Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?

Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента — от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.

Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов — нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.

Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.

Первый искусственный

Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.

Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого??? — искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Легкие снаряды

Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.

Следующий, 94-й элемент — плутоний — впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.

Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.

60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения — берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний — двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.

Тяжелые ионы

Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 — фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).

Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 — в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.

В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения — например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов — от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов — с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.

Всего три атома

118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) — 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 — единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.

«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, — вспоминает Кентон Муди. — Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».

Мафусаил номер 117

Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже — в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.

В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа — 14 миллисекунд, а более тяжелого — целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже — несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).

Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.

Долгая жизнь на острове стабильности

Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально — это 2, 8, 20 и 28.

Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически — правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева — минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.

Дубнинский метод

«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, — объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. — Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой — кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов — сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку — ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов — удовольствие не из дешевых».

I. Положение водорода в периодической системе

Водород - самый распространённый химический элемент, к тому же он самый лёгкий. Его порядковый номер 1. В таблице Менделеева он стоит в первом периоде. С учётом его свойств его помещают как в 1А так и в 7А группу. Возникает вопрос - почему?

Ядро водорода состоит из одного протона, вокруг которого вращается один электрон. Электронная формула 1s 1 . Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью. Н 2 - самый легкий газ. Он не имеет цвета и запаха.

Водород относится к химически активным веществам. Он может выступать в роли восстановителя и окислителя .
1) с некоторыми металлами он образует гидриды

2Na+H 2 =2NaH, здесь водород - окислитель H 0 + 1 e - → H -1
Сходный процесс происходит при взаимодействии галогенов - неметаллов 7А группы

2Na+Cl 2 =2NaCl

Поэтому, водород помещают в 7А группу

2) с неметаллами, проявляющими более сильные окислительные свойства, чем водород

H 2 +Cl 2 = 2HCl здесь водород - восстановитель H 0 - 1 e - → H +1

Сходный процесс происходит при взаимодействии щелочных металлов -металлов 1А группы

2К+Cl 2 =2КCl

Поэтому, водород помещают в 1А группу

II. Положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева лантаноидов и актиноидов

Учебный фильм: “Свойства лантаноидов и актиноидов”

В шестом периоде вслед за лантаном располагаются 14 элементов с порядковыми номерами 58-71, называемых лантаноидами (слово “лантаноиды” означает «подобные лантану», а “актиноиды” — «подобные актинию»). Иногда их называют лантанидами и актинидами, что означает следующие за лантаном; следующие за актинием). Лантаноиды помещены отдельно внизу таблицы, а в клетке звездочкой указано на последовательность их расположения в системе: La-Lu. Химические свойства лантаноидов очень сходны. Например, все они являются реакционно-способными металлами, реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода. У лантана (Z= 57) один электрон поступает на 5d-подуровень, после чего заполнение этого подуровня приостанавливается, а начинает заполняться 4f-уровень, семь орбиталей которого могут быть заняты 14 электронами. Это происходит у атомов всех лантаноидов с Z = 58 — 71. Поскольку у этих элементов заполняется глубинный 4f-подуровеиь третьего снаружи уровня , они обладают весьма близкими химическими свойствами.

Из этого следует, что у лантаноидов сильно выражена горизонтальная аналогия.

В седьмом периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90-103 составляют семейство актиноидов. Их также помещают отдельно — под лантаноидами, а в соответствующей клетке двумя звездочками указано на последовательность их расположения в системе: Ас-Lr. У актиния и актиноидов заполнение уровней электронами подобно лантану и лантаноидам. Однако в отличие от лантаноидов горизонтальная аналогия у актиноидов выражена слабо. Они в своих соединениях проявляют больше различных степеней окисления. Например, степень окисления актиния +3, а урана +3, +4, +5 и +6. Изучение химических свойств актиноидов крайне сложно вследствие неустойчивости их ядер.

Все актиноиды радиоактивны. Из актиноидов выделяют две пересекающиеся группы: «трансурановые элементы» — все следующие в таблице Менделеева за ураном элементы и «трансплутониевые элементы» — все следующие за плутонием. Обе группы не ограничиваются указанными рамками и при указании приставки «транс-» могут включать в себя следующие за лоуренсием элементы — резерфордий и т. д. Это обусловлено тем, что такие элементы синтезируются в чрезвычайно малых количествах. По сравнению с лантаноидами, которые (кроме прометия) обнаружены в природе в заметных количествах, актиноиды труднее синтезировать. Но есть и исключения, например, легче всех синтезировать или найти в природе уран и торий, затем следуют плутоний, америций, актиний, протактиний и нептуний.

III. Положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева искусственно полученных элементов

К 2008 г. известно 117 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций (см. Приложения). Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные — временные.

Cтраница 1

Искусственно полученные элементы, следующие за ураном, называют трансурановыми.  

Искусственно полученные элементы отмечены верхним индексом; для них приведены значения относительных атомных масс (без указания точности) или значения массовых чисел наиболее долго-живущих изотопов. В нижнем индексе слева от символа элемента приведен его порядковый номер в Периодической системе. Символы элементов, не являющиеся общепринятыми, заключены в круглые скобки. Элементы с порядковыми номерами 106 и 107, не имеющие пока символов, помещены в конце таблицы.  

Искусственно полученные элементы: Астатин - № 85, технетий - № 43, франций - № 87 (см стр.  

Все эти искусственно полученные элементы в природе пока не найдены, но представляют большой научный интерес. Некоторые из них уже применяются в технике.  

Энергетические уровни 5 / и.

Назовите известные вам искусственно полученные элементы, укажите их место в таблице периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева и начертите схемы, отражающие расположение электронов по орбиталям в атомах этих элементов.  

Отвечающие им новые искусственно полученные элементы получили общее название трансурановых элементов.  

В табл. 1 приведены названия (русские и латинские) элементов, химические знаки, порядковые номера их в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, относительная атомная масса и год открытия. Атомные массы приведены по Международной таблице 1981 г. Звездочкой обозначены искусственно полученные элементы; древн. В квадратных скобках приведены массовые числа изотопов, обладающих наибольшим для данного радиоактивного элемента периодом полураспада. Названия и хи - мические знаки элементов, приведенные в круглых скобках, не являются общепринятыми.  

В табл. 1 даны названия (русские и латинские) элементов, порядковые номера их в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, относительная атомная масса и год открытия. Атомные массы (с четырьмя значащими цифрами) приведены по Международной таблице 1977 г. Звездочкой обозначены искусственно полученные элементы, древн.  

Искусственные элементы

При обстреле урана тепловыми нейтронами из него образуются более легкие элементы с порядковыми номерами 35-65: это заставляло надеяться, что среди обломков будут найдены также изотопы элементов 43 и 61. Если вспомнить состояние вопроса получения элементов 43, 61, а также 85 и 87 в 1930 году, то можно было уловить заметный прогресс. Прежде всего, подтвердилось подозрение, что элементы 43 и 61 являются нестойкими веществами, которые "вымерли". Что касается элементов 85 и 87, то уже довольно давно их признали распавшимися радиоактивными веществами.

В 1934 году физик Иозеф Маттаух нашел эмпирическое правило, которое позволяет оценить устойчивость ядер изотопов. Согласно правилу Маттауха не может существовать второго устойчивого изотопа, если заряд его ядра отличается только на единицу от заряда ядра известного устойчивого изотопа с тем же массовым числом. Эта закономерность дополняет правило Харкинса, по которому элементы с нечетным порядковым номером (то есть нечетным числом протонов и электронов) распространены на Земле существенно реже, поскольку мала устойчивость их ядер .

По отношению к элементам 43 и 61 правило Маттауха можно изложить следующим образом. Исходя из их положения в периодической системе, массовое число элемента 43 должно быть около 98, а для элемента 61 - около 147. Однако уже были известны устойчивые изотопы для элементов 42 и 44, а также для элементов 60 и 62 с массами от 94 до 102 и соответственно от 142 до 150. Поскольку второй устойчивый изотоп с тем же массовым числом не может существовать, то элементы 43 и 61 должны иметь только нестабильных представителей. Несомненно, что когда-то элементы 43 и 61 были на Земле в достаточном количестве.

Когда возникла наша Солнечная система, то путем сочетания протонов и нейтронов образовались все элементы. Однако за время существования Земли - 4,6 миллиардов лет - их неустойчивые представители постепенно совсем исчезли . Исключение составляют только те радиоактивные элементы, которые могли постоянно пополняться в пределах естественного радиоактивного ряда, ибо их исходные вещества - уран или торий - еще существуют на Земле, благодаря своим периодам полураспада, насчитывающим миллиарды лет. Элементы 43 и 61 к этим естественным радиоактивным рядам не относятся. Лишь в том случае, если имеется долгоживущий изотоп этих элементов, можно было бы надеяться обнаружить его радиохимические следы.

