получено искусственно 10 химических элементов; это — технеций (№ 43), прометий (№ 61), астатин (№ 85), франций (№ 87) и шесть заурановых элементов (см. о них далее, стр. 39). Все эти элементы являются продуктами превращений других элементов, осуществлённых в лабораториях учёными.

Каждый из первых шести периодов заканчивается инертным газом.

ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВСЕЛЕННАЯ

Закон Менделеева явился могучим помощником человека в познании природы. И в первую очередь он показал материальное единство вселенной.

Из каких химических элементов состоят различные окружающие нас тела — воздух, вода, земля, горные породы, растения и животные? Из чего состоят Солнце и звёзды?

Эти вопросы давно интересовали человека.

Уже в прошлом веке были произведены детальные анализы многочисленных горных пород, составляющих земной шар. Результат оказался неожиданным. При всём разнообразии встречающихся в земной коре горных пород оказалось, что они состоят главным образом из немногих химических элементов — кремния и кислорода, железа и алюминия, кальция и магния, натрия и калия и некоторых других. Эти элементы входят в состав земной коры в виде соединений с кислородом.

Более всего в составе земной коры (до глубины 16 километров) кислорода; он составляет около 50 процентов всего её вещества. Четвёртую часть коры земного шара занимает кремний. Около семи-восьми процентов её вещества по весу падает на долю алюминия и около четырёх — на долю железа. Магний, кальций, калий и натрий, вместе взятые, составляют немного более 10 процентов от массы земной коры; и всего несколько процентов вещества земной коры состоит из остальных восьми десятков химических элементов. Некоторые из этих элементов, такие, как железо, олово, медь, хром, никель и другие, находятся в земле в виде рудных скоплений — рудных залежей.

Другие элементы рассеяны в земной коре.

К таким относятся, например, скандий, гафний и другие. Эти элементы носят название «редкие», хотя общее количество таких «редких» элементов в земле не так уж мало. Часто их больше, чем обычных, «нередких» элементов. Так, «редкого» элемента циркония в земной коре во много раз больше, чем свинца.

«Редкими» такие элементы называют потому, что они рассеяны в земле и извлечение их из горных пород — очень трудоёмкое дело [2].

С глубиной процентное содержание химических элементов меняется. Увеличивается содержание железа и магния, уменьшается количество кислорода, натрия, калия, алюминия, кремния.

Изучением распространения и истории химических элементов в земной коре занимается особая наука — геохимия.

Очень «беден» химический состав веществ и органического, «живого» происхождения. Десятки тысяч разнообразнейших органических тел природы состоят главным образом из 6–8 веществ — углерода, азота, кислорода, водорода и некоторых других.

Был определён и состав воздуха. Главными составными его частями являются азот и кислород (помимо этих элементов, в составе воздуха находятся газы аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и углекислый газ).

Таким образом, химические элементы, которые входят в менделеевскую таблицу, образуют разнообразные вещества живой и неживой природы.

В настоящее время химикам хорошо известно, например, какие химические элементы входят в состав тел животных. И здесь, оказывается, мы встречаемся с теми же элементами — с кислородом и углеродом, с азотом и кальцием, серой и фосфором, с натрием и калием.

В прошлые века многие из учёных полагали, что тела живой и неживой природы — это несравнимые вещи. Одно дело, например, «мёртвый» камень и совсем другое — какой-нибудь растительный или животный организм. Камень и любое другое тело неживой природы можно научиться создавать искусственным путём. Получать же искусственно вещества живой природы якобы невозможно, так как в их создании участвует особая «жизненная сила».

Такие взгляды особенно рьяно поддерживала церковь. Она видела в них подтверждение существования бестелесной, таинственной и неуловимой души.

Наука опровергла эти ненаучные взгляды. Около 130 лет назад была впервые искусственно получена мочевина — вещество, которое до того создавалось только живыми организмами.

А немного позже известный русский химик Н. Н. Зинин разработал получение из бензола основы красителей — анилина. Раньше анилин получали из природного красителя — индиго.

В наши дни химики создают искусственным путём не только многие сотни веществ «живого» происхождения, но получают и такие органические вещества, которых не создаёт живая природа!

