Никто, однако, не открыл того, что обнаружил гений!
Открытие периодического закона и периодической таблицы Д.И.Менделеева
Содержание
1. Введение
2. «Надстройки» и «Развитие» периодической системы Д.И. Менделеева
4. Заключение
5. Список использованной литературы
Введение
С давних пор человек задавал себе вопросы: из чего состоит окружающий мир? Почему вокруг нас столько самых разнообразных веществ, находящихся в газообразном, жидком, твердом состояниях? Можно ли превращать одни вещества в другие или получать новые, ранее неизвестные? И только около двух столетий назад стало известно, что все многообразие окружающих нас веществ — это результат разнообразных сочетаний сравнительно малого числа химических элементов. Но свойства элементов казались совсем не связанными друг с другом. Многие ученые пытались найти ответы на эти вопросы. Среди ученых имя Дмитрия Ивановича Менделеева - по праву занимает одно из первых мест. Я выбрала именно эту тему для исследовательской работы, так как считаю, что Д.И.Менделеев осуществил множество плодотворных идей и конкретных дел, которые и по сей день приносят огромную пользу науке. Таблица Менделеева служила и до сих пор служит ориентиром в поисках новых элементов и предвидении их свойств.
Надстройки и Развитие периодической системы Менделеева.
Проблема систематизации химических элементов привлекла к себе пристальное внимание в середине XIX в., когда стало ясно, что многообразие окружающих нас веществ является результатом разных сочетаний сравнительно малого числа химических элементов. В хаосе элементов и их соединений великий русский химик Д.И.Менделеев первым навел порядок, создав свою периодическую таблицу элементов. Дневниковая запись Д.И.Менделеева, помеченная 10 июля 1905г., была обнаружена в архиве ученого лишь в конце 1940-х гг. и вскоре опубликована. Он как бы подводит итог своей творческой деятельности. Менделеев, в частности, называет "четыре предмета", которые составили его имя: периодический закон, исследования упругости газов, понимание растворов как ассоциаций и "Основы химии". "По видимости, — утверждал Менделеев, — периодическому закону — будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает..." Эту фразу историки учения о периодичности цитировали множество раз, однако, не ста¬вили цель должным образом раскрыть ее со¬держание. А ведь минуло без малого сто лет с той поры, как эти строки легли на бумагу. Попробуем разобраться, какие "надстройки" и какое "развитие" мог иметь в виду Менделеев. Летом 1905г. он завершал работу над 8-м изданием "Основ химии", последним при его жизни, самым полным по содержанию. Новейшие химические и физические открытия получили в нем отражение и оценку. Периодический закон и система элементов к тому времени были общепризнанны, вошли в учебники и монографии. Менделеев отчетливее, чем кто-либо другой, понимал, что в учении о периодичности еще немало нерешенных проблем и что на пути его развития будут возникать и новые трудности. Одна из них была преодолена еще в 1900г. Она связана с размещением в периодической системе благородных газов. Для этих химически недеятельных элементов в ней выделялась специальная нулевая группа. Менделеев расположил ее в левой части таблицы перед щелочными металлами. Некоторые ученые считали их вообще несовместимыми с периодической системой. Куда более сложной и запутанной оказалась проблема редкоземельных элементов. Невозможно было определить их конечное число, оставалось необъяснимым их исключительное химическое подобие. А, следовательно, и вопрос о размещении их в системе повисал в воздухе. К многочисленным открытиям новых представителей этого семейства элементов Менделеев относился скептически и был прав, ибо большинство, притом подавляющее, подобных открытий на поверку оказались ошибочными. В таблице 8-го издания "Основ химии" он поместил только символы лантана, церия и иттербия, других же возможных "претендентов" удостоил лишь прочерками. "Между Се = 140 и Та = 183 недостает целого большого периода, и ряд редких элементов (изучение их не полно) ... представляет вес атома, как раз восполняющий этот промежуток, а потому в указанном месте периодическая система представляет своего рода разрыв, требующий новых изысканий" — комментировал ситуацию Менделеев. Он всегда придерживался принципа: каждому химическому элементу должно отвечать