В то время как некоторые ученые все еще занимались ложными трансуранами , другим исследователям удалось найти вожделенные элементы 43 и 87. Вот история их открытия...

В 1936 году Эмилио Сегрэ после женитьбы покинул Ферми и его коллег и уехал в Палермо, прежнюю столицу Сицилии. В тамошнем университете ему предложили кафедру физики. В Палермо, к своему большому сожалению, Сегрэ не смог продолжать изыскания, начатые с Ферми. В университете не было никакого оборудования для радиоактивных исследований. Быстро приняв решение, итальянский ученый поехал в Америку, чтобы ознакомиться с Калифорнийским университетом в Беркли, который славился самым лучшим оборудованием. В то время там находился единственный в мире циклотрон . "Те источники радиоактивности, которые я увидел, были поистине поразительными для человека, работавшего до этого только с Ra-Ве-источниками ",- вспоминал физик.

Особенно заинтересовался Сегрэ отклоняющей пластиной циклотрона . Она должна была направить поток ускоренных частиц в требуемом направлении. За счет столкновений с частицами высокой энергии - ускорялись дейтроны - эта пластина очень сильно разогревалась. Поэтому ее пришлось изготовить из тугоплавкого металла - молибдена . На этот металлический молибден, бомбардируемый дейтронами, и обратил свое внимание гость из Италии. Сегрэ предположил, что из молибдена, 42-го элемента, в результате обстрела дейтронами могли, быть может, образоваться изотопы все еще неизвестного элемента 43. Возможно, по уравнению:

96 Мо + D = 97 Х + n

Природный молибден является смесью шести устойчивых изотопов. Сегрэ предположил: а вдруг один из шести возможных радиоактивных изотопов элемента 43, в которые теоретически мог бы превратиться молибден,- хотя бы один - оказался настолько долгоживущим, чтобы выдержать морское путешествие в Сицилию. Ибо итальянский физик намеревался заниматься поисками элемента 43 только в институте на родине.

Исследователь пустился в обратный путь, имея в кармане кусок молибденовой пластины от циклотрона в Беркли. В конце января 1937 года он начал исследования при поддержке минералога и химика-аналитика Перрье. Они действительно нашли радиоактивные атомы, которые по химическим свойствам можно было поместить между марганцем и рением. Количества экамарганца, которые вновь искусственно возродились на Земле благодаря исследовательскому гению человека, были невообразимо малы: от 10 -10 до 10 -12 г 43-го элемента!

Когда в июле 1937 года Сегрэ и Перрье доложили о синтезе первого искусственного элемента, давно вымершего на Земле - это был день, вошедший в историю. Для элемента 43 позднее нашли очень точное наименование: технеций , происходящее от греческого technetos - искусственный. Можно ли будет когда-либо получить его в весомых количествах и подержать в руках? Вскоре удалось ответить на этот вопрос положительно, когда обнаружилось, что при делении урана возникают изотопы 43 с относительно высоким выходом. Особое внимание привлек изотоп с массовым числом 101 и периодом полураспада 14 мин. Предполагали, что вещество Ферми с периодом полураспада 13 мин, мнимый элемент 93, должен был быть изотопом элемента 43.

Естественные радиоактивные ряды имеют окончательный вид - в этом никто больше не отваживался сомневаться, в особенности после масс-спектрографической идентификации урана-235 Демпстером. Однако имелось слабое место в ряду уран - актиний. Прошло более двадцати лет с тех пор, как в этом ряду отметили "неточность", которая была почти что предана забвению.
Еще в 1913/1914 годах на это несовпадение наткнулись английский химик Крэнстон и австрийские исследователи радиоактивности Майер, Хесс и Панет при изучении актиния. В качестве бета-излучателя актиний , как известно, превращается в радиоактиний , то есть в изотоп тория . Когда ученые изучали процесс превращения, они всегда наблюдали слабое альфа-излучение. Эту остаточную активность (примерно 1%) обнаруживал и Отто Хан в опытах по получению чистого актиния. "Я не мог решиться на то, чтобы придать значение этой небольшой величине ",- сообщил Хан позднее. Он считал, что это, скорее всего, примесь.

