Хроматография и периодический закон

Хроматография и периодический закон

До сих пор еще химики не закончили спор о том, как должен быть построен послед­ний, седьмой период менделеевской таблицы. Этот вопрос для науки особенно важен и прин­ципиален.

Теория на него ответа дать не может: слиш­ком сложны электронные оболочки тяжелых атомов и рассчитать теоретические орбиты всех их электронов пока невозможно. Остается де­тально изучать химические свойства каждого элемента — тот путь, которым шел сам Менде­леев. Зная химические свойства нового элемен­та, можно найти ему место в периодической таблице.

Но чтобы химик мог изучить свойства из­вестного элемента, он должен его иметь. В по­следнем же периоде таблицы после урана на­ходятся элементы, которых еще не так давно совсем не было в распоряжении человека. В при­роде подавляющее большинство из них найти невозможно. Все эти элементы созданы че­ловеком искусственно. Физики обнаружива­ли рождение новых атомов по их радиоактив­ным характеристикам. Наука попала в за­колдованный круг: как разместить эти новые элементы в последнем периоде таблицы Менде­леева? Чтобы получить новый элемент, надо его определить и выделить в чистом виде, а для это­го необходимо знать его свойства. Для того же, чтобы их изучить, надо новый элемент иметь в руках.

Ионообменная хроматография помогла науке найти выход из этого трудного положения. Действительно, совсем еще недавно нельзя было и мечтать о том, чтобы изучать химиче­ские свойства элемента, имея в руках всего несколько атомов. Хроматография предоста­вила науке эту поистине чудесную возмож­ность.

Загадка седьмого периода в периодической таблице могла быть разрешена только путем сравнения трансурановых элементов с элемен­тами предшествующих периодов — шестого и пятого. Но количественный рост числа ядерных зарядов вносит резкие качественные изменения в строение электронных оболочек атома. Шес­той период менделеевской таблицы, в котором в одной из клеток помещаются сразу пятнад­цать элементов-близнецов (лантан и 14 ланта­ноидов), отличен от пятого периода, где такого семейства нет.

Как же должен быть построен седьмой пе­риод? Если он похож на пятый, то все трансураны должны быть резко различными по своим химическим свойствам. Если же седьмой период сходен с шестым, трансурановые элементы должны быть близнецами и так же, как и редко­земельные элементы, занимать все вместе одну клетку в той же самой третьей вертикальной группе.

Согласно периодической системе, можно ожидать, что более вероятен второй вариант. Но наука не терпит догадки без доказательств. Теория дать его в этом случае бессильна, а точ­ное доказательство необходимо. Его мог дать только опыт.

Чтобы иметь основание поместить транс­урановые элементы в одну общую клетку пе­риодической системы, химики должны были доказать, во-первых, что все они сходны между собой и, во-вторых (и это главное), что по химическим свойствам все они похожи на редкоземельные элементы (см. ст. «Великий закон»).

Решение этой трудной, важнейшей для хи­мии задачи было найдено благодаря хромато­графии. Вот как это удалось сделать. Смесь редкоземельных элементов от европия (№ 63) до лютеция (№ 71) была облучена нейтронами. Полученные радиоактивные изотопы разделили на ионообменной хроматографической колонне. Радиоактивность каждой капли раствора, вы­текающего из колонны, измерялась отдельно. Оказалось, что, чем выше порядковый номер элемента, тем быстрее он выходит из колонны при хроматографическом разделении. И чере­дование элементов в порядке выхода их из ионо­обменной колонны удивительным образом точно соответствует их взаимному положению в пе­риодической системе элементов.

Когда таким образом было изучено хроматографическое поведение редких земель, иссле­довали поведение трансурановых элементов. В тех же условиях (на той же колонне, наполнен­ной той же ионообменной смолой, с применением того же состава растворителей) были подвергну­ты хроматографическому разделению извест­ные к этому времени четыре трансурановых эле­мента: америций (№ 95), кюрий (№ 96), берклий (№ 97) и калифорний (№ 98). Так как все трансурановые элементы радиоактивны, то точ­но так же измерялась активность каждой капли раствора. В этих исследованиях удалось рас­крыть химическую природу элементов, создан­ных искусственно пока еще в незримых, неве­сомых количествах. В руках исследователей калифорния было меньше тьтсячемиллиардной доли грамма; это в миллиарды раз меньше, чем было бы необходимо химикам, чтобы изучить его обычными методами химического анализа.

Результат был прост и поразителен. Хрома­тография позволила уловить тончайшие оттен­ки в химическом различии новых элементов: оказалось, что они действительно очень сходны между собой; оказалось, что они, так же как и редкие земли, выходят из хроматографической колонны в порядке, строго соответствующем их положению в периодической системе,— раньше появляется тот элемент, у которого порядковый номер больше. И мало того, оказа­лось возможным уловить тончайшие различия в сходном строении электронных оболочек ато­мов, изучая взаимное расположение кривых ак­тивности на хроматограммах.

Так было доказано, что все актиноиды, и в их числе трансураны, образуют в седьмом пе­риоде единую группу элементов с весьма сход­ными химическими свойствами. Эти элементы должны быть помещены в одной общей клетке таблицы Менделеева, так же как и лантанои­ды,— в шестом периоде.

По аналогии эта группа элементов получила название по своему первому представителю — актиноиды. В нее входят пятнадцать элемен­тов: от актиния (№ 89) до недавно открытого трансурана лоуренсия (№ 103). Последний из открытых трансуранов—элемент №104 должен быть аналогом гафния.