f-Елементи. Відкриття нових елементів. Ядерні реакції

Із збільшенням атомного номера в Періодичної таблиці неминуче настає момент, коли у елементів починають заповнюватися f – підрівні. Це відбувається після заповнення 6s – підрівня – відразу після елемента 56Ba з валентної оболонкою… 6s2.

Оскільки при заповненні семи f – орбіталей утворюється цілих 14 f – елементів, розмістити їх у восьми групах короткої форми Періодичної таблиці було б вельми проблематично – для цього довелося б створювати ще додаткові побічні підгрупи. Користуватися такою таблицею було б вкрай незручно. У довгій формі, де побічних підгруп не буває, такої проблеми немає. Однак при додаванні ще 14 – ти груп вона сильно витягується в ширину і робиться ” наддовгою “. Друкування таких таблиць в книгах викликає чисто технічні проблеми. Тому як у короткій, так і у довгій формах Періодичної таблиці зазвичай позначають місце, з якого починаються f – елементи, а самі ці елементи виносять в окремі рядки. У нижній частині будь-якої таблиці ми бачимо одну сходинку з f – елементів ” лантаноїдів ” (по імені елемента лантану La, що відкриває ряд f – елементів) і рядок з f – елементів ” актиноїдів ” (по імені елемента актинію Ac). В лантаноїдів поступово заповнюються 4f – орбіталі, у актиноїдів – 5f – орбіталі. Клітини з f – елементами в Періодичної таблиці зазвичай пофарбовані в зелений колір.

Отже, f – елементами є 14 лантаноїдів і 14 актиноїдів. Тут ми вступаємо в область досить складних, хоча і дуже цікавих деталей Періодичного закону, тому при читанні цього параграфа вам слід при необхідності заглядати в Додаток, де знаходяться таблиці електронних конфігурацій елементів.

Знайдемо в Періодичної таблиці клітинку, яку займає елемент… 6s2 (56Ba) і відразу за якою ми повинні зустрітися з першим f – елементом. Елемент лантан (57La) іноді поміщають відразу за барієм – в клітинку, з якої повинні починатися 5d – елементи. Ця клітинка по праву повинна належати d – елементу лютецію (Lu). Тому в багатьох виданнях таблиці в цій ” спірною ” клітинці стоїть позначення “La -Lu “. Це означає, що в даному місці Періодичної системи елементів існує ціла серія з 14- і f – елементів, які просто для зручності поміщені в окремому рядку внизу таблиці.

Напевно, для того, щоб спантеличити хіміків і змусити їх сперечатися про правильність того чи іншого варіанту Періодичної таблиці, Природа зробила так, що 4f1 – елемент у Всесвіті не існує! Будь ласка – є 4f2 – елемент церій (58Ce), але немає 4f1 -елемента ! Ним мав бути лантан, наступний відразу за барієм. Але у лантану відбувається ” проскакування ” електрона (про це явище ми вже знаємо з другого розділу) і його 4f1 – електрон виявляється на підрівні 5d1. Може виникнути питання – а чим відрізняється від лантану елемент лютецій, у якого теж є електрон 5d1 ? Насправді, звичайно, у цих елементів різні електронні оболонки: у лантану зовнішня оболонка… 6s24f0 5d1, а у лютецію весь 4f – підрівень вже заповнений:… 6s2 4f14 5d1.

Ті видання таблиці, де в 57-й клітинці намальований тільки лантан (La) не містять ніякої помилки. Адже й справді лантан є d – елементом !

Можна довго сперечатися про те, як правильно малювати Періодичну таблицю, чи відноситься лантан f – або d – елементом, чи правильно поміщати d – елемент лютецій (71Lu) серед лантаноїдів ? Насправді відповідь (нехай жартівливий, але цілком обгрунтований) може бути таким: лантан був задуманий Природою як перший f – елемент, тому його місце – серед f – елементів лантаноїдів, незважаючи на ” проскакування ” електрона. Оскільки в природі є ” повноправний ” (а не “випадковий “, як La) 5d1 – елемент лютецій – місце в групі під 4d1 – елементом ітрієм повинен займати саме лютецій 71Lu. До речі, на хімічних властивостях лантану в порівнянні з іншими лантаноїдами ” проскакування ” електрона практично ніяк не позначається.

В лантаноїдів заповнюються ” глибинні ” 4f – орбіталі третього зовні рівня. На зовнішньому 6s -підрівні всі вони мають по 2 електрони (… 6s2) і володіють дуже схожими хімічними властивостями. Лантаноїди – активні метали, всі вони реагують з водою з утворенням елементарного водню і гідроксиду металу. Їх переважна ступінь окислення +3.

Через схожості хімічних властивостей багато лантаноїди довго не вдавалося виділити в чистому вигляді. Крім того, в природних мінералах вони зустрічаються рідко і в невеликих кількостях. Звідси ще одна загальна назва лантаноїдів – рідкоземельні елементи.