Прошло много лет. Французская ученая Маргарита Перей , сотрудница знаменитого Радиевого института в Париже, снова пошла по этому следу, очень тщательно очистила фракции актиния и в сентябре 1939 года смогла доложить об удачном выделении нового радиоактивного изотопа. Это был столь долго отсутствовавший элемент 87, тот альфа-излучающий побочный продукт, который дает остаточную однопроцентную активность актиния. Мадам Перей нашла разветвление в уже заполненном ряду, ибо изотоп элемента 87 точно так же превращается в актиний X, как и известный радиоактиний. По предложению Перей элемент 87 назвали францием в честь ее родины.

Правда, химики и по сей день не достигли больших успехов в изучении элемента 87. Ведь все изотопы франция - короткоживущие и распадаются в течение миллисекунд, секунд или минут. По этой причине элемент поныне остался "неинтересным" для многих химических исследований и практического использования. При необходимости его получают искусственно. Конечно, франций можно "получать" и из естественных источников, но это - сомнительное предприятие: 1 г природного урана содержит только 10 -18 г франция!

Когда периодическая система была открыта, недоставало 23-х элементов, теперь - только двух: 61- и 85-го. Как шла дальше охота за элементами? Летом 1938 года Эмилио Сегрэ вновь поехал в Беркли. Он намеревался изучить короткоживущие изотопы элемента 43. Безусловно, такие исследования надо было предпринять на месте. Изотопы с малым периодом полураспада не "пережили" бы путь в Италию. Едва прибыв в Беркли, Сегрэ узнал, что возвращение в фашистскую Италию стало для него невозможным из-за расового террора. Сегрэ остался в Беркли и продолжал там свои работы.

В Беркли с более мощным циклотроном можно было разогнать альфа-частицы до высоких энергий. После преодоления так называемого порога кулоновского взаимодействия эти альфа-частицы были в состоянии проникнуть даже в ядра тяжелых атомов. Теперь Сегрэ увидел возможность превратить висмут , элемент 83, в неизвестный элемент 85. Совместно с американцами Корсоном и Маккензи он бомбардировал ядра висмута альфа-частицами с энергией 29 МэВ, чтобы провести следующий процесс:

209 Bi + 4 He = 211 X + 2n

Реакция осуществилась. Когда исследователи закончили первую совместную работу, 1 марта 1940 года, они лишь осторожно высказали мысль "о возможном получении радиоактивного изотопа элемента 85 ". Вскоре после этого они были уже уверены: искусственно получен элемент 85, до того как он был найден в природе. Последнее посчастливилось сделать лишь несколько лет спустя англичанке Лей-Смит и швейцарцу Миндеру из института в Берне. Им удалось показать, что элемент 85 образуется в радиоактивном ряду тория в результате побочного процесса. Для открытого элемента они выбрали название англо-гельвеций, которое было раскритиковано как словесная несуразица. Австрийская исследовательница Карлик и ее сотрудник Бернерт вскоре нашли элемент 85 в других рядах естественной радиоактивности, тоже как побочный продукт. Однако право дать наименование этому элементу, встречающемуся лишь в следах, оставалось за Сегрэ и его сотрудниками: теперь его называют астат, что в переводе с греческого означает непостоянный. Ведь самый устойчивый изотоп этого элемента обладает периодом полураспада только 8,3 ч.

К этому времени профессор Сегрэ пытался также синтезировать элемент 61. Между тем стало ясно, что оба соседа этого элемента по периодической системе, неодим и самарий, слабо радиоактивны. Сначала это казалось удивительным, так как в то время считали, что радиоактивность присуща наиболее тяжелым элементам. Неодим, 60-й элемент, излучал бета-лучи, следовательно, должен был превращаться в элемент 61. Тот факт, что этот неизвестный химический элемент до сих пор не могли выделить, вероятно, объяснялся его быстрым радиоактивным распадом. Что же делать? Здесь выход заключался опять-таки в искусственном получении искомого элемента. Раз элемент 61 нельзя было найти в природе, физики попытались его синтезировать.

В 1941/42 годах ученые Лоу, Пул, Квилл и Курбатов из Государственного университета в Огайо бомбардировали редкоземельный элемент неодим дейтронами, разогнанными в циклотроне. Они обнаружили радиоактивные изотопы нового элемента, который назвали циклонием. Однако это был лишь след, оставленный на фотопленке.

Каковы были успехи Эмилио Сегрэ? Он облучал альфа-лучами празеодим - элемент 59. Однако переработка безусловно синтезированных им изотопов элемента 61 оказалась слишком сложной. Выделение их из других редкоземельных элементов не удалось.

