Занятие № 11 Химические элементы и география.

В периодической системе Д. И. Менделеева 23 элемента имеют географические названия.

Франций (№ 87)

 Клетка, которую впоследствии занял в периодической таблице этот элемент, долго пустовала, хотя сообщение о его «открытии» делались неоднократно. Было ясно одно: он должен кое – чем напоминать цезий. В 1929 году, например, мир облетела весть о том, что американец Ф. Элисон нашел, наконец, вещество, предсказанное Д. И. Менделеевым. «Новорожденный» даже имя успел получить – «виргиний». Вскоре, однако, пришлось бить отбой: Федот, да не тот.

Преждевременно торжествовали победу румынский физик Г. Хулубей, назвавший экацезий молдавием и украинский ученый Добросердов, который нарек его руссием. Не сумели доказать свое авторство французы Дрюс и Лоринг, окрестившие элемент № 87 алкалием. Англичанин Фриенд пытается найти его в Мертвом море, имеющем невероятно высокую концентрацию солей, и терпит неудачу, американских физиков Пэпиша и Кайнера подвел кальцитовый кристалл в спектрографе, вследствие чего они сделали опромет-чивый вывод о присутствии экацезия в редком минерале самарските. На пороге открытия стояли немецкие физики Майер, Гесс и Панет, обнаружив-шие альфа – частицы с длиной пробега в 3,5 см при распаде одного из изото-пов актиния. Они ошибочно приписали происхождение этого явления протактинию.

Повторив их опыт в 1938 году, сотрудница института Кюри М. Пере наконец нашла недостающий элемент. Она неопровержимо доказала, что, теряя два протона, актиний превращается в новое вещество. Половина атомов изотопа с массовым числом 223 распадается через 21 минуту. По своим химическим свойствам они были похожи на цезий. 9 января 1939 года М. Пере сделала официальное сообщение об открытии нового элемента с атомным номером 87. В честь своей родины она назвала его францием.

Медь (№ 29)

Медь — один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. В древности применялась в основном в виде сплава с оловом — бронзы для изготовления оружия и т.п.

Латинское название меди Cuprum (древн. Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где уже в III тысячелетии до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди.

У Страбона медь именуется халкосом, от названия города Халкиды на Эвбее. От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди Aes (санскр, ayas, готское aiz, герм. erz, англ. ore) означает руда или рудник. Сторонники индогерманской теории происхождения европейских языков считают русское слово медь (польск. miedz, чешск. med) родственным древненемецкому smida (металл) и Schmied (кузнец, англ. Smith). От этого слова произошли и родственные названия — медаль, медальон (франц. medaille). Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Алхимики именовали медь «венера» (Venus). В более древние времена встречается название «марс» (Mars).

Магний (№ 12)

Соединения магния известны с глубокой древности. Их, однако, не считали самостоятельным веществами, а принимали за разновидности извести.

В 1618 году Г. Викер открыл близ Эпсома в Англии минеральные источники. В 1695 году в них обнаружили горькую соль (сульфат магния), которую стали применять в лечебных целях.  

Металлический магний впервые получил Г. Дэви в 1808 году.

Электролитический метод выделения металлов из их солей Гемфри Дэви применил и для открытия магния. В расплав белой магнезии (смесь основных карбонатов магния) он погрузил два электрода, причем катод, по совету Якоба Берцелиуса, Дэви использовал ртутный, чтобы выделяющийся магний сразу же растворялся в металлической ртути и не окислялся на воздухе. Когда все приготовления были окончены, Гемфри Дэви замкнул ключом цепь. Эксперимент прошел очень удачно. Полученный продукт нагрели, ртуть отогнали и получили довольно чистый магний.

Большие количества магния в чистом виде получил в 1831 году французский химик А. Бюсси. Название элемента производится от слова «Магнезия».

Стронций (№ 38)

Пиротехнические свойства стронция известны людям с незапамятных времен. Жрецы в Древней Индии добавляли его в азотнокислую соль в «бенгальские огни», которые они жгли во время священных обрядов. И в России, еще при Петре I, вечернее небо по праздникам озаряли «потешные огни». Факелы, начиненные солями стронция, оставляли позади себя красивый карминово – красный след, поэтому совсем не случайно академик А. Е. Ферсман назвал стронций «металлом красных огней».

