И как же запомнить все 118 элементов?
Это долгое время было сложным вопросом. Над проблемой, как упорядочить элементы, бились лучшие умы. У кого-то получалась стройная картинка, у других выходили винтовые лестницы и другие фигуры. Давно было замечено, что свойства элементов повторяются с ростом атомной массы, есть некая зависимость и цикличность. Один из ученых смог создать таблицу, но в качестве главного свойства взял валентность и при проверке все рассыпалось. А он так близко был к решению задачи.
Что такое «валентность»?
Свойство элементов вступать в связи, создавать вещества. Если просто, то со сколькими другими атомами этот элемент может образовывать соединения. В электронных облаках вокруг ядра есть области меньшей плотности, в эти дыры могут залетать электроны другого элемента. И тогда возникает связь между ними. От количества таких «пустых» областей зависит активность того или иного элемента. Но не забывайте, что в наших статьях мы стараемся все упрощать. Сейчас химики не любят слово валентность, но используя его легче запомнить сколько потенциальных связей может установить элемент.
И так, что там химик Менделеев?
Вообще, Дмитрий Иванович не был химиком в нашем понимании. Он был ученым, специалистом в разных областях, он придумал транспортировку нефти по трубопроводу. Считается, что он изобрел русскую водку. Это не совсем правда. Бухали и до него. Ему приписывается оптимальная крепость напитка в 40 градусов. Менделеев почти двадцать лет искал способ классификации элементов, раскладывая карточки с их именами то так, то эдак. Есть легенда, что таблица приснилась ему во сне. Когда десятки лет обдумываешь загадку, еще не то приснится.
И ему удалось все поставить на свои места?
И да и нет. Дело в том, что в 1869 году были известны только 63 элемента и в таблице оставались пустые места, а некоторые элементы не хотели вписываться в свои ячейки. Таблица получилась наглядной, учитывала множество характеристик, и доказала периодичность свойств элементов. Мало того, с развитием науки были обнаружены новые элементы. Они встали на места, зарезервированные ученым, и имели те свойства, которые он предсказал. А некоторым элементам Менделеев изменил ошибочные атомные массы, например урану. И оказался прав!
И как пользоваться такой таблицей?
Со времен Менделеева она претерпела изменения, но главная идея - периодичность свойств осталась неизменной. По вертикальным колонкам расположены группы элементов, которые обладают похожими свойствами, по горизонтали сами «периоды». От щелочных металлов до «благородных газов». Удивительно, но имеющие разные атомные массы элементы так похожи! Многие слышали о натрии и калии? Они образуют похожие соединения, их химические свойства почти одинаковы, несмотря на то, что их атомные массы различаются намного. Та же история и в правой таблице фтор и хлор однотипные газы.
Как он смог это установить?
Мы знаем, что свойства химического элемента полностью зависят от строения его атома, а 150 лет назад об этом не знали. Все это результат смекалки и десятилетий упорного труда.
Таблица какая-то рваная в ней есть дырки и отдельные блоки снизу.
В природе нет ничего идеального. Даже в нижних блоках есть своя периодичность, например уменьшение электронной оболочки и уровень ионизации. Лантаноиды и актиноиды вынесли в нижний ряд, чтобы сделать таблицу компактнее. Даже в том, что таблица становится шире есть своя периодичность, это повторяется и в соседнем ряду.
На самом деле, немецкий физик Иоганн Вольфганг Доберейнер заметил особенности группирования элементов еще в 1817 году. В те дни химики еще не полностью поняли природу атомов, описанную Джона Дальтона в 1808 году. В своей «новой системе химической философии» Дальтон объяснил химические реакции, предполагая, что каждое элементарное вещество состоит из атома определенного типа.
Дальтон предположил, что химические реакции производили новые вещества, когда атомы разъединяются или соединяются. Он полагал, что любой элемент состоит исключительно из одного вида атома, который отличается от других по весу. Атомы кислорода весили в восемь раз больше, чем атомы водорода. Дальтон считал, что атомы углерода в шесть раз тяжелее водорода. Когда элементы объединяются для создания новых веществ, количество реагирующих веществ может быть рассчитано с учетом этих атомных весов.
Дальтон ошибался насчет некоторых масс – кислород в действительности в 16 раз тяжелее водорода, а углерод в 12 раз тяжелее водорода. Но его теория сделала идею об атомах полезной, вдохновив революцию в химии. Точное измерение атомной массы стало основной проблемой химиков на последующие десятилетия.
Размышляя об этих весах, Доберейнер отметил, что определенные наборы из трех элементов (он назвал их триадами) показывают интересную связь. Бром, например, имел атомную массу где-то между массами хлора и йода, и все эти три элемента демонстрировали сходное химическое поведение. Литий, натрий и калий также были триадой.
Другие химики заметили связи между атомными массами и , но лишь в 1860-х годах атомные массы стали достаточно хорошо поняты и измерены, чтобы выработалось более глубокое понимание. Английский химик Джон Ньюландс заметил, что расположение известных элементов в порядке увеличения атомной массы приводило к повторению химических свойств каждого восьмого элемента. Эту модель он назвал «законом октав» в статье 1865 года. Но модель Ньюландса не очень хорошо держалась после первых двух октав, что заставило критиков предложить ему расставить элементы в алфавитном порядке. И как вскоре понял Менделеев, отношение свойств элементов и атомных масс были чуть более сложными.