Актиноїди менше схожі один на одного за своїми хімічними властивостями. Їх дослідження дуже утруднено через нестійкість (радіоактивності) атомів цих елементів. До речі, у першого члена ряду актиноїдів – елементу актинія (89Ac) спостерігається аналогічний ” проскакування ” 5f1 – електрона на 6d1 ! Це, як ми вже знаємо, пов’язане з вимогою мінімізації енергії атома даного елемента, але ніяк не змінює загальних закономірностей Періодичної таблиці.

Заповнення 5f – оболонок у актиноїдів закінчується на елементі 102 (No, нобелій). Тут у Періодичної таблиці розташовані елементи з вже дуже ” важкими ” і тому нестійкими ядрами.

Останній з ” важких ” елементів, ще існують в природі – це уран (92U). Уран радіоактивний, тобто поступово розпадається з утворенням ядер інших елементів. Проте швидкість цього розпаду все ж не так велика, щоб весь уран на Землі встиг зникнути. Всі елементи з більш важкими ядрами давно розпалися і сьогодні в мінералах їх знайти неможливо. Такі елементи отримують тільки штучним шляхом – синтезом їх атомів з ядер більш легких елементів за допомогою ядерних реакцій.

Спочатку атоми одного з вихідних елементів перетворюють на іони – щоб вони придбали заряд і могли бути розігнані до високих швидкостей на спеціальних складних приладах – прискорювачах. Потім розігнаними на прискорювачі ядрами бомбардують мішень з атомів іншого елементу. При високих енергіях іонних пучків на таких іонних прискорювачах вдається домогтися злиття двох ядер в нове ядро із зарядом, рівним сумі зарядів двох ядер.

Існують три визнаних у всьому світі дослідницьких центру з синтезу важких елементів: у Дубні (Росія), в Берклі (США) і в Дармштадті (Німеччина). Всі елементи, починаючи з 93- ГО (нептуний) і до нещодавно відкритих, були отримані саме в цих лабораторіях.

Відкриття нових елементів сьогодні – надзвичайно складний і довгий процес. Атоми штучних елементів живуть дуже недовго – близько секунд для елементів з Z = 101-103, а при подальшому ” обважненні ” ядер час життя атомів катастрофічно зменшується. З мільярдів утворюються ядер нового елемента вдається зафіксувати і розпізнати лише одне.

Як приклад розповімо про роботи з синтезу 110- го елемента, який отримав назву ” дармштадтій ” (походження назви, звичайно, зрозуміло – він був вперше отриманий в німецькій лабораторії). Для синтезу ядер цього елемента в лабораторії Дармштадта на потужному іонному прискорювачі мішень зі свинцю – 208 (ізотопу свинцю 82Pb з масовим числом A = (Z + N) = 208) опромінювалася ядрами нікелю -62 (ізотопу нікелю 28Ni з масовим числом 62). Це призводило до утворення ядер 110- го елементу з числом протонів (82 + 28) = 110 і з числом нейтронів – 159 (тобто ізотопу 269110Ds). Схематично ядерну реакцію, використану в Дармштадті, можна записати так::

20882Pb + 6228Ni ? 269110Ds + 0n (нейтрон)

У Дубні для синтезу 110- го елемента використовували мішень з плутонію -244, яка опромінювалася ядрами сірки -34. Цей експеримент проводився на Дубнинская прискорювачі спільно з Ліверморської лабораторією (США), яка виготовила для експерименту плутонієву мішень високої якості. Було зареєстровано декілька атомів 110- го елемента з числом нейтронів 163. Ядерна реакція в цьому випадку виглядає так:

24494Pu + 3416S ? 273110Ds + 5 0n.

Згодом з’ясувалося, що з короткоживучих ізотопів Дармштадті довше всіх ” живе” ізотоп з масовим числом 271 – саме це значення наведено у клітині елемента в сучасній Періодичної таблиці.

Новий елемент не вважається відкритим до тих пір, поки одна група дослідників не отримає надійних результатів з дослідження його атомів і поки інша (незалежна) група вчених не підтвердить ці результати. Тому далекі клітини Періодичної таблиці заповнюються повільно.

Є й інша проблема – як називати нововідкриті елементи? За традицією дослідники, що вперше отримали новий елемент, можуть пропонувати його назву, проте іноді виникали довгі суперечки.

Справа в тому, що Періодичний закон і Періодична таблиця Д. І. Менделєєва є загальносвітовою надбанням і назви нових елементів, що залишаються в них навічно, можуть закріпитися лише при одностайній згоді вчених усього світу. У тих випадках, коли відкриття нового елемента ще не підтверджена, або назва не утвердилося остаточно, використовуються ” тимчасові ” назви, пов’язані з атомним номером елементу. Наприклад, елемент 104 був отриманий радянськими фізиками в 1964 році і отримав назву ” курчатовий ” (Ku) на честь російського фізика І. В. Курчатова. У 1969 році цей же елемент відтворили у своїх дослідах американські дослідники і запропонували для нього назву ” Резерфорд ” (Rf) на честь англійського фізика Е. Резерфорда. До тих пір, поки питання про назву 104- го елемента не було вирішене остаточно, в багатьох виданнях Періодичної таблиці він називався ” унілквандій ” і позначався символом Unq. Тут ” ун ” означає 1, ” ніл ” – 0 і ” квад ” – 4. Точно так же елемент 105 називався ” унілпентій ” (Unp), елемент 106 – ” унілгексій ” (Unh) і так далі.

