Сколько редкоземельных элементов в одной клетке табл. Менделеева?

Сколько редкоземельных элементов в одной клетке табл. Менделеева?

В этом простом и, казалось бы, ясном вопро­се отражается почти вековая история ошибок и заблуждений. Для самого Менделеева такой во­прос был просто неуместен: одну клетку в таблице может занимать только один элемент.

Много известных химиков, среди них и сам Менделеев, долго бились над размещением ред­коземельных элементов в периодической систе­ме: пытались поместить, например, церий в чет­вертой группе, празеодим в пятой, для неодима искали место в шестой.

Но эти необыкновенные элементы бесцеремон­но нарушали самую основу периодического за­кона. При любых попытках разместить их в таб­лице периодическая повторяемость свойств не соблюдалась. В главных и побочных подгруппах должны быть сходные элементы. Церий жене имел ничего общего с цирконием, празеодим с ниобием, а неодим совершенно не был похож на молибден.

Зато, по мере того как изучались их хими­ческие свойства, становилось все более ясным, что эти элементы сходны друг с другом, как братья-близнецы. Они настолько химически подобны, что химику их и различить и разде­лить чрезвычайно трудно. Но все они, бесспор­но, разные элементы. В этом химики не сомне­вались.

Друг Менделеева, чешский химик Браунер, предложил самое простое решение: поместить их все в одну клетку таблицы. Менделееву пришлось с этим согласиться. Но, по существу, это только увеличило принципиальную труд­ность проблемы, не разрешив ее.

Если одно место могут занимать несколько различных элементов, то, во-первых, нарушает­ся основной принцип периодической системы и, во-вторых, становится совершенно невозможным предвидеть и предсказать, сколько же их можно найти в природе, сколько их вообще может су­ществовать. Химики же всего мира разыскива­ли их очень усердно и более чем успешно. За короткий период, примерно за 30 лет, было «от­крыто» почти сто (!) редкоземельных элементов.

Все попытки найти разумное решение проблемы редких земель были безуспешными. Она каза­лась неразрешимой.

Только квантовая теория строения атома помогла решить окончательно эту большую за­гадку химии. Детальное изучение спектраль­ных характеристик у редкоземельных элементов показало, что строение их атомов очень своеоб­разно. Все они «внешне» совершенно сходны между собой. Их наружные электронные обо­лочки, у всех без исключения, построены совер­шенно одинаково (рис. 10).

У всех у них в самой наружной Р-оболочке по два s-электрона, поэтому все они — металлы. Глубже расположенный d-подуровень, принад­лежащий к O-оболочке, в атомах редкоземельных элементов еще не заполнен — в нем всего лишь один электрон, который тоже может принимать участие в химических превращениях. Поэтому редкоземельные элементы преимущественно трехвалентны. Но это разные элементы, заря­ды их атомов различны, и потому у них должно быть различным и число электронов. Определе­ние порядкового номера установило, сколько же всего этих элементов, а изучение спектров помогло выяснить их строение. Оказалось, что они отличаются друг от друга числом f-электронов на оставшейся незаполненной, глубоко скрытой в недрах атома N-оболочке. Эти элек­троны защищены снаружи «броней» устойчивой оболочки 5s²5p⁶, той самой, которая обеспечи­вает благородному газу ксенону (элемент 54) его свойства. Эти электроны почти совершенно блокированы и не могут проявлять себя в хи­мических свойствах.

Правда, не все ученые с этим согласны. Мно­гие считают, что строение редкоземельных эле­ментов значительно сложнее: 5d-электрон, утверждают они, есть только у лантана, гадоли­ния и лютеция, у остальных лантаноидов на 4f-уровне на один электрон больше. Изучение лантаноидов еще не завершено до конца.

Зная теперь законы построения внешних электронных оболочек атома, любой из вас, будущих химиков, сможет сам решить пробле­му, над которой химики прошлого бились более 160 лет, считая с открытия первой «редкой зем­ли»,— сколько редкоземельных элементов су­ществует в природе.

Очевидно, ровно столько, сколько их соот­ветствует постепенному заполнению всех орбит с этими электронами. Обозначение f заменяет квантовое число l=3. Мы уже знаем, что таких орбит может быть 2x3+1=7. А на каждой может быть не больше двух электронов. Следо­вательно, таких элементов в природе может быть четырнадцать. Всего же в природе должно су­ществовать ровно пятнадцать элементов-близ­нецов, . считая и лантан, свойствами близкий к лантаноидам. Столько их в действительности и оказалось: начиная с 57-го — лантана до 71-го — лютеция. Правда, в природе все-таки оказался пробел: 61-го элемента найти пока не удалось. Пришлось ученым самим его изгото­вить. Его назвали прометием.

Итак, можно ли сказать, что в одной клет­ке периодической таблицы размещаются пят­надцать элементов? Этот вопрос обсуждается часто и в наши дни. Периодический закон Мен­делеева — это всеобщий закон природы. В есте­ственной системе элементов каждый элемент занимает одно место, и, следовательно, в таблице каждый элемент — одну клетку. Менделеев придал своей таблице самую простую и удоб­ную форму. Изображать же ее можно по-раз­ному. Можно просто помнить, что одна клетка между барием и гафнием условно заменяет сразу 15 клеток. Но можно менделеевскую таблицу на­чертить так, чтобы все длинные периоды ока­зались развернутыми. Периодический закон от этого не изменится и не пострадает.