Организация химических элементов
Менделеев родился в Тобольске, в Сибири, в 1834 году и был семнадцатым ребенком у своих родителей. Он жил яркой жизнью, преследуя разные интересы и путешествуя по дороге к выдающимся людям. Во время получения высшего образования в педагогическом институте в Санкт-Петербурге он чуть не умер от тяжелой болезни. После окончания он преподавал в средних школах (это нужно было, чтобы получать жалование в институте), попутно изучая математику и естественные науки для получения степени магистра.
Затем он работал преподавателем и лектором (и писал научные работы), пока не получил стипендию для расширенного тура исследований в лучших химических лабораториях Европы.
Вернувшись в Санкт-Петербург, он оказался без работы, поэтому написал превосходное руководство по в надежде выиграть крупный денежный приз. В 1862 году это принесло ему премию Демидова. Также он работал редактором, переводчиком и консультантом в различных химических сферах. В 1865 году он вернулся к исследованиям, получил доктора наук и стал профессором Петербургского университета.
Вскоре после этого Менделеев начал преподавать неорганическую химию. Готовясь освоить это новое (для него) поле, он остался неудовлетворен доступными учебниками. Поэтому решил написать собственный. Организация текста требовала организации элементов, поэтому вопрос их наилучшего расположения непрестанно был у него на уме.
К началу 1869 года Менделеев добился достаточного прогресса, чтобы понять, что некоторые группы подобных элементов демонстрировали регулярное увеличение атомных масс; другие элементы с примерно одинаковыми атомными массами имели схожие свойства. Оказалось, что упорядочение элементов по их атомному весу было ключом к их классификации.
Периодическая таблица Д. Менелеева.
По собственным словам Менделеева, он структурировал свое мышление, записав каждый из 63 известных тогда элементов на отдельной карточке. Затем, посредством своего рода игры в химический пасьянс, он нашел закономерность, которую искал. Располагая карточки в вертикальных столбцах с атомными массами от низкой к более высокой, он разместил элементы со схожими свойствами в каждом горизонтальном ряд. Периодическая таблица Менделеева родилась. Он набросал черновую версию 1 марта, отправил ее в печать и включил в свой учебник, который скоро должен был быть опубликован. Также он быстро подготовил работу для представления Российскому химическому обществу.
«Элементы, упорядоченные по размерам их атомных масс, показывают четкие периодические свойства», писал Менделеев в своей работе. «Все сравнения, которые я провел, привели меня к выводу, что размер атомной массы определяет природу элементов».
Тем временем, немецкий химик Лотар Мейер также работал над организацией элементов. Он подготовил таблицу, похожую на менделеевскую, возможно, даже раньше, чем Менделеев. Но Менделеев издал свою первым.
Тем не менее, гораздо более важным, чем победа над Мейером, было то, как Менделеев использовал свою таблицу, чтобы сделать о неоткрытых элементах. В подготовке свой таблицы Менделеев заметил, что некоторых карточек недоставало. Он должен был оставить пустые места, чтобы известные элементы могли выровняться правильно. Еще при его жизни три пустых места были заполнены ранее неизвестными элементами: галлий, скандий и германий.
Менделеев не только предсказал существование этих элементов, но также правильно описал их свойства в подробностях. Галлий, например, открытый в 1875 году, имел атомную массу 69,9 и плотность в шесть раз превышающую воды. Менделеев предсказал этот элемент (он назвал его экаалюминий), только по этой плотности и атомной массе 68. Его прогнозы для экакремния близко соответствовали германию (открытому в 1886 году) по атомной массе (72 предсказано, 72,3 фактически) и плотности. Он также верно предсказал плотность германиевых соединений с кислородом и хлором.
Таблица Менделеева стала пророческой. Казалось, что в конце этой игры этот пасьян из элементов раскроет . При этом сам Менделеев был мастером в использовании своей же таблицы.
Успешные предсказания Менделеева принесли ему легендарный статус мастера химического волшебства. Но сегодня историки спорят о том, закрепило ли открытие предсказанных элементов принятие его периодического закона. Принятие закона могло быть в большей степени связано с его способностью объяснять установленные химические связи. В любом случае, прогностическая точность Менделеева, безусловно, привлекла внимание к достоинствам его таблицы.
К 1890-м годам химики широко признали его закон как веху в химическом познании. В 1900-м году будущий нобелевский лауреат по химии Уильям Рамсей назвал это «величайшим обобщением, которое когда-либо проводилось в химии». И Менделеев сделал это, сам не понимая как.
Математическая карта
Во многих случаях в истории науки великие предсказания, основанные на новых уравнениях, оказывались верными. Каким-то образом математика раскрывает некоторые природные секреты, прежде чем экспериментаторы их обнаружат. Один из примеров - антиматерия, другой - расширение Вселенной. В случае Менделеева, предсказания новых элементов возникли без какой-либо творческой математики. Но на самом деле Менделеев открыл глубокую математическую карту природы, поскольку его таблица отражала значение , математических правил, управляющих атомной архитектурой.
В своей книге Менделеев отметил, что «внутренние различия материи, которую составляют атомы», могут быть ответственны за периодически повторяющиеся свойства элементов. Но он не придерживался этой линии мышления. По сути, многие годы он размышлял о том, насколько важна атомная теория для его таблицы.