Материальное единство окружающего нас мира теперь доказано наукой. Все многочисленные тела как живой, так и неживой природы состоят из мельчайших материальных частичек — атомов различных химических элементов. Их взаимосвязь определяется великим законом природы — периодическим законом Д. И. Менделеева.

Но возникает ещё один интересный вопрос: из какого вещества, из каких элементов состоят небесные тела, звёзды и планеты? Справедлив ли закон Менделеева и для вселенной?

Современная наука даёт ответ и на этот вопрос. Да, справедлив.

Уже издавна люди наблюдали падение на землю «небесных камней» — метеоритов.

Естественно, что очень интересно выяснить, из каких химических элементов состоят «небесные камни».

Многочисленные анализы метеоритов, как каменных, так и железных, показали, что вещество, попадающее к нам из глубин вселенной, состоит из тех же химических элементов, которые объединяет таблица Менделеева.

Ни одного нового, неизвестного нам на земле элемента в составе метеоритов нет!

Определён теперь и состав раскалённых небесных тел — солнца и звёзд. Об этом человеку рассказали лучи света, приходящие на Землю от далёких звёзд.

В середине прошлого века философ-идеалист О. Конт, пытаясь доказать, что наше познание природы ограничено, приводил такой пример: человек никогда не узнает, из чего состоят звёзды и солнце, какова температура этих небесных тел и т. д. Ведь солнце и звёзды — это раскалённые небесные тела.

Рис. 3. Стеклянная призма разлагает белый свет на цветные лучи.

Если даже предположить, что в отдалённом будущем люди построят межпланетные летательные аппараты, они всё равно не смогут приблизиться к поверхности солнца и звёзд, так как температура этих небесных тел очень высока.

Наука опровергла ложные доводы этого философа.

Всего несколько лет спустя после этого высказывания Конта был открыт новый плодотворный способ исследования небесных тел — спектральный анализ.

Сущность этого способа, коротко говоря, состоит в следующем: белый свет, который мы наблюдаем в жизни, при определённых условиях разлагается на цветные лучи. В этом можно убедиться при помощи очень простого опыта.

Поставьте на пути луча света кусок стекла, имеющий вид клина, так называемую трёхгранную призму (рис. 3).

Проходя через такую призму, свет меняет своё прямолинейное направление или, как говорят, преломляется в ней и одновременно разлагается на составляющие его цветные лучи. Образуется так называемый спектр цветных лучей. В спектре принято выделять семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый, переходящие друг в друга.

Объясняется это явление тем, что лучи разных цветов по-разному преломляются в трёхгранном куске стекла — менее других отклоняются в призме красные лучи, более всех других лучей — фиолетовые.

Изучая спектры света от различных источников, учёные обнаружили одну замечательную их особенность. Свет, который исходит от раскалённых твёрдых и жидких тел, даёт всегда сплошной спектр, т. е. цветные лучи-полоски следуют в нём друг за другом и всегда в одном и том же порядке.

Но совсем иной спектр получается, если свет испускают раскалённые пары какого-либо вещества. Этот спектр состоит из тонких цветных линий, разделённых тёмными полосками. Такой спектр называется линейчатым.

И вот оказывается, что каждый химический элемент имеет свой, отличный от других линейчатый спектр. Например, раскалённые пары натрия дают спектр, состоящий из двойной жёлтой линии; в спектре паров элемента лития имеются характерные — одна красная и одна оранжевая — линии; раскалённые пары калия показывают две характерные линии — красную и фиолетовую и т. д.

Открытие этой замечательной особенности — способности веществ давать свой, отличный от других спектр излучения, когда они находятся в состоянии раскалённых газов, и явилось основой необычайно чувствительного спектрального анализа[3]. С помощью этого способа исследования в первые же годы его применения было открыто несколько новых, ранее неизвестных химических элементов (в том числе упомянутый ранее галлий). Эти элементы встречаются только в рассеянном состоянии. Поэтому ранее они ускользали от внимания исследователя. Способ спектрального исследования тел природы позволил обнаруживать миллионные и миллиардные доли грамма вещества.

Каждое новое простое тело давало о себе знать новым сочетанием цветных линий в спектре, новым линейчатым спектром.

