Путешествие в Страну элементов

Карта Страны элементов

В строгом порядке по периодам и группам, по рядам и подгруппам расположились обитатели этой «страны». Семь периодов, десять рядов, девять групп. Колонки латинских букв — символов элементов. Золото, серебро, платина, уран, радий… Настоящий «остров сокровищ»!

Перед нами периодическая система элементов Дмитрия Ивановича Менделеева — карта великой Страны элементов.

Право называть ее картой дает та громадная роль, которую играет периодическая система в науке вообще и особенно в химии. Современная химия немыслима без нее, потому что таблица элементов — итог накопленных знаний и план на будущее, повседневное руководство к действию и компас, указывающий единственно верное направление на всем пути развития химии. Нет, только с картой можно сравнить ее. Но карта точно укажет, куда идти, и ничего не скажет, например, о характере жителей страны. Всю глубину периодической системы нельзя передать никаким сравнением. Если это и карта, то «говорящая». Она и компас и путеводитель, вместе взятые!

Подобно тому как на географической карте мы прочитаем множество имен первооткрывателей, так и в периодической системе увековечены в названиях элементов имена величайших ученых, без открытий которых немыслим прогресс современной науки. Это Пьер и Мария Кюри, Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми и Дмитрий Менделеев. Имя великого русского ученого занимает особо почетное место в этом ряду корифеев науки. Его имя носит не только 101-й элемент, но и вся периодическая система, создателем которой он был. Именно этому человеку обязаны мы тем, что наше путешествие в Страну элементов не будет путешествием с завязанными глазами. И можно быть уверенным: периодическая система никогда не подведет нас, ибо она покоится на крепком фундаменте. В ее основании лежит открытый Менделеевым великий закон природы.

Но какая же разница между периодическим законом и периодической системой Менделеева? Та же, что и между земным шаром со всем многообразием его рельефа, флоры и фауны, с одной стороны, и отражением всего этого на глобусе, в атласе или на карте — с другой. Ясно, что глобус — очень приблизительная модель земного шара.

Так и периодическая система. Она может более или менее точно выражать сущность периодического закона. Она может меняться по форме. Элементы можно располагать веером и по спирали, концентрическими кругами или «волнами», можно придумать массу вариантов периодической системы, но нельзя изменить ее основы — периодического закона.

Итак, перед нами периодическая система. Любой химик уверенно ориентируется в Стране элементов, глядя на ее карту. Вся левая и вся нижняя часть таблицы — это металлы, причем стоящий в левом нижнем углу франций — «самый металличный», самый активный из них. В правом верхнем углу расположился фтор — царь неметаллов, а царство их — правая верхняя часть таблицы. Сразу видно, что металлов значительно больше. Есть в системе и элементы, сочетающие в себе свойства как металлов, так и неметаллов. Они расположены в середине таблицы.

Глубокий смысл имеет номер группы: он указывает высшую возможную валентность для элементов каждой группы. Самые легкие, имеющие низкий удельный вес металлы — литий, натрий и их ближайшие соседи; самый тяжелый металл — осмий, расположенный в противоположном углу таблицы. Наиболее схожи между собой элементы, расположенные в одной группе и особенно в одной подгруппе. Например, помещающиеся в одной подгруппе второй группы периодической системы щелочноземельные металлы кальций, стронций, барий и радий настолько похожи друг на друга, что можно без особого труда охарактеризовать любой из них, хорошо зная химические свойства какого-нибудь одного и умея пользоваться периодической системой.

Но это, разумеется, не означает, что умение пользоваться периодической системой избавляет нас от детального изучения каждого элемента. Нет, конечно. Ведь любой из них обладает множеством свойств, характерных только для него одного.

Каждый школьник знает, что с помощью периодической системы можно охарактеризовать любой элемент. Однако не всегда это легко сделать.

Как рассказать о свойствах элемента, если, например, водород занимает в таблице два места (его можно поставить и в группу щелочных металлов и в группу галогенов) и, наоборот, сразу 14 элементов-лантаноидов теснятся в одной-единственной клеточке лантана? Чем объяснить необычный вид восьмой группы? А с другой стороны, какое «волшебство» позволяет химикам предсказать, что будет особенно трудно отделить цирконий от гафния, а ниобий от тантала?

На все эти и множество других вопросов нельзя ответить до тех пор, пока не ясно, на чем основан столь строгий порядок в мире элементов, отражением которого является периодическая система. Другими словами, нам необходимо выяснить, в чем причина периодичности изменения свойств элементов. На этот вопрос мы и постараемся ответить.

Представим себе, что должен был чувствовать химик первой половины XIX века, оказавшись лицом к лицу с морем научных фактов. Естественно прежде всего попытаться привести эти факты в систему. В противном случае заниматься химией было бы так же трудно, как, скажем, пользоваться огромным словарем, в котором слова расположены не по алфавиту, а в полном беспорядке.

Если мы заглянем в старые книги по химии, то увидим, что каждый ученый строил такую систему, как хотел. Одному казалось правильным брать за основу некоторые физические свойства элементов (теплопроводность, удельный вес, твердость). Другие пытались расположить элементы в один непрерывный ряд, руководствуясь при этом величиной и знаком заряда, обнаруживаемого при электрохимических опытах. И так далее. Короче говоря, каждый старался найти то единственное свойство, опираясь на которое можно было бы привести в порядок накопленные знания. Но химия не желала вмещаться в прокрустово ложе бесчисленных искусственных систем, так как ни одна из них не могла охватить всего многообразия взаимоотношений между элементами.

