ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Редкоземельные элементы и их место в периодической системе (продолжение) из "Проблема редких земель" Год 1913 оказался знаменательным в истории редкоземельных элементов — это был год опубликования работ талантливого английского физика Мозели. Ученому удалось сфор.мулировать закон, который связывал частоту спектральных линий характеристического (свойственного атомам данного элемента) рентгеновского излучения с порядковым номером элемента. Формулировка этого закона на первый взгляд ни о чем не говорила химику квадратный корень из частот характеристических линий рентгеновских спектров различных элементов есть линейная функция натурального ряда чисел N (т. е. М— =1, 2, 3,4и т. д.). В чем же заключался физический смысл этого ряда Смысл его был понят на основании представлений о месте элел1ента в периодической системе. иМ увеличивается от атому к атому (т. е. от элемента к элементу,—Д. Т.) всегда на одну единицу... N есть то же самое число, равное номеру места, занимаемого элементом в периодической системе. Этот атомный номер или порядковое число для Н есть 1, для Не—2 и т. д. ,— писал Мозели. Значит, найденная Мозели величина оказывалась функцией порядкового номера элемента в системе. Последовательность элементов в таблице Менделеева полностью совпала с рядом Мозели. В том же году Ван-ден-Брук и Бор отождествили число N с зарядом ядра Z. [c.79] Так периодическая система получила физическую интерпретацию в ее основу был положен заряд ядра, а не атомный вес, как это имело место на протяжении полустолетия. [c.79] Мозели почти точно определил число редкоземельных элементов. Их семейство начиналось с лантана Х=Ъ1), затем располагались церий, празеодим, неодим. Оказалось, что после неодима должен следовать не открытый еще элемент с 2=61. Далее размещались самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций (2=71). За лютецием в ряду Мозели оказалось пустое место, соответствующее элементу с 2=72. Но куда должен относиться этот элемент,— будет он редкоземельным или аналогом хщркония,— на этот вопрос Мозели не мог дать ответа. Иными словами, число редкоземельных элементов могло быть равно 15 или 16. Проблема элемента 72 оказывалась тесно связанной с проблемой редкоземельных элементов. [c.80] исследования Мозели подтвердили, что ряд редкоземельных элементов составлен химиками правильно и не может содержать никаких иных элементов, кроме уже открытых, за исключением элемента 61 и, может быть, 72. Все они оказались химически индивидуальными, каждый с определенным зарядом ядра, т. е. со своим порядковым номером в периодической системе. Но тем не менее оставалась непонятной причина близости их свойств. Работы Мозели не вносили ясности и в вопрос о положении редкоземельных элементов в таблице Менделеева. С одной стороны, в их ряду при переходе от элемента к элементу заряд ядра изменялся на 1, но свойства почти не менялись, с другой стороны, в любом другом местз таблицы нри изменении заряд на 1 свойства элементов менялись заметно (за исключением, пожалуй, группы железа и платиновых металлов, где такое изменение выглядело не столь резким). Мозели высказывал предположение, что химические свойства управляются зарядом ядра, или атомным номером элемента . Это предположение на протяжении периодчческой системы подтверждалось, но только свойства редкоземельных элементов мало зависели от изменения зарядов ядер. Следовательно, причину этого нужно было искать в какой-то иной закономерности. [c.80] Решение этой проблемы, равно как и объяснение сходства свойств редких земель, было найдено в изучении распределения электронов вокруг ядер атомов и было в основном достигнуто работами Нильса Бора. Бор исходил из предложенной в 1911 г. Резерфордом модели атома внутри атома существует положительно заряженное ядро, вокруг которого по замкнутым орбитам вращаются электроны в таком числе, что их общий отрицательный заряд нейтрализует положительный заряд ядра. 1 епирь задача сводилась к тому, чтобы отыскать количественную характеристику конфигурации электронно оболочки для оиределения места отдельных оболочек и отдельных электронов в облаке , окружающем атомное ядро. [c.81] Но уже вскоре оказалось, что для характеристики окружающего ядро электронного облака недостаточно числа п. В 1916 г. немецкий физик А. Зоммерфельд вводит понятие побочного (или азимутального) квантового числа I, которое определяло форму электронной оболочки, поскольку ученый допустил, что электроны могут вращаться не только по круговым орбитам, но и по эллиптическим I принимает целочисленные значения от п—1 до О, т. е. оно связано с п простым соотношением / = = п—1. [c.82] Атом и электрон обладают магнитными свойствами, и этот фактор должен сказываться на различном состоянии электронов даже нри равенстве величин и и I, поскольку электронные оболочки при этом могут быть по-разному ориентированы в пространстве. Исходя из этого, Ланде в 1925 г. ввел магнитное квантовое число оно также принимает только целочисленные значения от 4- до —/ [т. е. - -1, -f (/—1)... 