одно, определенное место в системе, и "редкие земли" не могли состав-лять исключения. Вот почему он весьма прохладно отнесся к идее своего коллеги и друга чешского химика Б. Браунера, предложившего в 1901г. "поместить все редкие металлы около Се, считая их атомный вес от 140 — 183, в особую добавочную группу". Проблема размещения "редких земель" окончательно получила решение в начале 1920-х гг. Но еще в 1914г. немецкий химик Р. Мейер сформулировал идею поместить "элементы редких земель как целое в третью группу системы". В 1925г. норвежский геохимик В. Гольдшмидт ввел термин "лантаниды" для совокупности элементов от церия до лютеция и все, таким образом, встало на свои места. Как существенный изъян периодического закона многие химики конца XIX в. рассматривали так называемые аномалии в последовательности изменения атомных весов некоторых элементов в периодической системе. Дело в том, что в трех парах элементов: кобальт — никель, аргон — калий и теллур — йод атомные веса предыдущих элементов оказывались большими, чем у последующих. Однако поменять эти элементы местами в таблице было невозможно, по¬скольку тем самым существенно подрывалась сама ее структура, нарушался основной принцип периодического закона. Представлялось логичным предположить, что атомные веса названных элементов определены неверно, однако скрупулезные измерения отвергали подобное предположение. Сам же Менделеев относился к проблеме "аномалий" спокойно. Менделеев не упоминает об "аномалии" пары аргон — калий, так как атомный вес аргона еще не был окончательно установлен. Между тем, именно эта аномалия оказывалась наиболее "зловредной" для периодической системы. В 8-м издании "Основ химии" Менделеев считал атомный вес аргона равным 38 (против 39,1 — у калия). В объяснении причин "аномалий" он видел еще одну "надстройку", которая предстояла учению о периодичности. Будущее, однако, не свелось к "усовершенствованию частностей": "аномалии" со-хранились. Они, отнюдь, не подорвали пери¬одического закона. Напротив, их объяснение привело к фундаментальным выводам, касающимся не одной лишь периодичности, а и более глубоких закономерностей материального мира. Поставим вопрос: могло ли в естествен¬ном ряду элементов насчитываться не три "аномалии", а значительно больше? Если придерживаться последовательного увеличения атомных весов, то этот ряд выглядел бы по-другому, а сама констатация явления периодичности не оказалась бы столь очевидной, и едва ли Менделееву в 1869 г. удалось разработать "Опыт системы элементов". Природа, однако, не расщедрилась на дополнительные "аномалии". Чтобы понять, почему именно, придется обратиться к понятию "изобары". Изобарными называются атомы с разными зарядами ядер, но с одинаковыми массами. Существует "железное" правило (правило Щукарева — Маттауха): если заряды ядер атомов двух изобаров различаются на 1, то один из них обязательно радиоактивный. Оно, в частности, объяснило, почему элементы с порядковыми номерами 43 (технеций) и 61 (прометий) не содержатся в природных объектах: они не имеют стабильных изотопов. В ранние периоды формирования Земли на ней существовали все стабильные нуклиды и большое число радиоактивных (в том числе и ряда трансурановых элементов). Те радионуклиды, периоды полураспада которых существенно меньше возраста Земли, давно распались. В конечном счете, они превратились в стабильные нуклиды, что изменило первоначальное содержание последних. В итоге распространенность природных нуклидов стабильных элементов стала такой, какая она в настоящее время. Из "первичных" радионуклидов до нашего времени "дожили" лишь долгоживущие торий-232, уран-235 и уран-238. Они и являются "генераторами" короткоживущих естественных радионуклидов: протактиния, актиния, радия, франция, радона, астата и полония — членов трех радиоактивных семейств. Существуют примерно 280 стабильных нуклидов, при этом около 1 /4 стабильных элементов представлена лишь одной разно¬видностью атомов. Кстати, у всех этих мононуклидных элементов нечетные порядковые номера (исключение — бериллий (Z = 4). Остальные элементы содержат по две (не¬четные элементы) или более разновидностей атомов. При этом процентные содержания изотопов у стабильного элемента различаются, зачастую значительно. А ведь имен¬но это обстоятельство в конечном счете регулирует величину атомного веса. Следовательно