Нулевая группа периодической системы Д.И. Менделева


Если первые научные шаги в познании недр окружающего нас воздуха связаны с именем Михаила Васильевича Ломоносова, то следующие, решающие, этапы в этом познании связаны с именем другого величайшего гения нашей родины — с Дмитрием Ивановичем Менделеевым, с его периодической системой химических элементов.

Когда Д. И. Менделеев создавал свою таблицу, никто из химиков, в том числе и автор таблицы, не предполагал, что воздух может содержать еще какие-либо элементы, кроме уже открытых азота и кислорода. Думали, что их даже никто не пытается искать. Но это было не так. Их искал и теоретически нашел запертый в одиночной камере Шлиссельбургской крепости царский узник, ученый и революционер Николай Александрович Морозов еще в 1884 году. На основании глубокого анализа периодического закона Менделеева он пришел к мысли, что среди элементов окружающего нас мира должно существовать семейство химически инертных элементов, которые еще не открыты. Морозов даже примерно вычислил их атомные веса. Но ученый был в строгом заключении, и его мысли не вышли за стены тюрьмы. Когда же в 1905 году, после 28-летнего заключения в крепости, Морозов вышел на свободу, он мог убедиться, что его предвидение было верным, предполагаемые им элементы были экспериментально открыты, и нашли их в воздухе. Случилось это при следующих обстоятельствах.

В 1894 году было опубликовано сообщение английского физика Релея об исследовании плотности азота. Было замечено, что плотность азота, полученного из какого-либо его химического соединения, например аммиака, меньше, чем плотность азота, полученного из воздуха. Литр азота, полученного из воздуха, весил 1,2572 грамма, а литр того же азота, но полученного из аммиака, весил 1,2560 грамма, то есть почти на. одну тысячную грамма меньше. Эта небольшая сама по себе величина, своевременно замеченная и точно измеренная, привела, как мы увидим далее, к замечательным открытиям. В первое время и физики и химики пришли в смущение. Точность работ исследователя была вне сомнений, оставалось предположить, что есть в природе каких-то два азота: более легкий — в химических соединениях и более тяжелый — в воздухе. Однако нелепость подобного предположения была очевидна.

Единственно разумным выходом из создавшегося положения было предположение английского химика Рамзая о том, что воздух, очевидно, содержит какую-то небольшую газообразную примесь, более тяжелую, чем азот. Эта примесь и искажает плотность азота, получаемого из воздуха. В ходе этих научных споров английские ученые вспомнили об одном интересном, но полузабытом сообщении, опубликованном еще в 1786 году их соотечественником Кавендишем. В этом сообщении описывался следующий опыт. Была взята стеклянная трубка, изогнутая дугой, и ее концы опущены в стаканы с ртутью. В трубке находился воздух. Через этот воздух исследователь начал пропускать электрические разряды, под влиянием которых азот и кислород воздуха начали химически реагировать друг с другом, образуя химические соединения — окислы азота — газ, обладающий удушливыми свойствами.

Исследователь удалял этот газ из трубки, поглощая его раствором щелочи. Время от времени он прибавлял в оставшийся в трубке азот еще некоторое количество кислорода, чтобы химически связать весь азот в трубке и удалить его в виде окислов азота. В ходе химической реакции количество газа в трубке уменьшалось и освободившееся пространство занимала ртуть. Наконец, в трубке остался лишь небольшой пузырек воздуха. Ученый решил, что опыт не доведен до конца. Он прибавил еще кислорода и продолжал еще в течение двух недель пропускать электрический ток через оставшийся воздух. Но больше он удушливого газа не получил — пузырек воздуха так и не исчез.

Ученый вычислил, что оставшийся воздух составляет 1/120 часть первоначального объема азота в трубке и записал: «Из этого опыта я заключаю, что азот воздуха неоднороден: 1/120 часть его ведет себя по-другому, чем большая, основная часть. Стало быть, азот — это не одно вещество, а смесь двух различных веществ». Яснее не скажешь. Так более чем за 100 лет до опытов 1893 года была разгадана загадка азота. Этот факт лишний раз напомнил ученым, как опасно забывать труды своих предшественников. Итак, в воздухе имеется еще один газ, но что это за газ, каковы его свойства? Разрешить этот вопрос взялся Рамзай. Он избрал новый путь. Очистив сухой воздух от углекислоты и кислорода, он затем оставшийся азот начал улавливать раскаленным магнием, с которым азот химически реагирует. Он продувал азот над раскаленным магнием до тех пор, пока не получался постоянный остаток газа, не вступавший в химическое соединение с магнием и имевший постоянную плотность.

Эта плотность оказалась в 20 раз больше плотности водорода, в то время как плотность азота в 14 раз больше плотности водорода Спектроскопическое исследование показало, что исследователь имеет дело с новым элементом, о чем он и заявил 13 августа 1894 года.

Этот элемент, заявил он, находится в воздухе и составляет в нем почти один процент. Сообщение вызвало среди ученых того времени недоверие и изумление. Казалось удивительным, что в воздухе, в котором удалось обнаружить примесь в 0,03 процента углекислого газа, даже найти тысячную долю процента водорода, не удавалось до сих пор найти почти целый процент нового газа. Это было действительно странно и требовало объяснения. Кроме того, оставалось совершенно не ясным, где найдет себе место новый элемент в таблице Менделеева. К сожалению, ученые не знали об исследованиях шлиссельбуржца Морозова и его выводах. Рамзай занялся изучением свойств нового элемента, чтобы пролить свет на все эти недоуменные вопросы.

