Страница 3 из 77
Однако нельзя сказать, что у химиков вовсе не было хлопот с размещением в таблице вновь открываемых веществ.
В 1894 году англичане лорд Роберт Джон Рэлей (сын знаменитого физика Джона Уильяма Рэлея) и Уильям Рамзай обнаружили в воздухе неизвестный ранее странный газ. Он не вступал в химическое соединение ни с одним из известных элементов. Для нового газа, названного вследствие его химической инертности аргоном, не оказалось места в периодической системе элементов. Это вызвало волнение среди химиков. К тому времени все признали периодический закон Менделеева и с успехом пользовались его таблицей в работе. И вот странный случай: газ существует, а места ему в таблице элементов нет. Как это понять?
Через год снова возник тот же, вопрос.
В 1895 году Рамзай выделил из урановой смоляной руды неизвестный ранее газ, а спектральный анализ отождествил его с таинственным элементом, обнаруженным еще в 1868 году в спектре Солнца. Замешательство среди химиков еще более усилилось. Следует отметить, что и до Рамзая этот газ обнаруживали в некоторых горных породах, но эти сообщения каждый раз подвергали сомнению. Авторитет Рамзая утвердил существование нового элемента. Его назвали гелием в память о его «солнечном» происхождении.
Рамзай пошел дальше. Вот что мы читаем в его статье: «По образцу нашего учителя Менделеева я описал, поскольку возможно было, ожидаемые свойства и предполагаемые отношения газообразного элемента, который должен был бы заполнить пробел между гелием и аргоном». Должен был бы… Но в таблице для него не было места.
Однако газ, обладающий свойствами, предсказанными Рамзаем по рецепту Менделеева, был в 1898 году выделен им при участии М. В. Трейверса в результате разделения по фракциям большого количества жидкого воздуха. Его свойства соответствовали ожиданиям Рамзая, основанным на периодическом законе Менделеева. Мы знаем этот газ под названием неон. Вскоре ими были тем же методом выделены и другие газы, более тяжелые, чем аргон, — криптон и ксенон. И им не было места в таблице!
Вновь открытые газы походили друг на друга: они были инертными, не способными к участию в известных ученым химических реакциях. Их так и назвали — инертными газами. Одно время их называли благородными газами. Это открытие привело к расширению периодической системы Менделеева. В нее по предложению Рамзая ввели нулевую группу. Название продиктовано тем, что инертность вновь открытых газов казалось удобным связать с нулевой валентностью. Нулевую группу поместили перед группой наиболее активных металлов щелочного ряда.
Забегая вперед, сделаем отступление для тех, кто помнит, что в современном варианте таблицы Менделеева нет нулевой группы. Дальнейшие исследования связи химических свойств атомов со строением их электронных оболочек выяснили причину того, почему после первого периода, содержащего только два элемента — водород и гелий, следуют второй и третий периоды, содержащие по восемь элементов, а затем периодичность химических свойств делает скачок: период «восемь» заменяется периодом «восемнадцать».
В результате для сохранения идеи, заложенной Менделеевым в его таблицу, пришлось подразделить каждую из групп (вертикальных столбцов таблицы) на две подгруппы — левую и правую. В левых подгруппах помещены все элементы первых трех периодов и первые десять элементов каждого из больших периодов. Последние восемь элементов больших периодов располагают в правых подгруппах. Некоторую особенность представляет восьмая группа. В ее левой подгруппе расположены тройки: железо, кобальт, никель, а под ними рутений, радий, палладий и осмий, иридий, платина. Правую подгруппу восьмой группы занимают инертные газы.
Возвратимся, однако, к хронологии. В периодической таблице Менделеева еще оставались пустые места, указанные Менделеевым. Путеводной нитью при поиске новых элементов (путем химического выделения из природных соединений) служили их свойства, предсказываемые на основе таблицы Менделеева. Последним элементом, обнаруженным таким путем, был элемент, свойства которого определяются семьдесят пятой клеткой таблицы. Он был назван рением.
Далее поиск еще неизвестных элементов вступил в новую фазу. Химики начали исследовать радиоактивные элементы. В 1939 году француженка М. Пере обнаружила среди продуктов распада радиоактивного элемента актиния новый элемент. Полученный из актиния неведомый продукт «таял» на глазах — каждую 21 минуту от него оставалась половина. Другая часть распадалась с выделением альфа-частиц. И нужно было быть искусным экспериментатором, чтобы успеть определить его характеристики. Свойства незнакомца совпали со свойствами, предсказанными Менделеевым для элемента № 87 — экацезия. Новый радиоактивный элемент был назван францием.
Остальные элементы, предсказанные Менделеевым, впоследствии получены искусственно современными методами ядерных реакций. Этими методами были выделены также многочисленные изотопы — химические аналоги — известных ранее элементов и не встречающиеся в природе элементы с атомным весом, превышающим атомный вес урана. Эта история полна неожиданностей, трудностей, и об этом мы расскажем дальше. Здесь же следует лишь заметить, что Менделеев предчувствовал ход событий и указывал на возможность расширения периодической системы за счет неизвестных еще тяжелых элементов.
Пророческими оказались слова Менделеева: «…периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает».
Физики отнимают у химиков атом
Дальше происходит то, что иллюстрирует название одной из глав в современной «Истории химии» итальянца Микеле Джуа «Физика обновляет химию и отнимает у нее атом».
Уже в 1871 году в первом издании фундаментального труда «Основы химии» Менделеев развивает мысль Ломоносова о том, что атомы, со времен древних атомистов считавшиеся неделимыми, «суть сложные вещества, образованные сложением еще меньших частей, что называемое нами неделимым (атомы) — неделимо только обычными химическими силами… Несмотря на шаткость и произвольность такого предположения, к нему невольно склоняется ум при знакомстве с химией».
Там же он обращает внимание читателя на большое значение физических методов исследования и прямо указывает: «Можно надеяться, что он (экаалюминий) будет открыт спектральным исследованием…» И действительно, экаалюминий — галлий — был открыт при помощи спектрального метода — расшифровкой оптических спектров веществ.
Менделеев придавал большое значение сопоставлению закономерностей спектров с периодическим законом: «Во всех подобных сопоставлениях виден зачаток понимания связи между атомными весами, химическими аналогиями и положением спектральных линий простых тел. Но, по моему мнению, еще не видно точных закономерностей, которые управляют зависимостью указанных предметов, а видно только отражение периодического закона».
Менделеев не дожил до того времени, когда связь химических свойств веществ и их физического строения стала фактом науки. Ведь в его время не было известно даже строение атома. Только через четыре года после его смерти физика совершила первый прорыв к пониманию строения материи. Легендарный австралиец Эрнест Резерфорд в 1911 году опубликовал свои опыты по рассеянию альфа-частиц атомами.
Он при помощи своих учеников обстрелял мишень из тонкой металлической фольги узким пучком альфа-частиц и… поразился!
Альфа-частицы рассеивались от мишени не узким пучком, а во все стороны — даже под большими углами. Размышления над этим странным фактом привели его к первым догадкам об устройстве микровселенной атома: такой характер рассеяния частиц-снарядов может быть лишь следствием того, что основная масса атома содержится в малом объеме — ядре. Тут же в ядре атома сосредоточен и его положительный заряд. Резерфорд писал: «Положительный заряд, связанный с атомом, сконцентрирован в крошечном центре, в ядре. А компенсирующий отрицательный заряд распределен в сфере с радиусом, сравнимом с радиусом атома».
Так возникла планетарная модель атома: малое тяжелое положительное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Количество электронов таково, что их суммарный заряд компенсирует положительный заряд ядра.