Менделеев и поставил перед собой задачу найти, наконец, то свойство элемента, которое бы теснейшим образом было связано со всеми остальными и тем самым могло послужить основой естественной системы элементов.

Долгие годы, предшествовавшие открытию периодического закона, ученый занимался этим вопросом и, наконец, пришел к выводу: свойства химических элементов должны определяться их массой, атомным весом. Но как? Какому закону должна подчиняться эта зависимость? Ведь сказать, например, что объем и давление газов — величины взаимосвязанные, значит сказать очень мало. Другое дело, если мы скажем, что они связаны (по закону Бойля — Мариотта) обратной зависимостью. Мало утверждать, что зависимость существует. Важно найти, по какому закону химические свойства связаны с атомным весом.

Менделеев прежде всего сгруппировал элементы по признаку их химического сходства. Получилось 19 групп. Некоторые из этих групп состояли только из 2 элементов, другие — из 3 и 4. В группе щелочных металлов оказалось 5 элементов.

Затем группы были помещены рядом друг с другом, и в каждой из них элементы расположены в порядке возрастания атомных весов. Получившаяся картина была не новой. Сходные по химическим свойствам группы элементов были известны давно. Теперь задача заключалась в том, чтобы найти связь между несходными группами. И вот тут-то, меняя местами уже целые группы, размещая их так, чтобы рядом оказывались несходные элементы с близкими атомными весами, Менделеев, наконец, нашел, что искал. Получилась та самая картина, которую мы видим на цветной вклейке.

Отсюда ясно: свойства элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов, повторяются через определенные интервалы, периоды.

«Свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов», — так сформулировал Менделеев вновь открытый закон природы. Днем рождения периодического закона мы считаем 1 марта 1869 года.

Однако может возникнуть вопрос: неужели до Менделеева никто не заметил, что существует связь между атомным весом и химическими свойствами? В том-то и дело, что замечали. И даже многие. Доберейнер — в Германии, де Шанкуртуа — во Франции, Ньюлендс — в Англии… Известно более трехсот попыток создания классификации химических элементов, основанной на этом принципе. Ближе всех к цели был немецкий ученый Лотар Мейер. Почти одновременно с Менделеевым он построил таблицу, в общем сходную с периодической системой. Правда, опубликовать ее он решился несколько позже. Но Мейер в своих работах повторил ошибку ученых, работы которых предшествовали открытию периодического закона. В найденной закономерности Мейер не разглядел глубокого закона природы, он считал свою таблицу лишь удобным учебным пособием и не отважился делать из нее далеко идущие выводы. Понадобился гений Менделеева, чтобы увидеть за недостаточно ясной еще закономерностью великий закон природы. И не только увидеть, но и сразу же поставить его на службу науке.

Найдите в таблице элемент бериллий, Be. Именно с этим металлом связано первое практическое применение периодического закона, первая трудность и первый триумф.

До 1869 года бериллий считался трехвалентным, и для этого были все основания. Ведь он по своим химическим свойствам во многом похож на алюминий. Как и алюминий, он не реагирует с концентрированной азотной кислотой, но легко растворяется в щелочах с выделением водорода. Гидроокись бериллия, так же как и Al(OH)₃, амфотерна (проявляет и щелочные и кислые свойства), а потому для нее характерны соли типа алюминатов — бериллаты и т. д.

Но если бериллий трехвалентен, то атомный вес его должен быть 13,5, так как эквивалент Be равен 4,5 (атомный вес равен эквиваленту, умноженному на валентность). Вот тут-то и начались трудности. Имея такой атомный вес, Be «не хотел» размещаться в периодической системе.

Помещенный между углеродом и азотом (как того требовал его атомный вес), бериллий сразу же нарушал закономерное изменение свойств элементов, опровергая тем самым периодический закон.

Но Менделеев думал иначе. Он был уверен, что найденная закономерность не может быть случайностью. Открыт закон природы, и, следовательно, факты должны обязательно подтвердить его. Что же касается бериллия, то тут Менделеев был уверен: атомный вес этого элемента определен неверно.

В одной полузабытой работе русского химика Авдеева Менделеев находит упоминание о том, что окись глициния (так раньше называли бериллий) похожа по своим свойствам на окись магния.

Основываясь на этом, Менделеев придает окиси бериллия формулу BeO и помещает его во вторую группу, вместе с двухвалентными щелочноземельными металлами, соответственно исправив его атомный вес. Он получает его равным 9 (4,5×2=9).

Многие ученые высказались против такого, как им казалось, «произвольного» изменения многократно проверенной величины, но прошло несколько лет, и главный противник Менделеева Нильсон получил неопровержимое доказательство того, что атомный вес бериллия действительно 9.

Так было положено начало уточнению свойств элементов на основе периодического закона.

Вслед за атомным весом бериллия Менделеев исправляет атомные веса урана, тория, индия, иттрия, лантана, церия, эрбия и дидима (впоследствии оказавшегося смесью празеодима и неодима).

