ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВСЕЛЕННАЯ (ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА)

СОВРЕМЕННАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

О 1905 году, незадолго до смерти, Д. И. Менделеев пи - сал: «периодическому закону будущее грозит не раз­рушением, а только надстройки и развитие быть обе­щаются».

История дальнейшего развития науки показала всю справедливость этого предвидения.

Конец XIX и начало XX века ознаменовались рядом крупных научных открытий в области физики и химии. Эти открытия заставили учёных коренным образом пере­

Смотреть представление об атоме и в особенности об атом­ном весе, этом наиболее индивидуальном качестве хими­ческого элемента, на которое опирался в своей работе Д. И. Менделеев.

В 1895 году Рентгеном были открыты новые, неизвест­ные дотоле, лучи с большой проникающей способностью*).

В поисках других подобных лучей профессор Беккерель открыл в следующем году вещество, которое самопроиз­вольно, без влияния внешнего воздействия, испускает лучи, излучение обладающие огромной прони -

Д/Я>фО - кающей способностью. Это бы -

'•ЧОСИЩЫ ло соединение урана. Явление

Самопроизвольного распада бы­ло названо радиоактив­ностью (излучением). Вскоре была установлена природа радиоактивного излу­чения. Как оказалось, при ра­диоактивном распаде вещества выделяются три рода лучей: они были названы альфа-, бе - та - и гамма-лучами (альфа, бе­та и гамма — первые буквы греческого алфавита).

Альфа - и бета-лучи откло­няются в магнитном поле и, следовательно, являются элек­трически заряженными (рис. 10).

Гамма-лучи магнитным по­лем не отклоняются; по природе они родственны лучам Рентгена.

Дальнейшее исследование радиоактивных лучей вы­явило, что альфа-лучи представляют собой поток положи­тельно заряженных частиц, масса которых равна массе атома гелия. Бета-лучи несут на себе отрицательные электрические заряды.

Таким образом, открытие радиоактивных веществ по­казало, что атом не является простейшей неделимой ча­стичкой.

И действительно, вскоре было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг ко­торого на определённых расстояниях вращаются отрица­тельно заряженные частицы — электроны[8]). Элек­троны образуют так называемые электронные обо­лочки атома. Заряд ядра атома уравновешивается сум­мой зарядов находящихся в нём электронов.

Хотя ядро атома занимает ничтожно малую часть объёма атома, в нём сосредоточена почти вся его масса.

Самым простейшим атомом является атом водорода. Он имеет ядро, несущее на себе один положительный за­ряд, и один электрон, который вращается вокруг ядра.

Электроны располагаются в атомах как бы по слоям, распределены в них на определённых уровнях, причём в каждом слое может находиться только определённое число электронов. Например, первый слой «вмещает» всего два электрона.

Атомы, как уже говорилось, в целом электронейтраль - ны. Однако при известных условиях они способны терять из внешней оболочки свои электроны или, наоборот, за­хватывать на свою внешнюю оболочку «чужие» электро­ны. В этом случае атом становится электрически заря­женной частичкой — ионом.

Притягиваясь друг к другу, различно заряженные ионы — положительные и отрицательные — и образуют молекулы сложных веществ.

Металлы относятся к элементам, которые легко отда­ют свои электроны. Наоборот, неметаллы — металлои­ды — стремятся «захватить» во внешнюю оболочку «лиш­ние» электроны.

Некоторые элементы имеют свойства как металлов, так и неметаллов. Их называют амфотерными.

Способность отдельных атомов отдавать определённое число электронов или присоединять их определяет так на­зываемые валентные свойства элементов, то-есть способность атомов различных элементов вступать в опре­делённые численные соединения друг с другом.

Исследования строения атома показали связь между химическими свойствами элементов и строением электрон­ных оболочек атома.

Возьмём для примера химический элемент литий (1л). В его электронной оболочке имеется три электрона. Два из них располагаются в первом слое, а третий обра­зует новый слой, удалённый от ядра на большее расстоя­ние. Этот последний электрон менее устойчив в системе; атом может легко его отдать, превращаясь при этом в по­ложительно заряженную частицу — положительный ион.

Благодаря этому литий и принадлежит к химически активным элементам.

У каждого следующего за литием элемента — вплоть до неона — во внешнем электронном слое прибавляется по одному электрону. Неон завершает собой второй период таблицы Менделеева; в его внешнем электронном слое все восемь мест оказываются занятыми. У неона очень труд­но «изъять» любой из восьми электронов его наружного электронного слоя.

