Путешествие в Страну элементов

«Каждый химический элемент имеет свой, присущий только ему спектр» — это правило, казалось, устраняло все неприятности. Открытия Мозандера получили весомое подтверждение. Все шесть редких земель завоевали права гражданства.

Но вот наступает 1869 год. Менделеев формулирует периодический закон и строит свою «естественную систему элементов». Далеко не все гладко в этой системе, и, в частности, совсем неясно, что делать с элементами редких земель.

Еще со времен Берцелиуса они считаются двухвалентными, и формулу их окислов записывают как MeO; лишь для церия, имеющего высшую степень окисления, допускается существование окиси Ce₃O₄. Но во второй группе таблицы Менделеева нет ни одного свободного места. Рельефно вырисовываются очертания главного «подводного камня» периодической системы. Стремительный поток противоречий грозит разбить об него саму идею периодичности изменения химических свойств элементов в зависимости от атомного веса.

Однако Менделеев, уверенный в правильности своего открытия, выдвигает смелую гипотезу: редкие земли трехвалентны, а церий сверх того имеет валентность, равную четырем. Это предположение находит вскоре неопровержимые доказательства. Наконец, Менделеев смело изменяет заниженные величины атомных весов элементов редких земель — и здесь подтверждается его правота. Кажется, дело сделано.

Нет, только половина дела! Иттрий и лантан гладко размещаются в третьей группе. Церий, будучи четырехвалентным, находит свое место в четвертой. А как быть с остальными? Дидим оказывается чужаком в пятой группе, ибо он нисколько не похож на ниобий, а попытки получить его высшую окись Di₂O₅ успеха не имеют. Для эрбия и тербия известно лишь, что они трехвалентны, а вообще же их химия почти не изучена. Фактически «подводный камень» остается на месте.

Но годы идут, и они приносят открытия новых элементов. Мозандеровский дидим оказывается на деле смесью. В 1879 году Лекок де Буабодран извлекает из него самарий; в 1885 году Ауэр фон Вельсбах разделяет его еще на два составляющих — празеодим и неодим. Появляются на свет иттербий, гадолиний, гольмий, туллий…

Широко распространенное мнение, что каждая полоса в спектре поглощения соответствует элементу, — результат некритического преклонения перед спектральным анализом. И, как грибы после дождя, во множестве «рождаются» новые редкие земли. Лишь за восемь лет, с 1878 по 1886 год, открыто около 50, причем 23 из них были даны различные названия, а для остальных «не хватило слов», и их обозначали просто буквами с индексами.

Метко сказал об этой смутной эпохе в области редких земель французский химик Урбэн: «получилось воображаемое богатство, основанное на том, что здесь ошибки преобладали, а истина в них тонула».

Но утонувшая истина тянула на дно всю периодическую систему. Как разместить в ней бесчисленные новые элементы редких земель? Как на основании периодического закона объяснить уникальную близость их свойств? И вообще сколько их всего — надоедливых близнецов? Быть может, поистине им «несть числа»?

Эти вопросы волновали ученых. Одни призывали поставить крест на периодическом законе, другие требовали модернизации таблицы элементов. Редкие земли не помещались на плоскости, и появлялись всевозможные трехмерные построения, конусы, цилиндры, спирали. Увы, они лишь маскировали проблему, создавали видимость решения, но на самом деле не решали ее.

Однако разведчики «редкоземельного континента» упорно, шаг за шагом пытались «извлечь» истину из тьмы ошибок. Оказалось, что спектральный анализ не так уж непогрешим: малейшие примеси к элементу могут нарушить расположение линий в спектрах. Урбэн ввел магнетохимический метод анализа, основанный на разнице в величинах магнитной восприимчивости редких земель. Получение нескольких чистых редкоземельных металлов позволило лучше изучить их химию. К 1913 году за индивидуальные элементы признавались лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций. Но где гарантия, что какой-либо из них не окажется сложным? Причина близости их свойств оставалась невыясненной.

Что касалось места редкоземельных элементов в периодической системе, то мнения ученых резко расходились. Ближе всех к истине оказался в 1901 году чешский химик Богуслав Браунер, друг Менделеева. Браунер пришел к выводу, что редкоземельные элементы следует выделить в совершенно особую замкнутую группу, которую нужно поместить в середине периодической системы, в одной большой клетке, как продолжение четвертой группы, начиная от церия и кончая неизвестным пока элементом, лежащим налево от тантала. По мнению Браунера, между церием и танталом не могло быть других элементов, кроме редкоземельных.

Но идея чешского химика не более чем гипотеза. Она не была доказана, не имела строгого научного обоснования. И мало кто из ученых придал ей значение: никто в ту пору не подозревал, как близко подошел Браунер к отгадке. Он не мог решить задачу до конца, так как химия оказывалась бессильной. Слово было за физикой.