** §4.4 f-Элементы. Открытие новых элементов. Ядерные реакции.
С увеличением атомного номера в Периодической таблице неизбежно наступает момент, когда у элементов начинают заполняться f-подуровни. Это происходит после заполнения 6s-подуровня - сразу после элемента 56Ba с валентной оболочкой ...6s2.
Поскольку при заполнении семи f-орбиталей образуется целых 14 f-элементов, разместить их в восьми группах короткой формы Периодической таблицы было бы весьма проблематично - для этого пришлось бы создавать еще дополнительные побочные подгруппы. Пользоваться такой таблицей было бы крайне неудобно. В длинной форме, где побочных подгрупп не бывает, такой проблемы нет. Однако при добавлении еще 14-ти групп она сильно вытягивается в ширину и делается "сверхдлинной". Печатание таких таблиц в книгах вызывает чисто технические проблемы. Поэтому как в короткой, так и в длинной формах Периодической таблицы обычно обозначают место, с которого начинаются f-элементы, а сами эти элементы выносят в отдельные строчки. В нижней части любой таблицы мы видим одну строчку из f-элементов “лантаноидов” (по имени элемента лантана La, открывающего ряд f-элементов) и строчку из f-элементов “актиноидов” (по имени элемента актиния Ac). У лантаноидов постепенно заполняются 4f-орбитали, у актиноидов – 5f-орбитали. Клеточки с f-элементами в Периодической таблице обычно окрашены в зеленый цвет.
Итак, f-элементами являются 14 лантаноидов и 14 актиноидов. Здесь мы вступаем в область довольно сложных, хотя и очень интересных деталей Периодического закона, поэтому при чтении этого параграфа вам следует при необходимости заглядывать в Приложение, где находятся таблицы электронных конфигураций элементов.
Найдем в Периодической таблице клеточку, которую занимает элемент ...6s2 (56Ba) и сразу за которой мы должны встретиться с первым f-элементом. Элемент лантан (57La) иногда помещают сразу за барием - в клеточку, с которой должны начинаться 5d-элементы. Эта клеточка по праву должна принадлежать d-элементу лютецию (Lu). Поэтому во многих изданиях таблицы в этой “спорной” клеточке стоит обозначение “La-Lu”. Это означает, что в данном месте Периодической системы элементов существует целая серия из 14-ти f-элементов, которые просто для удобства помещены в отдельной строчке внизу таблицы.
Наверное, для того, чтобы озадачить химиков и заставить их спорить о правильности того или иного варианта Периодической таблицы, Природа сделала так, что 4f1-элемент во Вселенной не существует! Пожалуйста - есть 4f2-элемент церий (58Ce), но нет 4f1-элемента! Им должен был быть лантан, следующий сразу за барием. Но у лантана происходит “проскок” электрона (об этом явлении мы уже знаем из второй главы) и его 4f1-электрон оказывается на подуровне 5d1. Может возникнуть вопрос - а чем отличается от лантана элемент лютеций, у которого тоже есть электрон 5d1? На самом деле, конечно, это разные элементы: у лантана внешняя оболочка ...6s24f0 5d1, а у лютеция весь 4f-подуровень уже заполнен: ...6s2 4f14 5d1.
Те издания таблицы, где в 57-й клеточке нарисован только лантан (La) не содержат никакой ошибки. Ведь и в самом деле лантан является d-элементом!
Можно долго спорить о том, как правильно рисовать Периодическую таблицу, относится ли лантан f- или d-элементом, правильно ли помещать d-элемент лютеций (71Lu) среди лантаноидов? На самом деле ответ (пусть шутливый, но вполне обоснованный) может быть таким: лантан был задуман Природой как первый f-элемент, поэтому его место - среди f-элементов лантаноидов, несмотря на “проскок” электрона. Поскольку в природе есть "полноправный" (а не "случайный", как La) 5d1-элемент лютеций - место в группе под 4d1-элементом иттрием должен занимать именно лютеций 71Lu. Кстати, на химических свойствах лантана в сравнении с другими лантаноидами "проскок" электрона практически никак не сказывается.
У лантаноидов заполняются "глубинные" 4f-орбитали третьего снаружи уровня. На внешнем 6s-подуровне все они имеют по 2 электрона (...6s2) и обладают очень похожими химическими свойствами. Лантаноиды - активные металлы, все они реагируют с водой с образованием элементарного водорода и гидроксида металла. Их преимущественная степень окисления +3.