Впервые мир узнал о существовании этого металла более двухсот лет назад. Изучая новый минерал, найденный в 1790 году близ местечка Стронциан в Шотландии, английский ученый А. Кроуфорд предположил, что в его состав входит неизвестная «земля» (так называли в ту пору оксиды металлов). Два года спустя его соотечественники Т. Хоп выделил эту «землю» из минерала стронцианита и объявил об открытии нового химического элемента, который был назван стронцием. В том же год, независимо от английских химиков, оксид стронция получил и русский ученый Товий Егорович Ловиц.

Лишь в 1924 году П. Даннер (США) получил чистый стронций путем восстановления его оксида металлическим алюминием или магнием.

Галлий (№ 31)

20 сентября 1875 года Парижская академия наук гудела, как потревоженный улей. Еще бы. Новые химические элементы открывают не часто. За три недели до этого события Лекок де Буабодран действительно «поймал» в спектроскопе незнакомый фиолетовый след неизвестного элемента. Он был обнаружен в цинковой обманке, добытой в Пиренеях. В честь своей родины, Франции, ученый назвал открытый металл галлием (Gallia – латинское название этой страны). Но с другой стороны, на латинском языке петух – «gallus», а на французском – «le cog» Первооткрывателя нового элемента можно заподозрить в нескромности. Уж не свое ли имя он дал открытому металлу? Видимо так считала и Маргарита Пере, предложившая назвать элемент № 87, открытый ею в 1938 году францием. Таким путем она хотела выразить свою признательность ученым этой страны за их вклад в науку. А уж какими мотивами руководствовался ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии), когда утверждал это название, неизвестно.

Скандий (№ 21)

Чтобы не нарушать стройность системы элементов Д. И. Менделеев оставил незаполненным 21 клетку в 3 периоде периодической системы. Причем им был вычислен атомный вес неизвестного вещества, условно названного экабором (подобный бору) и указал некоторые химические свойства. И вот в 1879 году шведский ученый Ларс Нильсон, недоверчиво относившийся к этому предсказанию великого русского химика, обнаружил новый элемент, который по его просьбе нарекли скандием (в честь Скандинавии). 12 марта 1879 года увидела свет его статья «О скандии, новом редком металле», а 24 марта эта работа уже обсуждалась на заседании Парижской Академии наук.

Но прошло почти 60 лет, прежде чем удалось извлечь из хлорида элемента № 21 металлический скандий. Правда, он тоже содержал изрядное количество примесей – около 2%. Это сделал в 1937 году немецкий химик В. Фишер с сотрудниками. И лишь в 1956 году его получили в чистом виде.

Иттрий (№ 39)

 Исследуя минерал, добытый в местечке Иттерби близ Стокгольма, финский химик Юхан Гадолин обнаружил в нем в 1794 году неизвестный оксид. Шведский ученый Андрес Экеберг дал ему имя: иттриевая земля. Но потом выяснилось, что на неоднородна. Карл Мозандер – ученик Якоба Берцелиуса – выделил из нее еще две земли – эрбиевую и тербиевую. В 1879 году в оксиде иттрия были обнаружены оксиды иттербия, тулия и предсказанного Д. И. Менделеевым скандия. В 1907 году в том же минерале нашли и лютеций. Это беспрецедентный случай в истории химии: из редкого минерала извлекли семь новых элементов!

Металлический иттрий, правда, не очень чистый, впервые получил в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер, восстанавливая натрием его хлорид.

Германий (№ 32)

«… Мне кажется наиболее интересным из несомненно недостающих металлов, - писал в 1871 году Д. И. Менделеев, - будет тот, который принадлежит к IV группе аналогов углерода, это будет металл, следующий тот час за кремнием, а потому назовем его экасилицием…» («эка» по санскритски «один», «силиций» - кремний, «экасилиций» - «первый после кремния»).