Именно поэтому неон и является инертным газом: только с большим трудом он вступает в химические соединения с другими элементами.

Новый — третий — период в системе Менделеева на­чинает элемент натрий. У этого элемента 11 электронов, из них 10 находятся в ближних к ядру двух электронных слоях, полностью завершённых, а последний, одиннадца­тый, начинает собой «застройку» нового, третьего, внеш­него электронного слоя. Этот одиннадцатый электрон ещё легче, чем у лития, может быть оторван от атома, так как он находится ещё дальше от ядра. Поэтому натрий, как и литий, характеризуется высокой химической актив­ностью.

Третий период заканчивает аргон; он, как и неон, вхо­дит в группу инертных газов. Его внешний электронный слой заполнен уже целиком, включая в себя также 8 элек­тронов, и он поэтому «безразличен» к другим химическим элементам.

Таким образом, завершённой электронной группиров­кой (слоем) в атоме заканчивается период химических элементов в таблице Менделеева. Первому периоду соот­ветствует слой, состоящий из двух электронов. Второму и третьему — соответствует слои из восьми электронов. Далее следуют четвёртый и пятый периоды (см. таблицу Менделеева), объединяющие в электронных слоях по 18 электронов.

Шестой период, состоящий из 32 элементов, содержит электронный слой, имеющий 32 электрона.

У инертных элементов этих периодов внешняя элек­тронная оболочка состоит из такой же устойчивой, «за­вершённой» группировки электронов, какую имеют неон и аргон.

Седьмой период — незаконченный, он не имеет завер­шённой электронной оболочки.

Если мы проследим, как в связи со строением элек­тронных оболочек атомов изменяются химические свой­ства элементов, то мы увидим, что с увеличением числа электронов во внешней оболочке атомов каждого пе­риода, постепенно уменьшается способность атомов те­рять свои «внешние» электроны.

Одновременно с этим начинает проявляться другая способность атомов — легко «достраивать» свою внеш­нюю электронную оболочку до наиболее устойчивой структуры, то-есть, до восьми электронов. Эта способ­ность наибольшая у электронов 7 группы, — у фтора, хлора и других. Поэтому атомы этих элементов легко образуют отрицательно заряженные ионы.

Каждая группа элементов в периодической таблице объединяет в себе элементы, родственные по их химиче­ским свойствам. Решающую роль в этом играет структура внешней электронной оболочки.

Зная, в какую группу входит тот или иной элемент, можно заранее предугадать его химические свойства и родство с другими элементами.

Элементы средних групп, в особенности четвёртой (на­пример, углерод, кремний, олово, свинец), как мы уже теперь легко можем сами подсчитать, содержат на внеш­ней оболочке 4 электрона. Элементы этих групп имеют или очень слабо выраженные свойства металлоидов или свойства металлоидов (например, углерод, кремний) или свойства металлов и металлоидов одновременно. К таким элементам относятся, например, олово и свинец. Эти эле­менты обладают одинаковой способностью образовывать как положительно, так и отрицательно заряженные ионы.

Изучение электронного строения атомов показало так­же, что место химического элемента в таб­лице Д. И. Менделеева определяется не атомным весом элемента, а величиной за­ряда его ядра. Положительный заряд ядер различ­ных химических элементов различен: заряд ядра водо­рода, как говорилось, равен единице, заряд ядра атома гелия равен двум, литиям — трём единицам и т. д. Иными словами, заряд ярда у различных атомов численно совпадает с порядковыми номе­рами химических элементов в таблице Менделеева. Так, заряд ядра лития равен трём еди­ницам и его порядковый номер в таблице — три, заряд ядра натрия 11, таков же и его порядковый номер в таб­лице и т. д.

Таким образом, в настоящее время периодический за­кон Д. И. Менделеева формулируется следующим обра­зом: свойства химических элементов на­

Ходятся в периодической зависимости от их порядковых номеров.

Число, определяющее величину заряда атомного ядра и порядковый номер химического элемента, часто назы­вают теперь числом Менделеева.

Очень интересно отметить, что при распределении эле­ментов в своей таблице Д. И. Менделеев безошибочно по­ставил на свои места такие элементы, как кобальт и ни­кель, иод и теллур. Как теперь установлено, такое их расположение, хотя оно и нарушает последовательность в возрастании атомных весов, в точности соответствует заряду ядер атомов этих элементов!

