История открытия и экспериментального подтверждения периодического закона

Сильные умы именно и отличаются той внутренней силой, которая дает возможность не поддаваться готовым воззрениям и системам, а самим создавать свои.

Н. А. Добролюбов

В истории науки запечатлены имена прославленных ученых, чьи открытия способствовали совершенствованию и прогрессу наших знаний о природе, овладению ее тайнами, использованию их на благо человечества. Среди них - имя Дмитрия Ивановича Менделеева.

Открытие периодического закона положило начало новому этапу в развитии химии в целом, а также сыграло важную роль в создании теории строения атома, понимании того, как проявляются законы диалектики в химии.

Публикаций, посвящённых периодическому закону и периодической системе химических элементов, необычайно много, так как данное учение представляет собой очень важную главу химической науки. Тем не менее существуют некоторые вопросы, которые редко обсуждают. Необычайное переплетение всевозможных научных подходов к созданию периодической системы в сочетании с последующим разнообразным толкованием всех событий историками науки привело к тому, что некоторые вопросы долгое время не имели однозначного ответа.

Внешний вид периодической системы знаком каждому, при этом имя Д. И. Менделеева всегда расположено в самом начале таблицы. При посещении лаборатории в других странах наши ученые удивляются, увидев на стене или на рабочем месте таблицу без имени её создателя.

Неужели авторство Менделеева не общепризнано?

Иногда приходится слышать, что Периодический закон был открыт еще до Д. И. Менделеева, и при этом чаще всего упоминается имя Лотара Мейера, но Менделеев отмечал, что до него были “некоторые зародыши периодического закона”, которые не идут ни в какое сравнение со стройной (и современной) системой Д. И. Менделеева. А Лотар Мейер писал: “Я открыто сознаюсь, что у меня не хватило смелости для таких дальновидных предположений, какие с уверенностью высказал Менделеев”

События, которые вызывали описанную ситуацию, по-своему драматические. В науке существует два пути, приводящих к появлению обобщающих законов: первый – тщательное накопление фактов и последующее их объединение с помощью логических рассуждений и формулировкой нового закона; второй – когда данных недостаточно, есть много белых пятен, но интуиция исследователя помогает создать общую картину. И история создания периодической системы – яркий пример того, что исследователи начали искать обобщающие закономерности задолго до накопления достаточного количества экспериментальных данных. Казалось бы, можно вполне довольствоваться созданными ими творениями, но желание знать, в какой обстановке и при каких обстоятельствах совершалось открытие, помогает нам не только понять дух эпохи и почувствовать личность творца, но и ощутить величественное течение времени, называемое торжественным словом «История».

1. Жизнь и деятельность Д. И. Менделеева

Дмитрий Иванович Менделеев родился 27 января 1834 г. в семье директора гимназии в Тобольске.

В 1847 г. умер отец, а в 1849 г. Дмитрий окончил гимназию. И его мать Мария Дмитриевна задалась целью дать самому младшему сыну хорошее образование и поехала в Петербург, где Дмитрий поступает в Главный педагогический институт. Обучаясь здесь с 1850 по 1855 г. , Дмитрий Иванович избрал химию своей специальностью. Он слушал лекции выдающихся учёных своего времени: физику читал академик Э. Х. Ленц, математику – академик М. В. Остроградский, зоологию – академик

Ф. Ф. Бранд. Особенно заинтересовался Д. И. Менделеев химией, которую читал А. А. Воскресенский, минералогией и ботаникой.

Завершил Д. И. Менделеев свою работу в институте подачей двух кандидатских диссертаций (так назывались тогда дипломные работы): одна была посвящена описанию грызунов Петербургской губернии, другая – изучению взаимосвязи кристаллических форм и соединений с их составом и некоторыми свойствами атомов, из которых построены эти соединения.

Д И. Менделеев окончил институт с золотой медалью и получил звание старшего учителя.

Первый год после окончания института Д. И. Менделеев работал учителем в гимназиях Симферополя и Одессе с 1855-1856 гг. Однако после защиты магистерской диссертации в начале осени 1856 г. он был переведён на службу в петербургский университет, а в 1859 г. отправлен в заграничную командировку в Гейдельберг «для подготовки к профессорскому званию», которое получил в 1865 г.

Д. И. Менделеев преподавал в Петербургском университете с 1857 по 1890 гг. Одновременно с 1863 по 1872 гг. - профессор Петербургского технологического института.

В 1890 г. он покинул университет из-за конфликта с министром просвещения, который во время студенческих волнений отказался принять от Менделеева петицию студентов.

С 1892 года Д. И. Менделеев возглавляет Депо образцовых мер и весов (впоследствии – Главную палату мер и весов), став основоположником отечественной научной метрологии.

1. 2. Вклад ученого в развитие российской науки

В записке, посланной в 1860 г. в университет, 26-летний учёный писал: «Главный предмет моих занятий есть физическая химия».

Менделеев занимался изучением растворов и изоморфных смесей. Сконструировал (1859 г. ) пикнометр - прибор для определения плотности жидкости. Уже первые серьёзные экспериментальные исследования в этой области привели Д. И. Менделеева к крупному открытию. Изучая явления капиллярности, он обнаружил, что при определённых условиях любая жидкость переходит в пар. Это общее свойство жидкостей получило название критической температуры (Д. И. Менделеев назвал её температурой абсолютного кипения жидкостей).

Вскоре Д. И. Менделеев изучил сжатие, которое происходит при образовании растворов жидкостей, изменение плотности спиртоводных растворов с изменением концентрации. Последняя работа стала его докторской диссертацией.

В 60-х годах Д. И. Менделеев читал лекции в институте по теоретической, органической, аналитической и технической химии.