Великий ученый описал предполагаемые свойства неизвестного металла и не которых его соединений. Несмотря на это, элемент долгое время не давался в руки. Лишь в 1885 году ученые Фрейбергской горной академии в Германии открыли и описали новый минерал серебра – аргиродит, в котором лучший аналитик академии Клемен Александр Винклер обнаружил экасилиций. Разработанный им способ выделения германия до сих пор используется промышленностью. Вначале он выделил диоксид элемента №32, а затем тугоплавкий порошок восстановил водородом при температуре 600 – 700⁰ С. Продукт получился достаточно чистым, и Винклер изучил его свойства. И тут стало ясно, каким гениальным было предвидение Д. И. Менделеева. Судите сами: атомный вес Д. И. Менделеев предсказал – 72, оказалось – 72; удельный вес – 5,5, фактически – 5,3; атомный объем по Менделееву – 13. Винклер внес небольшую поправку – 13,7.

После этого немецкий ученый обратился к Д. И. Менделееву за разрешением назвать экасилиций германием в честь своей родины. Д. И. Менделеев дал такое согласие.

 

Гафний (№ 72)

В течение 130 лет люди пользовались цирконием, не подозревая, что в нем присутствует примесь неоткрытого элемента, который всюду следовал за своим собратом, прикидываясь тихоней. Он был обнаружен лишь в 1922 году венгерским химиком Дьердем Хевеши и голландцем Диком Костером в Дании, где оба ученых занимались изучением рентгеновских спектров различных элементов.

В 1911 году Жорж Урбен после многочисленных работ выделил из монацитового песка новый элемент и окрестил его кельтием в честь древних племен, живших на территории Франции. Но вскоре оказалось, что кельтий – всего навсего смесь уже известных элементов редкоземельной группы.

Хевеши и Костер искали новый элемент в циркониевых минералах. По спектральным линиям Хевеши и Костеру удалось идентифицировать новый элемент именно в минералах циркония. Назвали его гафнием в честь Копенгагена (по латыни Hafnia), столицы Дании, города, где они работали, где сделали свое открытие.

 

Дубний (№ 105)

Первую попытку синтезировать 105-й элемент сотрудники лаборатории ядерных реакций в Дубне предприняли весной 1968 года. Однако мишень из Аm – 249 имела трудноудаляемые примеси свинца, которые сбивали с толку, влияли на чистоту эксперимента.

Группа Н. Флерова сделала основной удар на изучении осколков спонтанного деления ядер. Они остановили свой выбор на америции. К этому времени его получали в реакторах в осязаемых количествах.

В 1970 году группа Флерова располагала абсолютно достоверными данными об идентификации двух изотопов нового элемента с массовыми числами ²⁶⁰105 и ²⁶¹105.

Чуть позже приступили к поискам 105-го элемента сотрудники радиационной лаборатории имени Лоуренса в Беркли во главе с Альбертом Гиорсо – автором так называемого генетического метода, согласно которому свойства радиоактивных элементов определяются по характеру L – распада и дочерним продуктам. Они получили примерно те же самые результаты, бомбардируя мишень из калифорния ядрами азота, а мишень из берклия- ядрами кислорода.

Полоний (№ 84)

Полоний относится к числу радиоактивных элементов. После того, как были открыты удивительные свойства урана, ученые в разных странах Европы и Америки занялись поисками его аналогов. Вскоре Мария и Пьер

Кюри обнаружили, что уже известный науке торий может испускать невидимые лучи. В 1898 году объектом их исследования стала урановая смоляная руда. Она заинтересовала ученых потому, что ее радиоактивность была гораздо выше, чем у соединений урана. В чем же дело? Может быть, минерал неоднороден? Немало сил потратили супруги Кюри, прежде чем им удалось решить задачу. В результате они выделили мизерное количество вещества – смутьяна, которое вдобавок ко всему оказалось новым элементом. Его назвали полонием в честь Польши – родины Марии Кюри – и поселили в «квартиру», предоставленную ему Периодической системой Менделеева, которая пустовала в течение 28 лет. Как вы помните, ее оставляли для эка – теллура.

В металлическом состоянии получен в 1946 году (В. Бимер, К. Максвелл, США).

