Как были открыты химические элементы

Элементы с порядковыми номерами 72 и 75 были обнаружены в природе позднее всех прочих стабильных элементов — только в 20-х годах нашего столетия. Они являются редкими, особенно рений, который по своей распространенности занимает одно из последних мест. Но едва ли это обстоятельство может служить решающим для попытки объяснения столь позднего открытия гафния и рения. Дело здесь в другом — в своеобразном геохимическом поведении гафния и рения. Они относятся к рассеянным элементам, которые не образуют в земной коре собственных руд и минералов, а входят в руды и минералы других элементов в качестве небольших примесей. Здесь большую роль играет явление изоморфизма — замещение ионов одних элементов в кристаллических решетках соединений другими (при условии близости величины ионных радиусов). Величины ионных радиусов циркония и гафния практически одинаковы, и этот фактор объясняет большое сходство их химических свойств (разделение элементов и поныне представляет трудную задачу). Гафний в малых количествах всегда присутствует в природных источниках циркония, но из-за своего сходства с цирконием словно бы теряется на его фоне.

Рений не тяготеет определенно к минералам какого-либо распространенного элемента. Поэтому если существование гафния было доказано сравнительно быстро и легко, то достоверному обнаружению рения предшествовало несколько лет мучительных поисков.

Для обоих элементов характерно то, что их поиски были целенаправленными. Ученые заранее составляли программы, в которых предусматривалось, что, где и как они хотят обнаружить. Они точно знали: одно «что» должно быть элементом № 72, а другое — элементом № 75. Но если гафний был найден сразу, то блистательный теоретический прогноз по отношению к рению на первых порах сработал вхолостую.

Судьбы семьдесят второго и семьдесят пятого элементов сближает еще одно обстоятельство: в открытии обоих был использован новый метод спектрального анализа (рентгеноспектральный), изучение рентгеновских спектров элементов. В 1913–1914 гг. английский физик Г. Мозли установил закон, который связывал длину волны характеристического рентгеновского излучения элемента с его порядковым номером в периодической системе. Этот закон позволял заранее рассчитать, какими должны быть рентгеновские спектры элементов. Никогда ранее открытие новых элементов не было подготовлено с такой основательностью, как в случае гафния и рения.

ГАФНИЙ

Местом рождения нового элемента с Z=72 стал Институт теоретической физики Копенгагенского университета в Дании; временем рождения — конец декабря 1922 г., хотя дата публикации статьи об открытии в научном журнале помечена январем 1923 г. Голландский спектроскопист Д. Костер и венгерский радиохимик Д. Хевеши дали ему название в честь древнего имени Копенгагена — Гафниа. У колыбели гафния стоял Н. Бор, чья роль в обнаружении гафния оказалась решающей.

Источником элемента № 72 явился довольно широко распространенный минерал циркон, состоящий в основном из оксида циркония. На него-то и указал экспериментаторам Н. Бор.

Почему же великий датский физик был уверен в своей правоте? Перенесемся в 70-е годы прошлого века, когда Д. И. Менделеев разрабатывал свою периодическую систему. В той ее клетке, которая располагалась ниже циркония, он оставил место для неизвестного элемента с атомной массой около 180. Можно было бы его назвать, по менделеевской терминологии, экацирконием. После того как оправдались менделеевские предсказания галлия, скандия и германия, уверенность в существовании экациркония окрепла. Вопрос заключался в том, какими же свойствами должен был бы обладать этот, пока гипотетический элемент? Д. И. Менделеев воздерживался от какой-либо определенной оценки. Вообще говоря, могло быть две возможности: или экацирконий будет элементом IV В-подгруппы периодической системы, аналогом циркония, или он принадлежит к редкоземельному семейству и является самым тяжелым в ряду РЗЭ. Вот тут-то в самый раз вспомнить название «кельтий» (см. с. 115).