В период с 1865 по 1887 гг. Д. И. Менделеев работал над гидратной теорией растворов. Развил идеи о существовании соединений переменного состава.

Ещё в 1862 г. Д. И. Менделеев в курсе теоретической химии пытался наметить систематику элементов. Впервые прочитав в 1867 – 1868 гг. курс лекций по неорганической химии, Д. И. Менделеев увидел необходимость в издании отечественного учебника химии.

Во время работы над вторым выпуском «Основы химии» -1869 г. - Д. И. Менделеев открыл периодический закон.

Особое значение он придавал изучению газообразных веществ, так как видел в этом большой теоретический (изучение строения материи) и практический (воздухоплавание, метеорология) смысл. Исследуя газы, нашел (1874 г. ) общее уравнение состояния идеального газа, включающее как частную зависимость состояние газа от температуры, обнаруженную (1834) физиком Б. П. Э. Клапейроном (уравнение Клапейрона-Менделеева).

Об этих работах он впоследствии вспоминал: «Всего четыре предмета составили моё имя: периодический закон, упругость газов, понимание растворов как ассоциаций и «Основы химии».

Выдающийся советский физик, бывший президент академии наук СССР С. И. Вавилов в своём докладе «Физика в научном творчестве Д. И. Менделеева» подчёркивал: «Являясь по образованию своему фактически химиком и работая на химическом материале, Менделеев всегда подходил к предмету с широкой физической точки зрения, рассматривая химические процессы и состояния как ещё не решённую задачу физики. В области химии Менделеев был физиком и, наоборот, в физике интересовался особо (можно, пожалуй, даже сказать исключительно) химической проблемой»

3. Связь теории с практикой

После открытия периодического закона Д. И. Менделеевым, его научные интересы начинают проявляться в области промышленности, экономики, финансов, народного образования. К концу Х1Х века Дмитрий Иванович занял в русском обществе уникальное место универсального эксперта, консультирующего русское правительство по широкому кругу научных и народнохозяйственных проблем.

Ещё в 60-е годы, работая в Технологическом институте, Д. И. Менделеев увлёкся вопросами нефтехимии и внес немалый вклад в развитие нефтехимической промышленности. По его инициативе стали строить нефтепроводы; он разрабатывал новые способы перегонки нефти, предложил использовать ее как химическое сырьё. В 1880 г. Дмитрий Иванович Менделеев выдвинул идею подземной газификации углей.

Его привлекали многочисленные задачи индустриализации страны, освоение воздушного океана, создание искусственной пищи и синтетических материалов и вопросы охраны окружающей среды.

Совместно с И. М. Чельцовым принимал участие (1890-1892 гг. ) в разработке бездымного пороха.

Развитие промышленности он считал условием независимости России. Особое внимание он уделял также металлургической и химической промышленностям. Менделеев предлагал энергичнее осваивать природные богатства Донбасса, Урала и Кавказа. Он считал, что это приведёт к увеличению производства чугуна, стали, меди.

Большое внимание Д. И. Менделеев уделял вопросам химизации сельского хозяйства. Ученый не соглашался с «теорией убывающего плодородия почвы», он предлагал вносить в почву удобрения и производить их на основе отечественного сырья.

Огромное внимание уделял Д. И. Менделеев вопросам освоения Северного Ледовитого океана, судоходству по нему, проблемам улучшения судоходства по внутренним водохранилищам России. Он также отмечал, что “можно с уверенностью достигнуть Северного полюса и проникнуть дней в 10 от мурманских берегов до Берингова пролива”, что достижение Северного полюса обеспечивает “великий и мирный успех России” и представляет для нее “коммерческую и военно–морскую выгоду”.

Академик А. Н. Бах писал в своих воспоминаниях: «Менделеев отдавал много времени и труда химической промышленности в нашей стране. занятия промышленной химией нисколько не препятствовали успеху его теоретических исследований, что довольно основательно опровергает мнения учёных о том, что теоретические научные работы несовместимы с прикладными. Нет чистой науки и прикладных наук, а есть наука и её приложения. Теория, не связанная с практикой, лишена социального содержания и работает впустую, а практика без теории вырождается в знахарство».

Выводы по главе 1

Проводя анализ научной и практической деятельности, мы можем сделать следующий вывод: Дмитрий Иванович Менделеев внес неоценимый вклад в развитие науки и практики. Экономическое обоснование и предвидение будущего развития страны – вот основные положения, которыми руководствовался учёный в своих действиях. Работал Менделеев для «блага народного»: «Ведь только независимость экономическая есть независимость настоящая». И это тоже подвиг – гражданский.

Но главный результат его научной деятельности - создание периодического закона.

Глава 2. История открытия периодического закона

1. Первые попытки классификации химических элементов

Система Лавуазье. Первые попытки систематизации химических элементов относятся к концу 18 века, когда французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794), основываясь на отчётливо выраженных химических свойствах, предложил деление на металлы и неметаллы. Приводилась первая классификация химических элементов в опубликованной в 1789 году книге “Элементарный курс химии” в виде “Таблицы простых веществ, относящихся ко всем царствам природы, которые можно рассматривать, как элементы”.

Литий Калий Кальций Хлор Сера Марганец Натрий Рубидий Стронций Бром Селен Хром Калий Цезий Барий Иод Теллур Железо Триады Деберейнера. В 1816 -1829 году немецкому химику Иоганну Вольфгангу Деберейнеру (1780-1849) удалось провести детальную систематизацию. Он сумел объединить некоторые элементы по сходным химическим свойствам в триады: Li – Na – K, Ca – Sr – Ba и Cl – Br – I. Кроме того, он заметил, что атомная масса среднего элемента триады равна полусумме двух крайних.

