Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Как работает Периодический закон?

Как работает Периодический закон?

 

Наш собеседник — заведующий кафедрой неорганической химии химического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, заслуженный профессор МГУ, член Американского химического общества (American Chemical Society) Андрей Владимирович Шевельков.

— Андрей Владимирович, почему Периодический закон до сих пор вызывает глубокий интерес?

— Периодическая таблица есть в моем кабинете — вы ее видите. Это своего рода схема, которая показывает, каким образом меняются свойства элементов и их соединений в рядах, периодах, диагоналях Периодической таблицы. Это нужно, потому что позволяет планировать исследования.

— В какой области?

— В любой. Особенно в неорганической химии. Неорганическая химия — это химия всех элементов. Даже углерод — база органической химии — и тот используется в неорганике, но в других формах: например, карбиды. Скажем, сталь — это производное железа и углерода, и в этом случае тоже нужно знать свойства периодичности.

— Расскажите о современном состоянии Периодической таблицы.

— Форма таблицы, которую вы видите на стене, — каноническая. Появилась она к столетию того самого закона, о котором мы беседуем. Сейчас существует длиннопериодическая форма, которая учитывает современные представления о том, как работает периодический закон. Но форма есть форма. Суть осталась одна. Менделеев создавал закон, говоря о периодичности в соответствии с атомными весами. Для этого ему пришлось поменять местами три пары элементов из тех известных 63, которые при нем были открыты. Сейчас мы, скорее, говорим, что есть закон Мозли, когда периодичность связана с изменением атомного строения. Это сохранилось, это никуда не делось.

—Поговорим о разных формах Пери­о­ди­ческой таблицы. Вы упомянули длинно­периодическую форму. Чем она отличается от канонической?

— В короткопериодической таблице есть группы и подгруппы. Вот, например, группа 5. В нее входят 2 подгруппы. Здесь оранжевым цветом помечены элементы от азота до висмута — это главная подгруппа. От ванадия до элемента 105 — на этой таблице нильсборий, который сейчас называется дубний, — располагается побочная подгруппа. Сейчас от такого деления отказались. Раньше обращали внимание на другие свойства. В частности, высшая степень окисления проявлялась одинаково для элементов обеих подгрупп, поэтому можно было найти в главной и в побочной подгруппах одинаковые высшие оксиды. Сейчас говорят, что это сведение в одну группу главной и побочной подгрупп не так актуально, поскольку главная подгруппа — это непереходные элементы, а побочная — переходные, и это сразу меняет химию элементов. Поэтому нужно использовать более современную форму — длиннопериодный вариант. Здесь, в канонической форме, вы видите в таблице всего 8 групп, а в современном варианте их 18, и деления на главные и побочные подгруппы нет.

— Насколько удобно пользоваться различными трехмерными формами Периодической таблицы?

— Не вижу никакого удобства в трехмерных вариантах. Я знаю, что есть разные формы — кубы, спирали и всё, что угодно. У меня даже была такая интересная форма таблицы: одна спиральная часть вставлялась в другую, и одна крутилась вокруг другой, чтобы показать, как изменяются свойства элементов спиральным образом. Однако это, на мой взгляд, только усложняет восприятие, и научного смысла в этом никакого нет.

— Получается, что плоский вид — 2D — самый удобный для использования?

— Он самый удобный даже в электронном виде. Гораздо проще кликать на 2D, на нечто плоское, и будет что-то открываться. Допустим, вы зашли на следующий уровень, посмотрели, что вам нужно, кликнули — и открылся еще один уровень. Не пользуемся мы этими трехмерными игрушками, потому что есть компьютер. И тогда, сколько нам нужно уровней пройти, столько и пройдем. И если есть параллельные взаимосвязи на внутренних уровнях, то мы их все и проведем. И нам все равно — трехмерная это таблица или семимерная, на экране всё будет плоским. Так проще.

— Каковы перспективы развития Периодической таблицы, что нас ждет? Есть ли варианты заполнять клеточки таблицы дальше, или же мы как-то ограничены?

