В этом году ученый мир (уже имеющий на каждой станции трактир) славит Периодическую таблицу химических элементов имени Менделеева. И, в общем-то, справедливо: вряд ли у кого-то есть сомнения на этот счет. Но, вопреки общеизвестной байке, система элементов не приснилась создателю русской водки. Окунемся в хронографическую пыль развития химической науки и проследим, как таблица-юбиляр дошла до сегодняшнего вида.
«Алхимик, открывающий фосфор», Джозеф Райт, 1771 год
История самой периодической системы неотделима от истории открытия химических элементов. Различные прорывные теории и находки питали потребность в систематизации химических знаний. И в конце концов мы получили удобный инструмент, который не выходит из употребительной моды практически со дня публикации — уже 150 лет.
Открыватели элементов
Аристотель
Идея химических элементов довольно стара, античные ученые с подачи Аристотеля главными по созданию всего на свете назвали четыре стихии: огонь, воду, воздух и землю (эти основополагающие вещи древнегреческий Платон и назвал элементами). По разным данным, людям задолго до XVII века были известны углерод, сера, железо, олово, свинец, медь, ртуть, серебро, золото и позднее мышьяк, сурьма, висмут, цинк. Но в сознании образованных людей это были скорее вещества или сырьевые материалы — никаких фундаментальных концепций.
Далее химические открытия уже начинают пестрить именами, а некоторые необычные истории доходят до наших дней. Некоторые элементы «нашли». Например, платину испанцы считали «грязью» в мексиканском золоте — только в 1735 были обнаружены отдельные самородки, и платину назначили «белым золотом». Некоторые случайно получили. Фосфор открыл немецкий физик Хенниг Бранд в 1669 году, в попытках добыть философский камень из дистиллированной человеческой мочи. Никель найден при попытке извлечь медь из «фальшивой меди» (никколита). Гелий первоначально нашли не на Земле: Джозеф Локьер и Пьер Янссен в 1868 году определили новый элемент в спектре Солнца во время затмения.
История открытия радия весьма трагична. Новый элемент открыли супруги Кюри. Они обнаружили, что отходы, остающиеся после выделения урана из урановой руды, более радиоактивны, чем чистый уран. Радиоактивность и ее опасность для организма тогда еще не были известны, и к новому элементу отнеслись как к модной «фишке» — в течение 20 лет радий считался целебным, его включали в состав продуктов и косметики. Мария Кюри умерла в 1934 году от лучевой болезни, вызванной долговременным воздействием радия на организм.
Супруги Пьер и Мария Кюри
Для элементов тяжелее Фермия (100*) история открытия звучит не очень интересно и в основном формулируется как «получен при бомбардировке мишени А снарядом В». Наример, менделевий (101) получен при бомбардировке эйнштейниума гелием. Но за такой примитивной формулировкой скрывается серьезная кропотливая работа целых коллективов на пике научных разработок, часто — в течение десятилетий.
Скандалы, интриги, теории
В общей науке уже в XVII веке благодаря французскому естествоиспытателю Антуану Лорану Лавуазье формируются основные столпы химического учения: понятие химического элемента, простого вещества, металлов и неметаллов.
Далее скорость обрастания химии «дельными» теориями возрастает, а на дворе уже век XIX. Английский химик Уильям Праут в 1815 году замечает, что веса всех элементов кратны весу водорода. Немец Иоганн Вольфганг Дёберейнер предпринимает в 1817 году одну из первых попыток систематизации элементов. Он строит так называемые триады — последовательности из трех сходных по химическим свойствам элементов в порядке возрастания их массы. Триады Праута можно назвать пра-прародителями групп таблицы Менделеева.
Чуть ближе к обнаружению периодического закона подошел Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа, французский геолог и химик. Он заметил, что элементы со сходными свойствами не просто образуют группы — существует периодичность в заполнении таких групп. В 1863 году Шанкуртуа построил первую диаграмму, демонстрирующую его наблюдения. В диаграмме было показано, что свойства элементов повторяются через 16 единиц массы — таким образом, уже нащупывается и правило октета. Но основная публикация ученого содержала только описание наблюдений и не имела самой схемы, поэтому его вклад оставался незамеченным вплоть до открытия периодического закона Дмитрием Менделеевым.