Из-за похожести химических свойств многие лантаноиды долго не удавалось выделить в чистом виде. Кроме того, в природных минералах они встречаются редко и в небольших количествах. Отсюда еще одно общее название лантаноидов - редкоземельные элементы.
Актиноиды меньше похожи друг на друга по своим химическим свойствам. Их исследование очень затруднено из-за неустойчивости (радиоактивности) атомов этих элементов. Кстати, у первого члена ряда актиноидов - элемента актиния (89Ac) наблюдается аналогичный “проскок” 5f1-электрона на 6d1! Это, как мы уже знаем, связано с требованием минимизации энергии атома данного элемента (хотя, повторим, здесь не все еще понятно), но никак не меняет общих закономерностей Периодической таблицы.
Заполнение 5f-оболочек у актиноидов заканчивается на элементе 103 (Lr, лоуренсий). Здесь в Периодической таблице расположены элементы с уже очень "тяжелыми" и поэтому неустойчивыми ядрами.
Последний из “тяжелых” элементов, еще существующих в природе - это уран (
92U). Уран радиоактивен, то есть постепенно распадается с образованием ядер других элементов. Однако скорость этого распада все же не так велика, чтобы весь уран на Земле успел исчезнуть. Все элементы с более тяжелыми ядрами давно распались и сегодня в минералах их найти невозможно. Такие элементы получают только искусственным путем - синтезом их атомов из ядер более легких элементов с помощью ядерных реакций.Сначала атомы одного из исходных элементов превращают в ионы - чтобы они приобрели заряд и могли быть разогнаны до высоких скоростей на специальных сложных приборах - ускорителях. Затем разогнанными на ускорителе ядрами бомбардируют мишень из атомов другого элемента. При высоких энергиях ионных пучков на таких ионных ускорителях удается добиться слияния двух ядер в новое ядро с зарядом, равным сумме зарядов двух ядер.
Существуют три признанных во всем мире исследовательских центра по синтезу тяжелых элементов: в Дубне (Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все элементы, начиная с 93-го (нептуний) и до 109-го (майтнерий) были получены именно в этих лабораториях.
Открытие новых элементов сегодня - чрезвычайно сложный и долгий процесс. Атомы искусственных элементов живут очень недолго - порядка секунд для элементов с Z = 101-103, а при дальнейшем “утяжелении” ядер время жизни атомов катастрофически уменьшается. Из миллиардов образующихся ядер нового элемента удается зафиксировать и распознать лишь одно.
В качестве примера расскажем о сравнительно недавних работах по синтезу 110-го элемента (еще не имеющего названия). Для синтеза ядер этого элемента в лаборатории Дармштадта на мощном ионном ускорителе мишень из свинца-208 (изотопа свинца
82Pb с массовым числом A = (Z + N) = 208) облучалась ядрами никеля-62 (изотопа никеля 28Ni с массовым числом 62). Это приводило к образованию ядер 110-го элемента с числом протонов (82 + 28) = 110 и с числом нейтронов - 159. Схематично ядерную реакцию, использованную в Дармштадте, можно записать так:82
Pb + 28Ni ® 110Элемент (изотоп с массовым числом 269).В Дубне для синтеза 110-го элемента использовали мишень из плутония-244, которая облучалась ядрами серы-34. Этот эксперимент проводился на ускорителе в Дубне совместно с Ливерморской лабораторией (США), которая изготовила для эксперимента плутониевую мишень высокого качества. Было зарегистрировано несколько атомов 110-го элемента с числом нейтронов 163. Ядерная реакция в этом случае выглядит так:
94
Pu + 16S ® 110Элемент (изотоп с массовым числом 273).Новый элемент не считается открытым до тех пор, пока одна группа исследователей не получит надежных результатов по исследованию его атомов и пока другая (независимая) группа ученых не подтвердит эти результаты. Поэтому дальние клеточки Периодической таблицы заполняются очень медленно.
Есть и другая проблема - как называть вновь открытые элементы? По традиции исследователи, впервые получившие новый элемент, могут предлагать его название. Поэтому каждая группа физиков давала свои названия вновь открытым химическим элементам. По этому поводу было много споров.