— На сегодняшний день элементов 118, и это означает завершение седьмого периода. Следующий элемент должен попасть в восьмой период. Как раз в конце февраля текущего года в Стокгольме, на семинаре, посвященном 150‑летию открытию Периодического закона, выступал профессор Сергей Николаевич Дмитриев. Он представлял некоторые перспективы нахождения новых элементов. Обнаружить в природе новый элемент уже нельзя, очередные элементы искусственно создаются. И каждый раз, переходя ко всё более тяжелым элементам, мы попадаем в условия сосуществования двух проблем: ведь простые бомбардировки гелием, как это делали 50 лет назад, уже не работают. Каждый раз нужно утяжелять то, чем вы бомбардируете, и каждый раз усложнять мишень, которую вы бомбардируете. Но усложнение мишени тоже представляет трудность, поскольку она также становится короткоживущей. Невозможно взять мишень из элемента тяжелее калифорния (его порядковый номер 98), и долго с ней работать, потому что все элементы, начиная с 99‑го, не имеют изотопов со стабильностью хотя бы несколько месяцев, — это все коротко­живущие изотопы. Это одна проблема. А вторая проблема в том, что вы получаете нечто коротко­живущее. Можно наблюдать несколько атомов, которые распадаются через доли секунды. А это значит, что нужно не только открыть, но и доказать, что вы это обнаружили. Тем не менее, профессор Дмитриев оптимистичен: он считает, что в ближайшие пять лет будут открыты два или три новых элемента, которые будут иметь номер больше 118. То есть, не будут изотопами уже известных элементов, а начнут заселять восьмой период.

— Профессор Дмитриев говорил про российские исследования, как я понимаю?

— Он говорил про российские исследования в первую очередь, так как является одним из руководителей этого проекта в Дубне. Сергей Николаевич возглавляет лабораторию, которая занимается синтезом новых элементов. Но сами мы — неорганики — работаем с тем, что достаточное время существует. И, конечно, никакие короткоживущие химические элементы объектами нашей деятельности не являются.

— Насчет синтеза сверхтяжелых элементов: мы синтезируем, синтезируем, а есть ли какой-то предел этого процесса в принципе? Посчитали ли физики и химики, до какого элемента по номеру можно дойти? Ведь масштабы могут быть такие, что внутриядерные силы уже не удержат составные части ядра…

— И да, и нет. Существуют две теории, которые спорят друг с другом. Одна предполагает, что предел очень далеко, другая говорит, что предел наступит очень скоро — в районе 125 номера. Чтобы сравнить эти две теории, нужно быть специалистом в области ядерной физики, ядерной химии. И ядерной химии, наверное, даже в меньшей степени. Речь идет о том, что есть люди, обсуждающие эти теории. Но я не могу понять, кто из них прав, поскольку не являюсь специалистом в данной области.

— Наверное, опять же, мы не имеем таких инструментов, чтобы прощупать это.

— Я и этого не знаю. Когда речь заходит о квантовомеханических расчетах… Знаете, я тоже веду квантово­механические расчеты, но для элементов, которые не содержат такого большого числа бешено движущихся электронов. До примерно шестидесятого номера я посчитаю, дальше нужно включать такие корреляции, которые знает уже специалист. А потом идем еще дальше, где существуют взаимодействия между частицами в самом атомном ядре, и это все нужно учесть.

— А предел «очень далеко» — насколько именно далеко он находится?

— Я слышал выступление одного человека, утверждавшего, что к числу 400 мы подберемся.

— По-моему, это очень оптимистично!

— Я не могу судить о справедливости его аргументации. Это — другая область науки. Однако, один человек считает так, а ему говорят, что вряд ли. Но находятся и такие специалисты, которые говорят, что может быть, не до 400, но далеко пройдем. До какого-то времени существовала идея, что 120—122 элемента — это предел. Профессор Дмитриев считает, что нет, и предел явно дальше. То есть, как я говорил, в ближайшее время он обещал 2—3 элемента, и потом, говорит, еще продвинемся.

— Когда Дмитрий Иванович Менде­леев писал о своем законе, он называл элементы легче водорода. Про конец таблицы мы с вами поговорили, а как дело обстоит с ее началом? Есть ли смысл это обсуждать?

