Как были открыты химические элементы - Дмитрий Николаевич Трифонов

Ведь никто еще не знал такого явления, как радиоактивность, которая делает некоторые элементы короткоживущими иногда настолько, что они вовсе не способны к земному существованию или существуют только благодаря тому, что являются продуктами радиоактивных превращений долгоживущих элементов (тория и урана).

Вторая стадия была всецело во власти Д. И. Менделеева и зависела от его твердости и уверенности. Иногда ученый вершил свои прогнозы смело и решительно, с обстоятельностью. Именно так было в случае экаалюминия, экабора и экасилиция. Это не случайно, ибо перечисленные элементы попадали в ту область периодической системы, где располагалось много известных, хорошо изученных элементов, — в своеобразную область достоверного прогнозирования. Иногда же Д. И. Менделеев судил о свойствах недостающих элементов с предельной осторожностью, например, когда речь шла об аналогах марганца, иода и теллура; отсутствующих элементах начала седьмого периода: экацезии, экабарии, экалантане и экатантале. Тут характеристики неизвестных элементов весьма сдержанны: оценивались величины атомных масс, предполагались формы оксидов. Д. И. Менделеев считал, что трудно судить о свойствах отсутствующих элементов, расположенных на краях системы, поскольку вокруг них слишком мало элементов известных. Здесь находились области прогнозирования недостоверного, приблизительного. Разумеется, сюда нужно причислить и область, занимаемую РЗЭ.

И наконец, оставались участки периодической системы, где предсказания не имели оснований. Это те загадочные пространства, которые простирались влево и вправо от границ периодической системы, в стороны гипотетических элементов легче водорода и тяжелее урана. Д. И. Менделеев никогда не считал, что водородом должна начинаться система элементов. Известна его работа, где он описывал два элемента, предшествующие водороду. Когда физики объяснили суть периодического закона, ошибка стала очевидной: ядро атома водорода имело наименьший заряд, равный единице. И за ураном Д. И. Менделеев допускал существование лишь очень ограниченного числа элементов и ни разу не взял на себя смелости хотя бы приблизительно обрисовать их возможные свойства. Прогнозы в этой области стали делать позднее, что привело в итоге к знаменательным событиям в истории науки.

ГЛАВА X.

ПОСЛЕДНИЕ ИЗ СТАБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ГАФНИЙ И РЕНИЙ)

Элементы с порядковыми номерами 72 и 75 были обнаружены в природе позднее всех прочих стабильных элементов — только в 20-х годах нашего столетия. Они являются редкими, особенно рений, который по своей распространенности занимает одно из последних мест. Но едва ли это обстоятельство может служить решающим для попытки объяснения столь позднего открытия гафния и рения. Дело здесь в другом — в своеобразном геохимическом поведении гафния и рения. Они относятся к рассеянным элементам, которые не образуют в земной коре собственных руд и минералов, а входят в руды и минералы других элементов в качестве небольших примесей. Здесь большую роль играет явление изоморфизма — замещение ионов одних элементов в кристаллических решетках соединений другими (при условии близости величины ионных радиусов). Величины ионных радиусов циркония и гафния практически одинаковы, и этот фактор объясняет большое сходство их химических свойств (разделение элементов и поныне представляет трудную задачу). Гафний в малых количествах всегда присутствует в природных источниках циркония, но из-за своего сходства с цирконием словно бы теряется на его фоне.

Рений не тяготеет определенно к минералам какого-либо распространенного элемента. Поэтому если существование гафния было доказано сравнительно быстро и легко, то достоверному обнаружению рения предшествовало несколько лет мучительных поисков.

Для обоих элементов характерно то, что их поиски были целенаправленными. Ученые заранее составляли программы, в которых предусматривалось, что, где и как они хотят обнаружить. Они точно знали: одно «что» должно быть элементом № 72, а другое — элементом № 75. Но если гафний был найден сразу, то блистательный теоретический прогноз по отношению к рению на первых порах сработал вхолостую.

Судьбы семьдесят второго и семьдесят пятого элементов сближает еще одно обстоятельство: в открытии обоих был использован новый метод спектрального анализа (рентгеноспектральный), изучение рентгеновских спектров элементов. В 1913–1914 гг. английский физик Г. Мозли установил закон, который связывал длину волны характеристического рентгеновского излучения элемента с его порядковым номером в периодической системе. Этот закон позволял заранее рассчитать, какими должны быть рентгеновские спектры элементов. Никогда ранее открытие новых элементов не было подготовлено с такой основательностью, как в случае гафния и рения.

ГАФНИЙ

Местом рождения нового элемента с Z=72 стал Институт теоретической физики Копенгагенского университета в Дании; временем рождения — конец декабря 1922 г., хотя дата публикации статьи об открытии в научном журнале помечена январем 1923 г. Голландский спектроскопист Д. Костер и венгерский радиохимик Д. Хевеши дали ему название в честь древнего имени Копенгагена — Гафниа. У колыбели гафния стоял Н. Бор, чья роль в обнаружении гафния оказалась решающей.

Источником элемента № 72 явился довольно широко распространенный минерал циркон, состоящий в основном из оксида циркония. На него-то и указал экспериментаторам Н. Бор.

Почему же великий датский физик был уверен в своей правоте? Перенесемся в 70-е годы прошлого века, когда Д. И. Менделеев разрабатывал свою периодическую систему. В той ее клетке, которая располагалась ниже циркония, он оставил место для неизвестного элемента с атомной массой около 180. Можно было бы его назвать, по менделеевской терминологии, экацирконием. После того как оправдались менделеевские предсказания галлия, скандия и германия, уверенность в существовании экациркония окрепла. Вопрос заключался в том, какими же свойствами должен был бы обладать этот, пока гипотетический элемент? Д. И. Менделеев воздерживался от какой-либо определенной оценки. Вообще говоря, могло быть две возможности: или экацирконий будет элементом IV В-подгруппы периодической системы, аналогом циркония, или он принадлежит к редкоземельному семейству и является самым тяжелым в ряду РЗЭ. Вот тут-то в самый раз вспомнить название «кельтий» (см. с. 115).

Расщепив иттербий и выделив последний из существующих на Земле РЗЭ — лютеций, Ж. Урбэн на этом не остановился. Продолжая кропотливую работу по разделению тяжелых редких земель, он в конце концов отделил фракцию, оптический спектр которой, по мнению исследователя, содержал новые линии. Такое событие случилось в 1911 г. Надо сказать, оно не привлекло особого внимания ученого мира. Вероятно, и сам Ж. Урбэн, предложив для элемента название, не был абсолютно уверен, что оно по праву принадлежит неизвестному ранее элементу. Во всяком случае он счел не лишним послать образцы кельтия в Оксфорд в лабораторию, где работал Г. Мозли, чтобы тот изучил их рентгеноспектральным методом. По каким-то причинам рентгеновские снимки спектров оказались плохого качества. Тем не менее в августе 1914 г. Г. Мозли опубликовал сообщение, в котором со всей определенностью утверждал, что кельтий — это всего лишь смесь известных