Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Как Менделеев открыл свой закон

В старом здании химической лаборатории Петербургского университета сидел молодой, но уже известный профессор. Это был Дмитрий Иванович Менделеев. Он только что получил кафедру общей химии в университете и был занят составлением курса для студентов. Он искал при этом наиболее удобных форм для изложения законов химии, описания истории отдельных элементов и упорно думал над тем, как построить свои лекции. Как связать между собой рассказы о калии, натрии или литии, о железе, марганце и никеле? Он уже чувствовал, что есть какие-то, не совсем еще понятные связи между отдельными химическими элементами.

Для того чтобы найти лучший порядок, он взял отдельные карточки и на них написал крупными буквами название элемента, его атомный вес и некоторые главные свойства. Затем он стал раскладывать эти карточки, группируя элементы по их свойствам, примерно так, как наши бабушки раскладывали вечерами свои пасьянсы.

И вот профессор увидел замечательную закономерность. Он разложил все химические элементы подряд, в порядке увеличения атомного веса, и оказалось, что, за немногими исключениями, через определенные промежутки свойства элементов начали повторяться. Тогда он стал подкладывать следующие карточки под первым рядом и сделал второй, а отложив семь элементов, начал раскладывать третий ряд.

Д. И. Менделеев (1834–1907)

В этом ряду пришлось разложить уже семнадцать элементов, так, чтобы похожие атомы лежали один под другим; да и не очень хорошо все сходилось, пришлось оставлять свободные места. Затем снова таких же семнадцать карточек – получился следующий ряд. Дальше дело пошло сложнее – ряд атомов совсем не хотел укладываться, но все же повторение свойств намечалось ясно.

Таким образом, все известные Д. И. Менделееву элементы расположились в виде особой таблицы, при этом, за немногими исключениями, все они следовали один за другим горизонтальными рядами в порядке повышения их атомного веса, а сходные элементы оказались расположенными по вертикали в ряды колонок.

В марте 1869 года Д. И. Менделеев прислал в Физико-химическое общество в Петербурге первое краткое сообщение о своем законе. Потом, предвидя огромное значение сделанного им открытия, он стал упорно над ним работать, уточнять, исправлять свою таблицу. Он скоро убедился, что в таблице есть пустые места.

«В этих пустых местах за кремнием, бором и алюминием будут найдены новые вещества», – говорил он. Это предсказание вскоре сбылось, и пустые клетки таблицы были заполнены вновь открытыми элементами, получившими названия галлия, германия и скандия.

Так русским химиком Д. И. Менделеевым было сделано величайшее в истории химии открытие. Но не думайте, друзья, что это так просто – взять карточки, написать на них названия, разложить по порядку – и все готово! Эта простота, эта как бы некоторая случайность в открытии – только кажущаяся. Ведь в те времена было известно лишь 62 элемента. Атомные веса были определены неточно, отчасти неверно, свойства атомов были изучены еще плохо.

Надо было суметь вникнуть в природу каждого химического вещества, понять сходство одних элементов с другими, разгадать пути странствования каждого из них, их «дружбу» или «вражду» в самой земле.

Д. И. Менделееву удалось связать воедино все то, что до него было сделано по изучению химии Земли.

Связи между элементами, правда еще в неясном и несовершенном виде, подмечали и другие ученые.

Но большинство ученых того времени считало идею о родстве элементов абсурдной. Так, когда английский химик Д. А. Ньюлендс, один из борцов за свободу Италии в войсках Гарибальди, представил для печати работу о повторяемости свойств некоторых элементов при возрастании атомного веса, его работа была отвергнута Химическим обществом, а один из химиков сказал в насмешку, что Ньюлендс добился бы еще более интересного вывода, если бы расположил все элементы в алфавитном порядке по их названиям.

