Страница 59 из 83
Однако разведчики «редкоземельного континента» упорно, шаг за шагом пытались «извлечь» истину из тьмы ошибок. Оказалось, что спектральный анализ не так уж непогрешим: малейшие примеси к элементу могут нарушить расположение линий в спектрах. Урбэн ввел магнетохимический метод анализа, основанный на разнице в величинах магнитной восприимчивости редких земель. Получение нескольких чистых редкоземельных металлов позволило лучше изучить их химию. К 1913 году за индивидуальные элементы признавались лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций. Но где гарантия, что какой-либо из них не окажется сложным? Причина близости их свойств оставалась невыясненной.
Что касалось места редкоземельных элементов в периодической системе, то мнения ученых резко расходились. Ближе всех к истине оказался в 1901 году чешский химик Богуслав Браунер, друг Менделеева. Браунер пришел к выводу, что редкоземельные элементы следует выделить в совершенно особую замкнутую группу, которую нужно поместить в середине периодической системы, в одной большой клетке, как продолжение четвертой группы, начиная от церия и кончая неизвестным пока элементом, лежащим налево от тантала. По мнению Браунера, между церием и танталом не могло быть других элементов, кроме редкоземельных.
Но идея чешского химика не более чем гипотеза. Она не была доказана, не имела строгого научного обоснования. И мало кто из ученых придал ей значение: никто в ту пору не подозревал, как близко подошел Браунер к отгадке. Он не мог решить задачу до конца, так как химия оказывалась бессильной. Слово было за физикой.
В 1913 году молодой английский физик Мозли изучал рентгеновские спектры элементов. Ему удалось установить любопытную закономерность: с помощью длины волны рентгеновского излучения того или иного элемента можно определить порядковый номер его в таблице Менделеева. Тем самым менделеевское расположение элементов в системе было подтверждено физикой. Периодический закон получил новый смысл: в основу закона Менделеева лег порядковый номер элемента, равный заряду ядра его атома, а не атомный вес, как прежде.
После открытия Мозли стало ясно, что химики в целом совершенно правильно составили ряд редкоземельных элементов. Их оказалось четырнадцать — от лантана до лютеция. Кроме того, в списке элементов было обнаружено два «пробела», соответствовавших двум не открытым еще элементам. Один из них, с порядковым номером 61, располагался между неодимом и самарием; другой, 72, был тем самым элементом «налево от тантала», о котором говорил Браунер.
Но причина близости свойств редких земель оставалась неясной, равно как и их положение в периодической системе. Требовалось выяснить, относится ли семьдесят второй элемент к редкоземельным или нет. И, наконец, вызывало удивление, почему до сих пор не открыт элемент № 61.
Мы не будем касаться вопроса о шестьдесят первом: у него очень сложная и весьма своеобразная «биография»; читатель узнает о ней из очерка об искусственно полученных элементах.
Прежде всего нужно было выяснить природу семьдесят второго элемента. С равной вероятностью он мог быть аналогом циркония и членом редкоземельного семейства. Ученым предстояло уточнить, сколько же всего редкоземельных элементов: пятнадцать или шестнадцать?
Вернемся снова к периодической системе. Рассмотрим ее второй и третий периоды. Они начинаются соответственно со щелочных металлов лития и натрия, заканчиваются инертными газами — неоном и аргоном — и состоят каждый из восьми элементов. Резко, от элемента к элементу, меняются в этих периодах свойства.
Следующие, четвертый и пятый периоды состоят уже из 18 элементов каждый, и резкая разница в свойствах проявляется лишь у начальных и конечных элементов; в середине же она как бы сглаживается.
Когда Менделеев создавал свою таблицу, он мог лишь принять это явление как факт. Современное физическое обоснование периодической системы позволяет дать ему вполне определенное объяснение.
Вспомним один из основных постулатов химии: химические свойства элементов зависят от строения внешних электронных оболочек их атомов.
Вспомним далее, что согласно теории Бора заполнение электронных оболочек атомов происходит не в беспорядке, а в определенной последовательности. Каждая из них обладает определенной «емкостью». Так, в ближайшей к ядру K-оболочке могут содержаться два электрона, в следующей L — 8, в M — 18, в N — 32, в О — 50 и т. д.
На первый взгляд может показаться, что заполнение этих оболочек происходит последовательно: «насытилась», скажем, L-оболочка, заполняется до полной емкости M-оболочка. На деле все обстоит сложнее, и только первые две оболочки, K и L, сразу набирают требуемое количество электронов.
Физики выделяют в каждой оболочке, начиная с L, еще и так называемые подоболочки. Они обозначаются буквами s, p, d и f и тоже имеют определенную емкость. Так, в s-подоболочке не может быть больше двух элементов, в p — шести, в d — десяти и в f — четырнадцати.
Напомним теперь читателю, как происходит заполнение оболочек.
У элементов первого периода таблицы Менделеева заполняется K-оболочка (2 электрона), второго — L (8 электронов). В третьем периоде появляются M-оболочка, но заполняется она не до конца, а лишь до восьми электронов. В четвертом периоде приходит очередь N-оболочки (у калия и кальция). Но уже начиная со скандия очередной электрон поступает в не достроенную ранее M-оболочку. Этот процесс проходит вплоть до цинка, ибо M-оболочка имеет емкость 18 электронов. Поэтому у десяти элементов четвертого периода — от скандия до цинка — внешняя оболочка (N) остается неизменной. Так как у них заполняется d-подоболочка оболочки M, то эти элементы носят иногда название d-элементов (3 d-элементы, так как заполняется третья оболочка). Аналогично в пятом периоде можем выделить 4 d-элементы и т. д.
Здесь можно дать хорошую иллюстрацию того, как на протяжении длинных периодов таблицы Менделеева ход изменения свойств элементов становится иным, нежели в коротких периодах. В коротких (литий — неон, натрий — аргон) каждый элемент довольно резко отличается от своих ближайших соседей. Оно и понятно, так как внешняя электронная оболочка у элементов коротких периодов непрерывно меняется. В длинных же периодах, у d-элементов, внешняя оболочка одна и та же, а очередные электроны поступают в предыдущую. Она, как известно, оказывает уже значительно меньшее влияние на химические свойства. Поэтому разница в свойствах у d-элементов не такая резкая.
Редкоземельные элементы стоят в шестом периоде. У лантана (№ 57) очередной электрон появляется в О-оболочке, поэтому лантан — типичный d-элемент, а у церия (№ 58) следующий электрон попадает даже в третью от края N-оболочку, в подоболочку f, емкостью в 14 электронов. Следовательно, ее формирование закончится у элемента с порядковым номером 71, то есть у лютеция; поэтому элемент № 72 уже не редкоземельный, а аналог циркония, и у него продолжается заполнение 5 d-подоболочки.
Когда был открыт элемент гафний, оказалось, что это так и есть.
Таким образом была разрешена загадка редких земель. Близость их свойств объясняется одинаковостью строения двух внешних оболочек атомов, именно тех, которые оказывают решающее влияние на химические свойства. Поэтому их размещают в таблице Менделеева в третьей группе (а не в четвертой, как предполагал Браунер), в клетке лантана.