Об одном безрезультатном исследовании пришло известие из Финляндии. Еще в 1935 году химик Эреметсе начал анализировать концентраты смеси оксидов самария и неодима на природное содержание в них 61-го элемента. Для этой цели было переработано несколько тонн апатита.

Первый этап борьбы за 61-й элемент имел ничейный результат. Нельзя было даже принять предложенное название "циклоний ".

СИСТЕМАТИ3АЦИЯ, ОБОБЩЕНИЕ И УГЛУБЛЕНИЕ 3НАНИЙ ПО КУРСУ ХИМИИ

Глава II. Периодический закон и периодическая система Д.И. Менделеева на основе учения

о строении атома

Задачи к §§1-3 (стр. 70)

Вопрос № 1

Сравните формулировку периодического закона, данную Д.И. Менделеевым, с современной формулировкой. Объясните, почему потребовалось такое изменение формулировки.

Формулировка периодического закона, данная Д.И. Менделеевым, гласила: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от атомных масс этих элементов. Современная формулировка гласит: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра этих элементов. Такое уточнение потребовалось, поскольку к моменту установления Менделеевым периодического закона еще не было известно о строении атома. После выяснения строения атома и установления закономерностей размещения электронов по электронным уровням стало ясно, что периодическая повторяемость свойств элементов связана с повторяемостью строения электронных оболочек.

Вопрос № 2

Почему число элементов в периодах соответствует ряду чисел 2 – 8 – 18 – 32? Разъясните эту закономерность с учетом расположения электронов по энергетическим уровням.

Электроны в атоме могут занимать s-, p-, d- и f-орбитали. На одном электронном уровне может быть одна s-орбиталь, три р- орбитали, пять d-орбиталей, семь f-орбиталей. На одной орбитали

может находиться не более двух электронов. Таким образом, если заполнены только s-орбитали, на электронном уровне находится 2 электрона. Если заполнены s- и р-орбитали, на одном электронном уровне находится 2 + 6 = 8 электронов. Если заполнены s-, p- и d- орбитали, на электронном уровне находится 2 + 6 + 10 = 18 электронов. Наконец, если заполнены s-, p-, d-, и f-орбитали, на электронном уровне находится 2 + 6 + 10 + 14 = 32 электрона. Таким образом, число элементов в периодах соответствует максимально возможному числу электронов на электронном уровне.

Вопрос № 3

На основе теории строения атомов поясните, почему группы элементов разделены на главные и побочные.

В элементах главных подгрупп периодической системы элементов происходит заполнение электронами орбиталей внешнего электронного уровня. В элементах побочных подгрупп происходит заполнение электронами орбиталей предпоследнего электронного уровня.

Вопрос № 4

По каким признакам различают s-, p-, d- и f-моменты?

В атомах s-элементов происходит заполнение s-орбиталей, в атомах р-элементов заполняются р-орбитали, в атомах d-элементов

– d-орбитали и в атомах f-элементов – f-орбитали.

Вопрос № 5

Пользуясь таблицей периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, составьте схемы расположения электронов по орбиталям и энергетическим уровням в атомах элементов ванадия V, никеля Ni и мышьяка As. Какие из них относятся к р-элементам и какие – к d-элементам и почему?

Атом ванадия:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2

Атом никеля: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2

Атом мышьяка: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3

В атомах ванадия и никеля заполняется 3d-подуровень, поэтому их относят к d-элементам. В атоме мышьяка заполняется 4рподуровень, то есть мышьяк является р-элементом.

Вопрос № 6

Разъясните, почему химический знак водорода обычно помещают в главной подгруппе I группы и в главной подгруппе VII группы.

В атоме водорода один s-электрон на внешней (и единственной) электронной оболочке, как и у атомов щелочных металлов. Поэтому водород размещают в первой группе периодической системы. С другой стороны, для заполнения внешней электронной оболочки атому водорода не хватает одного электрона, как и атомам галогенов, поэтому водород помещают также в главную подгруппу VII группы периодической системы.

Вопрос № 7

На основе закономерностей размещения электронов по орбиталям поясните, почему лантаноиды и актиноиды обладают сходными химическими свойствами.

В атомах лантаноидов и актиноидов происходит заполнение третьего снаружи электронного уровня. Поскольку химические свойства главным образом зависят от электронов внешней оболочки, то лантаноиды и актиноиды очень похожи по свойствам.

