Лев Власов - Занимательно о химии

Но вот четвертый период. Калий, кальций — металлы первого сорта. Ожидаем: вот-вот за ними должны появиться неметаллы.

Не тут-то было! Нам придется разочароваться. Ибо, начиная со скандия, очередные электроны идут не во внешнюю оболочку, а в предыдущую. «Слагаемые» меняются местами. Меняется и «сумма». Сумма свойств элементов.

Вторая снаружи оболочка более консервативна. Она в меньшей степени влияет на химические особенности элементов, чем внешняя. Разница в их облике становится не такой разительной.

Скандий словно «вспоминает», что третья электронная оболочка осталась у него недостроенной. В ней-то должно быть 18 электронов, а пока скопилось 10. Калий и кальций об этом точно «забыли» и свои очередные электроны разместили в четвертой оболочке. Со скандия справедливость начинает восстанавливаться.

На протяжении ряда из десяти элементов застраивается предыдущая оболочка. Внешняя остается неизменной. Всего 2 электрона на ней, такая «малость» электронов во внешней сфере атома — особенность металлов. А потому на «перегоне» скандий — цинк содержатся только металлы: какой им резон принимать на внешнюю оболочку электроны, вступая в соединения? Внешних-то электронов всего-навсего два. Взаимодействуя с другими, эти элементы запросто расстаются со своими электронами, да еще не прочь и позаимствовать их из достраивающейся предыдущей оболочки. Потому-то и способны они проявлять различные положительные валентности. Скажем, марганец может быть двух-, трех-, четырех-, шести- и даже семивалентным, положительно валентным.

Точно такую же картину мы наблюдаем и в последующих периодах менделеевской таблицы.

Вот почему металлов так много и почему они похожи друг на друга больше, чем неметаллы.

Слышал ли кто-нибудь о шестивалентном кислороде? Или семивалентном фторе? Никто и никогда.

Мы вовсе не хотим прослыть пессимистами. Но тем не менее с уверенностью заявляем: с такими ионами кислорода и фтора химии не придется иметь дела.

Этим элементам совсем невыгодно сразу сбрасывать такое большое количество электронов. Куда легче добрать — два или один, — чтобы образовалась устойчивая восьмиэлектронная оболочка. А потому известно очень мало соединений, в которых кислород проявлял бы положительную валентность. Так, удалось получить окисел F2O, где кислород положительно двухвалентен. Этот факт уже из области химической экзотики. Соединения положительно валентного фтора тоже большая редкость.

В «Правилах распорядка Большого дома» есть один важный пункт: высшая положительная валентность элемента равна номеру группы, где он располагается.

Кислород и фтор порядок нарушают. Между тем они навсегда прописались в шестой и седьмой группах. И ни разу не вставал вопрос об их переселении. Поскольку по всем другим статьям химическое поведение кислорода и фтора ничем не отличается от образа жизни их более тяжелых соседей в других этажах Большого дома.

И все-таки некоторая несуразица налицо. Химики о ней хорошо знают, но не придают ей значения. Ибо архитектура менделеевской таблицы от этого не терпит никакого ущерба.

Увы, есть еще несуразица. И на этот раз повнушительнее.

В средние века рудокопы находили иногда странные руды. Они были очень похожи на железные. Но вот беда: выплавить из них железо никак не удавалось. Рудокопы объясняли свои неудачи проделками нечистой силы — зловредных карликов кобольдов и престарелого насмешника черта Ника.

Потом, конечно, выяснилось, что нечисть здесь ни при чем. Руды содержали не железо, а два других похожих на него металла. В память о былых заблуждениях их так и назвали — кобальт и никель.

В те же средние века на берегу реки Платино дель Пино в Южной Америке испанские завоеватели обнаружили странное металлическое вещество, блестящее и тяжелое, которое не растворялось ни в каких кислотах. Загадочный металл получил имя платины. А спустя три столетия выяснилось, что платина встречается в природе всегда вместе с пятью спутниками — рутением, родием, палладием, осмием и иридием. Все эти шесть редких металлов трудно отличить друг от друга. Дружную когорту стали именовать семейством платиновых металлов.

Настало время, когда их пришлось расселять в Большом доме.

Вы ждете теперь, наверное, занятного повествования о том, как это было сложно и как ученые постепенно, с трудностями, большими и малыми, справлялись?