Непрерывно совершенствуя свою систему, Менделеев уже в 1871 году дал форму таблицы, близкую к нашей современной. И в том же 1871 году появилась статья Менделеева, в которой он подробнейшим образом описывал свойства трех еще не открытых элементов. Он назвал их экасилицием (то есть «подобный кремнию»), экабором и экаалюминием.

«Решаюсь сделать это ради того, — писал ученый, — чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых мною тел, иметь возможность окончательно увериться самому и уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы».

Когда Л. Мейер прочел эту статью, он воскликнул: «Das ist schon zu viel! (Это уж слишком!) Периодическая законность недостаточно ясна и доказана, чтобы я решился на нечто подобное».

Но время показало, что прав был русский химик. Прошло четыре года. И вот в 1875 году пришло известие из Франции. Молодой ученый-спектроскопист Лекок де Буабодран открыл новый элемент, в котором весь мир сразу же узнал предсказанный Менделеевым экаалюминий. «Новорожденному» дали имя галлий. Все свойства галлия в точности совпадали со свойствами экаалюминия. Впрочем, нет, не все. Удельный вес галлия был равен 4,7, в то время как предсказывалось 5,9. Но Менделеев настаивает на своем и просит повторить опыты. Весь научный мир с огромным вниманием следит за этим невероятным спором. Де Буабодран повторяет опыты и объявляет, что прав русский ученый, никогда не видевший галлия в глаза!

А пророчества продолжали сбываться. В 1879 году шведским ученым Л. Нильсоном был открыт скандий (экабор). И в 1886 году немецкий химик Клеменс Винклер получает экасилиций — германий.

Вот как описывает сотрудник Менделеева, известный русский химик В. Е. Тищенко, момент, когда известие об этом открытии дошло до Петербурга:

«Как-то утром Д. И. приходит к нам в Бутлеровскую лабораторию с новой книгой „Berichte“^[1] в руках, взволнованный, радостный, и говорит, что „Кл. Винклер открыл новый элемент, германий, и помещает его в пятую группу, потому что он образует сульфосоль. Только нет, он ошибается, германию место не в пятой, а в четвертой группе, это экасилиций. Я сейчас буду писать Винклеру“». И Винклер признал свою ошибку.

О Менделееве заговорил весь мир. Никто не смел теперь сомневаться в справедливости периодического закона. И Менделеев дает ему окончательную формулировку: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

Но природа никогда не открывает человеку своих законов в чистом виде. Нужна большая ясность ума, огромная вера, чтобы не дать сбить себя кажущимися противоречиями. Нужно суметь отличить существенное от второстепенного и не растеряться в потоке новых открытий, каждое из которых, кажется, начисто опровергает все сделанное раньше.

Именно эти качества скоро потребовались от Дмитрия Ивановича Менделеева, когда на периодический закон обрушились великие испытания.

Началось с того, что в 1894 году английскими учеными Рэлеем и Рамзаем был открыт новый элемент с настолько необычными свойствами, что химики вначале даже отказывались признавать его. Это был газ, совершенно неспособный к каким-либо химическим реакциям. Новый элемент назвали аргоном («недеятельным», «ленивым»).

Противники периодического закона (а их все еще было довольно много, и среди них такой крупный химик, как Оствальд) воспрянули духом. И не без оснований. Периодический закон, казалось, не давал возможности предвидеть существование элементов со столь необычными свойствами. Аргону не находилось места в периодической системе. Сам Менделеев склонен был считать аргон модификацией азота, N₃ (подобно кислороду и озону). Но положение осложнилось еще более, когда через год открыли второй инертный газ — гелий.

Теперь уже стало трудно сомневаться в том, что столь необычные элементы действительно существуют в природе. Нужно было признать их и тем самым отвергнуть периодический закон, поскольку он пришел в противоречие с фактами.

А так ли это? Действительно ли периодический закон не давал оснований предполагать существование инертных газов?

Задолго до открытия Рэлея и Рамзая два человека были твердо уверены, что в периодической системе должна быть еще одна, особая, нулевая группа элементов. Эти двое были узники Алексеевского равелина Шлиссельбургской крепости, революционеры-народовольцы Морозов и Лукашевич. Еще в 1883 году, рассматривая периодичность в строении и свойствах органических соединений, они по аналогии с системой Менделеева построили периодическую систему углеводородных радикалов и пришли к выводу, что подобно тому, как каждый ряд углеводородных радикалов заканчивается нейтральной молекулой типа метана, этана, пропана и т. д., так и каждый период системы Менделеева должен заканчиваться недеятельным элементом. Догадка поистине гениальная, но мир узнал о ней лишь много лет спустя, после того как проблема инертных газов была решена. И решил ее Рамзай при помощи и на основе периодического закона.

Рамзай, открытие которого поколебало веру в периодический закон, сам нисколько не сомневался в его правильности. Более того, «по примеру… учителя Менделеева» Рамзай заявил: «Между гелием и аргоном существует элемент с атомным весом 20, недеятельный, как эти два газа: новый элемент должен иметь характерный спектр и менее легко сгущаться, чем аргон. Можно было бы также предсказать существование двух аналогичных газообразных элементов, имеющих атомные веса 82 и 129».