Вопрос № 8

Назовите известные вам искусственно полученные элементы, укажите их место в таблице периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева и начертите схемы, от-

ражающие расположение электронов по орбиталям в атомах этих элементов.

Не встречаются в природе и могут быть получены только искусственно технеций (№ 43), прометий (№ 61), астат (№ 85), франций (№ 87) и трансурановые элементы, то есть элементы находящиеся в периодической системе после урана (с номерами 93 и больше).

Электронные схемы технеция, прометия, астата и франция:

43 Тс 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d5 5s2

61 Pm 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f5 5s2 5p6 6s2

85 At 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 6s2 6p5 87 Fr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 6s2 6p6 7s1

Электронная схема первого из трансурановых элементов – нептуния:

93Np

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 5f4 6s2 6p6 6d1 7s2

Вопрос № 9

Объясните сущность понятия «валентность» с точки зрения современных представлений о строении атомов и образования химической связи.

Валентность равна числу химических связей, которые атом данного элемента может образовать с атомами других элементов. В образовании химических связей участвуют электроны внешнего электронного уровня. Валентность можно определить также как число электронов, которые атом данного химического элемента может предоставить для образования химических связей с атомами других элементов.

Вопрос № 10

Почему численное значение валентности не всегда совпадает с числом электронов на наружных энергетических уровнях?

Образование химических связей возможно при наличии в атоме неспаренных электронов. Во многих элементах не все электроны внешнего электронного уровня являются неспаренными.

Например, в атомах кислорода и серы по шесть электронов на внешнем уровне, но из них только два неспаренных:

16S ↓

Однако, в атоме серы на внешнем электронном уровне есть еще пустые 3d-орбитали, на которые могут переходить электроны с 3s- и 3р-орбиталей, в результате в атоме серы становится шесть неспаренных электронов:

16S ↓

Поэтому максимальная валентность серы равна шести, то есть совпадает с числом электронов на внешнем электронном уровне. В атоме кислорода на втором уровне нет d-орбиталей, поэтому нет возможности для распаривания электронов, и валентность кислорода не может быть больше двух, то есть не равна числу электронов на внешнем уровне.

Вопрос № 11

Почему максимальная валентность элементов 2-го периода не может превысить число 4?

В атомах элементов второго периода может быть не более 4 неспаренных электронов, так как на втором электронном уровне есть одна s-орбиталь и три р-орбитали. Валентность равна числу неспаренных электронов, поэтому валентность элементов второго периода не может быть больше 4.

Вопрос № 12

Составьте электронные схемы, отражающие валентность азота в азотной кислоте и валентность углерода и кислорода в оксиде углерода (II).

а) Молекула оксида углерода. Строение электронных оболочек атомов углерода и кислорода:

В молекуле оксида углерода две связи образованы за счет двух неспаренных электронов атома углерода и двух неспаренных электронов атома кислорода. У атома кислорода есть еще пара электронов на 2р-орбитали, а у атома углерода – свободная 2р-орби- таль. Пара электронов переходит от атома кислорода к атому углерода, образуют донорно-акцепторную связь. Электронную формулу оксида углерода (II) можно изобразить так:

(стрелочкой обозначена донорно-акцепторная связь).

б) Молекула азотной кислоты. Электронные схемы атомов водорода, кислорода и азота:

Атом водорода образует за счет единственного электрона связь с атомом кислорода. Второй электрон атома кислорода участвует в образовании связи с атомом азота:

У атома азота остается два неспаренных электрона, и он образует две связи со вторым атомом кислорода:

H ONO

У атома азота осталась еще электронная пара на 2s-орбитали.

В третьем атоме кислорода происходит спаривание электронов, и образуется свободная орбиталь:

Пара электронов от атома азота переходит на освободившуюся орбиталь атома кислорода и образуется донорно-акцепторная связь:

Вопрос № 13

Почему по современным представлениям понятие о валентности неприменимо к ионным соединениям?

Валентность равна числу образованных атомом связей и зависит от числа электронов на внешнем электронном уровне. Ионные соединения состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов, которые удерживаются вместе силами электрического притяжения. В ионных соединениях число связей между ионами зави-

сит от строения кристаллической решетки, может быть различным и не связано с числом электронов на внешнем электронном уровне.

Вопрос № 14

Какие закономерности наблюдаются в изменении атомных радиусов в периодах слева направо и при переходе от одного периода к другому?