 

Рений (№ 75)

Поиски предсказанных Менделеевым элементов 43 и 76 (эка-марганца и дви-марганца) начались в конце XIX в., но были безуспешными до 20-х годов XX века, когда Ноддаку и Такке удалось определить главные свойства этих недостающих в периодической таблице элементов. Эти ученые систематически изучали руды и минералы, в которых присутствие искомых элементов казалось вероятным. Первым объектом исследований, начатых в 1922 г., была платиновая руда, но из-за ее дороговизны вскоре пришлось переключиться на другие объекты, в частности редкоземельные минералы - колумбит, гадолинит и т. д. Результатом трехлетних напряженных трудов Ноддака и Такке, а также Берга явилось обнаружение в рентгеновском спектре одной из фракций серии из пяти новых линий. Как оказалось, эти линии принадлежали элементу 75. Исследователи назвали его рением (Rhenium) в честь Рейнской провинции - родины Такке, ставшей к тому времени супругой Ноддака. Впрочем, некоторые историки химии считают, что название содержит большую дозу национализма: рейнская область оказалась во время первой мировой войны местом крупных удачных для германских войск сражений. В 1926 г. супруги Ноддак выделили рений в количестве 2 мг; годом позже в их распоряжении имелось уже около 120 мг рения.

 

Рутений (№ 44)

К середине 19 века было известно 5 представителей благородной династии платиноидов: родоначальница и ее свита – палладий, родий, осмий и иридий. И вдруг ошеломляющая весть из России: профессор Дерптского университета Озанн в уральской платине открыл три неизвестных элемента: он назвал их плураном, полином и рутением. Небольшие количества этих веществ первооткрыватель послал Берцелиусу – крупнейшему авторитету того времени в области химии. Шведский ученый сразу забраковал рутений, который оказался смесью титановой и кремниевой кислот с оксидами железа и циркония. В полине не был уверен даже сам Озанн, не без оснований предполагая, что это плохо очищенный иридий. Лишь плуран, по мнению Берцелиуса можно было считать самостоятельным элементом. Однако Озанн не сумел вторично извлечь этот металл из руды, и поэтому вопрос об его авторстве отпал сам собой.

По просьбе министра финансов профессор Карл Карлович Клаус в 1841 году приступил к поискам способа переработки остатков платиновых руд, накопившихся на Петербургском монетном дворе. Почти целый год ученый пытался выделить неизвестный металл в чистом виде. И, в конце концов, нашел «легкий и верный способ добывания его».

Карл Клаус отправил в Стокгольм и Петербург полученный образцы. Якоб Берцелиус и Г. И. Гесс должны были вынести приговор – прав ли он? Шведский ученый, которому еще была памятна ошибка Г. Озанна без особого интереса отнесся к выводам малоизвестного казанского профессора. Он считал, что и в данном случае препарат является плохо очищенным соединением иридия, и без всяких обиняков сообщил об этом Клаусу.

Для большинства исследователей мнение Берцелиуса было слишком веским, чтобы оспаривать его. Но не таков был Карл Клаус. С особой тщательностью он провел новую серию опытов и убедился, что в его выводах нет ошибок. Клаус был уверен, что им открыт новый элемент, который он назвал в честь своей родины рутением (так на латинском языке звучит слово Россия). И ученый вновь отправил образцы в Швецию.

Вскоре казанскому профессору была присуждена Демидовская премия за исследования в области платиновых металлов.

 

Хассий (№ 108)

Радиоактивный искусственно полученный химический элемент с атомным номером 108. Первые опыты по синтезу ядер элемента №108 были выполнены в Дубне (СССР) в 1983-1984 с массовыми числами 264 и 265. В 1984-1987 ядра элемента №108 получены в Дармштадте при облучении мишени из свинца-208 ускоренными ионами железа-58. Период полураспада Т_1/2 ²⁶⁵Hs = 2 мс, при распаде испускаются a-частицы. В 1998 в Дубне получены данные о существовании ядер ²⁷⁷Hs, претерпевающих спонтанное деление. В заметных количествах хассий не получен, поэтому его свойства не изучены.

 

Европий (№ 63)

Минерал, найденный на Урале, оказался сущим кладом. В нем нашли пристанище не только самарий и гадолиний. В 1886 году французский химик Е. Демарсэ выделили из самарскита еще одну землю, которая по – видимому, была плохо очищена от сопутствующих веществ, и поэтому доказать свой приоритет ученый не сумел и не только он. Потерпел неудачу англичанин Вильям Крукс. Весьма сомнительные данные получил Поль Лекок де Буабодран.