Оказалось, что новый элемент не вступает в химическое соединение ни с какими другими элементами и химическими соединениями ни при каких известных тогда условиях. На него не действуют ни кислоты, ни щелочи, ни раскаленные металлы, ни даже такие химически деятельные газы, как хлор и фтор, ни раскаленный фосфор и углерод. Он был химически пассивен, не имел ни вкуса, ни запаха, и в силу этих свойств ему было дано название аргон, что означает по-гречески «недеятельный».

Во время своих продолжительных опытов по выяснению природы аргона Рамзай получил от одного знакомого геолога письмо следующего содержания: «Не знаю, пытались ли вы соединить аргон с металлом ураном. Если не пытались, то, мне кажется, стоило бы испробовать это сделать. Несколько лет назад американский геолог Гиллебранд заметил, что из уранового минерала клевеита, если его нагревать в серной кислоте, выделяется очень много газа. Гиллебранд утверждает, что этот газ — азот. Но, может быть, там есть и аргон?» Это, действительно, имело смысл проверить.

Рамзай достал минерал клевеит и добыл из него описанным способом газ, но азота, который там нашел Гиллебранд, он не обнаружил.

Изучая спектроскопически полученный газ, он заметил в нем присутствие нового, неизвестного до сих пор на Земле элемента. Это открытие было настолько неожиданным и невероятным, что Рамзай решил себя проверить. Не будучи физиком, он посылает пробу газа специалисту по спектроскопическому анализу и вскоре получает ответ, что присланная им проба газа является элементом гелием. Тем самым гелием, который до сих пор не был известен на Земле и был спектроскопическим анализом найден еще в 1868 году физиками на Солнце, откуда и получил свое название гелий, что по-гречески означает «солнечный».

Почему же гелий не открыл американец Гиллебранд, который еще за 5 лет до Рамзая исследовал газ, получаемый из клевеита? Это очень поучительный факт в науке, и мы расскажем о нем в нескольких словах. Как выяснилось позднее, Гиллебранд, спектроскопически изучавший газ, выделявшийся из клевеита, действительно нашел в нем линии, принадлежавшие спектру гелия. Но сила старой традиции, говорившей о том, что гелий имеется только на Солнце, боязнь нового факта, казавшегося Гиллебранду необъяснимым, заставили его отступить от самого факта — «воздуха» ученого, скрыть истину. Он умолчал об открытом им факте, умолчал о результатах проведенного им спектроскопического анализа. За свою научную трусость он был жестоко наказан. Потомство не только не связало его имя с вновь открытым элементом, но в истории науки о нем вспоминается, как о человеке, не оставшемся верным науке, ее фактам.

Но как связать вновь открытые элементы с таблицей Менделеева? Были и такие ученые, которые подвергали сомнению открытие Рамзая: они считали новые элементы разновидностями азота, еще более инертными, чем основной азот. Укажем кстати, что по химическим свойствам гелий оказался аналогом аргона: он также был химически инертен. Рамзай, однако, был другого мнения: он считал, что для вновь открытых элементов должно найтись место в периодической системе. Более того, как верный ученик и последователь Менделеева, исходя из его периодического закона, он предсказал, что на основании изучения свойств вновь открытых элементов должны быть найдены еще по крайней мере три новых элемента, похожих своими свойствами на аргон и гелий, которые образуют с ними новую семью в таблице Менделеева. На чем же покоилось его убеждение?

В таблице Менделеева, доложенной на заседании Русского физико-химического общества 3 декабря 1870 года, все элементы, в зависимости от их валентности, были разделены на восемь групп. Валентностью элемента называется его свойство соединяться с определенным числом атомов другого элемента. Обычно валентность считается по водороду. В первой группе Менделеев расположил одновалентные элементы. Элементы второй группы соединяются с двумя атомами водорода, — они двухвалентны, и т. д. до восьмивалентных элементов. Все известные элементы укладывались в эти группы Менделеевской таблицы, но гелий и аргон не вступали ни в какие химические соединения с другими элементами, их валентность была нулевая. Где же их место в таблице? И вот на съезде естествоиспытателей в Торонто (Канада) Рамзай выступает с утверждением, что для открытых им инертных газов есть место в таблице Менделеева. Это место перед первой группой, то есть должна быть создана нулевая группа периодической системы. Он говорил примерно следующее: «Мы еще не все открыли. Надо продолжать поиски, потому что, наверно, есть еще элементы, похожие на аргон и гелий. Все вместе они составят новую большую «семью» элементов, новую группу, которая целиком войдет в таблицу Менделеева. Новые открытия не опрокидывают и не опрокинут периодическую систему, наоборот, она станет полнее, а следовательно, точнее и правильнее». Будущее показало верность этого предвидения. Но исследователь не стал пассивно выжидать, пока другие докажут его правоту. Со всей страстью ученого вместе со своими помощниками он принимается за поиски недостающих элементов.