Як радіоактивні елементи знайшли свої місця у таблиці Менделєєва

ОСНОВНЕ МЕНЮ

ПОЧАТКОВА ШКОЛА

Українська мова

ЛІТЕРАТУРА

АНГЛІЙСЬКА МОВА

НІМЕЦЬКА МОВА

МАТЕМАТИКА

ІНФОРМАТИКА

Як радіоактивні елементи знайшли свої місця у таблиці Менделєєва

Розвиток науки поставило періодичний закон перед новим, ще суворішим випробуванням, ніж, у тому числі він із честю вийшов.

Це було наприкінці минулого – на початку нашого століття. У Франції двоє скромних вчених - подружжя П'єр та Марія Кюрі - зацікавилися дивним явищем, яке відкрив інший французький вчений - Беккерель. Вони вирішили з'ясувати, чому мінерали та руди, що містять уран, випускають загадкові невидимі промені, здатні проникати через непрозорі тіла та діяти на фотографічну платівку. Незабаром вони виявили, що в природі існують такі мінерали, в яких мало урану, а на платівку ці мінерали діють набагато сильніше, ніж чистий уран. Подружжя Кюрі зробило кропіткі пошуки нових невідомих елементів - носіїв радіоактивного випромінювання (див. ст. "Народження, життя і смерть хімічних елементів").

Першим був відкритий полоній, за ним - радій. Це були нові елементи, їхня наука ще не знала. Радіоактивність цих елементів була у тисячі разів сильніша, ніж урану. Чудові властивості різко відрізняли їхню відмінність від усіх відомих раніше елементів.

Досить швидко, як тільки було вивчено хімічні властивості нових елементів, вони знайшли свої місця в періодичній системі. Виявилося, що обидва елементи - і полоній і радій - також колись були передбачені Менделєєвим. Радій - це був екабарій, він зайняв 88 клітинку в періодичній системі, полоній - 84. Його Менделєєв називав екателур. Значить, місце для них було, іздавалося, що все гаразд. Але коли досліджували докладно властивості нових радіоактивних елементів, виявилися зовсім несподівані для науки явища.

Найважливішим було те, що з відкриттям радіоактивних елементів впали звичні і, здавалося, непорушні уявлення про вічність та незмінність кожного елемента. Нові елементи були непостійними, вони народжувалися і зникали, перетворюючись на інші елементи. Одні з них зникали протягом мільйонних часток секунди, інші жили тисячі років. Їхня властивість випускати невидимі промені свідчила про розпад атомів.

Було знайдено, що радій – далекий нащадок урану. Сам радій перетворюється на радіоактивний газ радон. І при кожному перетворенні радіоактивний атом обов'язково випускає або заряджені ядра атомів гелію (а-частинки), або електрони бета-частинки). Незабаром фізики знайшли понад тридцять радіоактивних елементів. Скільки нащадків виявилося у урану, ви можете самі підрахувати (див. у ст. "Народження, життя та смерть хімічних елементів" рис. 4 та 5). Не менше нащадків було знайдено і в елементі торію, який також виявився радіоактивним. І майже стільки ж – у низці актинія. Перед наукою знову постало важке і принципово важливе питання: де і як знайти місця в періодичній системі для всіх нових численних елементів? Їх було набагато більше, ніж залишалося вільних клітин у таблиці. Це завдання довелося науці вирішувати без участі Менделєєва. Він не дожив до останнього, найважчого випробування своєї великої ідеї.

Хіміки взялися за визначення хімічних властивостей нових радіоактивних елементів. Це було важке завдання. Адже серед цих елементів були такі, що "жили" нікчемні частки секунди. Розгадку було знайдено, коли радіоактивні елементи були настільки вивчені, що стало можливим порівнятиприроду променів, що випускаються елементом, з його хімічною природою та з природою того нового елемента, що з нього утворюється при радіоактивному перетворенні. Але розгадати це вдалося знову-таки з допомогою періодичної системи Менделєєва.

Вивчаючи властивості урану-X1-найближчого нащадка урану, його "сину", хіміки швидко переконалися, що хімічними властивостями він не відрізняється від давно відомого торію. Але все ж таки це не був знайомий хімікам торій. Торій - звичайний елемент, його радіоактивність така слабка, що її важко виявити. А уран-X1 сильно радіоактивний, швидко розпадається, через 24 дні від нього залишається лише половина тієї кількості, яка була раніше. Загалом, це новий елемент. Але все ж таки хімічно це торій. Якщо уран-X1 змішати з торієм, жодними хімічними реакціями їх поділити неможливо.

