Заполнение пробелов
В 1814 г. немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер (1787—1826) испытывал превосходные призмы собственного изготовления. Пропуская луч света сначала через щель, а затем через трехгранные стеклянные призмы, Фраунгофер получил солнечный спектр, пересекаемый рядом темных линий. Он насчитал около шестисот таких линий и тщательно зафиксировал их положение в спектре.
В конце 50-х годов XIX в. немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824—1887), работавший с немецким химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811—1899), показал, что эти линии содержат поразительную информацию.
В качестве источника света эти ученые пользовались изобретенной Бунзеном горелкой — той самой бунзеновской горелкой, которая известна каждому начинающему химику. Сгорающая в горелке смесь газа и воздуха дает почти бесцветное пламя с достаточно высокой температурой. Когда Кирхгоф помещал в пламя горелки крупицы различных химических веществ, оно окрашивалось в разные цвета. Свет от такого пламени, пропущенный через призму, давал не сплошную полосу, а отдельные яркие линии.
Кирхгоф показал, что для каждого элемента, разогретого в пламени горелки, характерен свой спектр. Таким образом, снимая спектр излучения химического элемента, Кирхгоф как бы снимал «отпечатки пальцев» такого элемента. Получив такую информацию, можно было решить и обратную задачу: опознать элемент, входящий в состав неизвестного вещества. Прибор, используемый для определения элементов описанным способом, получил название спектроскопа (рис. 17).
Рис. 17. Схема спектроскопа. Сравнивая спектры излучений раскаленных металлов, ученые смогли открыть новые элементы.
Сегодня мы уже знаем, что излучение света атомами обусловлено определенными явлениями, связанными с их структурой. В атомах каждого элемента эти явления протекают по-своему. Следовательно, каждый элемент испускает набор излучений только определенных длин волн.
При облучении светом элементов в парообразном состоянии наблюдается обратная картина: свет определенных длин волн не излучается, а поглощается. Более того, поскольку как поглощение, так и излучение света обусловлено одними и теми же процессами, протекающими в противоположных направлениях, то пары поглощают излучение с точно теми же длинами волн, какие наблюдаются в других условиях при испускании излучения.
Представлялось весьма вероятным, что темные линии в спектре Солнца обусловлены тем, что испускаемый раскаленной солнечной поверхностью свет поглощают газы более холодной солнечной атмосферы. Пары веществ (химических элементов), находящиеся в атмосфере Солнца, также поглощают свет определенных длин волн, и по положению возникающих темных линий в спектре можно судить, какие элементы находятся в атмосфере Солнца.
Именно спектроскоп позволил доказать, что Солнце (а также звезды и межзвездный газ) состоит из элементов, полностью идентичных земным. Этот вывод окончательно разбил утверждение Аристотеля (см. гл. 2), считавшего, что небесные тела состоят из веществ, отличающихся по своей природе от веществ, составляющих Землю.
С изобретением спектроскопа химики получили новый эффективный способ обнаружения элементов. Так, например, если в спектре раскаленного минерала содержатся линии, не принадлежащие известным элементам, то есть основания предполагать, что этот минерал содержит неизвестный элемент.
Бунзен и Кирхгоф сами продемонстрировали эффективность этого метода. В 1860 г., исследуя образец минерала, они обнаружили его в спектре линии, которые не принадлежали ни одному из известных элементов. Начав поиски нового элемента, они установили, что это щелочной металл, близкий по своим свойствам натрию и калию. Бунзен и Кирхгоф назвали открытый ими металл цезием (от латинского caesius — сине-серый), так как в спектре этого металла самой яркой была именно синяя линия. В 1861 г. эти ученые открыли еще один щелочной металл, который также назвали по цвету его спектральной линии рубидием (от латинского rubidus — темно-красный).
Новый прибор начали использовать и другие химики. Одним из них был французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран (1838—1912), который в течение пятнадцати лет изучал минералы своих родных Пиренеев. В 1875 г., исследуя спектр цинковой руды, он нашел новый элемент, который назвал галлием (Галлия — древнеримское название Франции).