Но другие смогли прочитать внутреннее послание таблицы. В 1888 году немецкий химик Йоханнес Вислицен объявил, что периодичность свойств элементов, упорядоченных по массе, указывает на то, что атомы состоят из регулярных групп более мелких частиц. Таким образом, в некотором смысле таблица Менделеева действительно предвидела (и предоставила доказательства) сложную внутреннюю структуру атомов, в то время как никто не имел ни малейшего представления о том, как на самом деле выглядел атом или имел ли он какую-нибудь внутреннюю структуру вовсе.
К моменту смерти Менделеева в 1907 году ученые знали, что атомы делятся на части: , плюс некоторый положительно заряженный компонент, делающий атомы электрически нейтральными. Ключом к тому, как эти части выстраиваются, стало открытие 1911 года, когда физик Эрнест Резерфорд, работающий в Манчестерском университете в Англии, обнаружил атомное ядро. Вскоре после этого Генри Мозли, работавший с Резерфордом, продемонстрировал, что количество положительного заряда в ядре (число протонов, которое он содержит, или его «атомное число») определяет правильный порядок элементов в периодической таблице.
Генри Мозли.
Атомная масса была тесно связана с атомным числом Мозли - достаточно тесно, чтобы упорядочение элементов по массе только в нескольких местах отличалось от упорядочения по числу. Менделеев настаивал на том, что эти массы были неправильными и нуждались в повторном измерении, и в некоторых случаях оказался прав. Осталось несколько расхождений, но атомное число Мозли прекрасно легло в таблицу.
Примерно в то же время датский физик Нильс Бор понял, что квантовая теория определяет расположение электронов, окружающих ядро, и что самые дальние электроны определяют химические свойства элемента.
Подобные расположения внешних электронов будут периодически повторяться, объясняя закономерности, которые первоначально выявила таблица Менделеева. Бор создал свою собственную версию таблицы в 1922 году, основываясь на экспериментальных измерениях энергий электронов (наряду с некоторыми подсказками из периодического закона).
Таблица Бора добавила элементы, открытые с 1869 года, но это был тот же периодической порядок, открытый Менделеевым. Не имея ни малейшего представления о , Менделеев создал таблицу, отражающую атомную архитектуру, которую диктовала квантовая физика.
Новая таблица Бора не стала ни первым, ни последним вариантом изначального дизайна Менделеева. Сотни версий периодической таблицы с тех пор были разработаны и опубликованы. Современная форма - в горизонтальном дизайне в отличие от первоначальной вертикальной версии Менделеева - стала широко популярной только после Второй мировой войны, во многом благодаря работе американского химика Гленна Сиборга.
Сиборг и его коллеги создали несколько новых элементов синтетически, с атомными числами после урана, последнего природного элемента в таблице. Сиборг увидел, что эти элементы, трансурановые (плюс три элемента, предшествовавшие урану), требовали новой строки в таблице, которую не предвидел Менделеев. Таблица Сиборга добавила строку для тех элементов под аналогичным рядом редкоземельных элементов, которым тоже не было места в таблице.
Вклад Сиборг в химию принес ему честь назвать собственный элемент - сиборгий с номером 106. Это один из нескольких элементов, названных в честь известных ученых. И в этом списке, конечно, есть элемент 101, открытый Сиборгом и его коллегами в 1955 году и названный менделевием - в честь химика, который прежде всех остальных заслужил место в периодической таблице.
Заходите на наш канал с новостями , если хотите больше подобных историй.
Периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым в ходе работы над текстом учебника «Основы химии», когда он столкнулся с трудностями систематизации фактического материала. К середине февраля 1869 г., обдумывая структуру учебника, ученый постепенно пришел к выводу, что свойства простых веществ и атомные массы элементов связывает некая закономерность.
Открытие периодической таблицы элементов было совершено не случайно, это был результат огромного труда, длительной и кропотливой работы, которая была затрачена и самим Дмитрием Ивановичем, и множеством химиков из числа его предшественников и современников. «Когда я стал окончательно оформлять мою классификацию элементов, я написал на отдельных карточках каждый элемент и его соединения, и затем, расположив их в порядке групп и рядов, получил первую наглядную таблицу периодического закона. Но это был лишь заключительный аккорд, итог всего предыдущего труда…» - говорил ученый. Менделеев подчеркивал, что его открытие было итогом, завершившим собой двадцатилетнее размышление о связях между элементами, обдумывание со всех сторон взаимоотношений элементов.
17 февраля (1 марта) рукопись статьи, содержащая таблицу под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», была закончена и сдана в печать с пометками для наборщиков и с датой «17 февраля 1869 г.». Сообщение об открытии Менделеева было сделано редактором «Русского химического общества» профессором Н.А. Меншуткиным на заседании общества 22 февраля (6 марта) 1869 г. Сам Менделеев на заседании не присутствовал, так как в это время по заданию Вольного экономического общества обследовал сыроварни Тверской и Новгородской губерний.
В первом варианте системы элементы были расставлены ученым по девятнадцати горизонтальным рядам и по шести вертикальным столбцам. 17 февраля (1 марта) открытие периодического закона отнюдь не завершилось, а только началось. Его разработку и углубление Дмитрий Иванович продолжал еще в течение почти трех лет. В 1870 г. Менделеев в «Основах химии» опубликовал второй вариант системы («Естественную систему элементов»): горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп; шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинавшиеся щелочным металлом и заканчивающиеся галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.
Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определенного количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две - атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеев исправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими, оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы.
В 1871 г. на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.
Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований. В то время, когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы еще не были известны. В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились; все три ожидаемых элемента были открыты (Ga, Sc, Ge), что было величайшим триумфом периодического закона.
СТАТЬЯ «МЕНДЕЛЕЕВ»
Менделеев (Дмитрий Иванович) - проф., род. в Тобольске, 27 января 1834 г.). Отец его, Иван Павлович, директор тобольской гимназии, вскоре ослеп и умер. Менделеев, десятилетним мальчиком, остался на попечении своей матери, Марии Дмитриевны, урожденной Корнильевой, женщины выдающегося ума и пользовавшейся общим почетом в местном интеллигентном обществе. Детство и гимназические годы М. проходят в обстановке, благоприятной для образования самобытного и независимого характера: мать была сторонницей свободного пробуждения природного призвания. Любовь к чтению и изучению ясно выразилась в М. только по окончании гимназического курса, когда мать, решив направить своего сына к науке,вывезла его 15-летним мальчиком из Сибири сначала в Москву, а затем через год в Петербург, где и поместила в педагогический институт… В институте началось настоящее, всепоглощающее штудирование всех отраслей положительной науки… По окончании курса в институте, вследствие пошатнувшегося здоровья, уехал в Крым и был определен учителем гимназии, сначала в Симферополе, затем в Одессе. Но уже в 1856г. он опять вернулся в Петербург, поступил приват-доцентом в СПб. унив. и защитил диссертацию «Об удельных объемах», на степень магистра химии и физики… В 1859 г. М. был командирован за границу… В 1861 г. М. снова вступил приват-доцентом в Спб. университет. Вскоре затем опубликовал курс «Органической химии» и статью «О пределе СnН2n+ углеводородов». В 1863 г. М. был определен профессором CПб. технологического института и в течение нескольких лет много занимался вопросами техники: ездил на Кавказ для изучения нефти около Баку, производил сельскохозяйственные опыты Имп. Вольного экономического общества, издавал технические руководства и т. п. В 1865 г. производил исследования растворов спирта по их удельному весу, что послужило предметом докторской диссертации, которую и защищал в следующем году. Профессором СПб. унив. по кафедре химии М. был избран и определен в 1866 г. С тех пор научная его деятельность принимает такие размеры и разнообразие, что в кратком очерке можно указать только на важнейшие труды. В 1868 - 1870 гг. он пишет свои «Основы химии», где впервые проводится принцип его периодической системы элементов, давшей возможность предвидеть существование новых, еще неоткрытых элементов и с точностью предсказать свойства как их самих, так и их разнообразнейших соединений. В 1871 - 1875 гг. занимается исследованием упругости и расширения газов и публикует свое сочинение «Об упругости газов». В 1876 г. по поручению правительства едет в Пенсильванию для осмотра нефтяных американских месторождений и затем несколько раз на Кавказ для изучения экономических условий нефтяного производства и условий добычи нефти, повлекших за собой широкое развитие нефтяной промышленности в России; сам занимается исследованием нефтяных углеводородов, обо всем публикует несколько сочинений и в них разбирает вопрос о происхождении нефти. Приблизительно тогда же занимается вопросами, относящимися к воздухоплаванию и сопротивлению жидкостей, сопровождая свои изучения публикацией отдельных сочинений. В 80-х гг. он снова обращается к изучению растворов, результатом чего появилось соч. «Исследование водных растворов по удельному весу», выводы которого нашли столько последователей среди химиков всех стран. В 1887 г., во время полного солнечного затмения, поднимается один на аэростате в Клину, сам производит рискованную поправку клапанов, делает шар послушным и заносит в летописи этого явления все, что удалось заметить. В 1888 г. изучает на месте экономические условия Донецкой каменноугольной области. В 1890 г. М. прекратил чтение своего курса неорганической химии в СПб. университете. Другие обширные экономические и государственные задачи с этого времени начинают особенно занимать его. Назначенный членом совета торговли и мануфактур, принимает самое деятельное участие в выработке и систематическом проведении покровительственного для русской обрабатывающей промышленности тарифа и публикует сочинение «Толковый тариф 1890 г.», трактующее по всем статьям, почему для России наступила необходимость такого покровительства. Одновременно он привлекается военным и морским министерствами к вопросу о перевооружении русской армии и флота для выработки типа бездымного пороха и после командировки в Англию и Францию, которые тогда уже имели свой порох, назначается в1891 г. консультантом при управляющем морским министерством по пороховым вопросам и, работая вместе со служащими (своими бывшими учениками) в научно-технической лаборатории морского ведомства, открытой специально ради изучения означенного вопроса, уже в самом начале 1892 г. указывает требующийся тип бездымного пороха, названного пироколлодийным, универсального и легко приспособляемого ко всяким огнестрельным орудиям. С открытием в министерстве финансов палаты мер и весов, в 1893 г., определяется в ней ученым хранителем мер и весов и начинает издание «Временника», в котором публикуются все измерительные исследования, производимые в палате. Чуткий и отзывчивый ко всяким научным вопросам первостепенной важности, М. также живо интересовался и другими явлениями текущей общественной русской жизни, и везде, где возможно, сказал свое слово… С 1880 г. он начал интересоваться художественным миром, особенно русским, собирает художественные коллекции и т. п., а в 1894 г. избирается действительным членом Имп.академии художеств... Первостепенной важности разнообразные научные вопросы, бывшие предметом изучения М., по своей многочисленности не могут быть здесь перечислены. Он написал до 140 работ, статей и книг. Но время для оценки исторического значения этих трудов еще не наступило, и М., будем надеяться, еще долго не перестанет исследовать и высказывать свое мощное слово по вновь возникающим вопросам, как науки, так и жизни...
РУССКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО
Русское химическое общество - научная организация, основанная при Санкт-Петербургском университете в 1868 г. и представлявшая собой добровольное объединение российских химиков.
О необходимости создания Общества было заявлено на 1-м Съезде русских естествоиспытателей и врачей, состоявшемся в Санкт-Петербурге в конце декабря 1867 - начале января 1868 г. На Съезде было оглашено решение участников Химической секции:
«Химическая секция заявила единодушное желание соединиться в Химическое общество для общения уже сложившихся сил русских химиков. Секция полагает, что это общество будет иметь членов во всех городах России, и что его издание будет включать труды всех русских химиков, печатаемые на русском языке».
К этому времени уже были учреждены химические общества в нескольких европейских странах: Лондонское химическое общество (1841), Химическое общество Франции (1857), Немецкое химическое общество (1867); Американское химическое общество было основано в 1876 г.
Устав Русского химического общества, составленный в основном Д.И. Менделеевым, был утвержден Министерством народного просвещения 26 октября 1868 г., а первое заседание Общества состоялось 6 ноября 1868 г. Первоначально в его состав вошли 35 химиков из Петербурга, Казани, Москвы, Варшавы, Киева, Харькова и Одессы. В первый год своего существования РХО выросло с 35 до 60 членов и продолжало плавно расти в последующие годы (129 - в 1879 г., 237 - в 1889 г., 293 - в 1899 г., 364 - в 1909 г., 565 - в 1917 г.).
В 1869 г. у РХО появился собственный печатный орган - «Журнал Русского химического общества» (ЖРХО); журнал выходил 9 раз в год (ежемесячно, кроме летних месяцев).
В 1878 г. РХО объединилось с Русским физическим обществом (основано в 1872 г.) в Русское физико-химическое общество. Первыми Президентами РФХО были А.М. Бутлеров (в 1878-1882 гг.) и Д.И. Менделеев (в 1883-1887 гг.). В связи с объединением с 1879 г. (с 11-го тома) «Журнал Русского химического общества» был переименован в «Журнал Русского физико-химического общества». Периодичность издания составляла 10 номеров в год; журнал состоял из двух частей - химической (ЖРХО) и физической (ЖРФО).
На страницах ЖРХО впервые были напечатаны многие труды классиков русской химии. Можно особо отметить работы Д.И. Менделеева по созданию и развитию периодической системы элементов и А.М. Бутлерова, связанные с разработкой его теории строения органических соединений… За период с 1869 по 1930 г. в ЖРХО было опубликовано 5067 оригинальных химических исследований, печатались также рефераты и обзорные статьи по отдельным вопросам химии, переводы наиболее интересных работ из иностранных журналов.
РФХО стало учредителем Менделеевских съездов по общей и прикладной химии; три первых съезда прошли в С.-Петербурге в 1907, 1911 и 1922 гг. В 1919 г. издание ЖРФХО было приостановлено и возобновлено лишь в 1924 г.
В России скажут, что таблицу Менделеева изобрел, конечно, Менделеев. Приятно видеть в соотечественниках таких первооткрывателей и первопроходцев, как И.И.Ползунов, Д.И.Менделеев, А.С.Попов, К.Э.Циолковский, С.П.Королев, Ю.А.Гагарин. Однако, на Западе почему-то фигурируют другие имена...
Д.И.Менделеев опубликовал свою первую схему периодической таблицы в 1869 г. в статье "Соотношение свойств и атомных весов элементов", извещение об открытии было разослано в феврале 1869 г. Сам Д.И.Менделеев дал следующую формулировку:
"Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса".
Таким образом, по мнению историков, в том числе, отечественных, сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. А также отличием работы Менделеева от работ его предшественников считают то, что основ для классификации элементов была не одна, а две - атомная масса и химическое свойство.
Однако, давайте посмотрим, как обстояло дело с сущностью у предшественников.
Немецкий химик И.В.Дёберейнер (1780-1849) впервые установил закономерности изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных весов: атомный вес среднего элемента в триаде равен среднему арифметическому атомных весов первого и третьего элементов триады. Первая такая закономерность была обнаружена им в 1817 г. для кальция, стронция и бария, позже - для других триад. Но это и есть периодическое повторение свойств химических элементов в зависимости от их атомного веса, т.е. формально все то, что есть у Д.И.Менделеева.
Официально Дёберейнер опубликовал свой "закон триад" в 1829 г. Другое дело, что триад, как и самих известных элементов, было тогда маловато, поэтому историки осторожно формулируют так: закон триад Дёберейнера подготовил почву для систематизации элементов, завершившейся созданием периодического закона. Что ж, почва - это тоже немало!
Вот таблица Дёберейнера.
Не густо. Если бы было бы известно в те времена больше элементов и их атомных весов, то Дёберейнер, несомненно, догадался бы о большем.
Французский геолог и химик А.Э.Шанкуртуа (1820-1886) в 1862 г. предложил систематизацию, основанную на закономерном изменении атомных масс. Он отметил элементы точками на поверхности цилиндра. Элементы, атомные веса которых отличались на 16 или на кратное 16, располагались на одной вертикали, на которой шло и совпадение других свойств. Работа осталась незамеченной, о ней вспомнили только после открытия Д.И.Менделеевым Периодического закона. Винтовой график на цилиндре точнее отражает последовательность свойств, а на плоской таблице Менделеева единая линия рвется.