Уран перетворюється на уран-X1, випускаючи а-промені (рис. 1). На кожен атом урану, що розпався, з його ядра вилітає а-частка і забирає два позитивні заряди. Уран займає 92-е місце у таблиці, у сьомому періоді. А де має бути його перший нащадок, уран-Xi? Менделєєв помістив торій до 90-ї клітини своєї системи. А уран-Xi не відрізняється від торію. Після довгих і важких пошуків та коливань довелося визнати, що місце для урану-X1 – у клітці, де знаходиться торій; а-частка виносить з ядра атома два позитивні заряди, і при цьому утворюється новий атом, що займає в періодичній таблиці місце з номером, на дві одиниці меншим.

Простежимо тепер, що далі відбувається з ураном X1 при його розпаді (рис. 2). Він відчуває бета-перетворення, утворюючи нову радіоактивну речовину, яка була позначена як уран-Х2, що ще швидше зникає. Виявилося, що за хімічними властивостями уран-Х2 повинен бути поміщений в 91 клітину.

Але втрата одногонегативного заряду ядром атома рівноцінна придбання одного позитивного заряду. В результаті вийшло, що при збільшенні позитивного заряду ядра елемента на одиницю утворюється новий елемент, що займає періодичній системі клітину, номер якої на одиницю більше. У свою чергу уран-Х2 знову втрачає бета-частинку (рис. 3) і перетворюється на уран-II, який абсолютно не відрізняється від свого "прадіда" - звичайного урану і повинен бути поміщений в одній клітці з ним, тобто зайняти 92-е місце у таблиці. І завжди збільшення в ядрі позитивного заряду на одиницю (втрата одного негативного електрона) призводить до зміни хімічних властивостей, що відповідає збільшенню порядкового номера елемента на одиницю.

Цей закон, керуючий подорожжю атомного ядра Менделєєвської таблиці при радіоактивному розпаді, отримав в науці назву правила зсуву. Вивчаючи радіоактивні елементи, хіміки зіткнулися з новим, неможливим та немислимим з погляду старої хімії фактом. Подивіться самі, що вийшло. Атомна вага урану - 238. Кожен атом його на шляху радіоактивного перетворення до урану-П втрачає послідовно одну а-частку (тобто ядро атома гелію, атомна вага якого 4) і дві бета-частинки (це легені, з незначною масою електрони). В результаті заряд ядра атома радіоактивного урану-II виявляється таким самим, як у звичайного урану. І своїми хімічними властивостями він від звичайного урану не відрізняється.

Але атомна вага стає, звичайно, зовсім іншою. Кожна а-частка, що вилітає, зменшує атомну вагу на чотири одиниці, а при бета-перетвореннях він залишається таким же. Зміна атомної ваги урану:

В одній і тій же клітині, де, як вважав Менделєєв, повинен бути тільки один елемент зі своєю, властивою лише йому атомною вагою,тепер виявилися дві різні речовини, з різними фізичними ознаками, і найголовніше, хоч і з різними атомними вагами, але з однаковими хімічними властивостями. Виявилося, що той самий елемент може мати різну атомну вагу.

Але цього замало. Було отримано ще дивовижніший результат: при 3-розпаді атомна вага не змінюється, а хімічна природа елемента змінюється дуже різко. Уран-X1 за хімічними властивостями - це торій, а уран-Х2 хімічно не відрізняється від елемента протактинія (Ра); отже, у різних елементів може бути однакова атомна вага.

Що ж, зрештою, вийшло? Як основна ознака елемента Менделєєв прийняв атомну вагу. Але в ряді радіоактивного розпаду урану кінцевий продукт - радій-G, його атомна вага 206. Цей елемент вже неактивний, а хімічно не відрізняється від свинцю.

При розпаді торію зрештою утворюється теж неактивний торій-D, його атомна вага 208. За хімічними властивостями це також свинець. Ряд розпаду актинія обривається на неактивному продукті - актинії-D, його атомна вага 207, а хімічно він знову-таки свинець.