Существование такой прямой взаимосвязи для всех элементов казалось вероятным, но количественная оценка была невозможна из-за путаницы между атомными и эквивалентными весами до тех пор, пока С. Канниццаро в 1858 г. не пересмотрел величины атомных весов.

Можно сказать, что начиная с этого момента появление некой системы, объединяющей все элементы, стало ожидаемой реальностью.

Поиски новых триад привели Леопольда Гмелина (1788-1853) (автора всемирно известного справочного руководства по химии) к установлению многочисленных групп сходных элементов и к созданию их своеобразной классификации.

В 1862 году французский геолог Александр Эмиль Бегюйе де Шанкуртуа (1820-1895) расположил элементы в порядке возрастания их атомных весов и отметил их на винтовом графике; сходные элементы располагались друг под другом (эту систему называли по-разному: ”земной винт”, “ винтовая линия” ). Но и эти идеи не привлекли к себе внимания, хотя в ней было рациональное зерно.

Поиски прямой взаимосвязи для всех элементов привели к тому, что двое учёных до Менделеева очень близко подошли к её созданию.

Октавы Ньюлендса. Дж. Ньюлендс, американский химик, в 1864, анализируя все известные триады и расширяя по возможности их в семейства по 4–5 элементов, получил общую таблицу, что позволило ему предположить существование одного или двух неоткрытых элементов. Затем он перестроил классификацию элементов в порядке увеличения атомного веса и обнаружил периодическую повторяемость свойств у каждого восьмого элемента. «Восьмой элемент, начиная с данного элемента, является своего рода повторением первого, подобно восьмой ноте октавы в музыке»

Так впервые была высказана идея о периодичности изменения свойств элементов.

В частности, Ньюлендс впервые предложил термин «порядковый номер» (ordinal number) элемента в естественном ряду от водорода (H = 1) до урана (U = 240); всего в то время было известно 63 элемента. Ученый не вкладывал в понятие порядковых номеров никакого физического смысла и даже не закреплял их за определенными элементами. К сожалению, Ньюлендс не оставил свободные места в таблице для неоткрытых элементов, а его предложение назвать новую таблицу законом октав встретило холодный прием. Доклад не вызвал интереса, а профессор Г. Фостер из Глазго с явной иронией спросил автора: не пробовал Лион расположить элементы по алфавиту и не возникла ли при этом новая закономерность?

В 1864 году немецкий профессор Юлиус Лотар Мейер (1830-1895) составил таблицу из 44 химических элементов. В 1870 году он опубликовал график атомных объемов. Занимаясь систематизацией химических элементов, расположил их по группам и рассмотрел соотношения атомных весов родственных элементов. Основным свойством он считал степень окисления, а не атомную массу. Работа была опубликована после появления “Опыты системы элементов” Д. И. Менделеева, но без глубоких обоснований Л. Мейер сам признавал приоритет Менделеева.

Следует отдельно сказать о Международном конгрессе химиков, который состоялся в 1860 г в Карлсруэ. Благодаря усилиям Канниццаро Конгрессом были приняты определения атома и молекулы. К началу 1860 г были сформулированы основные положения атомно-молекулярного учения, в частности, что молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных соотношениях. Менделеев считал С. Канниццаро своим предшественником, потому что установленные им атомные массы послужили Менделееву основой при открытии периодического закона

2. Открытие периодического закона и создание периодической системы химических элементов Д. И. Менделеевым

Случайные открытия совершают только подготовленные умы.

Б. Паскаль

Зимой 1867-68 года Менделеев начал писать учебник "Основы химии" и сразу столкнулся с трудностями систематизации фактического материала. К середине февраля 1869 года, обдумывая структуру учебника, он постепенно пришел к выводу, что свойства простых веществ и атомные массы элементов связывает некая закономерность. Такая система обязательно должна существовать. Ее угадывали, ее пытались расшифровать многие ученые, и Дмитрий Иванович, пристально следивший за работами в интересующей его области, не мог не знать об этих попытках.

То, что некоторые элементы проявляют черты совершенно явного сходства, ни для одного химика тех лет не было секретом.

Менделееву пришла неожиданная мысль: сопоставить близкие атомные массы различных химических элементов и их химические свойства. «Меня неоднократно спрашивали, - вспоминает Менделеев, - на основании чего, исходя из какой мысли, найден был мною и упорно защищаем периодический закон?. посвятив свои силы изучению вещества, я вижу что между массою и химическими элементами необходимо должна быть связь»

На обратной стороне письма Ходнева он записал символы хлора Cl и калия K с довольно близкими атомными массами, равными соответственно 35,5 и 39 (разница всего в 3,5 единицы). На том же письме Менделеев набросал символы других элементов, отыскивая среди них подобные "парадоксальные" пары: фтор F и натрий Na, бром Br и рубидий Rb, иод I и цезий Cs, для которых различие масс возрастает с 4,0 до 5,0, а потом и до 6,0. (Менделеев тогда не мог знать, что "неопределенная зона" между явными неметаллами и металлами содержит элементы - благородные газы, открытие которых в дальнейшем существенно видоизменит Периодическую систему. )

Он достал из конторки пачку визитных карточек и стал на их обратной стороне писать символы элементов и их главные химические свойства.

Менделеев перекладывал карточки из одного горизонтального ряда в другой, руководствуясь значениями атомной массы и свойствами простых веществ, образованных атомами одного и того же элемента. В который раз на помощь ему пришло доскональное знание неорганической химии. Постепенно начал вырисовываться облик будущей Периодической системы химических элементов.

Так, вначале он положил карточку с элементом бериллием Be (атомная масса 14) рядом с карточкой элемента алюминия Al (атомная масса 27,4), по тогдашней традиции приняв бериллий за аналог алюминия. Однако затем, сопоставив химические свойства, он поместил бериллий над магнием Mg. Усомнившись в общепринятом тогда значении атомной массы бериллия, он изменил ее на 9,4, а формулу оксида бериллия переделал из Be2O3 в BeO (как у оксида магния MgO). Кстати, "исправленное" значение атомной массы бериллия подтвердилось только через десять лет. Так же смело действовал он и в других случаях.

