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

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.

Таблица 3.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

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.

Элементы 3, 11, 19, 37, 55 и 87 (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций) — мягкие, легкоплавкие и очень активные щелочные металлы. Слово «щелочь» по-арабски значит «пепел». Именно из пепла некоторых растений люди получили соду (углекислый натрий) и поташ (углекислый калий). Впоследствии Дэви выделил из них два первых щелочных металла — натрий и калий.

Элементы 4, 12, 20, 38, 56 и 88 (бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий) являются более твердыми, тугоплавкими и менее активными, чем щелочные металлы. Это щелочноземельные металлы. Название «земельные» они получили потому, что их оксиды не растворяются в воде и являются тугоплавкими. Однако оксиды двух из них — известь и жженая магнезия — обладали некоторыми свойствами соды и поташа, поэтому их назвали «щелочноземельными». Из извести и жженой магнезии Дэви выделил два первых щелочноземельных металла — кальций и магний.