правило Щукарева — Маттауха, отражающее объективно существующую закономерность, сыграло сортирующую роль, оставив на Земле жизнеспособные стабильные нуклиды, содержащиеся в строго определенных количествах. Это и способствовало "построению" естественного ряда элементов сообразно последовательности увеличения их атомных весов. Существование же в нем "аномалий" по¬лучило простое объяснение. В каждой паре элементов (кобальт — никель, аргон — калий, теллур — иод) наиболее распространены тяжелые нуклиды предшествующих эле¬ментов. Например, у аргона в преобладающих количествах содержится аргон-40, тогда как у калия — калий-39; потому-то и атомный вес аргона больше. Отсутствие же других "аномальных пар" находит объяснение в том, что процентное содержание нуклидов у соседних элементов более равномерно. Нельзя не упомянуть и следующее обстоятельство: последовательность атомных весов элементов почти идеально совпала с последовательностью их порядковых номеров. Очевидно, Менделеев не мог предвидеть, какое неожиданное развитие получит со временем эта "аномальная" история. Его внимание привлекали другие проблемы, решение которых представлялось ему немало¬важным для "упрочнения периодической законности". Одна из них касалась нижней границы периодической системы. Сформулировать ее можно так: существуют ли элементы легче водорода? В 1902г. Менделеев написал одну из самых неординарных своих работ "Попытка химического понимания мирового эфира". В ней есть такие строки: "Никогда мне в голову не приходило, что именно водородом дол¬жен начинаться ряд элементов, хотя легче его не было и еще поныне между известны¬ми нет ни одного другого элементарного или сложного газа". Так ведь и не имелось никаких серьезных оснований считать, что именно водород должен возглавлять периодическую систему: разве нельзя было до¬пустить существования "предшественников" с атомными весами, меньшими 1? Будучи сторонником гипотезы о мировом эфире, Менделеев развивал идею о его мате¬риальной природе. Он предлагал рассматривать эфир как легчайший инертный химический элемент X и именовать его ньютонием. Для его размещения в системе ученый ввел в ее структуру нулевой период; в него он включил еще один гипотетический элемент Y (короний). Подобная "геометрическая" надстройка на поверку оказалась весьма непрочной. Заблуждением была гипотеза эфира. Тем не менее, идея нулевого периода оказалась живучей: впоследствии ее пытались использовать многие авторы модификаций графического изображения периодической системы. Что касается верхней границы системы, то причину ее "обрыва" на уране Менделеев почти не обсуждал. Во многих таблицах элементов, прилагавшихся к последовательным изданиям "Основ химии" и статьям о периодическом законе, после символа урана он оставлял то или иное количество прочерков, не вкладывая в них какого-либо конкретного содержания. Вероятно, он хотел придать системе некоторую дополнительную "симметрию", чтобы резко не обрывать ее на уране. Прочерки исчезли в последних изданиях "Основ химии": возможно, это было своеобразной реакцией на открытие радиоактивности. С последним связано и его провидческое высказывание, касающееся урана (1906): "Между всеми известными элементами уран выдается тем, что обладает наивысшим атомным весом... С ним оказались связанными два из важнейших — во множестве отношений — открытия физики и химии нашего времени, а именно открытие аргоновых элементов и радиоактивных веществ... Наивысшая, из известных, концентрация массы весомого вещества в неделимую массу атома, существующая на уране". Изучение элемента №92 привело впоследствии к выдающимся научным открытиям и достижениям: деление ядер под действием нейтронов, спонтанное деление, синтез трансурановых элементов — нептуния и плутония, решение проблемы практического использования атомной энергии, что имело колоссальные научные и социальные последствия. Уран и поныне остается естественной верхней границей периодической си¬стемы; все более тяжелые элементы получены искусственно. Почему именно урану природа предоставила привилегию замыкать естественный ряд химических элементов? Почему элементы с большими зарядами ядер их атомов обладают недостаточной продолжительностью жизни, чтобы сохраниться на нашей плане¬те в изначальном виде? Ответ можно найти, разобравшись в закономерностях свойств атомных ядер. Менделеев ожидал "надстройки" еще и для первого периода: "... можно думать, что в том первом ряде, где ныне известен лишь водород, будут открыты свои элементы... но здесь не только край системы, но и типические элементы, а потому можно ждать своеобразия и особенностей". Между водородом и гелием новых элементов не оказалось. Однако другие "материальные составляющие природы", существование которых он предвидел, опираясь на прогностические возможности системы, рано или поздно были открыты: галлий, скандий, германий, полоний, радий, актиний — при его жизни; технеций, гафний, рений, франций, протактиний — после его кончины. К концу 1930-х гг. в таблице между водородом и ураном уже не оставалось пустующих клеток. Искусственный ядерный синтез существенно передвинул верхнюю границу системы: в печати уже появлялись сообщения о синтезе элемента с Z = 112. Между тем, продолжительность жизни тяжелых транс¬урановых элементов (во всяком случае, начиная с Z > 103) настолько ничтожна, что экспериментальное изучение их химической природы или сопряжено с огромными трудностями, или фактически неосуществимо. Возможна лишь теоретическая оценка их свойств. Их символы, помещенные в соответствующих клетках системы, — это, строго говоря, лишь свидетельства возможностей и достижений ядерной физики; для химии же они оказываются фантомами. Вплоть до своего физического обоснования в 1913—1914 гг. периодический закон объективно представлял лишь эмпирическое обобщение фактов. Это осознавал и сам Менделеев, неоднократно рассуждая об отыскании глубинных причин периодичности. В 8-м издании "Основ химии" он заметил: "Объяснить и выразить периодический закон — значит объяснить и выразить причину закона кратных отношений, различия элементов изменения их атомности и в то же время понять, что такое масса и тяготение". Уяснение природы массы и всемирного тяготения представлялось Менделееву решающим для понимания физического смысла периодичности. При этом он фактически никак не реагировал на появление электронных моделей строения атома, да и вообще его отношение к электрону было более чем скептическим. Между тем еще в 1904г. Дж.Томсон на основе предложенной им атомной модели сделал попытку объяснения периодического изменения свойств химических элементов. При всей ее несостоятельности она, тем не менее, содержала рациональное зерно, постулируя пространственное закономерное распределение электронов внутри атома, что вскоре, в интерпретации Н.Бора, было использовано для создания теории периодической системы. По всей вероятности, Менделеев не был знаком с представлениями Томсона. Главу о периодическом законе в 8-м издании "Основ химии" он закончил слова¬ми: "... периодический закон не только обнял взаимные отношения элементов и вы¬разил их сходство, но и придал некоторую законченность учению о формах соединений, образуемых элементами, позволил видеть правильность в изменении всяких химических и физических свойств простых и сложных тел. Подобные отношения дают возможность предугадать свойства опытом еще не изученных простых и сложных тел, а потому подготовляют почву для построения атомной и частичной механики". Здесь Менделеев отдал должное своей старинной идее о необходимости разработки "внутренней механики атомов и частиц", опиравшейся на ньютонианские представления. Подобная механика (квантовая) действительно была создана в конце 1920-х гг., но она исходила из принципиально иных физических реалий. Именно она позволила дать глубокую теоретическую интерпретацию явления периодичности, хотя, конечно, не связана с тем, что имел в виду Менделеев. Примечательная особенность разработки Менделеевым основ учения о периодичности заключается в том, что если он формулировал какие-либо предложения или высказывал те или иные идеи, то впоследствии, как правило, не подвергал их более или менее серьезному пересмотру. Развитие им представлений о периодичности отличалось удивительной целостностью. Однако нельзя утверждать, что подобная целостность присуща да¬же наиболее обстоятельным работам, посвященным истории эволюции великого менделеевского открытия. Все же они в немалой степени фрагментарны, основное внимание обращают на "узловые" моменты этой истории; общая же логика творческого процесса Менделеева остается раскрытой не до конца, а здесь, несомненно, удалось бы выявить не¬мало интересных и неожиданных обстоятельств.