Постепенно Дмитрий Иванович пришел к окончательному выводу, что элементы, расположенные по возрастанию их атомных масс, выказывают явную периодичность физических и химических свойств.

Вечером 1 марта 1869 года он набело переписал составленную им таблицу и под названием "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве" послал ее в типографию, сделав пометки для наборщиков и поставив дату "17 февраля 1869 года" (это по старому стилю).

Открытие Менделеевского периодического закона явилось результатом долголетних поисков. Однажды на вопрос, как он открыл периодическую систему, Менделеев ответил: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг. готово».

Располагая элементы по возрастанию их атомных масс, Менделеев заметил, что уменьшение основных свойств при переходе от щелочного металла к щелочноземельному и резкое изменение свойств при переходе от галогена щелочному металлу периодически повторяются. Оказалось, что и формы соединений элементов также периодически повторяются. Например, оксид лития имеет вид Li2O, аналогичную форму оксида имеют повторяющие свойства лития элементы: натрий, калий, рубидий, цезий. Сделанное открытие Менделеев назвал законом периодичности, который сформулировал следующим образом:

«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

На протяжении последующих двух лет автор совершенствовал эту таблицу, ввёл представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить ёмкость малых и больших периодов, содержащих, по его мнению, соответственно по 7 и 17 элементов. В 1870 он назвал свою систему естественной, а в 1871 — периодической. Уже тогда структура П. с. э. приобрела во многом современные очертания

Менделееву после открытия Периодического закона предстояло сделать еще многое. Причина периодического изменения свойств элементов оставалась неизвестной, не находила объяснения и сама структура периодической системы, где свойства повторялись через семь элементов у восьмого. Однако с этих чисел был снят первый покров таинственности: во втором и третьем периодах системы находилось тогда как раз по семь элементов.

Не все элементы Менделеев разместил в порядке возрастания атомных масс; в некоторых случаях он больше руководствовался сходством химических свойств. Так, у кобальта Co атомная масса больше, чем у никеля Ni, у теллура Te она также больше, чем у иода I, но Менделеев разместил их в порядке Co - Ni, Te - I, а не наоборот. Иначе теллур попадал бы в группу галогенов, а иод становился родственником селена Se.

Самое же важное в открытии периодического закона - предсказание существования еще не открытых химических элементов. В 1870 г. он предсказал существование трех еще неизвестных тогда элементов, которые назвал – экасилием, экаалюминием, экабором. Он даже дал им символы El, Eb и Es. Они должны были заполнить свободные клетки в периодической системе. Под алюминием Al Менделеев оставил место для его аналога "экаалюминия", под бором B - для "экабора", а под кремнием Si - для "экасилиция".

Непросто складывалась судьба открытия, сделанного

Д. И. Менделеевым. Сейчас с изумлением узнаешь, что большинство химиков восприняло периодическую систему лишь как удобное учебное пособие для студентов.

У Менделеева начинало создаваться впечатление, что эти люди слушают - и не слышат, смотрят - и не видят. «Система элементов имеет значение не только педагогическое, не только облегчает изучение разнообразных фактов, приводя их в порядок и связь, но имеет чисто научное значение, открывая аналогии и указывая через то новые пути для изучения элементов»

Нетрудно представить себе раздражение де Буободрана, когда петербургский ученый, который никогда не державший в руках ни крупицы галлия, взялся оспаривать и даже исправлять его измерения (плотность галлия была определена равной 4,7; Менделеев указал, что она должна быть равна 5,9-6,0). Дмитрий Иванович был убежден в своем периодическом законе. Буободран вновь взялся за эксперименты и с удивлением убедился, как поразительно точно полученные им числа совпадают с менделеевскими предсказаниями.

Итогом этого заочного спора было полное обоюдное удовлетворение. «Я думаю, нет необходимости настаивать на огромном значении подтверждения теоретических выводов г. Менделеева относительно плотности нового элемента» - так заключил свои исследования Лекок де Буободран «Эта статья показывает как мою научную смелость, так и мою уверенность в периодическом законе. Все оправдалось. Это мне имя» - так оценил заметку в Докладе Парижской академии Д. И. Менделеев.

Открытие галлия придало периодической системе ореол той драматичности, которая способна взволновать не только специалиста-химика, но и любого человека, интересующегося судьбами и путями науки. «Экаалюминий получил свою реализацию в галлии, - писал тогда Ф. Энгельс. – Менделеев, применив бессознательно гегелевский закон о переходе количества в качество, совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверье, вычислившего орбиту еще неизвестной планеты – Нептуна» (Ф. Энгельс. Диалектика природы, М. ГИПЛ, 1952, стр 43

Отношение к периодическому закону и системе химических элементов сразу изменилось после открытия галлия. Теперь уже всех интересовало, что писал в своих статьях и книгах Менделеев. И оказалось: Менделеев предсказывал существование 11 неизвестных элементов, которым он дал названия экацезий, экабарий, экабор, экаалюминий, экателлур, экатантал, экалантан, экасилиций, экамарганец, двимарганец и экайод. Поскольку положение большинства этих элементов в периодической системе было таково, что соседей справа и слева, сверху и снизу недоставало, Менделеев смог подробно описать и вычислить свойства лишь трех - экабор, экаалюминий, экасилиций, и по его мнению должны быть открыты раньше других.

С 1872 года прекращаются попытки проникновения в суть периодичности. «Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину, ныне еще нет средства охватить, - писал Менделеев. – По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и частиц».