— Нет. Перед водородом ничего нет. Исходя из того, что есть закон Мозли, мы должны понимать, что самый легкий элемент может состоять из одного протона и одного электрона — а это уже водород. Что-то легче уже не будет химическим элементом. Менделеев размышлял о некоторых двух элементах, которые легче водорода. Были идеи, что один из этих элементов может быть как-то отождествлен с эфиром, который тогда считали материальным. Но после закона Мозли серьезных размышлений о более легких элементах не наблюдалось. Авантюристические идеи имелись — предполагали, что будет невесомый элемент, элемент с отрицательным номером… Но это всё из области ажиотажного размышления. Это подогревает интерес: кто-то написал свое мнение, может быть, оно совершенно чудаческое, но зато красиво подано, и есть связь с историей. Можно же сослаться на то, что Менделеев так писал. С другой стороны, в ряде серьезных научно-популярных журналов выходили публикации о том, правильно ли отказались от более легких элементов.

— Хотелось бы узнать, что произошло интересного с Периодическим законом за последние двадцать-тридцать лет.

— С Периодическим законом ничего не происходит, потому что закон есть закон. Но происходит синтез элементов. Вы называли срок двадцать-тридцать лет, и за это время синтезировано около 15 элементов. И если я не ошибаюсь, только в 2017 году присвоили имена четырем элементам, которые были открыты, и открытие было проверено.

— А как проверяют открытия? Как это работает: вот приезжает человек из ИЮПАК, и ему что-то демонстрируют?

— Ничего подобного. Создается некоторая система доказательств, она документируется и передается на утверждение специалистам в области ядерной химии и ядерной физики. Это несколько разные комитеты, но, по-хорошему, они должны работать согласованно. Как технически это происходит, я не знаю, но идея заключается в том, что сосуществуют и химики, и физики, потому что современные методы обнаружения новых элементов — они физические, а не химические. Из-за того, что элемент живет очень мало, вы можете даже не успеть провести какую-то реакцию. Зато можете оценить адсорбционную способность того или иного элемента на определенной поверхности и сказать, что он похож на какой-то другой, более устойчивый элемент. И сравнить: этот элемент из той группы, к которой новый элемент должен быть приписан, или из какой-то другой. Такое сравнение полезное, потому что оно основано на периодичности и дает основание дополнительно подтвердить, что полученный новый элемент как раз тот, который ожидался.

— Итак, за последние тридцать лет открыли порядка 15 сверхтяжелых ­короткоживущих элементов. А в чем же заключается практическая польза? Ведь живут-то они очень мало.

— Практическая польза заключается в том, что это глубина нашего знания. Насколько мы можем далеко залезть в секреты природы. Это очень важная вещь. Чем тяжелее элемент, тем более сложным становится взаимодействие между его составляющими. Атом ведь не является неделимым, хотя так и называется — «а-том».

— Это просто древние греки не знали.

— Хорошо, но ведь мы же приняли это название. И понимаем: атом состоит из каких-то других частиц, которые связаны между собой еще какими-то частицами. Чем больше такой набор, тем больше возможностей увидеть эти взаимодействия и изучить их. Вот, например, такая причина — чисто фундаментальная. Может быть, с точки зрения ядерной физики это более интересно, чем с точки зрения химии, но тем не менее. А если говорить о том, что произошло с Периодической таблицей в химии за двадцать-тридцать лет, то принципиального, чтобы ее видоизменить или найти какое-то новое в ней откровение, не произошло ничего. Однако, произошло другое: мы стали гораздо больше знать о свойствах элементов и находить у некоторых элементов такие свойства, которые изначально казались бы странными.

— Не могли бы вы привести пример?

— Пожалуйста. Например, двадцать-двадцать пять лет назад стало известно, что в определенных условиях золото может вести себя не как благородный металл, а как аналог таких галогенов, как йод или бром. Этого никто не ожидал. Поскольку развиваются представления о некоторых физических константах химических элементов — это потенциал ионизации, сродство к электрону, — то их анализ позволил объяснить такие свойства. Вполне возможно, что когда-то это будет применяться в том или ином виде. Также мы стали лучше понимать, почему элементы имеют ту или иную структуру в обычном своем состоянии, мы знаем, как ее описывать с точки зрения особенностей химической связи. Это помогает в сложных химических системах объяснять протекание реакций.