Але мало цього, в цих рядах є ще радіоактивні проміжні продукти розпаду: радій-В з атомною вагою 214, радій-D з атомною вагою 210, торій-В, атомна вага якого 212 і актиній-В з атомною вагою 211. І все ці радіоактивні елементи, всі до одного, абсолютно подібні до свинцю, і всі вони мають різні атомні ваги.

Але ж у кожній клітині може бути лише один елемент із його власною атомною вагою! У клітині 82 може бути свинець із атомною вагою 207,19. Вивчаючи радіоактивні елементи, вчені знайшли ще сім речовин з атомними вагами 214, 212, 211, 210, 208, 207, 206 та хімічними властивостями свинцю. Наука опинилася у дуже великій скруті. Як їх розмістити вперіодичної таблиці? Їх не можна вважати різними елементами, всі вони свинець, але вважати одним елементом, одним різновидом атомів теж не можна - у них різні атомні ваги.

Зрештою, стало ясно, що всі вони повинні займати одне місце в таблиці Менделєєва. Саме тому їх так і називають – "ізотопи" (від грецьких слів, що позначають "однаковий" і "місце"). Крім того, залишалася незрозумілою загадкова непослідовність у ході зміни атомної ваги у пар елементів аргон – калій, кобальт – нікель, телур – йод. Сам Менделєєв був змушений розташувати їх у таблиці, порушивши порядок збільшення їх атомних ваг: аргон був "важчий" за калій, кобальт - нікель, телур - йод.

Це випробування для періодичного закону було дуже тяжким. Воно поставило під сумнів основу періодичної системи. Стало зрозуміло, що атомна вага не може бути величиною, яка визначає хімічні властивості елемента. І наука знову постала перед складним завданням.

Велике відкриття у науці, звичайно, ніколи не буває раптовим. І до Д. І. Менделєєва багато хіміків намагалися знайти загальні закономірності та подібність у властивостях хімічних елементів. Наприклад, німецький вчений І. Дбе-рейнер ще в 1829 р. встановив, що елементи зі подібними хімічними властивостями можуть бути згруповані по три: скажімо, літій, натрій і калій або хлор, бром і йод. Такі групи Дберейнер назвав тріадами.

1849 р. систематикою елементів зацікавився український хімік Г. І. Гесс. У своєму підручнику "Підстави чистої хімії" він розглядав чотири групи елементів-неметалів, що мають подібні хімічні властивості: йод бром хлор фтор теллур селен сірка кисень вуглець бор кремній азот фосфор миш'як Гесс писав: «Ця класифікація ще дуже далека від того, щоб бути , алевона все-таки з'єднує елементи до груп дуже подібні, і з розширенням наших відомостей вона може вдосконалитися».

Наступний крок зробив французький хімік Бег'є де Шанкуртуа. Систему елементів він уявляв у вигляді спіральної лінії лежить на поверхні циліндра. На кожному витку по 16 елементів. Подібні елементи розташовувалися один під одним на утворюючому циліндрі. Але ніхто з учених не звернув уваги на роботу де Шанкуртуа. Англійський хімік Джон Ньюлендс 1866 р. запропонував так званий закон октав. Він вважав, що у світі підпорядковується загальної гармонії. І в хімії, і в музиці вона має бути єдиною. Тому властивості хімічних елементів, розташованих за зростанням атомної маси, повинні повторюватися через кожні сім елементів, так само як у музичній гамі подібні ноти чергуються в октаві через кожні сім нот. За законом октав, однак, виявлялися подібними такі різні елементи, як вуглець і ртуть. Коли Ньюлендс доповів про свою роботу на засіданні Лондонського хімічного товариства, один із присутніх не без сарказму запитав, чи не пробував шановний доповідач розмістити елементи в алфавітному порядку і чи не виявив він і при цьому якоїсь закономірності.

Ближче за інших до істини виявився, мабуть, німецький хімік Л. Мейєр. У 1868 р. він запропонував таблицю, де всі відомі хімічні елементи було розбито на шість груп, відповідно до їх валентності. Але ніхто з цих славних хіміків, які багато зробили для підготовки періодичного закону, і не підозрював, що в їх знаннях про природу елементів є "порожні місця", відкрити Великий закон вони не могли. Це під силу лише генію Менделєєва.