Занимательная геохимия. Химия земли - Александр Евгеньевич Ферсман

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.

Один из них, № 43, по своим свойствам должен походить на марганец. Он и был назван Д. И. Менделеевым экамарганцем.

В настоящее время этот элемент искусственно получен и назван — технеций.

Второй расположен под йодом и обозначен № 85. Он должен обладать какими-то сказочными свойствами, должен быть еще более летучим, чем йод. Д. И. Менделеев назвал его экайод. Он тоже искусственно получен и назван — астатин или астат.

Клетки можно раскрасить цветными карандашами в условные цвета: розовый, зеленый, голубой и желтый, — в соответствии с расположением точек. (Цифры в скобках обозначают атомный вес наиболее устойчивых изотопов искусственно полученных элементов.)

Третий такой же, долгое время бывший загадочным, элемент обозначен в нашей таблице № 87, его предсказывал еще сам Д. И. Менделеев, называя — экацезий. Он синтезирован и получил имя — франций.

Наконец, четвертый элемент, которого не нашли ни на Земле, ни на звездах, — это № 61. Он является одним из металлов редких земель. Он искусственно получен и обозначается именем — прометий.

Сейчас таблица элементов много полнее, чем в те времена, когда Д. И. Менделееву надо было разобраться в сложной картине природы и написать первый проект таблицы.

Как мы уже говорили, каждая клетка под определенным номером занята одним химическим элементом. Однако физики показали, что в действительности дело обстоит сложнее. Так, в клетке № 17, судя по химическим свойствам, имеется один только атом газа хлора с маленьким ядром и семнадцатью электронами, которые, подобно планетам, окружают его со всех сторон. А между тем физики указывают, что хлора два: один потяжелее, другой полегче. Но так как пропорция их везде одинакова, то и средний вес всегда равен 35,46.

А вот другой пример. Хорошо знакомая нам клетка № 30 занята цинком. Но и здесь физики показывают, что цинки есть разные, одни более тяжелые, другие более легкие, всего шесть разных сортов. Таким образом, оказывается, что хотя каждая клетка содержит один химический элемент с определенными природными свойствами, но сортов, или изотопов, этого элемента бывает несколько. В иных случаях один, а в других — даже десять.

Конечно, это страшно заинтересовало геохимиков. Почему же все изотопы встречаются в строго определенных количествах, почему не бывает в одном месте больше тяжелого, а в другом легкого элемента? Химики принялись за энергичную работу по проверке этого факта. Они взяли для анализов соли разного происхождения: простую поваренную из моря, из разных озер, каменную соль, соль из Центральной Африки; выделили из каждого сорта соли газ хлор и неожиданно получили для атомного веса одинаковые числа. Взяли даже хлор из камней, падающих с неба, — и здесь состав хлора оказался совершенно таким же. И то, что мы называем атомным весом, не изменялось, откуда бы мы ни брали элемент.

Но недолго продолжалось торжество химиков. Другие исследователи попытались в лаборатории разделить эти тяжелые и легкие изотопы атома. После сложной и долгой перегонки газа хлора удалось получить один газ, состоящий из более легких атомов хлора, а другой — из более тяжелых. Химически оба эти хлора совершенно одинаковы, а вот веса у них различные.

Это открытие изотопов каждого элемента усложнило всю менделеевскую таблицу. Так это казалось раньше просто — 92 клетки, в каждой клетке по одному химическому элементу. Номер говорит о числе электронов вокруг ядра, все так просто, ясно и определенно! И вдруг оказывается, что это не так!

Вместо одного кислорода — их целых три, и