Но это все были частности. Надо было сделать неизмеримо большее: надо было подметить единый план, основной закон

Вселенной и показать на фактах, что он действует везде, что каждый элемент всеми своими свойствами зависит от этого закона, подчиняется ему, вытекает из него.

Для этого надо было иметь гениальную интуицию, умение подмечать общее в противоречивом, иметь настойчивость в исследовании конкретных фактов. Это мог сделать только такой гигант мысли, каким был Д. И. Менделеев.

Д. И. Менделеев сумел так ясно, четко и просто представить взаимную связь всех атомов природы, что никто не мог опровергнуть его систему. Порядок был найден. Правда, еще загадочны были те связи, которые соединяли элементы между собой, но порядок был столь очевиден, что позволил Менделееву говорить о новом законе природы – периодическом законе химических элементов.

С тех пор прошло более семидесяти пяти лет. Почти сорок лет работал над этим законом Д. И. Менделеев, проникая в самые глубокие тайны химии.

В Палате мер и весов, которой он заведовал, он изучал и измерял самыми точными методами разные свойства металлов, находя все больше и больше подтверждений своему открытию.

Он ездил по Уралу, изучая его богатства, посвятил много лет проблеме нефти и ее происхождения, и всюду – в лаборатории и в природе – он видел подтверждение своего периодического закона. В глубочайших теориях и на практике этот закон превращался в руководящий компас, который, как мореплавателей в море, направлял искания ученых и практиков.

И до самой своей смерти Д. И. Менделеев совершенствовал, исправлял, углублял свою маленькую табличку 1869 года; и сотни химиков, следуя по его гениальному пути, открывали то новые элементы, то новые соединения, постепенно разгадывая глубокий внутренний смысл таблицы Менделеева.

Сейчас она встала перед нами в совершенно новом виде.

Оказалось, что таблица Д. И. Менделеева явилась превосходным руководством для изучения закономерности строения спектров атомов. Изучая спектры элементов и расположив их в порядке таблицы Менделеева, молодой английский физик Генри Мозли совершенно неожиданно в 1913 году раскрыл еще одну закономерность таблицы Менделеева и установил важную роль порядкового номера элемента в таблице.

Первый опубликованный вариант Периодической системы элементов Д. И. Менделеева

Он доказал, что самое важное в элементе – это заряд центрального ядра, который точно равен порядковому номеру элемента. У водорода он равен единице, у гелия – двум, а, например, у цинка – тридцати, у урана – девяноста двум. И столько же электронов привязано этими зарядами к ядру и носится вокруг него по орбитам.

Во всех атомах число электронов, окружающих ядро атома, равно порядковому номеру элемента. Все электроны определенным образом распределяются по отдельным слоям. Первый, ближайший к ядру слой К содержит у водорода 1 электрон, а у всех других элементов – 2 электрона. Второй слой L у большинства атомов содержит 8 электронов. Слой М может иметь до 18 электронов, слой N – до 32.

Химические свойства атомов определяются главным образом строением внешнего электронного слоя, который отличается особой устойчивостью, когда число электронов в нем достигает восьми. Атомы, имеющие во внешнем слое один или два электрона, легко их отдают, превращаясь при этом в ионы. Например, натрий, калий, рубидий имеют во внешней оболочке по одному электрону. Они легко их теряют и превращаются в одновалентные положительно заряженные ионы. При этом следующий электронный слой становится, таким образом, внешним слоем. Он содержит восемь электронов, что обеспечивает устойчивость иона-атома.

Атомы кальция, бария и других щелочноземельных металлов имеют по два внешних электрона, потеряв которые они превращаются в устойчивые двухвалентные положительные ионы. Атомы брома, хлора и других галоидов имеют во внешней оболочке по семи электронов. Они жадно захватывают электроны из внешних оболочек других атомов и, дополнив ими свою оболочку до восьми электронов, становятся устойчивыми отрицательными ионами.

У элементов, имеющих во внешней оболочке три, четыре и пять электронов, склонность к образованию ионов при химических реакциях выражена менее ярко.