И тут завидную твердость проявил Демарсэ. В 1892 году он снова взялся за этот минерал и в течение 4 лет вел скрупулезнейшие операции, пока в 1896 году не получил довольно чистый оксид неизвестного металла. Старания ученого были полностью вознаграждены. Новая линия в спектре неопровержимо свидетельствовала о том, что он, как говорится, взял быка за рога. Однако сомнения не покидали Демарсэ вплоть до 1901 года, когда его опыты были воспроизведены и новый элемент получил свое теперешнее имя.

Металлический европий удалось выделить только в 1937 году Ф. Тромбом (Франция).

 

Тербий (№ 65)

Ученик Якоба Берцелиуса Карл Мозандер слыл большим знатоком редких земель. В 1843 году в гадолините – минерале, найденном близ местечка Иттерби, - он обнаружил методом дробного осаждения следы неизвестного элемента. Мозандер подверг анализу иттриевую землю, а потом в зависимости от цвета оксидов, рассортировал ее: собственно иттриевая фракция имела бурую окраску, эрбиевая – розовую, а тербиевая – коричневую. Однако, видные ученые 18 века Роберт Бунзен и Пьер Теодор Клеве усомнились в результатах исследований Мозандера. По их мнению, иттриевая земля содержала лишь два оксида, а так называемого тербия в ней нет и в помине. Дополнительных аргументов у Мозандера не было, и вопрос оставался открытым.

Четверть века спустя Лекок де Буабодран, пытаясь определить свойства одного из «усопших» элементов, неожиданно обнаружил в нем гадолиний, самарий и … злосчастный тербий. Правда, в дальнейшем ученый так запутался, что ни о каком подтверждении результатов Мозандера не могло быть и речи. И только в начале 20 века французский химик Жорж Урбен получил чистые препараты тербия, положив конец давним пересудам.

Гольмий (№ 67)

Элемент № 67 открыл в 1879 году шведский химик Пьер Теодор Клеве и назвал его в честь столицы своей родины Стокгольма – гольмием. Найден он был давно в известной эрбиевой земле. Правда, годом раньше швейцарец Шарль Сорэ в ходе спектрального анализа той же земли заметил раздвоение некоторых линий. Но выделить загадочный элемент, который он обозначил буквой Х, не сумел.

Оксид получен в 1886 году, в виде металла гольмий приготовлен в 1953 году. (А. Даан, Д. Спеддинг, США).

 Эрбий (№ 68)

Элемент был открыт в 1843 году Карлом Мозандером в ходе исследований иттриевой земли. И название у него имеет ту же родословную – местечко Иттерби, где был впервые добыт минерал гадолинит.

В химически индивидуальном состоянии оксид получен в 1879 году, в виде металла эрбий был приготовлен в 1953 году (А. Даан, Ф. Спеддинг, США).

Иттербий (№ 70)

Открыт в 1878 году швейцарским химиком Жаном Шарлем Галиссаром де Мариньяком. Как установили позже француз Жорж Урбен и австриец Карл Ауэр фон Вельсбах оксид металла, полученный де Мариньяком, содержал примесь – лютеций. Кстати, это заметил и большой специалист по спектро-скопическим исследованиям Шарль Сорэ, назвав новое вещество элементом Х, но рекламировать свое открытие не стал, т.к. боялся попасть впросак.

Элемент № 70 был выделен из эрбиевой земли. Его бесцветный оксид по своим свойствам стоял между оксидами эрбия и иттрия. Отсюда произошло его имя.

В химически индивидуальном состоянии оксид приготовлен в 1907 году; в виде металла иттербий получен в 1953 году (А. Даан, Ф. Спеддинг, США).

 

Лютеций (№ 71)

Элемент в виде оксида в 1907 году независимо друг от друга открыли французский химик Жорж Урбэн, австрийский минералог Карл Ауэр фон Вельсбах и американский химик Чарльз Джеймс. Все они обнаружили лютеций в виде примеси к оксиду иттербия, который, в свою очередь, был открыт в 1878 г. как примесь к оксиду эрбия, выделенному в 1843 г. из оксида иттрия, обнаруженного в 1797 г. в минерале гадолините. Все эти редкоземельные элементы имеют очень близкие химические свойства.