И когда предсказанные газы были вскоре открыты (криптон, неон и ксенон), сразу стало ясно, что место для них в системе есть. Рамзай предложил Менделееву образовать из вновь открытых элементов отдельную группу, и Менделеев сразу согласился, так как это не только не противоречило периодическому закону, а, наоборот, явилось логическим завершением системы и подтверждением правильности закона.

Так открытие инертных газов, вместо того чтобы поколебать закон, стало одним из главных доказательств его справедливости. Дополненная новой (нулевой) группой, периодическая система приобрела еще большую стройность.

Казалось, что дни потрясений для периодического закона безвозвратно миновали. Осталось лишь ждать открытия новых элементов, появление которых вряд ли могло затронуть стройность периодической системы и суть периодического закона.

И действительно, открытия не заставили себя ждать, но… странное дело! «Пришельцы» не желали занимать свободные места, которых в таблице было еще вполне достаточно, а упорно претендовали на уже занятые, потому что вновь открытые элементы как две капли воды были похожи по своим свойствам друг на друга и на уже известные так называемые редкоземельные металлы: лантан, иттрий, церий, эрбий.

С проблемой редких земель Менделеев столкнулся еще в 1869 году, когда составлял первый вариант периодической системы. В то время химики не сомневались в том, что лантан, церий, иттрий, эрбий и дидим являются двухвалентными металлами; кроме того, атомные веса их были очень занижены. Твердо уверенный в справедливости периодического закона, Менделеев предположил трехвалентность иттрия, лантана и эрбия и поместил их в третью группу, соответственно изменив атомные веса. Церий был помещен в четвертую группу, поскольку проявлял в некоторых соединениях валентность 4+. Дидим Менделеев поместил в пятую группу и, не уверенный в законности этого, поставил рядом знак вопроса. Так разместились в системе пять элементов. До поры до времени это не встречало особых возражений.

Но затем число вновь открытых редких земель стало катастрофически увеличиваться. Из разных стран начали поступать сведения об открытиях все новых и новых редкоземельных элементов. О том, чтобы разместить все их в периодической системе, не могло быть и речи: за период 1879–1906 годов их появилось около ста! Правда, потом выяснилось, что большинство этих открытий ложно, но все же к 1906 году ученые твердо установили, что 13 редкоземельных элементов действительно существуют. Это подтверждалось многократными, тщательными и беспристрастными исследованиями. Но никто не мог с уверенностью сказать, сколько же должно быть этих элементов-близнецов и как найти им место в периодической системе. А поскольку периодический закон не мог ответить на эти вопросы, то вновь возникло сомнение в его справедливости.

Менделеев ждал решения загадки от своего друга, чешского ученого Богуслава Браунера, который давно уже работал над этой проблемой.

Браунер был одним из тех ученых, кто сразу и до конца поверил в периодический закон. Всю свою жизнь он посвятил химии редких земель, и потому не удивительно, что именно он ближе всех подошел к разгадке тайны редкоземельных элементов, когда предлагал выделить их в совершенно отдельную группу и поместить в одной большой клеточке периодической системы. Но это была только догадка, не подтвержденная никакими фактами. Кризис продолжался. И даже углубился после того, как к списку проблем, еще не решенных периодическим законом, добавилась загадка радиоактивных элементов.

Было время, когда непонятное явление — радиоактивность — казалось легким облачком, омрачавшим ясный небосвод химии и физики, добившихся к концу XIX — началу XX века выдающихся успехов. Но время шло, и облачко превратилось в огромную тучу, закрывшую все небо. И только тут стало ясно, что человек коснулся одной из самых сокровенных тайн природы, загадка которой разрушит все прежние представления о строении вещества и в то же время даст основу для истинно научного знания. Итак, что же это за новая загадка?

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году, когда обнаружилось, что уран, самый тяжелый из всех известных в то время элементов, обладает удивительной способностью испускать особые, невидимые лучи. Несколько позже выяснилось, что точно таким же свойством обладают вновь открытый элемент актиний и давно известный торий. Затем в 1898 году из урановой руды были выделены два элемента, радиоактивность которых была во много раз сильнее, чем у урана. Это были радий и полоний. Однако потом число радиоактивных элементов выросло настолько, что некоторые из них стали называть просто буквами латинского алфавита с прибавлением названия элемента, из которого они были получены. Например, радий A, торий B, уран Z, актиний X и т. п.

Число вновь открытых радиоактивных элементов продолжало расти, а места для них, как и для редкоземельных элементов, в периодической системе не было. А тут еще выяснилось, что многие из них по своим химическим свойствам совершенно аналогичны уже известным элементам. Так, радиоактивные уран-икс-первый (UX1), ионий, радиоторий, уран-игрек (UY) и радиоактиний обладали теми же свойствами, что и торий. Следовательно, они все имели полное право находиться в одной клеточке периодической системы. Мезоторий-первый (MsTh1), торий-икс (ThX) и актиний-икс (AcX) претендовали на «жилплощадь» радия. Причем если редкоземельные элементы удавалось все же отделить друг от друга, то отделить, например, торий-икс от радия или торий от иония при помощи химических операций было невозможно.