Вот еще впечатляющая периодическая система Шанкуртуа в виде спирали.
Английский химик Д.А.Ньюлендерс (1837-1898) составил таблицу, в которой расположил все известные химические элементы в порядке увеличения их атомных весов. В статье от 20 августа 1864 г. впервые в истории им была прямо высказана идея о периодичности изменения свойств химических элементов. Хотя предшественники Ньюлендерса не упирали на периодичность, но возможно, лишь потому, что она и так была очевидна в их схемах.
18 августа 1865 г. Ньюлендерс опубликовал новую таблицу химических элементов, назвав ее "законом октав". 1 марта 1866 г. Ньюлендерс сделал доклад "Закон октав и причины химических отношений среди атомных весов" на заседании Лондонского химического общества. К сожалению, доклад не вызвал интереса, так как и без Ньюлендерса было много попыток поиска закономерностей среди атомных весов элементов.
Немецкий химик Ю.Л.Мейер (1830-1895) В 1864 г. опубликовал таблицу из 28 элементов, размещенных в 6 столбцов согласно их валентности. Хотя валентность и атомная масса - разные вещи, но из-за их связи таблица все равно получилась по весам, причем в таблице прямо указаны массы.
В декабре 1869 г. Мейер написал и в 1870 г. опубликовал работу "Природа элементов как функция их атомного веса". Таблица Мейера 1870 г. в некоторых отношениях совершеннее первого варианта таблицы Менделеева, но существенно, что дата на год позже.
В те времена отсутствовал не только Интернет, но телевидение и радио. Обмен информацией происходил не быстро. Даже в наше время ученые часто не знают об открытиях коллег и делают их независимо. Анекдотичен случай с великим К.Э.Циолковским и его кинетической теорией газов, на которую тот же Д.И.Менделеев написал Циолковскому убийственный ответ: кинетическая теория газов открыта 25 лет назад.
Во всяком случае, Лондонское королевское общество признало равные права и в 1882 г. присудило золотые медали Менделееву и Мейеру "за открытие периодических соотношений атомных весов". С такой формулировкой вполне можно было наградить еще десяток человек.
Поэтому весьма странно категорическое заявление Д.И.Менделеева: "г.Майер раньше меня не имел периодического закона, а после меня ничего нового к нему не добавил". Вот так! Ничем делиться не собираюсь.
А при указанной формулировке делиться с Мейером нечем. Из формально заявленной сущности открытия Д.И.Менделееву не принадлежит ровно ничего. Задолго до него и до Мейера десяток известных химиков и, наверное, тысячи энтузиастов классифицировали химические элементы согласно их свойствам и по возрастанию атомного веса, кто-то более успешно, кто-то - менее. Новизна работы Д.И.Менделеева оказалась никак не выделена.
Более того, в начале XX века с открытием строения атома было установлено, что периодичность изменения свойств химических элементов определяется не атомным весом, а зарядом ядра. Таким образом был поставлен жирный крест на атомном весе, который, как выяснилось, зависит еще от количества нейтронов и потому никак не может быть определяющим.
Что же тогда получается? Вообще, не было никакого открытия? А были сплошные заблуждения, которые постепенно рассеивались огромным множеством исследователей? Может быть, и так. На истории химии прекрасно видно, как фактический материал от тех, кто колдует с пробирками, постепенно приводит к новым выводам, теоретики в некотором роде выполняют волю этого материала.
Если кто-то сделал новый небольшой вывод, то это не значит, что он гениальнее предшественников. Просто пришло время очередного вывода...
И все же есть во всей этой истории с таблицей Менделеева поворотный момент, которым вправе гордиться Д.И.Менделеев и вся Россия. Его скромно называют особенностью таблицы Менделеева, но, по-моему, в этом самая великая суть: Менделеев оставил дырки в своей таблице! Вот в чем главная заслуга Менделеева, а не в том, о чем заявил сам Д.И.Менделеев и чего вдоволь было у его предшественников.
Много ли пользы от дырок? Смотря каких! Благодаря этим дыркам, таблица Д.И.Менделеева превратилась в мощнейший инструмент научного поиска и развития всей химической науки. Теперь стало ясно, где и что надо искать! Поэтому за дырки надо было медали давать! Правда, еще надо поискать смельчаков, которые решились бы публично восхвалять пустое место.
Впрочем, стало ясно не сразу. Поначалу Д.И.Менделеев не придавал большого значения своей таблице. В ту пору только не ленивый не переставлял подобно ребенку кубики с названиями химических элементов. Для серьезного ученого это было более чем сомнительным занятием.
Нельзя сказать, что порядок среди элементов не нужен. Но одно дело работать с колбами, у станка или в поле, и совсем другое - конторские подсчеты, несулящие никакой пользы.
Это мы сейчас знаем, что дырки Менделеева были гениальными. А сначала они были неуместным аппендиксом, прямым признанием несостоятельности таблицы. Придумывать всякие фантастические материи и пространства, чтобы залатать прорехи в какой-нибудь свежеиспеченной теории, - это плохой тон для серьезной практической науки.
Благодаря своим дыркам, Д.И.Менделеев предсказал обнаружение ряда неизвестных тогда химических элементов, но мало ли вообще на свете предсказателей! Конец света без устали предсказывают, а это поважнее, чем как-то элемент, встречающийся в микроскопических дозах.