Название элемента его первооткрыватель Жорж Урбен произвёл от латинского названия Парижа — Lutetia Parisorum. Для иттербия, от которого был отделён лютеций, было предложено название неоиттербий. Оспаривавший приоритет открытия элемента Фон Вельсбах предложил для лютеция название кассиопий (cassiopium), а для иттербия — альдебараний (aldebaranium) в честь созвездия Северного полушария и самой яркой звезды созвездия Тельца, соответственно. Учитывая приоритет Урбена в разделении лютеция и иттербия, в 1914 году Международная комиссия по атомным весам приняла название Lutecium, которое в 1949 г. было изменено на Lutetium (русское название не менялось). Тем не менее, до начала 1960-х годов в работах немецких учёных употреблялось название кассиопий.

Америций (№ 95)

В 1944 году Г. Сиборг выдвинул идею, что элементы тяжелее актиния размещены в периодической таблице неправильно.

Еще в 1920 году Н. Бор предсказывал, что где – то в районе урана должен начинаться второй четырнадцатичленный ряд элементов – близнецов, аналогичный редкоземельному.

Гленн Сиборг и его коллеги поместили плутониевую мишень в циклотрон и подвергли ее бомбардировке нейтронами. При этом плутоний поглощал нейтрон и становился тяжелее. Затем он, захватывая второй нейтрон и испуская электрон за счет превращения одного из нейтронов в протон, и естественно, рождался новый элемент – америций. Он получил такое имя в честь Нового света.

В природе америция нет. Его вырабатывают в атомных реакторах в ходе ядерного распада в мизерных количествах. Металлический америций впервые был получен в 1951 году Веструмом и Эйрингом восстановлением его тетрафторида барием при температуре 1100⁰С.

Берклий (№ 97)

Получен в 1949 г. учеными Национальной лаборатории им. Лоуренса в г. Беркли (Калифорния, США; прежнее название — Радиационная лаборатория) С. Томпсоном, Г. Сиборгом, А. Гиорсо при бомбардировке мишени из америция-241 ускоренными на 60-дюймовом циклотроне α-частицами:

97-й элемент был получен группой Сиборга вслед за элементами с номерами 94 (плутонием), 95 (америцием) и 96 (кюрием). Пятилетняя задержка после синтеза 96 элемента была связана с отсутствием материала для исходной мишени — изотопа америция ²⁴¹Am. Для химической идентификации нового элемента использовали хорошо отработанный к тому времени метод ионообменной хроматографии.

Берклий является химическим аналогом тербия, получившего название от небольшого селения Иттербю в Швеции, рядом с которым был обнаружен минерал, содержащий среди прочих редкоземельных металлов и тербий. Поэтому было решено назвать 97-й элемент по названию города Беркли, в котором он был впервые получен.

Наиболее долгоживущий изотоп ²⁴⁷Bk (1956 г. А. Четан – Строуд, США). Весовые количества получены в 1948 году, металл – в 1965 году.

Калифорний (№ 98)

Калифорний получен в 1950 году той же группой ученых, что синтезировала незадолго перед тем берклий – Гленном Сиборгом, Альбертом Гиорсо, Стенли Томпсоном и Кеннетом Стритом – младшим. Атака на продукт ядерной реакции была тщательно продумана и хорошо подготовлена. Исследователи заранее знали, что своими свойствами новый элемент будет сродни диспрозию – редкоземельному аналогу. Разогнав до больших энергий ядра гелия в циклотроне, ученые направили их на кюриевую мишень. Как и ожидалось, при этом образовалось несколько тысяч атомов с порядковым номером на две единицы больше, чем у исходного вещества.

Элемент был назван калифорнием. Г. Сиборг и его коллеги окрестили его так неспроста. «Известно, - писали они, что диспрозий происходит от греческого слова, означающего «труднодоступный». Называя вновь открытый элемент калифорнием, мы хотели тем самым отметить, что первооткрывателям этого элемента пришлось столь же трудно, как век назад пионерам Америки трудно было достигнуть Калифорнии».

Металл получен в 1971 году.