Спектральное исследование лучей света, идущих от небесных тел, и позволило определить, из каких элементов состоят звёзды.

Ещё до открытия линейчатых спектров было замечено, что спектр солнечных лучей, который долгое время считали сплошным, на самом деле не сплошной, а пересекается множеством тонких тёмных линий.

Разгадка этих линий была найдена после открытия спектрального анализа. Оказывается, тёмные линии образуются в спектре потому, что свет на своём пути проходит через несветящиеся пары некоторых элементов. Так, например, если свет проходит через охлаждённые пары калия, то в сплошном спектре, в местах, где располагаются цветные линии этого элемента — красная и фиолетовая, — появятся соответственно две тёмные линии.

Такие спектры, состоящие из тёмных линий на фоне цветных полос, называют спектрами поглощения.

Спектры поглощения и помогли узнать состав небесных тел.

Изучение спектра поглощения солнечных лучей показало, что солнечный свет проходит на своём пути через более холодные пары очень многих химических элементов — железа, водорода, гелия, натрия, кальция, кремния и других.

Возник вопрос: где же находятся эти пары? Дать на него ответ не представляло трудности. Известно, что в атмосфере Земли нет паров всех тех элементов, о которых говорит солнечный свет. Не могут эти элементы находиться также в межзвёздном пространстве, и вот по какой причине. Спектры поглощения света, идущего от разных звёзд, различны. Значит, свет разных звёзд встречает на своём пути к Земле разные химические элементы (в виде охлаждённых, несветящихся паров). Отсюда ясно, что все те химические элементы, о которых говорят солнечный свет и свет звёзд, находятся в виде паров у самого Солнца, у самой звезды в их внешних, более холодных слоях. Обнаруженные исследованием элементы должны, следовательно, входить в состав этих небесных тел.

Изучение спектров солнечного света показало, что атмосфера Солнца состоит в основном из паров таких химических элементов, как натрий, железо, кальций, кремний и другие. Более плотная часть атмосферы Солнца — хромосфера — содержит в себе главным образом водород, а также гелий.

Изучение спектров небесных тел с неопровержимой убедительностью доказало материальное единство вселенной. Многочисленные спектры Солнца, звёзд, туманностей показали, что ни на одном из небесных тел нет таких элементов, которые были бы неизвестны нам, жителям Земли, нет элементов, которые не входят в периодическую таблицу элементов Д. И. Менделеева. Так, в настоящее время на Солнце найдено уже более 60 химических элементов и все они известны нам по таблице Менделеева.

Весь звёздный мир, вся вселенная, бесконечно разнообразная, состоит из одних и тех же основных веществ мироздания. Мир, во всём своём многообразии, един по своей природе!

«…рождается вопрос: конечно или бесконечно число элементов?», — писал Д. И. Менделеев в 1871 году в своей статье «Периодическая законность для химических элементов» и давал на него ответ: «Судя по ограниченности и, так сказать, замкнутости системы известных поныне элементов, судя по тому, что в метеорных камнях, на солнце и звёздах существуют те же элементы, какие мы знаем, судя по тому, что при высоком атомном весе сглаживаются… свойства элементов… можно думать, что число доступных нам элементов очень ограничено, и если существуют немногие новые тяжёлые элементы внутри массы земли, то число и количество их очень ограничено».

СОВРЕМЕННАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

В 1905 году, незадолго до смерти, Д. И. Менделеев писал: «…периодическому закону будущее грозит не разрушением, а только надстройки и развитие быть обещаются». История дальнейшего развития науки показала всю справедливость этого предвидения.

Конец XIX и начало XX века ознаменовались рядом крупных научных открытий в области физики и химии. Эти открытия заставили учёных коренным образом пересмотреть представление об атоме и в особенности об атомном весе, этом наиболее индивидуальном качестве химического элемента, на которое опирался в своей работе Д. И. Менделеев.

В 1895 году Рентгеном были открыты новые, неизвестные дотоле лучи с большой проникающей способностью [4].

В поисках других подобных лучей профессор Беккерель открыл в следующем году вещество, которое самопроизвольно, без влияния внешнего воздействия, испускает лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Это было соединение урана. Явление самопроизвольного распада было названо радиоактивностью (излучением).

Вскоре было установлено, что радиоактивность — явление, распространённое в природе. Оно было обнаружено у элементов тория, актиния и других.

М. Складовская-Кюри, исследуя урановую руду, открыла новый элемент — радий, расположенный в современной периодической таблице элементов под номером 88. Изучение его свойств показало, что этот элемент родственен барию.

Была установлена природа радиоактивного излучения. Как оказалось, при радиоактивном распаде вещества выделяются три рода лучей: они были названы альфа-, бета- и гамма-лучами (альфа, бета и гамма — первые буквы греческого алфавита).

Альфа- и бета-лучи отклоняются в магнитном поле и, следовательно, являются электрически заряженными (рис. 4).

Гамма-лучи магнитным полем не отклоняются; по природе они родственны лучам Рентгена.

Рис. 4. Излучение радия под действием магнитного поля.

Дальнейшее исследование радиоактивных лучей выявило, что альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц, масса которых равна массе атома гелия. Бета-лучи несут на себе отрицательные электрические заряды. Таким образом, открытие радиоактивных веществ показало, что атом не является простейшей неделимой частичкой.

И действительно, вскоре было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого на определённых расстояниях вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны. Электроны образуют так называемые электронные оболочки атома. Заряд ядра атома уравновешивается суммой зарядов находящихся в нём электронов.

Хотя ядро атома занимает ничтожно малую часть объёма атома, в нём сосредоточена почти вся его масса.

Самый простейший атом — атом водорода. Он имеет ядро, несущее на себе один положительный заряд, и один электрон, который вращается вокруг ядра.

Электроны располагаются в атомах как бы по слоям, распределены в них на определённых уровнях, причём в каждом слое может находиться только определённое число электронов. Например, первый слой «вмещает» всего два электрона, второй — восемь и т. д.

Атомы, как уже говорилось, в целом электронейтральны. Однако при известных условиях они способны терять из внешней оболочки свои электроны или, наоборот, захватывать на свою внешнюю оболочку «чужие» электроны. В этом случае атом становится электрически заряженной частичкой — ионом.

Притягиваясь друг к другу, различно заряженные ионы — положительные и отрицательные — и образуют молекулы сложных веществ.

Металлы относятся к элементам, которые легко отдают свои электроны. Наоборот, неметаллы — металлоиды — стремятся «захватить» во внешнюю оболочку «лишние» электроны.

Некоторые элементы имеют свойства как металлов, так и неметаллов. Их называют амфотерными.

Способность отдельных атомов отдавать определённое число электронов или присоединять их и определяет валентность химических элементов.

Исследования строения атома показали связь между химическими свойствами элементов и строением электронных оболочек атома.

Возьмём для примера химический элемент литий (Li), начинающий второй период. В его электронной оболочке имеется три электрона. Два из них располагаются в первом слое, а третий образует новый слой, удалённый от ядра на большее расстояние. Этот последний электрон менее устойчив в системе; атом может легко его отдать, превращаясь при этом в положительно заряженную частицу — положительный ион.

Благодаря этому литий и принадлежит к химически активным элементам.

У каждого следующего за литием элемента — вплоть до неона — во внешнем электронном слое прибавляется по одному электрону. Неон завершает собой второй период таблицы Менделеева; в его внешнем электронном слое все восемь мест оказываются занятыми. У неона очень трудно «изъять» любой из восьми электронов его наружного электронного слоя.

Именно поэтому неон и является инертным газом: только с большим трудом он вступает в химические соединения с другими элементами.

Новый — третий — период в системе Менделеева начинает элемент натрий. У этого элемента 11 электронов, из них 10 находятся в ближних к ядру двух электронных слоях, полностью завершённых, а последний, одиннадцатый, начинает собой «застройку» нового, третьего, внешнего электронного слоя. Этот одиннадцатый электрон ещё легче, чем у лития, может быть оторван от атома, так как он находится ещё дальше от ядра. Поэтому натрий, как и литий, характеризуется высокой химической активностью.

Третий период заканчивает аргон; он, как и неон, входит в группу инертных газов Его внешний электронный слой заполнен уже целиком, включая в себя также восемь электронов, и он поэтому «безразличен» к другим химическим элементам.

Таким образом, завершённой электронной группировкой (слоем) в атоме заканчивается каждый период химических элементов в таблице Менделеева. Первому периоду соответствует слой, состоящий из двух электронов, второму и третьему — слой из восьми электронов. Далее следуют четвёртый и пятый периоды (см. таблицу Менделеева), объединяющие в электронных слоях по 18 электронов.

Шестой период, состоящий из 32 элементов, содержит электронный слой, имеющий 32 электрона.

У инертных элементов этих периодов внешняя электронная оболочка состоит из такой же устойчивой, «завершённой» группировки электронов, какую имеют неон и аргон.

Седьмой период — незаконченный, он не имеет завершённой электронной оболочки.

Если мы проследим, как в связи со строением электронных оболочек атомов изменяются химические свойства элементов, то мы увидим, что с увеличением числа электронов во внешней оболочке атомов каждого периода постепенно уменьшается способность атомов терять свои «внешние» электроны.

Одновременно с этим начинает проявляться другая способность атомов — легко «достраивать» свою внешнюю электронную оболочку до наиболее устойчивой структуры, то есть до восьми электронов. Эта способность наибольшая у электронов седьмой группы — у фтора, хлора и других. Поэтому атомы этих элементов легко образуют отрицательно заряженные ионы.

Как вы уже знаете, каждая группа элементов в периодической таблице объединяет в себе элементы, родственные по химическим свойствам. Решающую роль в этом играет структура внешней электронной оболочки.

Зная, в какую группу входит тот или иной элемент, можно заранее предугадать его химические свойства и родство с другими элементами.

Элементы средних групп, в особенности четвёртой (например, углерод, кремний, олово, свинец), как мы уже теперь легко можем сами подсчитать, содержат на внешней оболочке четыре электрона. Элементы этих групп имеют или очень слабо выраженные свойства металлов, или свойства металлоидов (например, углерод, кремний), или свойства металлов и металлоидов одновременно. К последним относятся, например, олово и свинец. Эти элементы обладают одинаковой способностью образовывать как положительно, так и отрицательно заряженные ионы.

Изучение электронного строения атомов показало также, что место химического элемента в таблице Д. И. Менделеева определяется не атомным весом элемента, а величиной заряда его ядра. Положительный заряд ядер различных химических элементов различен: заряд ядра водорода, как говорилось, равен единице, заряд ядра гелия равен двум, лития — трём единицам и т. д. Иными словами, заряд ядра у различных атомов численно совпадает с порядковыми номерами химических элементов в таблице Менделеева. Так, заряд ядра лития равен трём единицам и его порядковый номер в таблице — три, заряд ядра натрия 11, таков же и его порядковый номер в таблице и т. д.

Таким образом, в настоящее время периодический закон Д. И. Менделеева формулируется следующим образом: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их порядковых номеров.

Очень интересно отметить, что при распределении элементов в своей таблице Д. И. Менделеев безошибочно поставил на свои места такие элементы, как кобальт и никель, иод и теллур. Как теперь установлено, такое их расположение, хотя оно и нарушает последовательность в возрастании атомных весов, в точности соответствует заряду ядер атомов этих элементов!

Изучение радиоактивности привело учёных к открытию, что среди радиоактивных элементов имеются такие, которые, несмотря на различие в атомном весе, обладают совершенно одинаковыми химическими свойствами. Эти элементы не могут быть химически отделены друг от друга.

Такие элементы были названы изотопами.

Дальнейшие исследования показали, что изотопы имеются не только среди радиоактивных, но и среди большинства элементов периодической системы. В природе химические элементы оказались «смешанными», состоящими из нескольких изотопов.

В настоящее время известно уже до 1000 различных изотопов.

Явление изотопии изменило весь внешний облик периодической системы. Как теперь установлено, существуют многие группы химических элементов — изотопов, каждая из которых занимает только одну клетку, одно место в таблице Менделеева.

Явление изотопии дало также возможность объяснить нарушения в последовательности атомных весов элементов, встречающихся в таблице Д. И. Менделеева, — у теллура, иода и других.