Предсказанные элементы могли не найтись. Собственно, никаких доказательств у Д.И.Менделеева не было. И что тогда? Забыли бы, как массу иных предсказаний. Например, считали, что между орбитами Марса и Юпитера некогда существовала планета Фаэтон, но сейчас уверяют, что ее там никогда не было. Считали, что есть теплород, но тоже не оказалось.
Тогда с какой стати должны найтись промежуточные элементы? Мало ли что там задумали Бог или матушка-природа! Нет, и все! И можно жаловаться хоть в спортлото.
Но нашлись промежуточные элементы! Не сразу, но нашлись. Через шесть лет в 1875 г. обнаружили предсказанный галлий, а в 1879 г. скандий. Одну находку можно было счесть случайной. Но после второго сюрприза скептическая научная общественность запела совсем другим голосом и аж на золотые медали расщедрилась. Действительно, не часто предсказания сбываются.
В 1885 г. был открыт предсказанный германий, а дальше пошло-поехало.
Тут уж Д.И.Менделеев осмелел! В споре за первенство с Мейером, наш соотечественник прямо, доходчиво и без признаков скромности заявил:
"По праву творцом научной идеи должно того считать, кто понял не только философскую, но и практическую сторону дела, сумел так его поставить, что в новой истине все могли убедиться и она стала всеобщим достоянием".
Вот так! Дело, оказывается, не в периодичности, а в практической стороне дела.
Правда, сам Дмитрий Иванович "понял" это далеко не сразу, а гораздо позже, когда больше другие "сумели поставить" "практическую сторону дела". Но это уже не так важно. Главное, что путь к "всеобщему достоянию" был открыт. И лежал этот путь через дырки. Наверное, никогда не было в истории и уже не будет таких величайших и плодотворнейших дырок!
Как всё начиналось?
Многие известные именитые химики на рубеже XIX-XX веков уже давно заметили, что физические и химические свойства многих химических элементов очень похожи друг на друга. Так например Калий, Литий и Натрий - все являются активными металлами, которые при взаимодействии с водой образают активные гидроксиды этих металлов; Хлор, Фтор, Бром в своих соединениях с водородом проявляли одинаковую валентность равную I и все эти соединения являются сильными кислотами. Из этой похожести давно напрашивался вывод, что все известные химические элементы можно объединить в группы, причём так чтобы у элементов каждой группы был определённый набор физико-химических характеристик. Однако часто такие группы были неверно составлены из разных элементов различными учёными и долгое время многими игнорировалась одна из главных характеристик элементов - это их атомная масса. Игнорировалась она потому, что была и есть разная у различных элементов, а значит её не могли использовать в качестве параметра для объединения в группы. Исключение составил лишь франзуский химик Александр Эмиль Шанкуртуа, он попытался расположить все элементы в трёхмерной модели по винтовой линии, но его работа не была признана научным сообществом, а модель получилась громоздкая и неудобная.
В отличие от многих учёных, Д.И. Менделеев взял атомную массу (в те времена ещё "Атомный вес") как ключевой параметр при классификации элементов. В своём варианте Дмитрий Иванович расположил элементы по возрастанию их атомных весов и вот тут обозначилась закономерность, что через определённые промежутки элементов их свойства периодически повторяются. Правда пришлось сделать и исключения: некоторые элементы были поменяны местами и не соответствовали возрастанию атомных масс (например, теллур и йод), но зато соответствовали свойствам элементов. Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения оправдало такие подвижки и показало справедливость этой расстановки. Подробнее об этом вы можете прочесть в статье "В чём открытие Менделеева"
Как мы можем видеть, расположение элементов в этом варианте совсем не такое, какое мы видим в совремнном виде. Во первых, группы и периоды поменяны местами: группы по горизонтали, периоды по вертикали, а во-вторых, самих групп в нём как-то многовато - девятнадцать, вместо принятых на сегодня восемнадцати.
Однако, спустя всего год, в 1870-м Менделеев сформировал новый вариант таблицы, который уже более узнаваем нами: подобные элементы выстроены по вертикали, образуя группы, а 6 периодов расположены по горизонтали. Особенно примечательно то, что и в первом и во втором варианте таблицы виднеются существенные достижения, коих не было у его предшественников: в таблице заботливо оставлены места под элементы которые, по мнению Менделеева, ещё предстояло открыть. Соответствующие вакантные места обозначены им знаком вопроса и вы можете видеть их на рисунке выше. В дальнейшем были действительно открыты соответствующие элементы: Галий, Германий, Скандий. Таким образом Дмитрий Иванович не только систематезировал элементы в группы и периоды, но и предсказал открытие новых, ещё не известных, элементов.
В дальнейшем, после разрешения многих актуальных загадок химии того времени - открытие новых элементов, выделение группы благородных газов совместно с участием Уильяма Рамзая, установления того факта, что Дидимий вовсе не является самостоятельным элементом, а является смесью двух других, - были опубликованы всё новые и новые варианты таблицы, подчас имеющих даже вовсе и не табличный вид. Но не будем приводить здесь их все, а приведём лишь конечный вариант, сформировавшийся ещё при жизни великого учёного.
Переход от атомных весов к заряду ядра.