Спустя некоторое время Лекок де Буабодран получил такое количество этого элемента, что смог изучить его свойства. Ознакомившись с сообщением ученого, Менделеев сразу же указал, что новый элемент — это его экаалюминий. Дальнейшие исследования полностью подтвердили справедливость такого утверждения: свойства галлия оказались идентичны описанным Менделеевым свойствам экаалюминия.
Два других элемента из числа предсказанных Менделеевым были открыты старыми методами. В 1879 г. шведский химик Ларе Фредерик Нильсон (1840—1899) открыл новый элемент и назвал его скандием (в честь Скандинавии). Один из коллег Нильсона, шведский химик Пер Теодор Клеве (1840—1905). сразу же указал на сходство свойств скандия и описанного Менделеевым экабора.
Наконец, в 1886 г. немецкий химик Клеменс Александр Винклер (1838—1904), анализируя серебряную руду, установил, что на долю содержащихся в ней известных элементов приходится только 93% ее веса. Пытаясь отыскать недостающие 7%, Винклер открыл новый элемент, названный им германием (в честь Германии). Оказалось, что этот элемент идентичен экакремнию Менделеева.
Таким образом, в течение пятнадцати лет были открыты все три элемента, предсказанные Менделеевым, причем свойства всех трех элементов на удивление точно соответствовали свойствам, описанным Менделеевым. После этого в ценности и полезности периодической таблицы уже не могло быть никаких сомнений.
Распределение новых элементов по группам
Однако таблице Менделеева предстояла еще одна серьезная проверка — в ней должно было найтись место для других вновь открытых элементов.
Например, еще в 1794 г. финский химик Юхан Гадолин (1760—1852) предположил, что в минерале, полученном из Иттербийского карьера, расположенного вблизи Стокгольма, содержится новый оксид металла (или земля). Поскольку эта новая земля значительно отличалась от уже известных земель, например кремнезема, извести и магнезии, то ее отнесли к редким землям. Гадолин назвал открытый им оксид иттрия по названию карьера; спустя 50 лет из этого оксида был выделен в относительно чистом виде новый элемент — иттрий. Примерно в середине XIX столетия химики начали интенсивно изучать состав редкоземельных минералов. Проведенные исследования показали, что эти минералы содержат целую группу новых элементов — редкоземельных элементов. Шведский химик Карл Густав Мосандер (1797—1858) открыл, например, в конце 30-х — начале 40-х годов XIX в. четыре редкоземельных элемента: лантан, эрбий, тербий и дидим. На самом деле их было пять, поскольку спустя сорок лет в 1885 г. австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах (1858—1929) обнаружил, что дидим представляет собой смесь двух элементов, которые он назвал празеодимом и неодимом. Лекок де Буабодран также открыл два редкоземельных элемента: самарий в 1879 г. и диспрозий в 1886 г. Сразу два редкоземельных элемента — гольмий и тулий описал в 1879 г. П. Т. Клеве, а в 1907 г. французский химик Жорж Урбэн (1872—1938) сообщил о новом четырнадцатом редкоземельном элементе — лютеции (Лютеция — древнее название Парижа).
Рис. 18. Современная периодическая таблица элементов.
Редкоземельные элементы обладают очень сходными химическими свойствами, их валентность равна трем. По-видимому, все эти элементы необходимо было поместить в один столбец периодической таблицы. Однако ни один из столбцов не был таким длинным, чтобы вместить четырнадцать элементов. Далее, поскольку атомные веса всех редкоземельных элементов очень близки, их следовало поместить в один горизонтальный ряд, другими словами, в один период. В принципе их можно было поместить в шестой период, если предположить, что он длиннее, чем четвертый и пятый, которые в свою очередь длиннее, чем второй и третий периоды. Однако объяснить причины сходства свойств редкоземельных элементов в то время не удалось (это было сделано лишь в 20-х годах XX в., см. гл. 13).