Изучение радиоактивности привело учёных к откры­тию, что среди радиоактивных элементов имеются такие, которые, несмотря на различие в атомном весе, обла­дают совершенно одинаковыми химическими свойствами. Эти элементы не могут быть химически отделены друг от друга.

Такие элементы были названы изотопами.

Существование изотопов химических элементов было предсказано знаменитым русским химиком А. М. Бутле­ровым в 1882 году.

Дальнейшие исследования показали, что изотопы имеются не только среди радиоактивных, но и среди боль -

Шинства элементов периодической системы. В природе химические элементы оказались «смешанными», состоя­щими из нескольких изотопов.

В настоящее время известно до 800 различных изо­топов.

Явление изотопии изменило весь внешний облик пе­риодической системы. Как теперь установлено, суще­ствуют многие группы химических элементов — изотопов, каждая из которых занимает только одну клетку, одно место в таблице Менделеева.

Явление изотопии дало также возможность объяснить нарушения в последовательности атомных весов элемен­тов, встречающихся в таблице Д. И. Менделеева, — у тел­лура, иода и других.

Дальнейшее уточнение и пополнение таблицы Менде­леева принесло изучение атомного ядра.

Первое расщепление атомного ядра было произведено свыше 30 лет назад, в 1919 году, когда при облучении («бомбардировке») атомов азота альфа-частицами, выле­тающими при распаде радия, были получены атомы одного из изотопов кислорода (с атомным весом 17). В опытах по расщеплению ядер было установлено, что в состав ядер входят положительно заряженные элементарные части­цы—протоны, или, иными словами, ядра атомов во­дорода (как известно, заряд ядра атома этого элемента равен единице и является поэтому минимальным поло­жительным зарядом ядерной частицы).

Было предположено, что в состав атомных ядер вхо­дят протоны и электроны. Однако это предположение оказалось неверным.

В 1932 году при «бомбардировке» альфа-частицами атомов элемента бериллия была открыта новая частица, входящая в состав атомного ядра, названная нейтро­ном. Масса этой частицы почти точно равна массе про­тона, но в отличие от него нейтрон не несёт никакого заряда.

Открытие нейтрона позволило установить строение атомных ядер. Советский физик Д. Д. Иваненко предло­жил рассматривать ядро как систему, состоящую из ней­тронов и протонов.

Таким образом, на основе известных нам теперь дан­ных можно считать, что все атомы химических элементов построены из трёх основных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Первые две частицы определяют строение ядра, а также величину атомного веса, а электроны — внешнюю оболочку атома.

Было установлено, что для каждого ядра суще­ствуют определённые соотношения протонов и нейтро­нов, в противном случае ядро перестаёт быть устой­чивым.

Если каким-нибудь образом изменить соотношение нейтронов и протонов в ядре, то при избытке первых в ядре происходит превращение нейтронов в протоны с из­лучением одного электрона, который увеличивает тем са­мым заряд ядра на одну единицу. Наоборот, при избытке протонов последние превращаются в нейтроны, излучая при этом положительно заряженную элементарную ча­стицу — позитрон, — и заряд ядра понижается на единицу.

Наиболее устойчивой комбинацией протонов и ней­тронов считается такое их количество, которое соответ­ствует образованию альфа-частицы, т. е. два протона и два нейтрона.

Дальнейшие исследования состава ядер отдельных элементов показали, что у лёгких атомов число нейтронов и протонов равно, и поэтому такие атомы устойчивы.

Но по мере возрастания атомного веса избыток ней­тронов становится всё более значительным. А начиная с элемента № 81 (таллий), эта разница в соотношении нейтронов и протонов возрастает ещё быстрей. Вот по­чему среди элементов, следующих за таллием, мы нахо­дим большое число естественных радиоактивных эле­ментов.

Новые достижения в науке об атомном ядре дали ра­боты супругов Жолио-Кюри. При облучении альфа-части­цами полония, алюминия и бора были получены искус­ственные неустойчивые радиоактивные ядра фосфора и азота. Это привело к получению большого числа искус­ственных радиоактивных веществ почти для всех элементов.

Открытие явления искусственной радиоактивности привело учёных также к открытию последних четырёх не­достающих элементов периодической таблицы с атом­ными номерами 43, 61, 85 и 87. Все эти элементы были впервые получены как продукты радиоактивного распада искусственных радиоэлементов.

Элемент № 43 — технеций (Тс) — был открыт в 1937 году при «бомбардировке» молибдена нейтронами и ядрами изотопа водорода — так называемого тяжё­лого водорода. Опыты показали, что технеций по своим свойствам гораздо больше похож на более тяжёлый, род­ственный ему элемент — рений, чем на вышестоящий в группе марганец.