В 1864 году английский исследователь Джон Ньюлендс распределил шестьдесят два известных к тому моменту элемента по восьми группам на основе их физических свойств. Свою работу он назвал «законом октав» и сравнивал эту периодичность с музыкальной шкалой. Именно Ньюлендс внес в химическую науку слово «периодический». Его работа была оценена только после признания Менделеева. А окончательно мировое химическое сообщество осознало важность периода в 8 единиц только в XX веке.
«Закон октав» Ньюлендса
Еще один важный герой истории периодической таблицы — немецкий химик Юлиус Лотар Мейер. Современник Менделеева параллельно с ним разрабатывал свою таблицу, но опубликовал работу на несколько месяцев позже (будучи при этом знакомым с работой Дмитрия Ивановича). Еще один химик, составивший аналог таблицы Менделеева, — англичанин Уильям Одлинг. Его таблица в некотором роде была даже более продвинутой: ему удалось расположить по правильным группам те элементы, с которыми у Менделеева возникли проблемы. Однако работу Олдинга не признали — его стали подозревать в том, что он, будучи секретарем Лондонского химического общества, сыграл важную роль в дискредитации «закона октав» Ньюлендса.
История именинника
Несмотря на то, что Менделеев свою таблицу не совсем придумал-изобрел-увидел во сне, его вклад весом. Недаром мировое сообщество ничего не оспаривает в авторстве, и за рубежом Периодическая таблица носит ту же фамилию.
Дмитрий Иванович, играя в «химический солитер», располагал карточки с химическими элементами и их свойствами в порядке возрастания атомной массы. Один из удачных пасьянсов он датировал первым марта 1869 года и отправил на публикацию. Официальная презентация российскому химическому сообществу состоялась 18 марта. Работа Менделеева сразу привлекла внимание — его таблицу перепечатал немецкий журнал Zeitschrift für Chemie.
Иллюстрация из книги: Менделеев Д. И. Основы Химии. Спб.: Типо-литография М. П. Фроловой, 1906
В своей основной публикации Менделеев продемонстрировал миру таблицу, обобщающую свойства элементов. Позднее он сформулировал и периодический закон. Главным тестом пригодности системы оказалось открытие трех элементов в соответствии с предсказаниями Менделеева: германия (1885 год), галлия (1875 год) и скандия (1879 год).
Эволюция таблицы
Далее открытия Фредерика Соди в 1913 и Генри Мозли в 1914 году позволили переопределить таблицу не через массу, а через заряд ядра — то, что сегодня и отождествляется с порядковым номером элемента.
Также в первоначальную таблицу плохо вписывались лантаноиды — в современной версии им отведена строчка-сноска. Позднее, в 1945 году, Глен Сборг показал, что существует еще одна группа элементов, которой необходима такая же, — это актиноиды.
Как корабль назовешь
Не менее интересная подборка составляется из историй про то, как химические элементы получали свои имена. Самые древние элементы были известны еще до того, как обрели названия. Но для общности и красоты всех величают на один манер — с окончаниями на -um, как-бы по-латыни. Например, золото, Au — aurum, медь, Cu — cuprum.
С 1947 года назначен главный элементоназывательный орган — это Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC). Современный протокол присуждения имени следующий: открыватель предлагает имя и символ, затем специальный отдел проверяет, чтобы они не использовались ранее даже для временного названия элемента. Далее положены пятимесячный период общественного рассмотрения и финальное «ОК» от ИЮПАКа. Затем название и символ публикуются в журнале Pure and Applied Chemistry.
Идеи названий черпаются из разных ресурсов. Примерно четверть таблицы поименована в честь мест открытия. Например, европий, америций, франций, московий (в честь Московской области благодаря Дубне — центру открытия 7 элементов), стронций (в честь шотландской деревни Стронтиан) и целых четыре (иттербий, иттрий, эрбий и тербий) в честь шведской шахтерской деревни Иттерби.
