Путешествие в Страну элементов: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Эту работу Резерфорд поручил своему молодому сотруднику Генри Мозли, и тот блестяще справился со своей задачей. Короткая жизнь талантливого ученого (через год Мозли погиб) увенчалась исключительным по своей важности открытием.

Если на пути летящих электронов поместить преграду из какого-нибудь металла (она называется «антикатод»), то возникает рентгеновское излучение, в спектре которого, кроме многих других, будут и линии, характерные только для вещества антикатода. Это так называемые «характеристические» линии. Вот к систематическому изучению этих характеристических линий и приступил Мозли, после того как им были изготовлены антикатоды из большинства элементов.

От этих опытов ждали многого. Ведь если «планетарная» модель атома Резерфорда верна, то при переходе от элемента к элементу должна последовательно меняться и длина волны характеристического рентгеновского излучения. А раз так, то, зная эту длину волны, можно определить порядковый номер элемента в системе Менделеева!

Как ни смелы были предположения, а результаты превзошли даже самые смелые ожидания. Найденная закономерность оказалась столь ясно выраженной, соотношение между длиной волны и порядковым номером элемента настолько простым, что сомнений больше не оставалось: получен самый надежный метод определения места элемента в системе Менделеева.

И сразу начал рассеиваться туман, который долгие годы скрывал от ученых тайну редкоземельных элементов.

Прежде всего стало ясно, какие из редкоземельных элементов существуют в природе реально, а какие — плод фантазии или результат ошибки опытов. Только 13 таких элементов получили «права гражданства». Кроме того, Мозли уверенно заявил, что в руках исследователей нет элементов с порядковыми номерами 61 и 72 и, следовательно, их нужно искать!

Но где искать? Что касается 61-го элемента, то тут, казалось, особых затруднений ждать не приходилось. Это будет 14-й лантаноид. Датский физик Ю. Томсен еще в 1895 году, Б. Браунер в 1902 году предсказывали, что между неодимом и самарием должен находиться неизвестный редкоземельный элемент. Значит, и искать его надо в тех же минералах, в которых были найдены неодим и самарий^[2].

А где же искать элемент № 72?

Лютеций — № 71 — типичный редкоземельный элемент, № 73 — тантал — уже нет. Но каким элементом заканчивается группа лантаноидов? Лютецием или неизвестным № 72?

Ответить на этот вопрос смог великий датский ученый, физик-теоретик Нильс Бор. Выдвинутая им теория составила целую эпоху в науке о веществе.

Бор начал, казалось бы, с незначительной поправки к планетарной модели атома Резерфорда. Он предположил, что электроны вращаются не по любым, а по строго определенным орбитам и на каждой орбите может находиться только вполне определенное число электронов. Электрон может переходить с одной орбиты на другую, но при этом он либо выделяет, либо поглощает строго определенную порцию (квант) энергии. Поэтому спектр возбужденного атома, сфотографированный в специальном приборе — спектроскопе, имеет не сплошной, а «полосатый» вид.

Дав объяснение таким спектрам с помощью своей теории, Бор пришел к выводу, что на первой от ядра орбите могут находиться не более 2 электронов, на второй — 8, на третьей — 18, на четвертой — 32, на пятой — 50 и т. д. Вообще 2n2 электронов, где n — порядковый номер орбиты (в физике число n носит название «главного квантового числа»).

Теперь давайте посчитаем число элементов в каждом периоде системы Менделеева. В первом периоде — 2 элемента (водород и гелий), во втором и третьем — 8, в четвертом и пятом — по 18, в шестом периоде — 32 элемента. Мы получили тот же ряд чисел! Ясно, что это не случайность. Число элементов в периоде отражает последовательность заполнения электронных орбит. А раз так, то, по-видимому, становится совершенно необходимым, необычайно важным знать, как, в какой последовательности оно происходит. На этом пути мы неизбежно должны прийти к очень важным выводам.

Итак, с точки зрения теории Бора, у элементов первого периода периодической системы идет заполнение первой орбиты. Поскольку на ней могут расположиться только 2 электрона, то и элементов в первом периоде может быть только два. Во втором периоде (n=2, идет заполнение второй орбиты) могут быть 8 элементов. Так оно и есть. Последний элемент второго периода, неон, имеет порядковый номер 10, и, значит, число электронов у него равно десяти: 2 на первой орбите и 8 на второй. Далее, в третьем периоде должно быть уже 18 электронов, но их всего 8, то есть третья орбита вместо 18 возможных вместила только 8 электронов. Так происходит потому, что 8-электронная структура обладает наибольшей устойчивостью, и поэтому третья орбита заполняется максимально возможным для нее количеством электронов (18) только в четвертом периоде, то есть когда она стала, если можно так выразиться, «глубоким тылом». Это явление — заполнение оболочек «с опозданием» — будет повторяться и дальше, причем во всех случаях это будет происходить только «под защитой» внешней оболочки, которая, в свою очередь, никогда не имеет больше восьми электронов.