Назван он был технецием потому, что был первым элементом, полученным искусственным путём.

Элемент № 61 — прометий (Рш) — был найден при исследовании продуктов деления ядер атомов урана. Этот элемент входит в состав группы редкоземельных элемен­тов и по своим свойствам похож на предшествующий ему элемент неодим (см. таблицу Менделеева).

Элемент № 85 — астатин (А1:) — был получен из вис­мута действием альфа-частиц. При низких температурах он летуч. Учёные, открыв этот элемент, дали ему назва­ние нестабильный, что по-гречески и означает астатин (так как это единственный галоген, не имеющий стабиль­ных изотопов).

И, наконец, элемент № 87 — франций (Бг) —был по­лучен при альфа-распаде актиния. Это наиболее тяжёлый из всех известных нам щелочных металлов.

Существование технеция, астатина и франция также было предсказано Менделеевым.

Чтобы закончить рассмотрение периодического закона химических элементов, необходимо ещё остановиться на проблеме получения новых элементов выше № 92, так называемых трансурановых или заурановых элементов.

Попытки найти или получить заурановые элементы делались уже давно, но получены эти элементы были лишь после того, как в 1939 году было открыто явление раскалывания ядер урана нейтронами.

Процесс распада атомов урана состоит в следующем. Уран встречается в природе в виде смеси изотопов с мас­сой главным образом 235 и 238. Урана с массой 235 очень мало — не более 0,7 процента, остальная часть прихо­дится на уран 238.

При обстреле атомов урана нейтронами уран 235 за­хватывает один нейтрон и превращается в уран с массой 236. Этот изотоп нестоек и в свою очередь приводит к распаду ядра с цепью радиоактивных превращений. При этом, — что очень важно, — всегда освобождается два - три нейтрона, которые могут вызвать продолжение такой, как называют учёные, цепной ядерной реак­ции. Это означает, что если вылетевшие нейтроны вновь попадут в следующее ядро урана 235, они будут продолжать реакцию деления ядра и т. д. Эта реакция и является основой для получения атомной или вер­нее ядерной энергии.

Иначе ведёт себя изотоп урана с массой 238. При его обстреле медленными нейтронами последние захваты­ваются ядром. Ядро переходит в неустойчивое состояние, в результате чего оно выбрасывает из себя бета-частицу сначала одну, а затем и другую. Заряд ядра при этом изменяется, и мы получаем новые элементы с порядко­выми номерами 93 и 94.

Эти элементы были названы нептунием и плу­тонием.

Так претворена была в жизнь мысль учёных о полу­чении искусственных элементов через ряд радиоактивных превращений.

Нептуний, а за ним плутоний были открыты в 1940 году.

В последующие годы получены были изотопы непту­ния, наиболее устойчивым из которых является нептуний с массой 237.

Известны изотопы и плутония. Наиболее интересным оказался изотоп с массой 239 — он хотя и радиоактивен, но распадается очень медленно.

В настоящее время получены также и другие транс­урановые элементы с порядковыми номерами — 95 (аме­риций), 96 (кюрий), 97 (берклий) и 98 (калифорний).

Америций с массой 241 распадается медленно, что позволило исследовать химические свойства этого элемента. Удалось даже получить его в виде соеди­нения.

Изотоп кюрия с массой 242 также распадается мед­ленно, испуская альфа-частицы, что также позволило учёным изучить его химические свойства.

Все трансурановые элементы составляют особую группу, сходную с группой редкоземельных элементов.

Эта группа объединяет в себе элементы, начиная от № 89 (актиния) и далее до № 98. Именуется она, как уже говорилось, группой актинидов.

$ *

*

Таков путь развития взглядов на природу основных веществ мироздания — химических элементов.

Многое изменилось с того времени, когда Менделеев впервые расположил химические элементы в их есте­ственной последовательности.

Претерпела изменение основная характеристика ато­мов, данная Д. И. Менделеевым, — атомный вес. Его за­менил порядковый номер элемента, или, иначе говоря, заряд ядра атома.

Однако ни явление изотопии, ни открытие и получе­ние новых элементов, ни ряд других фактов не потрясли здания, сооружённого гениальным предвидением Менде­леева. Наоборот, все эти факты только укрепили это зда­ние, подтвердили правильность и незыблемость великого закона природы, открытого одним из величайших хими­ков мира, русским учёным Дмитрием Ивановичем Мен­делеевым.