Дело в том, что Периодический закон и Периодическая таблица Д. И. Менделеева являются общемировым достоянием и названия новых элементов, остающиеся в них навечно, могут закрепиться лишь при единодушном согласии ученых всего мира. В тех случаях, когда открытие нового элемента еще не подтверждено, либо название не утвердилось окончательно, используются “временные” названия, связанные с атомным номером элемента. Например, элемент 104 был получен советскими физиками в 1964 году и получил название “курчатовий”
(Ku) в честь русского физика И. В. Курчатова. В 1969 году этот же элемент воспроизвели в своих опытах американские исследователи и предложили для него название “резерфордий” (Rf) в честь английского физика Э. Резерфорда. До тех пор, пока вопрос о названии 104-го элемента не был решен окончательно, во многих изданиях Периодической таблицы он назывался “унилквандий” и обозначался символом Unq. Здесь “ун” означает 1, “нил” – 0 и “квад” – 4. Точно так же элемент 105 назывался “унилпентий” (Unp), элемент 106 – “унилгексий” (Unh) и так далее.В 1987 году Международные союзы чистой и прикладной химии (IUPAC) и физики (IUPAP) создали совместную международную комиссию, которая рассмотрела вопрос о приоритете в открытии новых элементов и сделала предложения относительно их наименований. А в январе 1997 г. специальный комитет IUPAC обнародовал решение по названиям элементов № 104–109. Вероятно, эти названия утвердятся уже окончательно:
- элемент 104 назван резерфордием (Rf) - в честь английского физика Эрнста Резерфорда, внесшего огромный вклад в установление строения атома;
- элемент 105 назван дубнием (Db) - в честь города в России, где был открыт этот и многие другие новые элементы.
- элемент 106 назван сиборгием (Sg) - в честь американского физика и радиохимика Гленна Сиборга, участвовавшего в выделении и синтезе многих новых элементов - плутония, нептуния, кюрия, америция, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделевия; сделавшего множество других важнейших работ по физике и химии тяжелых элементов;
- элемент 107 назван борием
(Bh) - в честь знаменитого датского физика Нильса Бора. Кстати, неправы те, кто думает, что в честь Нильса Бора уже назван элемент бор. Этот элемент был открыт и назван химиками Гей-Люссаком и Тенаром еще в 1808 году;- элемент 108 назван хассием (Hs) - в честь земли Гессен в Германии, где находится крупнейший научно-исследовательский центр по синтезу и изучению новых элементов;
- элемент 109 назван майтнерием (Mt) - в честь австрийской исследовательницы (физика и радиохимика) Лизе Майтнер, которая вместе с О. Ганом открыла элемент протактиний и сделала много других важнейших работ, способствовавших установлению строения атома. В российских школьных (и не только школьных) учебниках элемент 109 почему-то упорно называют "мейтнерием", хотя это неправильно - буквосочетание "ei" в фамилии Meitner (и вообще в немецком языке) читается как "ай".
Элементы 110-112 пока не считаются официально открытыми, хотя ждать этого, видимо, осталось недолго. Уже полным ходом идут работы по синтезу более тяжелых элементов, вплоть до 114-го, который, по некоторым данным, может оказаться гораздо стабильнее, чем его более “легкие” предшественники. Если это необычное свойство 114-го элемента подтвердится в опыте, физики и химики откроют новую страницу в изучении сверхтяжелых элементов.
Более подробно о происхождении названий многих элементов и связанных с этим спорах и коллизиях можно прочитать в статье проф. Э.Г.Ракова "Новые названия новых элементов", опубликованной в Internet.
Задачи.
4.8. В 1963 г в Дубне группа академика Г.Н.Флерова открыла новый элемент при помощи ядерной реакции:
238
92U + 2210Ne ® 256?X + 4 нейтрона.Какой элемент был открыт?
4.9. Элемент 104 впервые получен в СССР группой академика Г.Н.Флерова при бомбардировке на ускорителе мишени из плутония ионами некоего элемента. Какой элемент использовался в виде ионов? Несмотря на неустойчивость элемента 104 (период полураспада его самого долгоживущего изотопа 70 секунд) удалось получить и описать хлорид этого элемента. Химики действовали не в слепую - формулу хлорида они могли вычислить заранее. Какова формула хлорида элемента 104?