Нет, все оказалось очень просто…

Приходилось ли вам видеть дом, где все пролеты, все секции одинаковы, спроектированы по типовому проекту, а одна выстроена иначе? Словно рассчитывал и возводил ее другой архитектор, обладающий иной творческой фантазией.

Вряд ли вам встречалось что-нибудь подобное.

А вот Большой дом как раз такое любопытное строение. Одну из его секций Менделеев сконструировал своеобразно. Добавим от себя: вынужден был так сделать.

Эта секция — восьмая группа периодической системы. Входящие в нее элементы располагаются по три. Притом не на каждом этаже, а только в больших периодах таблицы. В одном железо, кобальт и никель, в двух других платиновые металлы.

Менделеев всячески пытался найти для них более подходящие места. Но таких мест не оказывалось. И ему пришлось пристраивать к периодической системе дополнительную, восьмую группу.

Почему восьмую? Да потому, что последней до тех пор была седьмая, где разместились галогены.

Однако номер группы в этом случае имеет значение чисто формальное.

Валентность плюс восемь в восьмой группе — редкое исключение, а никак не правило. Только рутений и осмий с трудом пытаются установить соответствие: для них известны неустойчивые окислы RuO4 и OsO4.

Все же остальные металлы подобных «высот» не достигают, как ни пытались им помочь ученые.

Разгадку давайте поищем вместе.

Обратим внимание и на такой факт: платиновые металлы в химические реакции вступают с большим трудом. Поэтому посудой, сделанной из платины, химики теперь часто пользуются для своих экспериментов. Платина и ее спутники как бы «благородные газы» среди металлов. И неспроста титул «благородные» закрепился за ними с давних пор. И в природе они встречаются в свободном, самородном состоянии.

Или взять железо. Обычное, оно ведет себя как элемент средней химической активности. Чистое — очень устойчиво.

(Вот, кстати, повод для размышлений. Быть может, многие элементы, а не только металлы, в сверхчистом состоянии отличаются высокой сопротивляемостью к химическим воздействиям.)

Повинна в «благородстве» платиновых металлов не внешняя, а предыдущая электронная оболочка их атомов.

Ей не хватает очень немногого, чтобы завершиться, заполниться восемнадцатью электронами. Оказывается, восемнадцатиэлектронная оболочка — конструкция тоже достаточно прочная. А благодаря этому платиновые металлы не склонны отдавать с нее электроны. Приобретать они тоже не могут, ведь все-таки они металлы.

Такая «нерешительность» и объясняет все дело.

И все же восьмая группа не очень увязывается с логикой менделеевской таблицы. Чтобы устранить подобную несуразицу, химики предлагают объединить восьмую и нулевую группы в одну.

Насколько справедлив такой шаг, покажет будущее.

Их называют лантаноидами. Называют потому, что все они — общим числом четырнадцать — «лантаноподобны», похожи на лантан и друг на друга почти как две капли воды. Благодаря такому удивительному химическому подобию их всех помещают в одну-единственную клетку, клетку лантана, которая значится в таблице под номером 57.

Нет ли здесь недоразумения? Ведь и сам Менделеев и многие другие ученые рассуждали так: каждому элементу свойственно одно, вполне определенное место в периодической системе.

А в этом случае в одну клетку втиснулись целых полтора десятка ее обитателей, все они оказались элементами третьей группы и шестого периода.

Нельзя ли попробовать рассортировать их по другим группам?

Пробовали. Многие химики, в том числе и сам Дмитрий Иванович. Помещали церий в четвертую группу, празеодим — в пятую, неодим — в шестую и так далее. Но никакой логики в этом распределении не обнаруживалось. В главных и побочных подгруппах таблицы Менделеева стоят сходные элементы. А церий имел мало общего с цирконием, празеодим и неодим были чужаками по отношению к ниобию и молибдену. И другие редкоземельные элементы (таково общее название лантана и лантаноидов) не находили себе родственников в соответствующих группах. Зато они очень похожи, подобно братьям-близнецам.

Когда химикам задавали вопрос, в какие же клетки таблицы поместить лантаноиды, ученые недоуменно пожимали плечами. Да и что они могли ответить, если не знали, в чем причина удивительного сходства лантаноидов!