2. Периодическая система элементов - воплощение периодического закона.

Три направления в короткой таблице. Одним из принципов разработки периодической системы элементов служило у Д. И. Менделеева то обстоятельство, что всякая таблица имеет два основных направления: вертикальное (столбцы) и горизонтальное (строки). В своей таблице

Д. И. Менделеев располагал по вертикали элементы с близкими свойствами, но далёкими по значению атомными массами (группы и подгруппы), а по горизонтали – элементы с различными свойствами, но близкими по величине атомными массами (периоды и ряды). Для VIII группы, а также редкоземельных элементов обе характеристики как бы совмещались: близость свойств сочеталась с близостью значений атомных масс (семейства). В итоге складывались классификационные понятия: «группа», «подгруппа», «период», «ряд» и «семейство».

Исследования характера изменения свойств элементов по горизонтали привело Д. И. Менделеева к открытию двоякого характера скачков при последовательном переходе от одного элемента к другому, смежному с ним по периодической системе. При одном и том же незначительном изменении атомной массы на 2 – 3 атомные единицы (в среднем) происходит либо довольно резкое изменение химических и прочих свойств у элементов (например, при переходе от Na к Mg, от Mg к Al, от Al к Si и т. д. ), либо довольно постепенное изменение этих свойств (например, при переходе от Fe к Co, от Co к Ni, а также от Mn к Fe и от Ni к Cu и т. д. ). Другими словами, резкие скачки наблюдаются по концам периодов и особенно при переходе от одного периода к другому, а внутри периодов (в середине больших периодов) совершаются скачки в форме более постепенного перехода от одного качества элементов (металлов) к другому (неметаллам). В ещё большей степени постепенность такого перехода обнаруживается у редкоземельных элементов.

Кроме двух рассмотренных основных направлений, Д. И. Менделеев исследовал ещё третье, дополнительное – диагональное, определяя в этом направлении разности атомных масс и близость химических свойств у элементов, расположенных в таблице по диагонали, например у Be и Al, у Li и Mg и т. д.

Таковы были те принципы, на которых Д. И. Менделеев строил свою периодическую систему элементов.

Место элемента в системе. Одним из наиболее важных положений (или принципов), на которые опирается периодическая система элементов, служит представление о месте отдельного элемента в этой системе. Место элемента в системе выражает совокупность всех коренных свойств данного элемента, взятого не как нечто отдельное, обособленное, а в его закономерной связи со всеми остальными элементами. Д. И. Менделеев исходил из однозначной связи между данным элементом и соответствующим ему местом в системе: каждому элементу отвечает одно и только одно строго определённое место в системе и на каждое место в системе приходится один и только один строго определённый элемент. Тем самым у Д. И. Менделеева место в системе становилось определяющим признаком данного элемента.

Всеобщность периодической системы. Другим существенным принципом построения периодической системы было у Д. И. Менделеева признание её всеобщности, её всеобъемлющего характера, т. е. охвата ею всех без исключения химических элементов. Все элементы входят в периодическую систему, занимая в ней определённые места: нет и не может существовать химических элементов, которые не охватывались бы периодической системой и которые, следовательно, не подчинялись бы периодическому закону.

Отсюда вытекали две большие задачи: во-первых, определить место в периодической системе для каждого уже известного элемента, исходя из совокупности его свойств, и, во-вторых, выяснить наличие свободных мест в системе и на их основании определить предположительно совокупность свойств по возможности для всех ещё не открытых элементов. Первую задачу Д. И. Менделеев решал главным образом с февраля 1869 г. до ноября 1870 г. и позднее в связи с размещением редкоземельных элементов, а также аргона и его аналогов. Вторую задачу Д. И. Менделеев решал главным образом с ноября 1870 до августа 1871 г.

Как известно, созданная Д. И. Менделеевым периодическая система элементов представляет собой воплощение и конкретное выражение открытого им периодического закона. Открытие закона и построение системы – это две стороны одного и того же процесса. Чем совершеннее становилась выработанная система элементов, тем яснее выявлялся лежащий в её основе закон, а чем глубже и чётче Д. И. Менделеев раскрывал этот закон, тем последовательнее проводил он его в своей системе и тем более законченной и совершенной становилась сама периодическая система элементов. Поэтому одинаково неверно было бы утверждать, что Д. И. Менделеев открыл закон, а потом на основе его построил систему элементов, или что он создал систему элементов, а потом вывел из неё лежавший уже фактически в её основе закон. Общей исходной идеей построения периодической системы элементов служило у Д. И. Менделеева стремление дать наиболее полное, всестороннее и глубокое выражение открытого им закона. Такая именно идея красной нитью проходит через всю долголетнюю работу Д. И. Менделеева над периодической системой. Эта общая исходная идея нашла конкретное выражение в ряде принципов, которыми учёный руководствовался при построении и последующем усовершенствовании своей системы элементов.

5. Принципы построения периодической системы химических элементов

Периодическая система химических элементов, упорядоченное множество химических элементов, их естественная классификация, являющаяся табличным выражением периодического закона

Д. И. Менделеева.

После экспериментального подтверждения Г. Мозли вывода о том, что порядковый элемент численно равен заряду ядра, периодический закон получил физическое обоснование: периодичность свойств стала рассматриваться в зависимости от заряда ядра атома элемента, а не от атомной массы. Формулировка закона приобрела новое звучание и новый смысл: Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов этих элементов. Такая трактовка сохраняется и в настоящее время.

Периодическая система являясь графическим выражением периодического закона, отражает изменения физико-химических свойств элементов связанных с изменением заряда ядра Z и числа электронов на внешнем электронном уровне.