В клеточках периодической системы становилось тесновато. Ну, положим, поместить их в одну клеточку можно, но как же быть с атомными весами? Выходит, тогда нужно примириться с фактом, что некоторые элементы с разными атомными весами попадут в одну клеточку, а с одинаковыми атомными весами — в разные. Это ли не опровержение периодического закона?

Вспомнилось, кстати, несоответствие между атомным весом и положением в периодической системе таких элементов, как калий К, и аргон Ar; кобальт Co, и никель Ni; йод J, и теллур Te. Обратите внимание: в периодической системе более тяжелые Ar, Co и Te предшествуют легким К, Ni и J, когда, казалось бы, должно быть наоборот. И если раньше можно было думать, что атомные веса этих элементов определены неверно, то теперь на это не приходилось рассчитывать. К 1906 году многочисленными исследованиями было твердо установлено, что K легче Ar, Ni легче Co, a J легче Te.

Так снова, как прежде, встал вопрос: верен ли периодический закон, и если все-таки да, то что является основой периодического изменения свойств элементов?

Ясно было одно — атомный вес больше не может служить строго научной основой естественной системы элементов. И именно тогда, когда казалось, что периодический закон увяз в неразрешимых противоречиях, последовала цепь блестящих открытий, которые не только подтвердили его правильность, но и сделали неизмеримо большее — вскрыли истинную причину периодичности, повторяемости свойств химических элементов. Но это случилось далеко не сразу, не вдруг…

В 1910 году английский ученый Содди пришел к выводу, что радиоактивные элементы, которые отличаются друг от друга по физическим свойствам, но абсолютно похожи по химическим, — это разновидности одного элемента. Содди назвал их изотопами («изо» — «одинаковый», «топос» — «место»). А когда оказалось, что изотопия характерна не только для радиоактивных, но вообще для большинства элементов периодической системы, многое сразу встало на свое место.

Прежде всего стало ясно, почему атомный вес элементов, как правило, выражается не целым числом, а дробным. Ведь в таком случае атомный вес элемента есть среднее между весами составляющих элемент изотопов, и, значит, вполне вероятно, что в некоторых случаях этот средний атомный вес может быть у предыдущего элемента больше, чем у последующего. Так оно и произошло в случае йода и теллура, калия и аргона, кобальта и никеля.

«Предыдущий», «последующий». А какое, собственно, мы имеем право употреблять теперь эти слова? Ведь мы только что узнали, что атомный вес (а ведь мы располагали элементы в порядке возрастания атомного веса, вспомните!) становится довольно ненадежным критерием в решении вопроса, какой же элемент «предыдущий», а какой «последующий».

Что же в таком случае брать за основу при пользовании периодической системой? Не порядковый же номер элемента!

Оказалось, именно порядковый номер!

Вот теперь мы вплотную подошли к тому, как физика помогла расшифровать самую большую тайну Страны элементов — причину периодичности их свойств.

Вскоре после открытия явления радиоактивности ученые установили, что радиоактивное излучение неоднородно. Оно состоит из трех различных типов лучей, которые получили название альфа-, бета- и гамма-лучей. Нас сейчас будут интересовать только альфа-лучи, ибо именно им принадлежит решающая роль в той увлекательной истории, о которой пойдет речь.

Альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц. В 1912 году замечательный английский физик Э. Резерфорд, изучая их свойства, обнаружил любопытное явление. Если направить пучок лучей на тонкую металлическую фольгу, скажем алюминиевую или медную, и следить за поведением альфа-частиц по свечению экрана из сернистого цинка, то можно заметить, что при прохождении через фольгу они изменяют направление движения. А некоторые даже отбрасываются назад. Размышляя над тем, какая сила действует на частицы, Резерфорд пришел к следующему выводу.

По-видимому, атом химического элемента устроен так, что в центре его находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Поскольку атом в целом электронейтрален, то число отрицательных зарядов (число электронов) должно быть численно равно заряду ядра. Для альфа-частицы такой атом должен быть совершенно «прозрачен», и только положительно заряженное ядро должно действовать на пролетающую мимо альфа-частицу. В отдельных, очень редких случаях, когда она попадает прямо в ядро, она отскакивает назад (одноименные заряды отталкиваются по закону Кулона).

Основываясь на этой гипотезе, Резерфорд теоретически рассчитал величину отклонения альфа-частицы в зависимости от заряда ядра атома. Но если выведенная им формула верна, то возможно решение и обратной задачи: зная отклонение, можно вычислить заряд ядра.

За проверку формулы взялись соотечественники Резерфорда Гейгер и Марсден. Опытным путем они установили, что формула справедлива, и, пользуясь ею, вычислили заряды ядер атомов меди, серебра и платины. Эти заряды оказались равными соответственно 29, 47 и 78 элементарным единицам заряда.

А теперь посмотрите на систему Менделеева, обратите внимание на порядковые номера меди, серебра и платины. Что это? Совпадение? Те же самые числа: 29, 47 и 78!

Нет, это не могло быть случайностью. И голландский ученый Ван-ден-Брук первый высказывает следующее предположение: величина заряда ядра атома каждого химического элемента, измеренная в элементарных единицах заряда, равна атомному номеру, то есть порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Наконец-то открыта истинная основа периодического закона. Не атомный вес, а заряд ядра — вот что должно указать место элемента в периодической системе.

