2. Концепции химической эволюции

2.1. Систематизация химических элементов

Рассматривая распространенность химических элементов в природе, мы обратили внимание на то, что она обусловлена особенностью протекания процессов нуклеосинтеза на относительно ранних стадиях развития Вселенной. Дальнейшая химическая эволюция естественным образом привела к синтезу химических веществ и соединений, носителем свойств которых являются молекулы.

Познавая природу, человек изначально стремился понять и объяснить строение материи, вычленив те неизменные начала (элементы), из которых она строится, и систематизировать эти элементы. Однако долгое время, несмотря на обилие эмпирического материала, не удавалось провести четкой грани между химическими элементами и химическими соединениями. Постепенно, однако, картина прояснялась, и к 1869 г., когда Д. И. Менделеев блестяще решил проблему систематизации, было известно 62 химических элемента. В основу своей системы Д. И. Менделеев положил такую характеристику элементов, как их атомный вес (в современной терминологии – атомная масса). Качественная картина периодичности свойств химических элементов в результате проявилась со всей очевидностью. Но, строго говоря, открытие Д. И. Менделеева было обобщением эмпирического характера. Наука еще не располагала сведениями о составе атомного ядра и распределении электронов в атомах. С появлением этих данных периодический закон получил необходимое уточнение: физические и химические свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины электрического заряда ядра.

Действительно, постоянной величиной для атома химического элемента является количество протонов Z, определяющее заряд его ядра. Число же нейтронов A, определяющее, вкупе с количеством протонов, массу ядра, у изотопов химического элемента разное. Изотопы (от греч. ισος – «одинаковый» и τοπος – «место») – это разновидности одного и того же элемента, различающиеся по массе ядер. Имея одинаковое строение электронных оболочек, а следовательно, и очень близкие химические свойства, они занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Отметим, что, в отличие от массового числа N, являющегося целым, атомная масса – дробная величина. Дело в том, что природные элементы состоят из смеси изотопов, поэтому за атомную массу элемента принято среднее ее значение для изотопов с учетом их процентного содержания. Эти средние значения и фигурируют в периодической системе у всех элементов за исключением трансурановых, для которых указывается массовое число.

Существование изотопов (вначале нестабильных) было обнаружено в начале ХХ в. при изучении свойств радиоактивных элементов. Несколько позднее были открыты стабильные изотопы. В настоящее время известно около 280 стабильных изотопов у 83 природных элементов (у элементов с Z > 83, т. е. идущих в периодической таблице за висмутом, стабильные изотопы не встречаются) и более 2000 радиоактивных изотопов, принадлежащих 107 природным и искусственно синтезированным элементам. Таким образом, только открытие структуры ядра позволило достоверно объяснить причины различия и сходства свойств химических элементов. Что же касается периодического повторения свойств элементов, то его позволяет объяснить принцип запрета Паули (см. модуль 1), определяющий порядок заполнения электронных оболочек. Оказалось, что близкими свойствами обладают элементы, у которых на верхнем заполняемом уровне находится одинаковое количество электронов.

Общеизвестно, что периодическая система Д. И. Менделеева получила широкое признание после того, как были найдены некоторые из предсказанных им элементов (для которых в таблице были оставлены незаполненные клетки). К 30-м гг. ХХ в. таблица заканчивалась уже элементом с Z = 92 – ураном. Последующие элементы открывались путем физического синтеза атомных ядер. Все они очень неустойчивы, и эта особенность будет характерна также для элементов, которым еще предстоит быть синтезированными.