Интересные факты
В конце августа 1875г. в кабинет акад. Вюрца входит его ученик, молодой французский химик Лекок-де-Буабодран. Он долго не решается объяснить причину своего отменного прихода. Наконец он вынимает из бокового кармана запечатанный зеленый конверт и вручает Вюрцу с просьбой сохранить его, не вскрывая. Получив заверения, что желание его будет исполнено, Буабодрен уходит. Несмотря на свою молодость, Лекок-де-Буабодран уже в совершенстве овладел спектральным анализом веществ. Он знал наизусть спектры всех элементов. Эти цветные полоски, которые получаются при разложении света, испускаемого раскаленными веществами, давали ключ к определению состава тел. Ведь каждый элемент обладает строго определенным сочетанием спектральных линий. Однажды, изучая спектр минерала цинковой обманки. Буабодран, к своему удивлению, обнаруживает в спектре новую, никому доселе не известную ярко-фиолетовую линию. Ученый решает, что эта линия принадлежит новому, неизвестному еще элементу. Опасаясь, что кто-либо другой оповестит мир об этом открытии, Буабодран записывает все происшедшее и в запечатанном конверте передает Вюрцу в Академию наук. Возвратившись в лабораторию, Буабодран продолжает упорно проверять свое открытие, так как боится сделать преждевременный, опрометчивый вывод. Настает, наконец, день, когда все сомнения отброшены, когда он полностью убедился в правильности своих наблюдений… В конце сентября того же года, во время очередного заседания Парижской Академии наук, Вюри при напряженном внимании всех присутствующих оглашает от имени своего ученика Лекока-дс-Буабодраия документ. хранящийся в запечатанном конверте В документе написано, что 27 августа 1875 г., между 3 и 4 часами пополудни. Лекок-де-Буабодран путем спектрального анализа обнаружил в цинковой обманке новый, неизвестный еще элемент. Этот элемент был назван галлием, в честь старинного названия родины Буабодрана — Франции. Открытие галлия нашло отклик далеко за пределами Франции и помогло утверждению одного из основных законов химии. Далеко от солнечной Франции, в далеком, хмуром Петербурге, проф. Дмитрий Иванович Менделеев сразу же оценил всю важность открытия молодого ученого. Узнав из протокола Парижской Академии об открытии галлия и о некоторых его свойствах, которые удалось установить Буабодраку. Менделеев сразу же решает, что галлий и есть тот самый элемент, существование которого он еще так недавно предсказывал на основании открытого им периодического закона. Во времена Менделеева было известно всего 63 химических элемента. Несмотря на столь небольшое, казалось бы, число их, они не были систематизированы, распределены. Не было единой точки зрения на природу элементов, на причины их сходства и различия. Все попытки классификации химических элементов неизменно кончались неудачей. Объяснялось это тем, что их авторы не смогли найти такого признака, общего для всех элементов, который можно было бы положить в основу классификация. В 1867 г. Менделеев приступает к чтению лекций по курсу неорганической химии в Петербургском университете. Излагая студентам, совокупность сведений о химических веществах, Менделеев все чаще и чаще задумывается над взаимными отношениями элементов и основой их классификации. Он все больше и больше склоняется к мысли о том, что наиболее важным, наиболее всеобщим свойством всех химических элементов является вес, или точнее, масса их атома. Постепенно крепнет убеждение Менделеева в том, что именно в атомных весах нужно искать причину сходства и различия элементов. Этот путь был уже отчасти испробован другими, но никто не пошел дальше предчувствия того великого закона природы, открытие и утверждение которого обессмертили имя Менделеева. Однажды, придя поздно ночью домой, Менделеев решительно направляется в кабинет. Убеждения и мысли его созрели. Этой ночью он должен проверить, насколько правильны те взгляды, которые мучительно трудно вынашивались им в течение долгого времени. Он вынимает из шкафа лист картона и аккуратно нарезает 63 карточки, по числу химических элементов. На