Оставалось теперь измерить заряды ядер атомов всех известных элементов, чтобы этот вывод стал бесспорной истиной. Гипотезу нужно было превратить в теорию.

Эту работу Резерфорд поручил своему молодому сотруднику Генри Мозли, и тот блестяще справился со своей задачей. Короткая жизнь талантливого ученого (через год Мозли погиб) увенчалась исключительным по своей важности открытием.

Если на пути летящих электронов поместить преграду из какого-нибудь металла (она называется «антикатод»), то возникает рентгеновское излучение, в спектре которого, кроме многих других, будут и линии, характерные только для вещества антикатода. Это так называемые «характеристические» линии. Вот к систематическому изучению этих характеристических линий и приступил Мозли, после того как им были изготовлены антикатоды из большинства элементов.

От этих опытов ждали многого. Ведь если «планетарная» модель атома Резерфорда верна, то при переходе от элемента к элементу должна последовательно меняться и длина волны характеристического рентгеновского излучения. А раз так, то, зная эту длину волны, можно определить порядковый номер элемента в системе Менделеева!

Как ни смелы были предположения, а результаты превзошли даже самые смелые ожидания. Найденная закономерность оказалась столь ясно выраженной, соотношение между длиной волны и порядковым номером элемента настолько простым, что сомнений больше не оставалось: получен самый надежный метод определения места элемента в системе Менделеева.

И сразу начал рассеиваться туман, который долгие годы скрывал от ученых тайну редкоземельных элементов.

Прежде всего стало ясно, какие из редкоземельных элементов существуют в природе реально, а какие — плод фантазии или результат ошибки опытов. Только 13 таких элементов получили «права гражданства». Кроме того, Мозли уверенно заявил, что в руках исследователей нет элементов с порядковыми номерами 61 и 72 и, следовательно, их нужно искать!

Но где искать? Что касается 61-го элемента, то тут, казалось, особых затруднений ждать не приходилось. Это будет 14-й лантаноид. Датский физик Ю. Томсен еще в 1895 году, Б. Браунер в 1902 году предсказывали, что между неодимом и самарием должен находиться неизвестный редкоземельный элемент. Значит, и искать его надо в тех же минералах, в которых были найдены неодим и самарий^[2].

А где же искать элемент № 72?

Лютеций — № 71 — типичный редкоземельный элемент, № 73 — тантал — уже нет. Но каким элементом заканчивается группа лантаноидов? Лютецием или неизвестным № 72?

Ответить на этот вопрос смог великий датский ученый, физик-теоретик Нильс Бор. Выдвинутая им теория составила целую эпоху в науке о веществе.

Бор начал, казалось бы, с незначительной поправки к планетарной модели атома Резерфорда. Он предположил, что электроны вращаются не по любым, а по строго определенным орбитам и на каждой орбите может находиться только вполне определенное число электронов. Электрон может переходить с одной орбиты на другую, но при этом он либо выделяет, либо поглощает строго определенную порцию (квант) энергии. Поэтому спектр возбужденного атома, сфотографированный в специальном приборе — спектроскопе, имеет не сплошной, а «полосатый» вид.

Дав объяснение таким спектрам с помощью своей теории, Бор пришел к выводу, что на первой от ядра орбите могут находиться не более 2 электронов, на второй — 8, на третьей — 18, на четвертой — 32, на пятой — 50 и т. д. Вообще 2n² электронов, где n — порядковый номер орбиты (в физике число n носит название «главного квантового числа»).

Теперь давайте посчитаем число элементов в каждом периоде системы Менделеева. В первом периоде — 2 элемента (водород и гелий), во втором и третьем — 8, в четвертом и пятом — по 18, в шестом периоде — 32 элемента. Мы получили тот же ряд чисел! Ясно, что это не случайность. Число элементов в периоде отражает последовательность заполнения электронных орбит. А раз так, то, по-видимому, становится совершенно необходимым, необычайно важным знать, как, в какой последовательности оно происходит. На этом пути мы неизбежно должны прийти к очень важным выводам.

Итак, с точки зрения теории Бора, у элементов первого периода периодической системы идет заполнение первой орбиты. Поскольку на ней могут расположиться только 2 электрона, то и элементов в первом периоде может быть только два. Во втором периоде (n=2, идет заполнение второй орбиты) могут быть 8 элементов. Так оно и есть. Последний элемент второго периода, неон, имеет порядковый номер 10, и, значит, число электронов у него равно десяти: 2 на первой орбите и 8 на второй. Далее, в третьем периоде должно быть уже 18 электронов, но их всего 8, то есть третья орбита вместо 18 возможных вместила только 8 электронов. Так происходит потому, что 8-электронная структура обладает наибольшей устойчивостью, и поэтому третья орбита заполняется максимально возможным для нее количеством электронов (18) только в четвертом периоде, то есть когда она стала, если можно так выразиться, «глубоким тылом». Это явление — заполнение оболочек «с опозданием» — будет повторяться и дальше, причем во всех случаях это будет происходить только «под защитой» внешней оболочки, которая, в свою очередь, никогда не имеет больше восьми электронов.