Есть и «легендарные» названия: титан, тантал. Никель и кобальт названы в честь «дьявола» и «кобольда» исходя из германского народного убеждения, что злобные существа пробираются в шахты, чтобы заменить дорогие и похожие на вид медные и серебряные руды на эти, менее ценные. 61-й элемент, полученный искусственно, назвали прометием в 1949 году. В греческой легенде Прометея наказали вечными пытками за кражу огня у богов — это указывает на огромные трудности и жертвы, необходимые для синтеза новых элементов.
Гленн Сиборг в 1964 году
Также популярны названия-эпонимы, берущие начало от имен собственных. В основном, таким образом прославляют физиков и химиков, внесших вклад в открытие и синтез химических элементов: например, кюрий, эйнштейниум, фермиум. Также в таблице есть и менделевий. Интересно, что сиборгий стал первым элементом, названным в честь живущего человека — выдающегося химика, автора или соавтора открытия десяти элементов таблицы Гленна Сиборга. Второй такой элемент — оганесон — получил свое имя в 2016 году в честь нашего соотечественника, академика РАН, профессора Юрия Цолаковича Оганесяна.
Немногочисленную группу образуют элементы, названные в честь «ощутимых» признаков. Из-за цвета — индий (индиго) и рубидий (глубоко красный); из-за запаха — осмий (греч. osmo — запах) и бром (древнегреч. βρῶμος — зловонный), алюминий — из-за вкуса (от греческого alum — кислый).
Случаи двоякого названия элементов были как до существования ИЮПАК, так и после. Первая история — про элемент номер 41. В течение 150 лет он имел два названия — колумбий в Америке и ниобий в Европе, пока в 1949 году ИЮПАК окончательно не решил, что официальным названием будет ниобий. Из-за так называемых «трансфермиевых войн» — споров советских и американских ученых — двояко называли 104-й (Ku, курчатовий — у нас и Rf, резерфордий — за океаном) и 106-й элемент (Ns, нильсборий, и Ha, ганий соответственно). А все из-за споров о первенстве открытия.
Сверхтяжелые в будущем
В XIX веке исследователи обнаружили 50 элементов, в XX — 29. В XХI веке — пока что пять. Итого в таблице сегодня проживают 118 элементов. Причем атомы элементов тяжелее урана (92) не встречаются в природе. Элементы тяжелее фермия (100) можно получить только с помощью столкновительных реакций слияния между ядрами мишени и бомбардирующих ионов в ускорителях. Промежуточные — от 92-го до 100-го — могут накапливаться в качестве побочного продукта в ядерных реакторах.
Изохронный циклотрон тяжелых ионов ДЦ 280 — сердце Фабрики сверхтяжелых элементов в ОИЯИ. Фото: «Страна Росатом»
Другими словами, в наши дни поиск новых элементов — это долгий и трудоемкий синтез с помощью ускорительной техники. Для синтеза следующих, 119 и 120 элементов, а также для изучения свойств не так давно открытых в ОИЯИ построили новый ускоритель.
Согласно закону сохранения заряда, синтезируемый элемент может иметь номер, равный сумме зарядов ядер мишени и бомбардирующего снаряда. Самый тяжелый элемент, из которого можно изготовить мишень, — калифоний-249 (98). Соответственно, для получения элемента 120 надо облучать титаном (22). Или берклий (97) титаном для синтеза номера 119. Именно на реакциях облучения титаном специализируется коллектив лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова в ОИЯИ, руководителем которой является Юрий Оганесян.
Юрий Оганесян. Фото MAX AGUILERA HELLWEG
«Несмотря на то, что элементы 119 и 120 будут открывать новый период таблицы, никакой новой физики от них не ожидается. Внутри исследуемых ядер действуют традиционные ядерные силы, о которых довольно мало известно, но кое-что известно довольно неплохо, и скачка пока не ожидается. Какие-то новые эффекты ожидаются в районе атомных номеров 130–140, но туда еще далеко добираться», — считает Андрей Попеко, заместитель директора по научной работе лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.
История Периодической системы Менделеева началась еще до него и продолжается до сих пор. А сама таблица будет пополняться новыми и новыми элементами — пока у ученых нет оснований считать ее «конечной».
