Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Скандий – первый в Периодической системе d-элемент. Он не только один из химических элементов, существование свойства которых были предсказаны Менделеевым, он элемент с непростой судьбой. Можно сказать, что в истории его открытия было три этапа, приходящиеся на 1870, 1879 и 1960 годы.

Наша научная и научно-популярная литература всегда заостряет открытие скандия с триумфом предсказательной способности Периодического закона и гораздо меньше говорит о том, что открытие скандия неразрывно связано с обнаружением его соседей по группе – иттрия и лантана. В восемнадцатом-девятнадцатом веке самым важным для химиков внезапно оказался шведский остров Резарё, благодаря которому было открыто семнадцать химических элементов. В карьере у селения Иттербю, расположенного на этом острове, было найдено два тяжелых минерала, в которых впоследствии были открыты металлы, которые мы сейчас называем редкоземельными – скандий, иттрий, лантан и четырнадцать лантаноидов.

В 1788 году шведский химик и лейтенант артиллерии Карл Аксель Аррениус обнаружил около Иттербю минерал тёмного цвета, который он назвал «иттербитом» и переслал финскому коллеге Юхану Гадолину для изучения. Хотя сам Аррениус даже стажировался у Лавуазье, поддерживая его революционные взгляды на химию, сам он довольствовался лишь открытием минерала. Карла Аррениуса можно скорее назвать военным химиком – его исследования были связаны с разработкой новых составов порохов, благодаря чему он дослужился до полковника, сначала стал членом Королевской Шведской Академии военного искусства (1799), и только потом – членом Королевской Шведской Академии наук (1817). Позже оказалось, что названный Аррениусом минерал иттербит – два минерала, получившие названия гадолинит и эвксенит.

В 1879 году шведский химик Ларс Нильсон, ученик Йёнса Якоба Берцелиуса, который сам открыл три новых химических элемента: церий, торий и селен, выделил оксид нового элемента из гадолинита. Нильсон назвал элемент скандием в честь Скандинавии. Открытие скандия, пусть и входящего в состав оксида было очень важно, так как за девять лет до этого Менделеев, пользуясь Периодическим законом и тенденциями в изменениях свойств элементов и их соединений, предсказал существование десяти, на то время ещё неизвестных элементов, весьма детально расписав при этом свойства четырёх «белых пятен». Одним элементом из этой четвёрки был элемент, свойства которого были близки бору, названный Менделеевым «экабор» (подобный бору). Экспериментально изученные свойства соединений скандия во многом совпадали с предсказаниями Дмитрия Ивановича, демонстрируя, что Периодическая система – не просто способ систематизации, а отражение фундаментальных законов природы.

Так, Менделеев предсказывал для экабору атомную массу 44 и формулу оксида Eb₂O₃

; атомная масса скандия равняется 45, формула его оксида Sc₂O₃

. Конечно, нельзя сказать, что сбылись все предсказания Дмитрия Ивановича – так он считал, что карбонат экабора будет нерастворим в воде, но карбонат скандия растворим. Не сбылось предсказание Менделеева и о способе открытия нового элемента. Дмитрий Иванович предполагал, что экабор откроют спектрально, однако у скандия нет чётких спектральных линий, и этот метод анализа для него бесполезен. Впрочем, идею о способе открытия Менделеев предположил не на основании Периодического закона, а просто на том, что в 1870-е годы спектральные исследования начали теснить привычные химикам прошлых лет методы химического анализа. Сходство свойств соединений скандия со свойствами гипотетического экабора заметил не Нильсон, а другой шведский химик – Пер Теодор Клеве, тоже специализировавшийся по редкоземельным элементам, так что за эмпирическую проверку теоретических построений Дмитрия Ивановича благодарить нам нужно двух человек – Нильсона и Клеве. От открытия оксида скандия до выделения чистого металлического скандия прошло более восьмидесяти лет – оксид скандия отличается химической инертностью, в образцах солей и оксидов скандия могут встречаться примеси других редкоземельных элементов. Всё это привело к тому, что первые 450 грамм чистого металлического скандия были выделены только в 1960 году.

Будучи первым d-элементом, скандий достаточно сильно отличается от других d-элементов химическими свойствами тем, что для него не характерно разнообразие валентных состояний и степеней окисления переходных металлов, говоря точнее – как и у бор, по свойствам которого предсказывал свойства скандия Менделеев, скандий может быть в своих соединениях только трёхвалентным.