У 1987 році Міжнародні союзи чистої та прикладної хімії (IUPAC) і фізики (IUPAP) створили спільну міжнародну комісію, яка розглянула питання про пріоритет у відкритті нових елементів і зробила пропозиції щодо їх найменувань. А в січні 1997 р. спеціальний комітет IUPAC оприлюднив рішення за назвами елементів № 104-109. Пізніше відбулися аналогічні рішення з інших знову відкритим елементам. Ймовірно, ці назви вже зберігатися остаточно в Періодичної таблиці:

– Елемент 104 названий Резерфорд (Rf) – на честь англійського фізика Ернста Резерфорда, який зробив величезний внесок у встановлення будови атома;

– Елемент 105 названий Дубно (Db) – на честь міста в Росії, де був відкритий цей і багато інших нові елементи.

– Елемент 106 названий Сиборгом (Sg) – на честь американського фізика і радіохіміки Гленна Сиборга, що брав участь у виділенні і синтезі багатьох нових елементів – плутонію, нептуния, кюрия, америцію, берклія, каліфорнія, Ейнштейн, фермію, менделевия; зробив безліч інших найважливіших робіт з фізики та хімії важких елементів;

– Елемент 107 названий боріем (Bh) – на честь знаменитого данського фізика Нільса Бора. До речі, неправі ті, хто думає, що на честь Нільса Бора вже названий елемент бор. Цей елемент був відкритий і названий хіміками Люссаком і Тенаром ще в 1808 році;

– Елемент 108 названий Хасс (Hs) – на честь землі Гессен у Німеччині, де знаходиться найбільший науково -дослідний центр з синтезу і вивчення нових елементів;

– Елемент 109 названий Майтнер (Mt) – на честь австрійської дослідниці (фізика і радіохіміки) Лізе Майтнер, яка разом з О. Ганом відкрила елемент протактиний і зробила багато інших найважливіших робіт, що сприяли встановленню будови атома. У російських шкільних (і не тільки шкільних) підручниках елемент 109 чомусь вперто називають ” мейтнерій “, хоча це неправильно – буквосполучення ” ei ” у прізвищі Meitner (і взагалі в німецькій мові) читається як ” ай”.

– Елемент 110 названий Дармштадті (Ds) – на честь міста Дармштадта в Німеччині, де відкрито багато нових штучні елементи.

– Елемент 111 названий рентгеном (Rg) – на честь німецького фізика Вільгельма Конрада Рентгена. Відкрите ним в 1895 році проникаюче випромінювання, зване тепер рентгенівським, грає величезну роль в хімії при вивченні будови речовини.

– Елемент 112 отримав назву коперніцій (copernicium – Cn) – на честь знаменитого польського астронома Миколи Коперника. Рішення IUPAC про це відбулися 19 лютого, 2010 р. – у день народження Коперника (1473). Назвати на його честь 112- й елемент запропонував один з авторів відкриття – керівник дослідницької групи фізиків у Дармштадті Сігурд Хофманн – щоб “… віддати належне великому вченому, який не отримав ніяких почестей за життя і висував на перший план зв’язок між астрономією і ядерної хімією. ” Такий аргумент, на перший погляд, може здатися дивним – адже про ядерної хімії в XV і XVI столітті не мали жодного уявлення ! Однак журнал Chemistry International (Vol. 32 No. 2, March – April 2010) публікує витончене пояснення такому рішенню. Дійсно, ідеї Коперника надали виключне вплив на філософські та політичні погляди і призвели до появи сучасної науки, заснованої на експериментальних результатах. Коперніковская модель Сонячної системи зажадала корінного перегляду уявлень про світ. Планетарна система, введена Коперником, була застосована до інших аналогічних систем, в яких об’єкти переміщаються під впливом сили, спрямованої до спільного центру. У мікроскопічному масштабі це – Борівська модель атома з його ядром і орбітальними електронами.

Йдуть роботи по синтезу ще більш важких елементів – від 113 до 118. Деякі з них вже отримали свою офіційну назву. Це елемент 114 флеровій (Fl), названий на честь радянського фізика- ядерника Георгія Миколайовича Флерова (1913-1990), під керівництвом якого в Об’єднаному інституті ядерних досліджень в Дубні були синтезовані елементи 102-110, і елемент 116 ліверморій (Lv), названий на честь Ліверморської національної лабораторії в США. Обидві назви затверджені IUPAC в травні 2012 р.

Посилання на основну публікацію