Нам осталось рассмотреть пятый и шестой периоды, (седьмой период не закончен). Расположение электронов по орбитам у инертных газов, заканчивающих эти периоды, таково:

Ксенон — 2, 8, 18, 18, 8.

Радон — 2, 8, 18, 32, 18, 8.

В шестом периоде электроны как бы «вспоминают», что на четвертой орбите есть 14 «вакантных» мест, и начинают их заполнять. Так образовалось семейство лантаноидов. 14 электронов — 14 элементов. Но ведь это значит, что элемент № 71 — лютеций — последний редкоземельный элемент и, следовательно, неизвестный элемент № 72 должен быть аналогичен уже цирконию и титану, расположенным в соседней четвертой группе. Значит, и искать его нужно в циркониевых и титановых рудах, а не среди редких земель.

В 1923 году Костер и Хевеши обнаружили элемент № 72. Найден он был в норвежской циркониевой руде и назван гафнием. Теория Бора блестяще подтвердилась. Тучи над периодическим законом развеялись. Причина периодического изменения свойств стала очевидной.

Давайте теперь еще раз вернемся к периодической системе, но вернемся вооруженные проверенной теорией и глубоко убежденные в правильности периодического закона.

Итак, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, заряд которого равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Их число равно заряду ядра (а следовательно, порядковому номеру). Электроны расположены на орбитах, причем на каждой максимально может находиться только строго определенное число электронов. Вот эти числа: 2, 8, 18, 32 и т. д.

По-видимому, структуры из такого числа электронов являются наиболее устойчивыми и особенно 2- и 8-электронные. И это действительно так. Ведь у инертных газов на внешней орбите такое количество электронов: у гелия — 2, а у всех остальных — по 8.

А теперь выясним, как связаны химические свойства элементов со строением их атомов. В первом периоде находятся два элемента: водород и гелий. У первого элемента, водорода — заряд ядра — единица и на единственной орбите — один электрон. У гелия появляется еще один электрон, и на этом период заканчивается.

У первого элемента второго периода, лития — порядковый номер три, и три его электрона расположены на двух орбитах: два на первой и один на второй. У бериллия появляется четвертый электрон. Но поскольку первая орбита занята полностью, то новый электрон поместится на второй орбите. У бора на второй орбите будут уже три электрона, у углерода — четыре, у азота — пять и так до неона, у которого вторая орбита уже заполнена — на ней восемь электронов. Поэтому новый электрон, который появляется у следующего за неоном натрия, должен поместиться на следующей, третьей орбите.

Начинается новый период. И в нем картина полностью повторяется. У магния, похожего по химическим свойствам на бериллий, будет два электрона на внешней орбите. У аналогов бора и алюминия, углерода и кремния, азота и фосфора, кислорода и серы, фтора и хлора — у всех на внешней орбите по одинаковому числу электронов (например, у фтора и хлора — по семи). Так вот, оказывается, в чем причина повторяемости свойств химических элементов! Она в сходстве строения внешних электронных орбит.

Так, у щелочных металлов лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция — у всех на внешней орбите по одному электрону, а это значит, что, вступая в химическую реакцию, их атомы могут «оперировать» только одним электроном, а именно: отдавать его, стремясь приобрести такую же устойчивую электронную оболочку, как у инертных газов.

Во вторую группу попадают щелочноземельные металлы. У них по два электрона на внешней орбите, и, следовательно, отдавая их, они могут проявлять валентность 2+ (то есть два положительных заряда у них не скомпенсированы) и т. д. В общем оказывается, что номер группы периодической системы указывает высшую возможную валентность элементов, стоящих в этой группе. Так, элементы седьмой группы могут проявлять валентность, равную 7+.

Но почему мы все время говорим только об отдаче электронов? Ведь точно такую же устойчивую структуру, подобную структуре инертного газа, элементы приобретут, если присоединят к себе недостающие до 8-электронной структуры электроны. Правильно. Они так и делают, но только там, где это «выгодно». Конечно, магнию, например, легче отдать свои два электрона, чем присоединить шесть, а хлору, у которого на внешней орбите семь электронов, достаточно приобрести один электрон, и орбита «достроена».

По этой же причине стоящему в середине азоту практически «все равно», отдавать или принимать электроны. Ему одинаково выгодно и то и другое.

Так мы выяснили разницу между металлами и неметаллами с точки зрения строения атома.

Металлы могут только отдавать свои валентные электроны; неметаллы, как правило, принимают их. Из сказанного само собой напрашивается вывод, что количество металлов и неметаллов в периодической системе должно быть приблизительно одинаково. Но не тут-то было! Оказывается, неметаллов в периодической системе очень мало. Они занимают только несколько клеточек в правом верхнем углу системы, а все остальные заполнены типичными металлами!

Все обстояло благополучно, пока мы не выходили за рамки первых трех периодов таблицы Менделеева. Но вот началось заполнение четвертого периода. Калий — один электрон на внешней, четвертой орбите, кальций — два электрона, скандий — два электрона. Титан и ванадий — опять по два. В чем дело? Почему, как только на внешней орбите размещаются два электрона, последующее заполнение четвертой орбиты прекращается, а каждый новый электрон размещается на внутренней, третьей орбите? Почему вообще с таким опозданием начинает заполняться третья орбита максимально возможным для нее числом электронов?