0... —(/—1),—/] и связано с I соотношением ТО(=2/- -1. [c.82] В том же году Уленбек и Гоудсмит показали, что электрон обладает собственным вращением, собственным моментом количества движения этот факт учитывается четвертым, спиновым квантовым числом т , способным принимать лишь два значения -Ь1/2 и —1/2. [c.82] пойоженйе эЛектрона в электронном облаке описывается четырьмя квантовыми числами п, I, и т . Следовательно, если мы имеем атом какого-либо элемента, например лантана, то положение каждого из его 57 электронов задается определенной комбинацией этих чисел. Но тут возникает вопрос, могут ли несколько электронов иметь одинаковые значения четырех квантовых чисел. [c.83] Поэтому в теоретическую физику был введен ограничительный принцип, называемый принципом Паули в честь предложившего его швейцарского ученого. Суть его заключается в том, что, согласно Паули, никогда не может быть задано двух или большего числа эквивалентных электронов в атоме, для которых... совпадали бы значения всех квантовых чисел... . [c.83] Совокупность четырех квантовых чисел позволила построить модели электронных оболочек атомов всех элементов периодической системы, выявить и объяснить ход и периодичность этого заполнения и, таким образом, дать глубоко научное физическое объяснение периодического закона. На этом основании удалось понять, в чем состоит причина удивительного своеобразия семейства редкоземельных элементов, окончательно определить их число и дать новую трактовку их положения в таблице Менделеева. [c.83] Второй период таблицы Менделеева ( -оболочка) начинается литием. Здесьге = 2, следовательно, 1 — и число электронных состояний равно 2(2/+ 1) = 6, т. е. емкость оболочки, отвечающей = 1, равна сумме шести / -элек-. тронов и двух я-электронов. Структуру лития можно записать как 1я 2я, бериллия — 1 25 . Затем начинается заполнение р-подуровня, заканчивающееся неоном (1 2в /) ), у которого на внешней оболочке находится восемь-электронов. Такая структура также оказывается очень устойчивой. [c.84] В третьем периоде (М-оболочка) структура натрия аргона — ls 2s ) Зs Jэ в этом периоде также содержится восемь элементов. [c.84] Иначе обстоит дело в четвертом периоде (Л -оболочка). [c.84] У калия и кальция появляются 4 -электроны, но уже у скандия очередной электрон идет не во внешнюю оболочку, а в предыдущую М-оболочку, так как ее емкость 2 = 18 электронов, а десять -электронов еще не нашли в ней своего места. Этот процесс заканчивается у цинка далее в Л -оболочку поступают шесть 4/)-электронов — и так вплоть до инертного газа криптона. [c.84] Полную аналогию четвертому периоду представляет пятый. В нем также имеется вставная декада от иттрия до кадмия, в которой происходит заполнение четвертой У-оболочки десятью -электронами. [c.84] из теории Бора следовало, что, во-первых, редкоземельных элементов, включая лантан, насчитывается 15. Элемент 72 уже не принадлежит к семейству редких земель , а является аналогом циркония, поскольку заполнение 4/-уровня, характеризующее это семейство, завершается у лютеция. Следовательно, элемент 72 должен быть аналогом циркония и встречаться в природе не в редкоземельных минералах, а в циркониевых рудах. Так оказалось и на деле. Уже в 1923 г. известные химики Костер и Хевеши обнаружили в норвежской циркониевой руде новый элемент с порядковым номером 72 и с химическими свойствами, аналогичными свойствам циркония и отличными от свойств редких земель. Так был открыт гафний, предсказанный на основании теории Бора. Это явилось мощной поддержкой в ее пользу. [c.85] Во-вторых, теория Бора объяснила удивительную близость свойств редкоземельных элементов. Во многих работах и в первую очередь в трудах Косселя, посвященных исследованию природы валентности, была установлена зависимость химических свойств элементов от строения внешней электронной оболочки их атомов. Если внешняя оболочка остается неизменной, а очередные электроны доба)вляются в предыдущую, то при переходе от элемента к элементу их свойства меняются не столь резко это можно видеть на примере вставных декад (скандий — цинк, иттрий — кадмий), где заполняется десятью -электронами именно предыдущая оболочка. У редкоземельных элементов неизменными остаются две наружные оболочки, а достраивается четырнадцатью 4/-электронами третья снаружи оболочка. Такой порядок заполнения проявляется в незначительном изменении свойств при переходе от одного редкоземельного элемента к другому. [c.85] В табл. 14 показано расположение электронов согласно теории Бора в атомах редкоземельных элементов, а также (для сравнения) у бария (2 = 56) и гафния (2 = 72). [c.85] Бор предложил собственный вариант периодической системы элементов, взяв за основу старую таблицу Томсена. Периодическая система Бора — Томсена изображена на рис. 2. Группы элементов, заключенные в рамки, охватывают те элементы, у которых происходит заполнение внутренних электронных оболочек. Редкоземельные элементы находятся как бы внутри двойной рамки, и это указывает на то, что у них (начиная с церия) заполняется третья глубинная оболочка. Из теории Бора, что, кстати говоря, отражается и в его таблице, следовал другой интересный вывод появление в седьмом периоде семейства, аналогичного редкоземельному. [c.86] Вернуться к основной статье