Современная таблица химических элементов построена таким образом, что при переходе от какого-либо элемента к следующему заряд ядра увеличивается на единицу и к оболочке элемента добавляется один электрон. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента. Это мы можем наблюдать при переходе от аргона к калию: масса элемента № 18 Ar равна 39,948, элемента № 19 К – 39,102, но каждый элемент оказывается в группе сходных с ним элементов.

Периодическая система состоит из горизонтальных и вертикальных рядов. Горизонтальные ряды элементов, в пределах которых свойства элементов изменяются последовательно, Менделеев назвал периодами. Каждый период начинается атомами щелочного металла (атомы имеют 1 электрон на внешнем уровне) и заканчивается атомами благородных газов (атомы имеют восемь электронов на внешнем уровне; в I периоде у гелия -2). В таблице содержится семь периодов. Периоды разбиты по способу заполнения электронных оболочек В первый период входят два элемента (H, He), у которых застраивается 1s-оболочка. Второй и третий периоды содержат по восемь элементов, у которых застраивается сначала s-оболочки (2s2 и 3s2), а затем p-оболочки (2p6 и 3p6). Первые три периода обычно называют малыми. Малые периоды состоят из одного ряда, а большие – из двухПериоды с четвертого по седьмой занимают в таблице по два ряда; их обычно называют большими. У s- и p-элементов заполнятся внешний слой, у d-элементов – предвнешний, у f-элементов – третий снаружи. Поэтому отличия в свойствах наиболее отчетливо проявляется у соседних s- и p-элементов, а у d- и в особенности у f-элементов одного и того же периода отличия в свойствах проявляются менее отчетливо.

В периодах с возрастанием порядкового номера металлические(восстановительные) свойства элементов ослабляются, неметаллические (окислительные) - усиливаются. В больших периодах изменение металлических свойств происходит медленнее, чем в малых периодах, т. к. в последних переход от щелочного металла к инертному газу происходит через 8, а в больших – через 18 и 32 элемента. Седьмой период остался недостроенным, поскольку у элементов с Z>83 отсутствуют устойчивые изотопы, причем их нестабильность возрастает с увеличением Z.

Кроме горизонтального разделения элементов в таблице по периодам производится вертикальное разделение по группам Всего групп восемь Элементы, входящие в каждую группу, имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек. Каждый из больших периодов разбит на два ряда, помещенных один под другим, поэтому наряду с главными группами возникают побочные В состав главных подгрупп входятэлементы как малых, так и больших периодов, в состав побочных подгрупп входят элементы только больших периодов. В первых двух группах главную подгруппу составляют элементы, имеющие соответственно один и два s-электрона на внешней оболочке, а в побочную группу выделяют элементы с заполняющимися d-оболочками. В группах с III по VII элементы с незаполненными p-оболочками - относятся к главным, переходные элементы- к побочным подгруппам.

Высшая валентность элементов главных подгрупп в соединениях с кислородом соответствует номеру группы. Элементы главных подгрупп образуют также летучие соединения с водородом В главных подгруппах (сверху вниз) с увеличением относительных атомных масс усиливаются металлические свойства элементов и ослабевают неметаллические. В побочных подгруппах эта закономерность не всегда соблюдается.

На сегодняшний день предложено около четырехсот вариантов графических изображений системы, в виде таблиц, геометрических фигур, аналитических кривых, графиков и диаграмм, наиболее известны короткая, длинная, ступенчатая и другие формы.

В последнее время ее чаще изображают в форме развернутой таблицы. Такая конфигурация несравненно более наглядна и удобна. Горизонтальные ряды, называемые периодами, стали длиннее. В таком варианте присутствует уже не восемь групп элементов, как ранее, а восемнадцать. Исчезает термин «подгруппы», остаются только группы. Все однотипные элементы (они отмечены индивидуальной раскраской фона) расположены компактно. Лантаноиды и актиноиды, как и прежде, размещены в отдельных строках.

Выводы по 2-й главе

В 1869 г. Менделеев создал свой вариант системы независимо от работ предшественников. В качестве основной характеристики он выбрал атомный вес, но не строго формально, а с учётом химических свойств. Он воспользовался всеми известными данными, нашел свой подход в построении системы, отличный от графика де Шанкуртуа, таблиц Ньюлендса и Мейера. Менделеев исправил атомные массы и в отличие от предшественников, оставил пустые клетки для неоткрытых элементов. Чисто интуитивно и согласно свойствам элементов поменял их местами: во-первых чтобы не нарушилась периодичность в изменении свойств элементов; во-вторых, он пришёл к выводу, что элемент должен располагаться в группе элементов близких по свойствам. Дальнейшие исследования подтвердили правильность такого подхода. В результате ему удалось объединить в стройную систему все известные к тому времени элементы. Самое важное – созданный закон обладал «предсказательной силой», что вскоре блестяще подтвердилось.

Глава 3. Экспериментальное подтверждение периодического закона

3. 1. Открытие новых химических элементов

27 августа 1875 года Лекоком де Буободраном был открыт новый элемент – галлий. В 1879 году шведский химик Ларс Нильсон открыл скандий, предсказанный Менделеевым как экабор Eb. Нильсон писал: "Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор. Так подтверждаются нагляднейшим образом соображения русского химика, которые не только дали возможность предсказать существование скандия и галлия, но и предвидеть заранее их важнейшие свойства". В 1886 году профессор Горной академии во Фрайбурге немецкий химик Клеменс Винклер обнаружил еще один элемент, предсказанный Менделеевым. Винклер назвал открытый им элемент германием Ge в честь своей родины, Предугадать существование группы благородных газов Менделеев не мог, и им поначалу не нашлось места в Периодической системе.