Нам осталось рассмотреть пятый и шестой периоды, (седьмой период не закончен). Расположение электронов по орбитам у инертных газов, заканчивающих эти периоды, таково:

Ксенон — 2, 8, 18, 18, 8.

Радон — 2, 8, 18, 32, 18, 8.

В шестом периоде электроны как бы «вспоминают», что на четвертой орбите есть 14 «вакантных» мест, и начинают их заполнять. Так образовалось семейство лантаноидов. 14 электронов — 14 элементов. Но ведь это значит, что элемент № 71 — лютеций — последний редкоземельный элемент и, следовательно, неизвестный элемент № 72 должен быть аналогичен уже цирконию и титану, расположенным в соседней четвертой группе. Значит, и искать его нужно в циркониевых и титановых рудах, а не среди редких земель.

В 1923 году Костер и Хевеши обнаружили элемент № 72. Найден он был в норвежской циркониевой руде и назван гафнием. Теория Бора блестяще подтвердилась. Тучи над периодическим законом развеялись. Причина периодического изменения свойств стала очевидной.

Давайте теперь еще раз вернемся к периодической системе, но вернемся вооруженные проверенной теорией и глубоко убежденные в правильности периодического закона.

Итак, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, заряд которого равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Их число равно заряду ядра (а следовательно, порядковому номеру). Электроны расположены на орбитах, причем на каждой максимально может находиться только строго определенное число электронов. Вот эти числа: 2, 8, 18, 32 и т. д.

По-видимому, структуры из такого числа электронов являются наиболее устойчивыми и особенно 2- и 8-электронные. И это действительно так. Ведь у инертных газов на внешней орбите такое количество электронов: у гелия — 2, а у всех остальных — по 8.

А теперь выясним, как связаны химические свойства элементов со строением их атомов. В первом периоде находятся два элемента: водород и гелий. У первого элемента, водорода — заряд ядра — единица и на единственной орбите — один электрон. У гелия появляется еще один электрон, и на этом период заканчивается.

У первого элемента второго периода, лития — порядковый номер три, и три его электрона расположены на двух орбитах: два на первой и один на второй. У бериллия появляется четвертый электрон. Но поскольку первая орбита занята полностью, то новый электрон поместится на второй орбите. У бора на второй орбите будут уже три электрона, у углерода — четыре, у азота — пять и так до неона, у которого вторая орбита уже заполнена — на ней восемь электронов. Поэтому новый электрон, который появляется у следующего за неоном натрия, должен поместиться на следующей, третьей орбите.

Начинается новый период. И в нем картина полностью повторяется. У магния, похожего по химическим свойствам на бериллий, будет два электрона на внешней орбите. У аналогов бора и алюминия, углерода и кремния, азота и фосфора, кислорода и серы, фтора и хлора — у всех на внешней орбите по одинаковому числу электронов (например, у фтора и хлора — по семи). Так вот, оказывается, в чем причина повторяемости свойств химических элементов! Она в сходстве строения внешних электронных орбит.

Так, у щелочных металлов лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция — у всех на внешней орбите по одному электрону, а это значит, что, вступая в химическую реакцию, их атомы могут «оперировать» только одним электроном, а именно: отдавать его, стремясь приобрести такую же устойчивую электронную оболочку, как у инертных газов.

Во вторую группу попадают щелочноземельные металлы. У них по два электрона на внешней орбите, и, следовательно, отдавая их, они могут проявлять валентность 2+ (то есть два положительных заряда у них не скомпенсированы) и т. д. В общем оказывается, что номер группы периодической системы указывает высшую возможную валентность элементов, стоящих в этой группе. Так, элементы седьмой группы могут проявлять валентность, равную 7+.

Но почему мы все время говорим только об отдаче электронов? Ведь точно такую же устойчивую структуру, подобную структуре инертного газа, элементы приобретут, если присоединят к себе недостающие до 8-электронной структуры электроны. Правильно. Они так и делают, но только там, где это «выгодно». Конечно, магнию, например, легче отдать свои два электрона, чем присоединить шесть, а хлору, у которого на внешней орбите семь электронов, достаточно приобрести один электрон, и орбита «достроена».

По этой же причине стоящему в середине азоту практически «все равно», отдавать или принимать электроны. Ему одинаково выгодно и то и другое.

[2] Кроме того, Мозли, наконец, разрешил давний спор о местонахождении в системе K и Ar, Co и Ni, J и Te, твердо установив, что порядковый номер Co — 27, Ni — 28, Ar — 18, K — 19, Te — 52, a J — 53.