— А с чем связано наше более глубокое понимание: у нас появились какие-то новые инструменты изучения, или мы накопили больше информации, каких-то опытных фактов?

— Конечно, и то, и другое. С одной стороны, мы накопили факты, а с другой — лучшие приборы, более глубокая теория, более быстрая вычислительная математика. Когда начинался рентгеноструктурный анализ на IBM‑совместимых компьютерах, то, чтобы средней сложности структуру поставить на четыре цикла МНК, я должен был запустить расчет и идти спокойно обедать. Возвращался и надеялся, что расчеты закончатся. Сейчас я не замечу, как четыре цикла МНК посчитаются: нажму кнопку, и уже готово. Это миллионократное увеличение способности расчетов позволяет продвигать теорию. Теория выдвигается, и ее нужно подтверждать экспериментами и расчетами. Чем лучше вы подтверждаете, тем дальше потом движется теория. А с другой стороны, приходят экспериментаторы и говорят: «У нас вот это получилось, вот это получилось, вот это получилось. Мы это интерпретируем так-то. Давайте совместим практику и теорию». И так развивается вся неорганическая химия вокруг периодического закона.

— Как называют новые химические элементы? Это всегда очень интересно.

— Химические элементы называют очень по-разному. Если говорить о сверхтяжелых, то обычно они отражают персону либо место. Элемент «московий» назван в честь Московской области, а вовсе не Москвы, потому что именно в Московской области расположена Дубна. До этого получил название элемент «дубний». Еще один элемент, названный в нашу честь, — «оганесон», в честь академика Ю. Ц. Оганесяна, который возглавляет всю дубнинскую программу. Элемент «нихоний» назван в честь Японии. Это единственный элемент, который был открыт японскими учеными, и им предложили выдвинуть вариант названия. Есть элемент «менделевий» в честь Дмитрия Ивановича, названный в синтезировавшей этот элемент лаборатории Лоуренса в Беркли. Потом появился элемент «лоуренсий», названный в честь этого ученого — одного из пионеров ядерной физики. Обычно элемент получает название в честь человека, которого уже нет. И поэтому сейчас мы наблюдаем уникальный случай, когда элемент оганесон назван в честь ныне здравствующего академика Ю. Ц. Оганесяна. Это необычно. Есть интересные истории открытия редкоземельных элементов. Так, в местечке Иттербю нашли в свое время минерал, который содержал новый элемент. Поскольку название места и выговорить-то затруднительно, элемент из минерала назвали сокращенно — «иттрий». Потом в том же минерале обнаружили еще элементы, и от названия Иттербю оторвали «эрбий» и «тербий». Потом оказалось, что и этого мало, и согласились: пусть будет элемент «иттербий» тоже. Много наименований в честь регионов, например, «рений». Он назван в честь реки, потому что в том районе жил первооткрыватель. «Лютеций» — Париж, «рутений» — Россия.

— С рутением интересная история. Представитель казанской химической школы сказал, что называет этот элемент в честь «своей любимой родины».

— Это был профессор Клаусс из города Дерпт (сейчас это Тарту в Эс­то­нии).

— Эта территория входила в состав Российской империи, поэтому Клаусса можно считать русским ученым. Когда я училась в школе, названия ряда сверхтяжелых элементов несколько раз менялись — помню это по табличкам, которые нам раздавали. И несколько раз за время обучения названия ряда элементов поменялись.

— В таблице, висящей на стене этого кабинета, есть два элемента, которые носят другие названия: 104 номер был предложен как «курчатовий», а 105 — как «нильсборий». Сейчас эти элементы называют «резерфордий» и «дубний». Окончательно насчет этих элементов вопрос решился в 1990‑х годах, когда комитет по номенклатуре ИЮПАК предложил, посовещавшись с другими профильными комитетами, такие названия.

— А названия «курчатовий» и «нильсборий» мы сами придумали? Это были неутвержденные названия?

— Неутвержденные, но ими пользовались. Вы знаете, ведь очень многие пользовались другими названиями. Долгие годы тантал был танталом для немцев и русских, но при этом он был колумбием для американцев.