По-видимому, мешало сильное взаимное отталкивание одноименно заряженных электронов. Это привело к тому, что они начали образовывать новую орбиту дальше от ядра, вместо того чтобы «достраивать» старую. Но вот на новой орбите разместилась чрезвычайно устойчивая конфигурация из двух электронов. Настолько устойчивая, что вновь появляющимся электронам стало энергетически выгоднее «достраивать» внутреннюю, третью орбиту, тем более что такой «застройке» стал помогать увеличившийся положительный заряд ядра атома.

Впрочем, электроны внешней орбиты не совсем игнорируют пришельцев. Титан, например, несмотря на то, что имеет на внешней орбите всего два электрона, в химических реакциях проявляет валентность 4+ (как этого и требует номер группы). Недостающие два электрона он просто берет «взаймы» с третьей орбиты. Ванадию, поскольку он расположен в пятой группе, приходится «занимать» уже три электрона и т. д. Подобная картина наблюдается во всех четных рядах. У всех элементов четных рядов на внешней орбите имеется по два электрона, а это, как мы видели, признак металличности.

Но что же происходит после того, как внутренняя орбита полностью заполнена? В четвертом периоде это наступает у меди и цинка. Ну, тут уж делать нечего, и нашим двум электронам приходится потесниться. У следующего за цинком металла галлия на внешней орбите три электрона, у германия — четыре. А расположенные за германием мышьяк, селен и бром уже оказываются типичными неметаллами, то есть появляется закономерность изменения свойств такая же, как и в предыдущих (малых) периодах. Так образовался первый большой период. В дальнейшем, при заполнении следующих больших периодов, картина будет повторяться. С той лишь разницей, что в шестом периоде, после того как у бария появятся два электрона на внешней орбите, дальнейшее заполнение пойдет следующим образом. У лантана один электрон разместится на предыдущей, пятой орбите, а у лантаноидов начнется заполнение глубоко лежащей четвертой орбиты.

Вот, оказывается, в чем причина поразительного сходства этих элементов. В самом деле, единственный электрон с пятой орбиты «взять взаймы» нетрудно, но попробуйте добраться до четвертой орбиты! Поэтому и приходится ждать, пока она не будет заполнена целиком, а до тех пор довольствоваться лишь тремя электронами. Вот так и случилось, что целых четырнадцать элементов проявляют одну валентность 3+ и потому похожи друг на друга по своим химическим свойствам, как близнецы.

Но химическое сходство или различие элементов зависит не только от строения электронных орбит, но и от их числа. Ведь с каждой новой орбитой, с каждым новым периодом атом увеличивается в размерах. В результате электроны последних орбит уже так далеко расположены от притягивающего их ядра, что им ничего не стоит покинуть атом при самом незначительном воздействии. Вот почему самые металличные металлы, цезий и франций, расположены в левом нижнем углу периодической системы, а самый неметалличный неметалл, фтор, — наоборот, в правом верхнем. Лантаноиды еще и потому так похожи друг на друга, что заполнение электронами глубоко лежащей внутренней орбиты сопровождается не увеличением размеров атомов, а незначительным уменьшением за счет возросшего положительного заряда ядра. Более того, в результате такого «лантаноидного сжатия» следующие за ними элементы гафний и тантал имеют в точности такие же размеры атомов, как и их аналоги цирконий и ниобий, и потому цирконий особенно похож по своим свойствам на гафний, а ниобий — на тантал.

И, наконец, несколько слов о положении в системе водорода. Помещая водород в первую группу, мы должны отчетливо представлять себе, что делаем это лишь по единственному признаку — один электрон на орбите. Но ведь водород может проявлять валентность и 1–, то есть, подобно галогенам, он может принимать на свою орбиту один электрон, становясь отрицательно заряженным. Известен целый класс подобных соединений. Они называются гидридами. Например, гидрид кальция CaH₂, гидрид лития LiH. По этому признаку водород с полным правом можно поместить и в седьмую группу.

Можем ли мы сказать, что в наши дни периодическая система целиком и полностью безупречна? Пожалуй, все-таки нет. Взять хотя бы те же лантаноиды. То, что их помещают всего лишь в одну клетку лантана, оправдано с точки зрения теории строения электронных оболочек. Но тем самым в «короткую» форму таблицы Менделеева (которая изображена и на нашей цветной вкладке) вносится некоторый элемент искусственности. Далеко не все ясно и с положением трансурановых элементов. Этот вопрос сейчас вызывает очень много споров. Одни ученые полагают, что в седьмом периоде нужно выделить семейство актиноидов, аналогичное лантаноидам, и поместить торий, протактиний, уран и 11 трансурановых элементов (общим числом 14, как в случае лантаноидов) в клетку актиния (это показано на вкладке). Другие исследователи считают разумным выделить семейства уранидов и кюридов, оставив торий, протактиний и уран на прежних местах. Словом, ясности пока маловато. Ее внесет будущее.

Безусловно, многое еще ожидает впереди периодическую систему. Трудно гадать, какие еще дополнения и уточнения будут в нее внесены. Нельзя лишь сомневаться в том, что «будущее не разрушение периодическому закону, а развитие и расширение обещает». Так говорил Менделеев. Его слова многократно подтверждались и будут подтверждаться в ходе развития науки.