В периодах атомные радиусы уменьшаются слева направо. Это связано с тем, что заряд ядра увеличивается и электроны сильнее притягиваются к ядру, электронная оболочка как бы сжимается. В группах радиусы атомов увеличиваются сверху вниз, поскольку увеличивается число электронных оболочек.

Вопрос № 15

Вспомните формулировку периодического закона, данную Д.И. Менделеевым, и современную формулировку этого закона. На конкретных примерах подтвердите, что периодически изменяются не только свойства химических элементов, но и формы и свойства их соединений.

Формулировка периодического закона, данная Д.И. Менделеевым, гласила: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от атомных масс этих элементов. Современная формулировка гласит: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра этих элементов. Периодически изменяются также и свойства соединений химических элементов. Например, оксиды всех металлов главной подгруппы I группы (Li2 О, Na2 O, К2 О, Rb2 О, Cs2 O) проявляют основные свойства, а оксиды всех элементов главной подгруппы IV группы (СО2 , SiО2 , GeO2 SnO2 , PbO2 ) – кислотные свойства.

3адача № 1

При полном сжигании 0,68 г неизвестного вещества получили 1,28 г оксида серы (IV) и 0,36 г воды. Найдите химическую формулу сжигаемого вещества.

Вычислим молярные массы воды и оксида серы (IV):

М(Н2 О) = 1 2 + 16 = 18 г/моль

M(SО2 ) = 32 + 16 2 = 64 г/моль

Вычислим количество вещества воды и оксида серы (IV), образовавшихся при сжигании вещества:

	ν (H2 O) =		m(H2 O)
			M(H2 O)
	ν (SO2 ) =
			M(SO2 )

Т.к. в реакции получаются SO2 и Н2 О, то в исходном веществе содержатся могут только S, Н и О. Тогда исходное вещество можно схематично изобразить формулой Sх Ну Оz . Тогда уравнение реакции запишется

		x + y

В 0,02 моль воды содержится 0,02 2 = 0,04 моль атомов водорода. В 0,02 моль оксида серы содержится 0,02 моль атомов водорода. Вычислим массу водорода и серы в веществе:

m(Н) = n(Н) М(Н) = 0,04 моль 1 г/моль = 0,04 г.

m(S) = n(S) M(S) = 0,02 моль 32 г/моль = 0,64 г.

Масса серы и водорода равна 0,64 + 0,04 = 0,68 г, то есть равна массе вещества, значит в веществе не содержится других элементов, кроме серы и водорода. На 0,04 моль водорода приходится 0,02 моль серы, то есть на 2 атома водорода приходится 1 атом серы, простейшая формула вещества H2 S, это сероводород.

Ответ : сероводород H2 S.

3адача № 2

Через раствор, содержащий 10 г гидроксида натрия, пропустили 20 г сероводорода. Какая соль образовалась при этом? Определите ее массу и количество.

Возможно образование двух солей – сульфида натрия по уравнению (1) и гидросульфида натрия по уравнению (2).

2NaOH + H2 S = Na2 S + 2H2 O
NaOH + Н3 8 = NaHS + H2 O

Вычислим молярные массы гидроксида натрия и сероводорода:

M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 г/моль

M(H2 S) = 1 2 + 32 = 34 г/моль

Вычислим количество вещества гидроксида натрия и сероводорода:

По уравнению (2) 1 моль гидроксида натрия реагирует с 1 моль сероводорода, значит для реакции с 0,59 моль сероводорода нужно 0,59 моль гидроксида натрия, а по условию взяли только 0,25 моль. Следовательно, сероводород взят в избытке, и образуется гидросульфид натрия, расчет ведем по гидроксиду натрия. Из 1 моль гидроксида натрия по уравнению образуется 1 моль гидросульфида натрия, следовательно из 0,25 моль гидроксида натрия получится 0,25 моль гидросульфида натрия.

Вычислим молярную массу гидросульфида натрия:

M(NaHS) = 23 + 1 + 32 = 56 г/моль

Вычислим массу гидросульфида натрия:

m(NaHS) = ν (NaHS) M(NaHS) = 0,25 моль 56 г/моль = 14 г.

Ответ : получится 0,25 моль (14 г) гидросульфида натрия.

3адача № 3

Сколько оксида алюминия в граммах можно получить из 100 г кристаллогидрата хлорида алюминия АlCl3 6Н2 О?