— Называется, «как найти общий язык»…

— Да. Отсюда-то и возник комитет по номенклатуре, в том числе по названиям химических элементов.

— Что нам принес Периодический закон глобально?

— Очень многое. Вообще говоря, если исторически смотреть, Менделеев не был первым, кто придумал классификацию.

— Да. До него было много различных разработок — и триады…

— …и октавы, и спирали. Почему поверили Менделееву? Он придумал гениальную идею: не надо заполнять всю систему элементов, надо оставлять клеточки. В эти клеточки он расставил элементы с вымышленными именами, которые отражали имя предыдущего элемента — экабор, экаалюминий.

— «Эка» в смысле «следующий»?

— Да. У Менделеева, скажем, был экамарганец и двиэкамарганец, потому что за марганцем двух последующих элементов не было. Он оставил для них клеточки, указал, какие должны быть основные свойства. Он написал формулы оксидов, гидридов, молекулярные веса летучих хлоридов. Попадание было больше 50%, что, в общем, очень много. Потом, раз такая периодичность заработала, эти элементы быстро нашлись: при жизни Менделеева нашлись экабор (скандий), экакремний (германий), экаалюминий (галлий), инертные газы, для которых он создал свою группу. Все увидели, что закон работает и имеет предсказательную силу. Потом был закон Мозли, и стало ясно, что таблица Менделеева в той канонической короткопериодной форме — это некий инструмент для того, чтобы понимать, почему химия одного элемента похожа на химию другого, как это можно использовать для получения материалов, для получения нового знания о свойствах элементов. Это до сих пор развивается. Когда мы пишем статьи или заявки на какие-то гранты, мы даем очень серьезную аргументацию на основе периодичности свойств.

— То есть то, что открыто 150 лет назад, стабильно работает.

— Конечно. В этом и есть прелесть данного закона. Есть законы, которые открыты очень давно, и они работают. Ньютону яблоко свалилось на голову раньше, чем Менделеев придумал свою таблицу, но законы Ньютона работают ничуть не хуже. К ним есть дополнения, расширения, говорят, что форма законов соответствует только простому линейному случаю. Также и с таблицей Менделеева: он сказал про атомные веса, а оказалось, что есть более глубокий смысл этой периодичности — атомная структура, в частности, заряд ядра атома.

— То есть это и есть общий случай.

— Фактически да. Это более фундаментальное, чем увидел Менделеев. Но то, что он увидел, то, что он сгруппировал и сделал таблицу из 63 элементов, которые не заполняли 63 клеточки подряд, а были раскиданы по общему полю согласно положенной им классификации — вот это великолепная идея.

— На чем остановился Менделеев? Сколько периодов и рядов у него получилось?

— Дело в том, что такой тяжелый элемент, как уран, уже был известен Менделееву. Уран имеет порядковый номер 92, и Менделееву пришлось рассматривать свойства урана и поставить его в определенную клетку, учитывая схожие свойства урана и элементов подгруппы хрома. Это не та клетка, в которой он сейчас стоит, потому что Менделеев не знал про f-орбитали. И только когда открыли лантониды, или лантоноиды, — редкоземельные элементы, — стали задумываться о том, правильно ли стоит уран, поскольку у него был подозрительно большой атомный вес.

— Менделеев, конечно, не успел его перенести…

— Ему бы пришлось дожить до 1940 года, когда получили нептуний и плутоний. Тогда создались предпосылки переноса урана в таблице.

— Он стоял, очевидно, значительно выше, чем ему нужно было стоять.

— Он стоял в ряду как аналог хрома, молибдена и вольфрама. Под ними. В этой группе. Когда синтезировали более тяжелые элементы, то задумались, где они должны быть и где должны быть элементы с f-орбиталями. И через какое-то время, не сразу, во второй половине XX века, возникла актинидная концепция, и уран получил место в ряду актинидов, после актиния, это так называемый второй внутренний переходный ряд. Сейчас эта концепция доминирующая, главенствующая, мы ее признаем правильной. Но споры шли очень долго. Я уже работал на химическом факультете, это были 80‑е годы, а актинидная концепция все еще оспаривалась. Почти 50 лет спустя ее создания. Вот так.

Беседовала Анна Дегтярева.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель