Александр Ферсман – Занимательная геохимия. Химия земли (страница 7)

«В этих пустых местах за кремнием, бором и алюминием будут найдены новые вещества», — говорил он. Это предсказание вскоре сбылось, и пустые клетки таблицы были заполнены вновь открытыми элементами, получившими названия галлия, германия и скандия.

Так русским химиком Д. И. Менделеевым было сделано величайшее в истории химии открытие. Но не думайте, друзья, что это так просто — взять карточки, написать на них названия, разложить по порядку — и все готово! Эта простота, эта как бы некоторая случайность в открытии — только кажущаяся. Ведь в те времена было известно лишь 62 элемента. Атомные веса были определены неточно, отчасти неверно, свойства атомов были изучены еще плохо.

Надо было суметь вникнуть в природу каждого химического вещества, понять сходство одних элементов с другими, разгадать пути странствования каждого из них, их «дружбу» или «вражду» в самой земле.

Д. И. Менделееву удалось связать воедино все то, что до него было сделано по изучению химии Земли.

Связи между элементами, правда еще в неясном и несовершенном виде, подмечали и другие ученые.

Но большинство ученых того времени считало идею о родстве элементов абсурдной. Так, когда английский химик Д. А. Ньюлендс, один из борцов за свободу Италии в войсках Гарибальди, представил для печати работу о повторяемости свойств некоторых элементов при возрастании атомного веса, его работа была отвергнута Химическим обществом, а один из химиков сказал в насмешку, что Ньюлендс добился бы еще более интересного вывода, если бы расположил все элементы в алфавитном порядке по их названиям.

Но это все были частности. Надо было сделать неизмеримо большее: надо было подметить единый план, основной закон

Вселенной и показать на фактах, что он действует везде, что каждый элемент всеми своими свойствами зависит от этого закона, подчиняется ему, вытекает из него.

Для этого надо было иметь гениальную интуицию, умение подмечать общее в противоречивом, иметь настойчивость в исследовании конкретных фактов. Это мог сделать только такой гигант мысли, каким был Д. И. Менделеев.

Д. И. Менделеев сумел так ясно, четко и просто представить взаимную связь всех атомов природы, что никто не мог опровергнуть его систему. Порядок был найден. Правда, еще загадочны были те связи, которые соединяли элементы между собой, но порядок был столь очевиден, что позволил Менделееву говорить о новом законе природы — периодическом законе химических элементов.

С тех пор прошло более семидесяти пяти лет. Почти сорок лет работал над этим законом Д. И. Менделеев, проникая в самые глубокие тайны химии.

В Палате мер и весов, которой он заведовал, он изучал и измерял самыми точными методами разные свойства металлов, находя все больше и больше подтверждений своему открытию.

Он ездил по Уралу, изучая его богатства, посвятил много лет проблеме нефти и ее происхождения, и всюду — в лаборатории и в природе — он видел подтверждение своего периодического закона. В глубочайших теориях и на практике этот закон превращался в руководящий компас, который, как мореплавателей в море, направлял искания ученых и практиков.

И до самой своей смерти Д. И. Менделеев совершенствовал, исправлял, углублял свою маленькую табличку 1869 года; и сотни химиков, следуя по его гениальному пути, открывали то новые элементы, то новые соединения, постепенно разгадывая глубокий внутренний смысл таблицы Менделеева.

Сейчас она встала перед нами в совершенно новом виде.

Оказалось, что таблица Д. И. Менделеева явилась превосходным руководством для изучения закономерности строения спектров атомов. Изучая спектры элементов и расположив их в порядке таблицы Менделеева, молодой английский физик Генри Мозли совершенно неожиданно в 1913 году раскрыл еще одну закономерность таблицы Менделеева и установил важную роль порядкового номера элемента в таблице.

Первый опубликованный вариант Периодической системы элементов Д. И. Менделеева

Он доказал, что самое важное в элементе — это заряд центрального ядра, который точно равен порядковому номеру элемента. У водорода он равен единице, у гелия — двум, а, например, у цинка — тридцати, у урана — девяноста двум. И столько же электронов привязано этими зарядами к ядру и носится вокруг него по орбитам.

Во всех атомах число электронов, окружающих ядро атома, равно порядковому номеру элемента. Все электроны определенным образом распределяются по отдельным слоям. Первый, ближайший к ядру слой К содержит у водорода 1 электрон, а у всех других элементов — 2 электрона. Второй слой L у большинства атомов содержит 8 электронов. Слой М может иметь до 18 электронов, слой N — до 32.

Химические свойства атомов определяются главным образом строением внешнего электронного слоя, который отличается особой устойчивостью, когда число электронов в нем достигает восьми. Атомы, имеющие во внешнем слое один или два электрона, легко их отдают, превращаясь при этом в ионы. Например, натрий, калий, рубидий имеют во внешней оболочке по одному электрону. Они легко их теряют и превращаются в одновалентные положительно заряженные ионы. При этом следующий электронный слой становится, таким образом, внешним слоем. Он содержит восемь электронов, что обеспечивает устойчивость иона-атома.

Атомы кальция, бария и других щелочноземельных металлов имеют по два внешних электрона, потеряв которые они превращаются в устойчивые двухвалентные положительные ионы. Атомы брома, хлора и других галоидов имеют во внешней оболочке по семи электронов. Они жадно захватывают электроны из внешних оболочек других атомов и, дополнив ими свою оболочку до восьми электронов, становятся устойчивыми отрицательными ионами.

У элементов, имеющих во внешней оболочке три, четыре и пять электронов, склонность к образованию ионов при химических реакциях выражена менее ярко.

Вес атома и частота его распространения в природе зависят от строения ядра. Химические же свойства элемента и его спектр зависят от числа электронов и оказываются чрезвычайно близкими у элементов, у которых сходно строение внешней электронной оболочки.

Такова тайна атома. Со времени ее открытия химики и физики, геохимики и астрономы, техники и технологи — все поняли, что один из глубочайших законов природы — это периодический закон Менделеева.

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева в наши дни

Много различных способов предлагалось исследователями, чтобы как-нибудь яснее и резче выявить характерные черты менделеевской таблицы.

Великий закон Менделеева в разное время изображали по-разному: то в виде полос и колонок, то закрученной спиралью на плоскости, то в сложном переплете каких-то дуг и линий.

Мы еще вернемся к попытке изложить таблицу в форме грандиозной спирали, а сейчас мы дадим ее так, как дает современная наука.

Давайте разберемся несколько в этой таблице и попытаемся понять ее глубокий смысл.

Прежде всего мы видим большое количество клеток. Они расположены семью горизонтальными рядами и разбиты вертикальными линиями на восемнадцать полос, или, как их называют химики, групп. Впрочем, сейчас же отметим, что в большинстве учебников таблица дается в несколько ином виде (ряды как бы сдвоены), но нам удобнее ее рассматривать именно так.

В первом ряду находится всего 2 элемента: водород (Н) и гелий (Не); во втором и третьем — по 8 химических элементов; в четвертом, пятом и шестом рядах — по 18 химических элементов. Клетки этих шести рядов должны были бы занимать 72 химических элемента, однако оказывается, что между клеткой № 57 и клеткой № 72 вставлено 14 элементов, сходных с лантаном, так называемых лантаноидов. Наконец, последний ряд содержит, видимо, как и предыдущий, 32 клетки, но из них пока заполнена лишь часть.

Трудно себе представить возможность существования каких-либо химических элементов, расположенных перед первой клеткой, занятой водородом, так как ядро водорода — протон и нейтрон являются теми основными кирпичиками, из которых составлены ядра всех других атомов; нет сомнения, что водород правильно стоит в начале всей менделеевской таблицы. Гораздо сложнее вопрос о ее конце. Последнее место долго занимал металл уран.

Однако при некоторых опытах получены были заурановые[11] элементы. Следовательно, уран не кончает менделеевскую таблицу. За ним оказались занятыми еще и следующие клеточки[12].

Как мы видим по цифрам вверху каждой клеточки, все клетки пронумерованы. Номера идут подряд от первого. Они называются порядковыми номерами химических элементов, связаны с количеством электрических частиц, которые содержатся в элементах, и потому являются очень важным и неотъемлемым свойством каждой клеточки, каждого элемента.

Например, число 30 в клетке, в которой стоит металл цинк с атомным весом 65,38, обозначает, с одной стороны, порядковый номер клетки, с другой — говорит, что атом цинка состоит из ядра с вращающимися вокруг него тридцатью электрическими частицами, называемыми электронами.

Тщетно пытались химики отыскать в природе элементы № 43, № 61, № 85 и № 87, анализировали различные минералы и соли, пытались найти в спектроскопе какие-либо еще не разгаданные линии. Много раз ошибались, печатали в журналах громкие статьи об открытии элементов, но все же эти четыре элемента ни на Земле, ни на небесных светилах не найдены. Их удалось теперь, однако, приготовить искусственно.