Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Из 103 известных химических элементов 83 широко представлены на поверхности земли. Все эти элементы приведены в табл. 2, где они расположены по возрастанию атомного веса. Рядом даны атомные веса этих элементов по системе, принятой в 1961 году. А об оставшихся двадцати мы поговорим в одной из следующих глав.

В середине XIX века существовали два определения элемента. Первое — элемент не может быть разбит на два или несколько более простых субстанций (определение Бойля) и второе — элемент состоит из атомов с определенным атомным весом (определение Дальтона). Впрочем, все элементы удовлетворяли и первому и второму определению. Тем не менее определенные сомнения все-таки были, слишком уж много было химических элементов (в 1860 году было известно уже более 60 элементов).

Эти элементы обладали самыми различными свойствами: здесь были и газы, и жидкости, больше всего было твердых веществ; были и неметаллы, и легкие металлы, и тяжелые металлы, и полуметаллы; некоторые из них обладали высокой степенью активности, остальные средней, а какие-то были инертны; некоторые имели цвет, а некоторые были бесцветны.

Все это очень разочаровывало ученых. Конечно же ученые должны принимать мир таким, какой он есть, однако еще древние греки посеяли в их головах идею того, что все в природе организовано довольно просто. И если что-то на первый взгляд кажется очень сложным, то ученые пытаются найти какой-то скрытый и относительно простой порядок.

Водород … 1,00797

Гелий … 4,0026

Литий … 6,939

Бериллий … 9,0122

Бор … 10,811

Углерод … 12,01115

Азот … 14,0067

Кислород … 15,9994

Фтор … 18,9984

Неон … 20,183

Натрий … 22,9898

Магний … 24,312

Алюминий … 26,9815

Кремний … 28,086

Фосфор … 30,9738

Сера … 32,064

Хлор … 35,453

Калий … 39,102

Аргон … 39,948

Кальций … 40,08

Скандий … 44,956

Титан … 47,90

Ванадий … 50,942

Хром … 51,996

Марганец … 54,9380

Железо … 55,847

Никель … 58,71

Кобальт … 58,9332

Медь … 63,54

Цинк … 65,37

Галлий … 69,72

Германий … 72,59

Мышьяк … 74,9216

Селен … 78,96

Бром … 79,909

Криптон … 83,80

Рубидий … 85,47

Стронций … 87,62

Иттрий … 88,905

Цирконий … 91,22

Ниобий … 92,906

Молибден … 95,94

Рутений … 101,07

Родий … 102,905

Палладий … 105,4

Серебро … 107,870

Кадмий … 112,40

Индий … 114,82

Олово … 118,69

Сурьма … 121,75

Йод … 126,9044

Теллур … 127,60

Ксенон … 131,30

Цезий … 132,905

Барий … 137,34

Лантан … 138,91

Церий … 140,12

Празеодим … 140,907

Неодим … 144,24

Самарий … 150,35

Европий … 151,96

Гадолиний … 157,25

Тербий … 158,924

Диспрозий … 162,50

Гольмий … 164,930

Эрбий … 167,26

Тулий … 168,934

Иттербий … 173,04

Лютеций … 174,97

Гафний … 178,49

Тантал … 180,948

Вольфрам … 183,85

Рений … 186,2

Осмий … 190,2

Иридий … 192,2

Платина … 195,09

Золото … 196,967

Ртуть … 200,59

Таллий … 204,37

Свинец … 207,19

Висмут … 208,980

Торий … 232,038

Уран … 238,03

В середине XIX века предпринимались попытки найти такой порядок среди химических элементов. Элементов становилось все больше, их атомные веса измерялись все с большой точностью, и ученым показалось логично занести элементы в таблицу в порядке увеличения их атомных весов (как в табл. 3) и посмотреть, что же из этого получится.

Было несколько попыток создать такую таблицу, но успехом увенчалась лишь одна. В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) расположил все известные на тот момент химические элементы в таблицу по рядам и колонкам так, что элементы со сходными свойствами попадали в одну колонку (или ряд, смотря как расположить таблицу). Свойства элементов одной колонки повторялись с определенной периодичностью, поэтому таблица получила название периодическая.

Сложности возникли из-за того, что науке были известны далеко не все химические элементы. Когда Менделеев заносил элементы в колонки своей таблицы согласно их свойствам, ему пришлось оставлять пустые клетки. В 1871 году он объявил, что в этих клетках должны быть еще неоткрытые элементы, и, приводя средние значения элементов сверху и снизу пустой клетки, довольно точно предсказал свойства неизвестных элементов.

В течение 15 лет были открыты все три обозначенных Менделеевым элемента, и их свойства в точности совпадали с его предсказаниями. В результате в 1880 году периодическая таблица Менделеева была принята в качестве путеводителя по неизведанному миру химических элементов, и до сих пор от нее никто не собирается отказываться. Открытия более поздних лет (см. гл. 4) лишний раз подтвердили верность периодической системы. Д.И. Менделеев пришел к своему открытию эмпирическим путем, то есть стало понятно, что периодическая таблица верна и работает, но никто не знал, почему она работает. Ответ был найден в XX веке.

Таблица 3 и есть общепринятая современная периодическая система. Элементы расположены в порядке возрастания атомного веса (есть, правда, три исключения, которые я поясню чуть ниже), и каждый элемент имеет свой порядковый номер — от 1 до 103. Значение этого «атомного номера» мы обсудим чуть ниже.

Сравнивая табл. 3 и табл. 2, можно заметить следующее. Для того чтобы поместить все элементы в нужные ряды, придется поставить три элемента не по порядку. У элемента 18 (аргон) порядковый номер ниже, чем у элемента 19 (калий), несмотря на то что атомный вес у аргона больше. Точно так же у элемента 27 (кобальт) атомный вес больше, чем у элемента 28 (никель), и у элемента 52 (теллур) атомный вес выше, чем у элемента 53 (йод). Поскольку разница в весе очень мала, то ученые в XIX веке не обращали особого внимания на несколько незначительных исключений из общего правила. Однако ученые XX века выяснили, что эти исключения крайне важны (см. ниже).

В периодической системе есть несколько семейств тесно между собой связанных и обладающих схожими свойствами элементов. Например, элементы 2, 10, 18, 36, 54 и 86 (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) являются инертными газами. Свое название эти газы получили из-за того, что практически не реагируют с другими веществами. До 1962 года ученые были уверены, что эти газы вообще не вступают в химические реакций. Однако в 1962 году стало ясно, что по крайней мере три из них — криптон, ксенон и радон — могут вступать в реакцию с фтором.

Элементы 9, 17, 35, 53 и 85 (фтор, хлор, бром, йод и астатин) являются галогенами (что в переводе с греческого означает «образующий соль»). Эти активные неметаллы свое название получили потому, что при реакции хлора с натрием образуется обыкновенная поваренная соль, а при реакции остальных элементов этой группы с натрием также образуются вещества, очень похожие на соль.