Открытие аргона Ar английскими учеными У. Рамзаем и Дж. Релеем в 1894 году сразу же вызвало бурные дискуссии и сомнения в Периодическом законе и Периодической системе элементов. Менделеев вначале посчитал аргон аллотропной модификацией азота и только в 1900 году под давлением непреложных фактов согласился с присутствием в Периодической системе "нулевой" группы химических элементов, которую заняли другие благородные газы, открытые вслед за аргоном. Теперь эта группа известна под номером VIII А. Д. И. Менделеев считал У. Рамзая одним из «укрепителей» периодического закона, «поскольку он открыл He, Ne, Ar, Kr и Xe, определил их атомные веса и эти числа вполне подходят к требованиям периодической системы элементов»

В 1905 году Менделеев написал: "По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает»

Открытие Периодического закона ускорило развитие химии и открытие новых химических элементов.

Начало ХХ в. было ознаменовано присуждением Нобелевской премии У. Рамзаю за открытие инертных газов (1904). Получение еще только двух элементов – радия и полония – было отмечено таким же образом.

В 1927 г. был получен рений. Это был своеобразный этап в истории открытия новых элементов, поскольку рений был последним стабильным химическим элементом, найденным в природе.

Потом все стало намногo сложнее, т. к. все последующие элементы можно было получить исключительно с помощью ядерных реакций.

Технеций – элемент № 43 – был получен в 1937 г. Элемент № 87 – франций – в 1939 г. Элемент № 85 – астат в 1940 г. Элемент № 61 – прометий – выделили в 1945 г.

Далее с помощью реакций ядерного синтеза началось постепенное заполнение 7-го периода таблицы элементами, следующими за ураном. Последним химическим элементом, получившим название, стал № 109. Элементы с № 110 и далее обозначают только порядковыми номерами.

В декабре 1998 г. в Дубне был получен новый элемент – № 114 – при облучении изотопа плутония пучком ускоренных ионов кальция. Химические свойства полученного элемента № 114 можно ориентировочно предсказать по положению в периодической системе. Это – непереходный элемент, находящийся в группе углерода, и по свойствам должен напоминать свинец, расположенный над ним.

В 1999 г. в лаборатории г. Беркли (США) был получен элемент № 118 при бомбардировке свинца ионами криптона. Время его жизни – миллисекунды. При распаде он образует новый нестабильный элемент № 116, который быстро превращается в более устойчивый элемент № 114.

На сегодня периодическая система завершается 118-м элементом. Несмотря на трудности, эксперименты, направленные на синтез новых элементов, продолжаются.

3. 2. Периодический закон и теория строения атомов

На протяжении последующих сорока лет (после 1871г. ) периодическая система представляла собой лишь эмпирическое обобщение фактов, поскольку отсутствовало физическое объяснение причин периодического изменения свойств элементов, зависимости от возрастания их атомной массы. Такое объяснение было невозможно без обоснованных представлений о строении атома.

Поэтому важнейшей вехой в развитии периодической системы явилось изучение строения атома, а так же планетарная (ядерная) модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911.

В 1913 г. А. ван ден Брук пришел к выводу, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен положительному заряду ядра его атома. Этот вывод был экспериментально подтвержден Г. Мозли (закон Мозли 1913-14). В результате периодический закон получил строгую физическую формулировку, удалось однозначно определить нижнюю границу периодической системы.

В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил свою теорию строения атома. Он разработал схему построения электронных конфигураций атомов по мере возрастания заряда, которая дала возможность объяснить явление периодичности и структуры периодической системы На базе предложенной им квантовой модели атома Бор в начале 1920-х годов разрабатывает теорию периодической системы. Его выводы заложили фундамент истолкования теории периодической системы, которая: 1) объясняла структуру периодической системы элементов (повторяемость периодов, содержащих одинаковое число элементов: второй – третий, четвертый – пятый и т. д. ); 2) позволила дать физическое определение понятию «период»; 3) дала достаточно убедительную схему формирования электронных конфигураций атомов, положив ее в основу объяснения периодичности изменения свойств элементов.

Реальная схема формирования электронных конфигураций атомов по мере роста порядкового номера в современной записи выглядит следующим образом:

1s2 2s2p6 3s2p6 4s23d104p6 5s24d105p6 6s24f145d106p6

7s25f146d107p6

(в ней допущены лишь некоторые упрощения, касающиеся последовательности появления в конфигурации атомов 4f и 5f – электронов).

Она действительно была разработана Н. Бором, который, как уже отмечалось, опирался на сложившуюся структуру периодической системы, на химические свойства элементов и спектральные данные. Но эта схема не была следствием определенных теоретических представлений физики. Она позволила дать физическую интерпретацию явления периодичности, но она в то же время была своеобразным переводом на электронный язык тех сведений о периодической системе, которые складывались ранее эмпирическим путем.

Как заметил в свое время Б. М. Кедров, «система Менделеева служила Бору важнейшим источником для новых теоретических представлений; она стояла перед ним как цель, требуя объяснений не понятной до тех пор причины периодичности свойств элементов. По сути дела Бор перевел на язык электронной теории основные мысли Менделеева о периодической зависимости свойств элементов»

Теорию Бора сменила квантовая теория, которая учитывает волновые свойства электрона и других элементарных частиц, образующих атом. Наибольший вклад в развитие этой теории внесли француз Л. де Бройль, немец В. Гейзенберг, австриец Э. Шредингер, англичанин П. Дирак. Впоследствии каждый из этих учёных был удостоен Нобелевской премии.

В настоящее время квантово-механический подход широко используется при освещении проблем строения атома

3. 3. Периодический закон и общие законы развития природы. Значение периодического закона

Д. И. Менделеев не сомневался в достоверности открытого им закона и твёрдо верил в его будущее, так как закон обладал «предсказательной силой». На основании периодического закона удалось предвидеть и открыть заурановые и трансурановые элементы и исследовать их свойства. Периодический закон сыграл большую роль в создании современной теории строения атомов, которая в свою очередь явилась подтверждением его положений в ней.