Дальнейшее уточнение и пополнение таблицы Менделеева принесло изучение атомного ядра.

Первое расщепление атомного ядра было произведено 35 лет назад, в 1919 году, когда при облучении («бомбардировке») атомов азота альфа-частицами, вылетающими при распаде радия, были получены атомы одного из изотопов кислорода (с атомным весом 17). В опытах по расщеплению ядер было установлено, что в состав ядер входят положительно заряженные элементарные частицы — протоны, или, иными словами, ядра атомов водорода (как известно, заряд ядра атома этого элемента равен единице и является поэтому минимальным положительным зарядом ядерной частицы).

Было предположено, что в состав атомных ядер входят протоны и электроны. Однако это предположение оказалось неверным.

В 1932 году при «бомбардировке» альфа-частицами атомов элемента бериллия была открыта новая частица, входящая в состав атомного ядра, названная нейтроном. Масса этой частицы почти точно равна массе протона, но в отличие от него нейтрон не несёт никакого заряда.

Открытие нейтрона позволило установить строение атомных ядер. Советский физик Д. Д. Иваненко предложил рассматривать ядро как систему, состоящую из нейтронов и протонов.

Таким образом, на основе известных нам теперь данных можно считать, что все атомы химических элементов построены из трёх основных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Первые две частицы определяют строение ядра, а также величину атомного веса, а электроны — внешнюю оболочку атома.

Было установлено, что для каждого ядра существуют определённые соотношения протонов и нейтронов, в противном случае ядро перестаёт быть устойчивым.

Если каким-нибудь образом изменить соотношение нейтронов и протонов в ядре, то при избытке первых в ядре происходит превращение нейтронов в протоны с излучением одного электрона, который увеличивает тем самым заряд ядра на одну единицу. Наоборот, при избытке протонов последние превращаются в нейтроны, излучая при этом положительно заряженную элементарную частицу — позитрон, — и заряд ядра понижается на единицу.

Наиболее устойчивой комбинацией протонов и нейтронов считается такое их количество, которое соответствует образованию альфа-частицы, то есть два протона и два нейтрона.

Дальнейшие исследования состава ядер отдельных элементов показали, что у лёгких атомов число нейтронов и протонов равно, и поэтому такие атомы устойчивы.

Но по мере возрастания атомного веса избыток нейтронов становится всё более значительным, а, начиная с элемента № 81 (таллий), эта разница в соотношении нейтронов и протонов возрастает ещё быстрее. Вот почему среди элементов, следующих за таллием, мы находим большое число естественных радиоактивных элементов.

Новые достижения в науке об атомном ядре связаны с работами французских учёных супругов Жолио-Кюри. Облучая альфа-частицами атомы кремния, алюминия и бора, они получили искусственные радиоактивные изотопы фосфора и азота.

Позднее получены искусственным путём радиоактивные изотопы почти для всех элементов. При этом были получены последние четыре недостающие элемента периодической таблицы с атомными номерами 43, 61, 85 и 87.

Элемент № 43 — технеций (Тс) — был открыт в 1937 году при «бомбардировке» молибдена нейтронами и ядрами изотопа водорода — так называемого тяжёлого водорода. Опыты показали, что технеций по своим свойствам гораздо больше похож на более тяжёлый, родственный ему элемент рений, чем на вышестоящий в группе марганец.

Назван он был технецием потому, что был первым элементом, полученным искусственным путём.

Элемент № 61 —прометий (Pm) — был найден при исследовании продуктов деления ядер атомов урана. Этот элемент входит в состав группы редкоземельных элементов и по своим свойствам похож на предшествующий ему элемент неодим (см. таблицу Менделеева).

Элемент № 85 — астатин (At) — был получен из висмута действием альфа-частиц. При низких температурах он летуч. Учёные, открыв этот элемент, дали ему название нестабильный, что по-гречески и означает астагин (так как это единственный галоген, не имеющий стабильных изотопов).

И, наконец, элемент № 87 — франций (Fr) — был получен при альфа-распаде актиния. Это — наиболее тяжёлый из всех известных нам щелочных металлов.

Существование технеция, астатина и франция также было предсказано Менделеевым.