Вес атома и частота его распространения в природе зависят от строения ядра. Химические же свойства элемента и его спектр зависят от числа электронов и оказываются чрезвычайно близкими у элементов, у которых сходно строение внешней электронной оболочки.

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]11
  Устоявшееся название – трансурановые. – Науч. ред.


[Закрыть] элементы. Следовательно, уран не кончает менделеевскую таблицу. За ним оказались занятыми еще и следующие клеточки[12]12
  См. с. 52–53.


[Закрыть].

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 веса их равны точно 15, 16 и 18. Но самое замечательное, что и у водорода три сорта атомов: один с весом 1, второй (дейтерий) – 2, а третий (тритий) – 3. Последнего в природе очень мало, а вот дейтерий оказался необычайно интересным.

Химически это как будто простой водород, но по весу он вдвое тяжелее обычного. На больших заводах, которые разлагают воду при помощи электрического тока, удалось получить чистый дейтерий, а из него – особую воду, в которой вместо легкого водорода – тяжелый. Оказалось, что тяжелая вода обладает особым свойством: она убивает жизнь (очень сильно действует на живые клетки). Словом, «ведет себя» совсем по-особому[13]13
  В последнее время дейтерий и тритий особенно интересуют науку и технику как исходное сырье для синтеза гелия. Эта реакция лежит в основе получения термоядерной энергии.


[Закрыть].

После такой удачи химиков этой же проблемой занялись геохимики по отношению к природным телам. Ведь если в ретортах удалось разделить атомы водорода на разные сорта, то, наверное, это же делает и природа. Только в природе все химические процессы идут так неспокойно, так часто изменяется обстановка природных условий, расплавленных магм в глубинах или на земной поверхности, что вряд ли можно ожидать накопления чистых изотопов, которые удалось получить на фабриках и в институтах. И действительно, оказалось, что в воде морей и океанов немножко больше тяжелой воды, чем в реках и в дожде. Еще больше тяжелой воды содержится в некоторых минералах. Открылся целый новый мир, который раньше не был доступен минералогу и геохимику.

Различие в природе между этими соединениями настолько ничтожно, что нужны самые тонкие методы химического и физического анализа, чтобы суметь его найти.

Миллионные и даже тысячные доли грамма и сантиметра неуловимы для минералога и геохимика, когда он изучает камни, воды и земли окружающей нас природы. Мы можем даже забыть, что кислородов три, что цинков шесть, что калиев два, так ничтожны различия между ними, и скажем откровенно, так еще грубы наши методы исследования.

Только химики и физики при своих точных исследованиях научились разделять элементы на разные изотопы, и нет сомнения, что когда им удастся точнейшими методами изучить всю нашу природу, то они откроют величайшие законы геохимии, о которых мы еще не догадываемся.

Мы с вами пока можем забыть об изотопах. Для нас в каждой клетке менделеевской таблицы стоит один определенный неизменный химический элемент. В клетке № 50 находится для нас одно олово, всегда и всюду одинаковое, дающее всюду одинаковые химические реакции, встречающееся в природе в одинаковых галлах, и всюду его атомный вес будет 118,7.

Менделеевская таблица не пострадала, когда были открыты изотопы, она только усложнилась в своих мельчайших деталях, а по существу осталась все такой же ясной, простой и четкой картиной природы, как ее рисовал нам Менделеев, предвидя своим гениальным умом ее огромное значение[14]14
  Термин «изотоп» намекает на дискуссию, имевшую место среди физиков. Возобладало мнение, что все изотопы одного химического элемента должны располагаться в одной ячейке менделеевской таблицы: «изос» – равное, «топос» – место. Ведь химические свойства элемента определяются зарядом ядра и числом электронов, а не нейтронов, которыми и различаются изотопы. – Науч. ред.


[Закрыть].