В периодическом законе и составленной на его основе системе химических элементов ярко проявляются основные законы диалектики, что доказывает фундаментальность данного открытия.

В нем проявляется всеобщий закон развития природы – закон перехода количества в качество. Например, при увеличении заряда ядра на единицу происходит скачкообразное изменение свойств и появляется другой элемент с совершенно другими свойствами. В то же время в периодах слева направо происходит постепенное изменение свойств от типичных металлов к типичным неметаллам.

Другой всеобщий закон – закон единства и борьбы противоположностей - ярко проявляется в строении самих атомов, ибо последние существуют в единстве двух противоположностей: положительного заряда ядра и движущихся вокруг его отрицательно заряженных электронов. В периодическом законе и системе химических элементов проявляется всеобщая закономерность развития - от более простого к более сложному. Это ярко проявляется при переходе от периода к периоду. И таких доказательств можно привести множество. Следовательно, развитие происходит как бы по спирали и определяется третьим основным законом природы – законом отрицания отрицания.

Вывод по главе 3

Сегодня сбывается предсказание Дмитрия Ивановича Менделеева: «Будущее не грозит периодической системе разрушением, а только укрепление и расширение обещает». Это высказывание подтверждается трудами многих ученых – теоретических и экспериментальных. Их открытия и стали «укрепителями» периодического закона.

Значимость, глубина закона раскрывается в его взаимосвязи с общими законами развития природы.

Заключение

Наступил XXI век. Наука шагнула далеко вперед, и ее успехи решающим образом изменили облик современного мира. Немного найдется наук, которые бы оказали такое же сильное влияние на развитие цивилизации, как химия, вряд ли можно назвать хоть одну область деятельности человека, где бы не применялись ее достижения. Анализируя развитие науки XIX в. и оценивая вклад крупнейших ученых, обычно называют имена Дж. Дальтона, И. Берцелиуса, М. Фарадея, А. Кекуле, Я. Вант-Гоффа, С. Аррениуса и др. так как их деятельность оказала большое влияние на формирование классической химии.

Мы считаем, что наравне с ними стоит и имя Дмитрия Ивановича Менделеева. Установление периодической зависимости между свойствами элементов и их атомными массами, создание на его основе периодической системы стало научным подвигом Д. И. Менделеева и именно оно обессмертило его имя. Сколько химиков до него пыталось привести в систему все многообразие элементов, которые создали удивительный мир вокруг человека и которые составляют самое его существо. Сколько людей поставили ради этого на карту свою жизнь. Многие понимали, чувствовали, что должна быть такая система, отражающая закон природы, стремились открыть его и - напрасно. А он построил ее!

Как ему это удалось? Благодаря таланту, трудолюбию, любви к делу, которому он служил, крепости духа и уверенности в том, что дело его необходимо. Менделеев писал: «Сам удивляюсь, чего только я не делывал на своей научной жизни». Да, талант многогранен. Гений - тем более. Услышав однажды, как кто-то из его учеников произнес это вслух, рассердился всерьез, замахал руками и крикнул сварливо: «Какой там гений! Трудился всю жизнь, вот и гений. »

Это был могучий человек, потому то, что сделанное им под силу не каждому - чтобы открыть закон и создать логически стройную научную систематику элементов, которые представляют целостное единство, должна была появиться личность, обладающая, многомерным мышлением и исчерпывающими познаниями в области неорганической химии.

Периодический закон и периодическая система, получив физическое обоснование, стали одними из ключевых звеньев современной атомистики. Этот закон и теперь, спустя 136 лет, остается самым важным законом химии. Он позволяет разобраться в огромном разнообразии явлений, с которыми мы встречаемся в природе, является ключом к познанию и открытию еще неизведанного.

Феномен Менделеева заключался так же в необычайной широте его интересов, в редкостной эрудированности в самых различных областях науки и практики.

Д. И. Менделеев – автор более чем 500 научных трудов по химии, физике, метрологии, воздухоплаванию, экономике, народному просвещению, народонаселению и др. Он написал прекрасный учебник «Основы химии». Значение учебника «Основы химии» для развития химии и решения важнейших философских проблем естествознания трудно переоценить. Этот классический труд и в наши дни привлекает читателей множеством не устаревших сведений, нестандартным языком, ясностью изложения и любовью к излагаемому предмету.

Менделеев был прекрасным педагогом. Его лекции всегда вызывали большой интерес, слушать его собирались студенты всего университета, он был гордостью Петербургского университета.

Многие современники отзывались о Менделееве как о человеке государственного ума. "Наука и промышленность - вот мои мечты", - написал он в дневнике 10 июля 1905 г.

Его патриотизм и вера в возрождение России, труд на благо родины должны быть примером для нынешнего поколения.

Результат признания заслуг Дмитрия Ивановича Менделеева явилось его избрание членом 70 академий наук и научных обществ различных стран мира.

АН СССР учредила (1962 г. ) премию и Золотую медаль им. Д. И. Менделеева за лучшие работы по химии и химической технологии.

Его имя носят учебные заведения, научные общества, гигантский, в полторы тысячи километров протяженности, подводный хребет в Северном Ледовитом океане, город на Каме, вулкан на Курильских островах

В 1964 имя Менделеева было занесено на доску почета Бриджпортского университета в США наряду с именами Эвклида, Архимеда, Коперника, Галилея, Ньютона, Лавуазье.

20 января 1907 года Д. И. Менделеев умер.

На его могиле была установлена гранитная плита, на которой выбито: Дмитрий Иванович Менделеев

- имя которое говорит само за себя.

В его честь назван элемент № 101 - менделевий.