каждой карточке он пишет атомный вес элементе, название и важнейшие его свойства. Через некоторое время все 63 карточки заполнены. Теперь Дмитрий Иванович раскладывает их в ряд в порядке нарастания атомных весов элементов Внимательно всматриваясь в длинный ряд карточек, Менделеев замечает, что свойства химических элементов изменяются но мере возрастания их атомного веся. Он берет первые 8 карточек, на которых нанесены элементы от водорода до фтора, и ставит их одну под другой так, чтобы атомные веса элементов возрастали сверху вниз. Всю ночь раскладывал Менделеев карточки. Образовавшийся вертикальный ряд карточек открывался водородом — самым легким нз всех элементов. Вес его атома принят за единицу при вычислении атомных весов. Под водородом поставлен литии, с атомным весом, равным семи. Это самый легкий из известных металлов. Он очень энергично соединяется с кислородом и обладает ярко выраженными металлическими свойствами. У следующих за литием элементов — бериллия и бора — по мере возрастания атомных весов металлические свойства слабеют. Дальше вниз следуют углерод, азот, кислород и фтор — уже не металлы, а металлоиды, причем фтор оказался ярко выраженным металлоидом. По своим свойствам он является полной противоположностью лития. Таким образом, свойства этих 8 элементов по мере увеличения их атомных весов изменяются от металлических к металлоидным. Следующий за фтором элемент — натрий — оказался опять резко выраженным металлом Он как бы нарушал найденную закономерность. Вместо плавного изменения свойств здесь был резкий скачок от ярко выраженного металлоида — фтора — к типичному металлу — натрию. Однако свойства следующих за натрием 7 элементов опять плавно изменялись от металлических к металлоидным. Пятнадцатый элемент — хлор — оказался опять резко выраженным металлоидом. Теперь уже сомнений не было. Свойства элементов действительно зависят от их атомного веса, но зависимость эта не простая, а периодическая, повторяющаяся. Когда Менделеев приставил первый вертикальный ряд элементов ко второму так. чтобы в первой строчке против лития оказался натрий, по всех остальных строчках оказались элементы, очень сходные между собой. Литий н натрий, углерод и кремний, азот и фосфор, фтор и хлор начинали собой естественные группы семейства элементов. Дальше Дмитрий Иванович продолжил начало строк, подставив к ним сходные элементы так, что они стояли в порядке возрастания их атомных весов. Получилась таблица, названная впоследствии периодической системой элементов.
Заключение
Периодический закон является основным законом современности. Выводы, сделанные Д.И.Менделеевым, находят свое подтверждение и в настоящее время. Происходят открытия новых химических элементов, которые находят свое место в Периодической системе. «Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его химические и многие физические свойства». В своей работе я попыталась проследить историю развития закона, показать его роль вчера, сегодня, завтра. Сколько еще химических элементов найдет свое место в Периодической системе, кто знает. Важно то, что закон един, ему подчиняются все известные элементы, как во времена Менделеева, так и в наше время. В 1905 году Менделеев написал: "По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает, хотя как русского меня хотели затереть, особенно немцы". И это подтвердило время.
Список использованной литературы
Архив Д.И.Менделеева. Т. 1. Л.: Изд-во ЛГУ, 1951.
Менделеев Д.И. Периодический закон. Основные статьи. Серия "Классики науки". М.: Изд-во АН
• СССР, 1958.
Трифонов Д.Н. К истории создания теории- периоди¬ческой системы // Химия в школе. 1996. №5. С.75-80.
Meyer R. Die Stellung der Elemente der seltenen Erden im periodischen System // Naturwissen- schaften. 1914. Bd. 2. S. 781-787.
Трифонов Д.Н. Структура и границы периодичес¬кой системы. М.: Атомиздат, 1969.
Трифонов Д.Н. О количественной интерпретации периодичности. М.: Наука, 1971.
Менделеев Д.И. Периодический закон. Дополни¬тельные материалы. Серия "Классики науки". М.: Изд-во АН СССР, 1960.