Вникнем поглубже в эту таблицу и рассмотрим, какое же значение имеет она для исследователей природы – для минералогов и геохимиков.

Сначала посмотрим на каждый столбец клеток сверху вниз.

Вот первый – литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Это все металлы, мы их называем щелочными. За исключением искусственно полученного франция, в природе они встречаются вместе. Мы хорошо знаем их соединения: для натрия – простую соль, которую вы употребляете за столом, для калия – селитру, из которой делают фейерверки.

Дальше идут очень редкие щелочные металлы, которые сейчас применяются в сложных электрических приборах. Но как ни различны все эти элементы, все они в химическом отношении похожи друг на друга.

Вот второй вертикальный столбец – здесь идут щелочноземельные металлы, начиная с самого легкого, бериллия, и кончая знаменитым радием. И они походят друг на друга, образуя как бы одну семью.

Затем идет третий столбец – бор, алюминий, скандий, иттрий, потом клетка с пятнадцатью редкоземельными элементами и, наконец, актиний. В жизни нам хорошо известны только первые два элемента, которые играют в природе большую роль, – бор и алюминий. Первый входит составной частью в борную кислоту и в буру – ею пользуются при паянии. Второй – в нефелин, полевой шпат, корунд, боксит, а в чистом виде его можно видеть в металлических изделиях, кастрюлях и ложках. Эта группа довольно сложная. Алюминий еще, пожалуй, настоящий металл, а бор скорее металлоид, так как образует с типичными металлами соли (например, бура).

Переходим к четвертому столбцу – углерод, кремний, титан, цирконий, гафний и, наконец, торий. Первые два важнейших химических элемента природы: углерод, образующий все многообразие живой природы и входящий в состав всех известняков, и кремний, о котором вы прочтете особую главу.

Затем идут пятый, шестой и седьмой столбцы. Это все особые металлы, которые очень высоко ценятся в металлургии железа и прибавляются к стали для улучшения ее свойств.

Дальше идет замечательная середина менделеевской таблицы – ее восьмой, девятый и десятый столбцы. Самая любопытная особенность этой части таблицы заключается в том, что соседние металлы очень близки друг к другу. Железо, кобальт и никель очень похожи друг на друга и в природе постоянно встречаются вместе; очень трудно их разделить и при химическом анализе. Не менее похожи друг на друга легкие платиновые металлы – рутений, родий и палладий – и тяжелые платиновые металлы – осмий, иридий и платина.

За центром таблицы следуют четыре вертикальных столбца, занятые так называемыми тяжелыми металлами. Сюда относятся медь, цинк, олово, свинец – все хорошо нам знакомые в жизни вещества.

Потом идет пятнадцатый столбец. Он начинается с газа азота, затем следуют летучий фосфор и мышьяк, полуметаллическая сурьма и, наконец, довольно типичный металл висмут. Этот столбец как бы намечает собой резкий переход к следующей части менделеевской таблицы, ибо там мы уже не встречаем металлов с металлическим блеском и другими хорошо знакомыми нам свойствами. Там идут вещества, которые химики назвали металлоидами: газы, жидкости или просто твердые неметаллы.

Очень характерен столбец шестнадцатый – кислород, сера, селен, теллур и еще загадочный полоний, дальше – семнадцатый столбец, летучих веществ, сначала газов – водорода, фтора и хлора, затем жидкости – брома и, наконец, твердых, но тоже летучих кристаллов йода. Эту группу элементов (кроме водорода) химики назвали галогенами, ибо они образуют соли с щелочами. Об этом говорит и смысл греческого названия: «галогены» значит «солероды». Но вот и последний столбец, восемнадцатый. Это редкие, или благородные, газы.

Они ни с чем не соединяются и пропитывают всю землю, все минералы, все окружающее нас в природе. Они начинаются с газа Солнца – легкого гелия – и кончаются замечательным газом радоном, атомы которого живут всего лишь несколько дней.