ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА

СОВРЕМЕННАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

1905 году, незадолго до смерти, Д. И. Менделеев пи­сал: «...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 пере­смотреть 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 [3]).

В поисках других подобных лучей профессор Бекке - рель открыл в следующем году вещество, которое само­произвольно, без влияния внешнего воздействия, испускает лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Это было соединение урана. Явление самопроизвольного распада было названо радиоактивностью (излу­чением) .

Вскоре было установлено, что радиоактивность — яв­ление, распространённое в природе. Оно было обнару­жено у элементов тория, актиния и других.

М. Складовская-Кюри, исследуя урановую руду, от­крыла новый элемент — радий, расположенный в совре­менной периодической таблице элементов под номером 88. Изучение его свойств показало, что этот элемент род­ственен барию.

Была установлена природа радиоактивного излучения. Как оказалось, при радиоактивном распаде вещества вы­деляются три рода лучей: они были названы альфа-, бета - 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. 4).

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. 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.

Самый простейший атом — 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, второй — восемь и т. д.

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 и определяет в а - лентность химических элементов.

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

Возьмём для примера химический элемент литий (1л), начинающий второй период. 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 этектрон 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 восемь электронов, и он поэтому «безразличен» к другим химиче­ским элементам.

Таким образом, завершённой электронной группиров­кой (слоем) в атоме заканчивается каждый период хи­мических элементов в таблице Менделеева. Первому пе­риоду соответствует слой, состоящий из двух электронов, второму и третьему — слой 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 устойчпзой, «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 седьмой группы — у фтора, хлора и других. Поэтому атомы этих элементов легко об­разуют отрицательно заряженные ионы.

Как вы уже знаете, каждая группа элементов в пе­риодической таблице объединяет в себе элементы, родственные по 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 четыре электрона. Элементы этих групп имеют или очень слабо выраженные свойства металлов, или свойства металлоидов (например, углерод, крем­ний), или свойства металлов и металлоидов одновременно. К последним 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 величинойза - ряда его ядра. Положительный заряд ядер различ­ных химических элементов различен: заряд ядра водо­рода, как говорилось, равен единице, заряд ядра гелия равен двум, лития — трём единицам и т. д. Иными словами, заряд ядра у различных атомов численно совпадает с порядковыми но­мерами химических элементов втаблице 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 на­ходятся в периодической за в и с имо сти от их порядковых номеров.

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.

Дальнейшие исследования показали, что изотопы имеются не только среди радиоактивных, но и среди боль­шинства элементов периодической системы. В природе хи­мические элементы оказались «смешанными», состоящими из нескольких изотопов.

В настоящее время известно уже до 1000 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 35 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 — п о з и т р о н,— и заряд ядра понижается на единицу.

Наиболее устойчивой комбинацией протонов и нейтро­нов считается такое их количество, которое соответствует образованию альфа-частицы, то-есть 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 быстрее. Вот почему среди элементов, следующих за таллием, мы находим боль­шое число естественных радиоактивных элементов.

Новые достижения в науке об атомном ядре связаны с работами французских учёных супругов Жолио-Кюри. Облучая альфа-частицами атомы кремния, алюминия и бора, они получили искусственные радиоактивные изо­топы фосфора и азота.

Позднее получены искусственным путём радиоактив­ные изотопы почти для всех элементов. При этом были по­лучены последние четыре недостающие элемента периоди­ческой таблицы с атомными номерами 43, 61, 85 и 87.

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 (Рт) —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 астагин (так как это единственный галоген, не имеющий стабиль­ных изотопов).

И, наконец, элемент № 87 — франций (Рг) — 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 новых элементах выше № 92, так называемых транс­урановых или заура новых элементах.

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

Процесс этого деления 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[4]).

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 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 (актиний) и далее. 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.

Однако ни явление изотопии, ни открытие и получение новых элементов, ни ряд других фактов не опровергли,

А, наоборот, только укрепили, подтвердили правильность и незыблемость великого закона природы, открытого рус­ским учёным Дмитрием Ивановичем Менделеевым.