Чтобы закончить рассмотрение периодического закона химических элементов, необходимо ещё остановиться на новых элементах выше № 92, так называемых трансурановых или заурановых элементах.

Попытки найти или получить заурановые элементы делались уже давно, но получены эти элементы были лишь после того, как в 1939 году было открыто явление деления ядер урана нейтронами.

Процесс этого деления урана состоит в следующем. Уран встречается в природе в виде смеси изотопов с массой главным образом 235 и 238. Урана с массой 235 очень мало — не более 0,7 процента, остальная часть приходится на уран 238.

При обстреле атомов урана нейтронами уран 235 захватывает один нейтрон и превращается в уран с массой 236. Этот изотоп нестоек и в свою очередь приводит к распаду ядра с цепью радиоактивных превращений. При этом, — что очень важно, — всегда освобождается два-три нейтрона, которые могут вызвать продолжение такой, как называют учёные, цепной ядерной реакции. Это означает, что если вылетевшие нейтроны вновь попадут в следующее ядро урана 235, они будут продолжать реакцию деления ядра и т. д. Эта реакция и является основой для получения атомной, или вернее, ядерной энергии[5].

Иначе ведёт себя изотоп урана с массой 238. При его обстреле медленными нейтронами последние захватываются ядром. Ядро переходит в неустойчивое состояние, в результате чего оно выбрасывает из себя бета-частицу сначала одну, а затем и другую. Заряд ядра при этом изменяется, и мы получаем новые элементы с порядковыми номерами 93 и 94.

Эти элементы были названы нептунием и плутонием.

Так претворена была в жизнь мысль учёных о получении искусственных элементов через ряд радиоактивных превращений.

Нептуний, а за ним плутоний были открыты в 1940 году. В последующие годы получены были изотопы нептуния, наиболее устойчивым из которых является нептуний с массой 237. Известны изотопы и плутония. Наиболее интересным оказался изотоп с массой 239 — он хотя и радиоактивен, но распадается очень медленно.

В настоящее время получены также и другие трансурановые элементы с порядковыми номерами — 95 (америций), 96 (кюрий), 97 (берклий) и 98 (калифорний).

Америций с массой 241 распадается медленно, что позволило исследовать химические свойства этого элемента. Удалось даже получить его в виде соединения.

Изотоп кюрия с массой 242 распадается медленно, испуская альфа-частицы, что также позволило учёным изучить его химические свойства.

Все трансурановые элементы составляют особую группу, сходную с группой редкоземельных элементов.

Эта группа объединяет в себе элементы, начиная от № 89 (актиний) и далее. Именуется она, как уже говорилось, группой актинидов.

* * *

Таков путь развития взглядов на природу основных веществ мироздания — химических элементов.

Многое изменилось с того времени, когда Менделеев впервые расположил химические элементы в их естественной последовательности.

Однако ни явление изотопии, ни открытие и получение новых элементов, ни ряд других фактов не опровергли, а, наоборот, только укрепили, подтвердили правильность и незыблемость великого закона природы, открытого русским учёным Дмитрием Ивановичем Менделеевым.

Примечания

1

В современной периодической таблице Менделеева свойства химических элементов повторяются не через шесть и шестнадцать, а через семь и семнадцать элементов, так как позднее были открыты ещё так называемые инертные газы, занявшие в периодической системе особую группу (см. табл, на стр. 20–21).

2

Подробнее об этом см. брошюру «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: В. А. Парфёнов, Редкие металлы.

3

Подробно о спектральном анализе рассказывается в книге «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: С. Г. Суворов, О чём говорит луч света.

4

О лучах Рентгена см. брошюру проф. Г. С. Жданова «Рентгеновы лучи» в серии «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата.

5

Подробно об атомной энергии рассказывается в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: В А. Лешковцев, Атомная энергия

Content

Колесников А. Л
Закон Менделеева
издание третье, переработанное

ВВЕДЕНИЕ

ТЕЛА СЛОЖНЫЕ И ПРОСТЫЕ

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

СКОЛЬКО В МИРЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ?

ВЕЛИКИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ

ПРЕДВИДЕНИЕ УЧЁНОГО

КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЁН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА

ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВСЕЛЕННАЯ

СОВРЕМЕННАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

Примечания