О чем рассказывает свет
Шрифт:
До появления спектрографа существовали элементы, которые скрывались от глаз химика, от его приборов, от его средств исследования. Чувствительность тех средств исследования, которыми владели химики, была недостаточной, чтобы обнаружить мельчайшие количества этих элементов. К тому же они часто оказывались химически очень схожими с другими, известными элементами, которых они обычно сопровождали в природе. Таких неразлучных спутников химически трудно различить. Химик мог держать незнакомые ему элементы в руках в различных смесях, процеживать и выпаривать их, но ничего не знать об их существовании. Они оставались элементами-невидимками.
Теперь спектрограф позволил обнаруживать даже очень малые количества этих
Однажды, исследуя саксонский минерал лепидолит, химики обнаружили в его спектре пять новых, еще неизвестных линий: темно-красные линии — 7950A и 7811A, фиолетовую — 4201A и небесно-голубые — 4593A и 4555A. Потом те же линии были найдены в спектрах золы некоторых растений, в спектрах некоторых минералов и минеральных вод. Пять указанных линий всегда сопутствовали друг другу, и лишь в спектре гранита, привезенного с острова Эльбы, были найдены только две небесно-голубые линии 4593A и 4555A. Эти линии еще не значились в справочной книге спектров. Химики поняли, что новые линии сигнализируют о каких-то, по меньшей мере двух, еще неизвестных элементах. Предстояла задача выделения их из минералов в чистом виде. Но как это сделать?
Химик не затруднится, например, отделить воду от спирта, ибо он знает, что спирт испаряется быстрее, кипит при более низкой температуре. Если кипятить смесь воды и спирта, то в первых порциях пара будет почти чистый спирт. Химик собирает эти первые порции пара, охлаждает их, затем снова кипятит полученную жидкость, опять собирает только первые пары и, наконец, получает чистый спирт. Это называется перегонкой.
В других случаях для выделения какого-нибудь вещества из смеси приходится проделывать другие, часто сложные операции. Но во всех этих операциях всегда используются какие-либо известные различия в свойствах смешанных веществ.
Теперь задача была значительно труднее: выделить из смеси элементы, присутствие которых спектрограф обнаружил, но химические свойства которых еще никто не знал. Тем не менее вскоре химикам удалось получить чистый элемент, у которого в спектре были две красные линии и одна фиолетовая. Этот элемент оказался металлом. За рубиновый цвет испускаемых им лучей он был назван рубидием. Вслед за ним был выделен и другой элемент, с небесно-голубым цветом испускаемых лучей; он был назван цезием. Это тоже металл. И рубидий и цезий по химическим свойствам похожи на металлы натрий и калий и в природе часто их сопровождают, но встречаются эти металлы всегда в крайне малых количествах. Так, в минерале карналитте оба металла вместе составляют всего 25 тысячных долей процента. Поэтому-то их и не могли открыть обычными химическими средствами.
Как ни схожи химически рубидий и цезий друг с другом, все же это различные металлы. И различаются они не только своими спектрами, но и другими физическими свойствами. Так, рубидий в полтора раза тяжелее воды, а цезий почти в два с половиной раза; рубидий плавится при 39°, а цезий — при 27°.
Открытие рубидия и цезия было торжеством нового метода исследования — спектрального анализа вещества. Это было в 1860 году.
Вскоре последовали новые открытия. В 1861 году при исследовании спектров отбросов производства с сернокислых заводов была обнаружена неизвестная дотоле зеленая линия 5851A. Новый элемент был выделен. Он оказался мягким белым металлом. За зеленую линию в его спектре он был назван таллием (по-гречески — зеленая ветка). Этот элемент встречается в небольших количествах в осадках, скопляющихся в трубах заводов, в которых сжигается сера.
В 1863 году с помощью спектрографа был открыт новый элемент с густой синей (индиговой) линией 4511A в спектре. Это был тоже металл. За индиговый цвет линии он был назван индием.
На протяжении немногих лет одно открытие новых элементов следовало за другим. Так бывает всегда, когда находят мощный метод исследования, основанный на принципиально новых только что открытых закономерностях природы. Тогда человек становится сильнее и зорче, и перед его взором быстро раскрываются новые обширные картины природы.
Спектрограф подтверждает предсказания Менделеева
В эти же годы великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834—1907) изучал связь химических свойств элементов с их атомными весами. Он нашел, что если расположить все элементы в один ряд по возрастающим весам их атомов, начиная с самого легкого и кончая самым тяжелым, то химические свойства элементов в этом ряду будут периодически повторяться. Через определенные промежутки в ряду встречаются элементы, близкие по своим свойствам.
Открыв эту замечательную закономерность, Менделеев решил выразить ее в более наглядной форме. Он начертил таблицу, в клетки которой вписал все известные тогда элементы. В первую клетку он поставил самый легкий элемент — водород; второй известный тогда элемент — литий — он поставил под водородом, так как литий был похож на водород по химическим свойствам (рис. 17). Далее в одной строке с литием шли бериллий, бор, углерод, азот, кислород и фтор, различные по их свойствам. Следующий по атомному весу был натрий. По химическим свойствам он был «родственником» лития, и Менделеев поставил его в следующей строке, в столбце под литием. По атомному весу за натрием шел магний. И замечательно: магний был похож по химическим свойствам на бериллий — своего предшественника по столбцу, соседа лития. Наконец все элементы были размещены. В каждом столбце таблицы оказались химически схожие друг с другом элементы: в одном — водород, литий, натрий, калий, медь, рубидий и другие; в другом — бериллий, магний, кальций, цинк и другие; в третьем — бор, алюминий, скандий, галлий и другие. Всего столбцов оказалось восемь. Эта таблица обычно называется периодической таблицей Менделеева. Часть периодической таблицы Менделеева, как она выглядит в наше время, приведена на рис. 17.
Рис. 17. Верхняя часть периодической таблицы Менделеева. Гелий, занимающий второе место в таблице, и все инертные газы (неон, аргон и другие) находятся справа в столбце, который здесь не показан. Цифры в клетках означают: верхняя — порядковый номер элемента, нижняя — его атомный вес
Менделеев сделал вывод о существовании естественной последовательности элементов. «Свойства простых тел (элементов. — С. С.) ... находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов» — писал он в 1869 году. Этими словами Менделеев выразил открытый им великий закон природы.
Заполняя свою таблицу, Менделеев некоторые клетки оставлял пустыми. Мы помним, что все известные элементы он располагал по возрастающему атомному весу. И вот в некоторых случаях очередной элемент оказывался не похожим по своим химическим свойствам на элементы очередного столбца. Клетку приходилось пропускать. Это было оправдано: очередной элемент по своим свойствам оказывался похожим на элементы в следующем столбце. Туда его и помещал Менделеев. Но как же быть с пустыми клетками? Глубоко убежденный в справедливости открытого закона, Менделеев заявил, что пустые клетки рано или поздно должны быть заполнены: в природе есть еще неизвестные нам элементы, которые по своим свойствам должны занять место как раз в пустых клетках.