Но причина близости свойств редких земель оставалась неясной, равно как и их положение в периодической системе. Требовалось выяснить, относится ли семьдесят второй элемент к редкоземельным или нет. И, наконец, вызывало удивление, почему до сих пор не открыт элемент 61.
Мы не будем касаться вопроса о шестьдесят первом: у него очень сложная и весьма своеобразная «биография»; читатель узнает о ней из очерка об искусственно полученных элементах.
Прежде всего нужно было выяснить природу семьдесят второго элемента. С равной вероятностью он мог быть аналогом циркония и членом редкоземельного семейства. Ученым предстояло уточнить, сколько же всего редкоземельных элементов: пятнадцать или шестнадцать?
Следующие, четвертый и пятый периоды состоят уже из 18 элементов каждый, и резкая разница в свойствах проявляется лишь у начальных и конечных элементов; в середине же она как бы сглаживается.
Когда Менделеев создавал свою таблицу, он мог лишь принять это явление как факт. Современное физическое обоснование периодической системы позволяет дать ему вполне определенное объяснение.
Вспомним один из основных постулатов химии: химические свойства элементов зависят от строения внешних электронных оболочек их атомов.
Вспомним далее, что согласно теории Бора заполнение электронных оболочек атомов происходит не в беспорядке, а в определенной последовательности. Каждая из них обладает определенной «емкостью». Так, в ближайшей к ядру K-оболочке могут содержаться два электрона, в следующей L 8, в M 18, в N 32, в О 50 и т. д.
На первый взгляд может показаться, что заполнение этих оболочек происходит последовательно: «насытилась», скажем, L-оболочка, заполняется до полной емкости M-оболочка. На деле все обстоит сложнее, и только первые две оболочки, K и L, сразу набирают требуемое количество электронов.
Физики выделяют в каждой оболочке, начиная с L, еще и так называемые подоболочки. Они обозначаются буквами s, p, d и f и тоже имеют определенную емкость. Так, в s-подоболочке не может быть больше двух элементов, в p шести, в d десяти и в f четырнадцати.
Напомним теперь читателю, как происходит заполнение оболочек.
У элементов первого периода таблицы Менделеева заполняется K-оболочка (2 электрона), второго L (8 электронов). В третьем периоде появляются M-оболочка, но заполняется она не до конца, а лишь до восьми электронов. В четвертом периоде приходит очередь N-оболочки (у калия и кальция). Но уже начиная со скандия очередной электрон поступает в не достроенную ранее M-оболочку. Этот процесс проходит вплоть до цинка, ибо M-оболочка имеет емкость 18 электронов. Поэтому у десяти элементов четвертого периода от скандия до цинка внешняя
оболочка (N) остается неизменной. Так как у них заполняется d-подоболочка оболочки M, то эти элементы носят иногда название d-элементов (3 d-элементы, так как заполняется третья оболочка). Аналогично в пятом периоде можем выделить 4 d-элементы и т. д.
Здесь можно дать хорошую иллюстрацию того, как на протяжении длинных периодов таблицы Менделеева ход изменения свойств элементов становится иным, нежели в коротких периодах. В коротких (литий неон, натрий аргон) каждый элемент довольно резко отличается от своих ближайших соседей. Оно и понятно, так как внешняя электронная оболочка у элементов коротких периодов непрерывно меняется. В длинных же периодах, у d-элементов, внешняя оболочка одна и та же, а очередные электроны поступают в предыдущую. Она, как известно, оказывает уже значительно меньшее влияние на химические свойства. Поэтому разница в свойствах у d-элементов не такая резкая.
Редкоземельные элементы стоят в шестом периоде. У лантана ( 57) очередной электрон появляется в О-оболочке, поэтому лантан типичный d-элемент, а у церия ( 58) следующий электрон попадает даже в третью от края N-оболочку, в подоболочку f, емкостью в 14 электронов. Следовательно, ее формирование закончится у элемента с порядковым номером 71, то есть у лютеция; поэтому элемент 72 уже не редкоземельный, а аналог циркония, и у него продолжается заполнение 5 d-подоболочки.
Когда был открыт элемент гафний, оказалось, что это так и есть.
Таким образом была разрешена загадка редких земель. Близость их свойств объясняется одинаковостью строения двух внешних оболочек атомов, именно тех, которые оказывают решающее влияние на химические свойства. Поэтому их размещают в таблице Менделеева в третьей группе (а не в четвертой, как предполагал Браунер), в клетке лантана.
Внимательный читатель, наверное, заметил, что, начав разговор о редкоземельных элементах с иттриевой земли, мы в дальнейшем не упоминали об иттрии. Он не входит в редкоземельное семейство в современном его понимании, но по своим свойствам похож на его членов благодаря близкой величине атомного радиуса; в частности, в природе он встречается в одних рудах и минералах с редкоземельными элементами.
Раз уж мы вспомнили о редкоземельных рудах и минералах, то постараемся сами убедиться, такими ли редкими являются 15 элементов периодической системы, как считалось в течение долгого времени.