К сожалению, Дмитрий Иванович не дожил до планетарной теории строения атома и не видел триумф опытов Резерфорда, хотя именно с его открытиями начинается новая эпоха в развитии периодического закона и всей периодической системы. Напомню что из опытов, проводимых Эрнестом Резерфордом, следовало, что атомы элементов состоят из положительно-заряженного атомного ядра и обращающихся вокруг ядра отрицательно-заряженных электронов. После определения зарядов атомных ядер всех, известных на тот момент, элементов, выяснилось, что в периодической системе они располагаются в соответствии с зарядом ядра. А периодический закон приобрёл новый смысл, теперь он стал звучать так:
"Свойства химических элементов, а также формы и свойства, образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов"
Теперь стало понятно, почему некоторые более лёгкие элементы были поставлены Менделеевым позади их более тяжёлых предшественников, - всё дело в том, что так они стоят по порядку зарядов их ядра. Например, теллур тяжелее йода, однако стоит в таблице раньше него, ибо заряд ядра его атома и количество электронов равняется 52, а у йода - 53. Можете посмотреть на таблицу и убедиться в этом сами.
После открытия строения атома и атомного ядра, периодическая система претерпевала ещё несколько изменений, пока, наконец, не достигла вида, уже знакомого нам со школы, короткопериодного варианта таблицы Менделеева.
В этой таблице нам знакомо уже всё: 7 периодов, 10 рядов, побочные и главные подгруппы. Также со временем открытия новых элементов и наполнения ими таблицы, пришлось вынести в отдельные ряды элементы подобные Актинию и Лантану, все они соответственно были названы Актиноидами и Лантаноидами. Эта версия системы просуществовала очень долго - в мировом научном сообществе практически до конца 80х, начала 90х, а в нашей стране и того дольше - до 10х годов нынешнего столетия.
Современный вариант таблицы Менделеева.
Однако, тот вариант, которые многие из нас проходили в школе на деле оказывается весьма запутанным, а путаница выражается в разделении подгрупп на главные и побочные и запоминание логики отображения свойств элементов становится достаточно сложным. Конечно, несмотря на это, многие по нему учились, становились докторами химических наук, но всё же в современности ему на смену пришёл новый вариант - длиннопериодный. Отмечу, что именно этот вариант является одобренным IUPAC (международным союзом теоретической и прикладной химии). Давайте взглянем на него.
На смену восьми группам пришли восемнадцать, среди которых нет уже никакого разделения на главные и побочные, а все группы продиктованы расположением электронов в атомной оболочке. Заодно избавились и от двухрядных и однорядных периодов, теперь все периоды содержат только один ряд. Чем же удобен такой вариант? Теперь периодичность свойств элементов просматривается более наглядно. Номер группы, по сути, обозначает количество электронов во внешнем уровне, в связи с чем все главные подгруппы старого варианта расположились в первой, второй и с тринадцатой по восемнадцатую группу, а все "бывшие побочные" группы разместились в середине таблицы. Тем самым теперь из таблицы хорошо видно, что если это первая группа - то это щелочные металлы и никаких вам меди или серебра, и видно, что все транзитные металлы хорошо демонстрируют схожесть их свойств в связи с заполнением d-подуровня, в меньшей степени влияющим на внешние свойства, также как и лантаноиды и актиноиды проявляют подобные свойства по причине разного лишь f-подуровня. Таким образом, вся таблица разбита на следующие блоки: s-блок, на котором заполняются s-электроны, d-блок, p-блок и f-блок, с заполнением d, p, и f-электронов соответственно.
К сожалению, в нашей стране этот вариант включился в школьные учебники лишь в последние 2-3 года, да и то не во все. И очень напрасно. С чем это связано? Ну во-первых, с застойными временами в лихие 90-е, когда в стране не было вообще никакого развития, не говоря уж о сфере образования, а именно в 90е годы мировое химическое сообщество перешло на этот вариант. Во-вторых, с лёгкой инертностью и тяжестью восприятия всего нового, ведь нашим преподавателям привычен именно старый, короткопериодный вариант таблицы, несмотря на то, что при изучении химии он гораздо сложнее и менее удобен.
Расширенный вариант периодической системы.
Но время не стоит на месте, наука и технологии тоже. Уже открыт 118 элемент периодической системы, а значит скоро придётся открывать следующий, восьмой, период таблицы. Кроме того, появится новый энергетический подуровень: g-подуровень. Элементы его составляющие придётся вынести вниз таблицы, подобно лантаноидам или актиноидам, либо расширить эту таблицу ещё в два раза, так что она перестанет помещаться на лист формата A4. Здесь я приведу лишь ссылку на википедию (см. Расширенная периодическая система) и не буду лишний раз повторять описание этого варианта. Кому станет интересно - сможет пройти по ссылке и ознакомиться.
В этом варианте ни f-элементы (лантаноиды и актиноиды) ни g-элементы ("элементы будущего" с №№ 121-128) не вынесены отдельно, а делают таблицу шире на 32 клетки. Также элемент Гелий помещён во вторую группу, так как он входит в s-блок.
В целом, же вряд ли будущие химики будут пользоваться этим вариантом, скорее всего на смену таблице Менделеева придёт одна из альтернатив, которые уже выдвигаются смелыми учёными: система Бенфея, "Химическая галактика" Стьюарта или иной вариант. Но это будет уже только после достижения второго острова стабильности химических элементов и, скорее всего, нужно будет больше для наглядности в ядерной физике, чем в химии, ну а нам пока хватит старой доброй периодической системы Дмитрия Ивановича.
