История открытия периодического закона

Общественное мнение каждой страны из представителей своего научного корпуса нередко выделяет фигуру, пользующуюся особым уважением во всех слоях общества. Таким любимцем Англии был, по-видимому, Фарадей, Франции - Пастер, Америки - Эдисон. В России это место занимал Менделеев. Любуясь такими людьми, нация как бы любуется сама собой, ибо каждый из них – наиболее полное воплощение лучших национальных черт своего народа. Что же касается Менделеева, то лучше всего отметил особенности его творческой личности русский химик П. Вальден. « Д. И. Менделеев как учёный, - писал он, - характеризуется особенностями, обусловленными не только его индивидуальностью, но и его национальностью. Он не останавливается на деталях, а ищет широких горизонтов в науке. Он – мастер обобщений и систематизации; он вносит гармонию и закономерность в хаотическое множество отдельных фактов ». И ни в чем этот дар Менделеева не проявился так полно и ярко, как в открытии периодического закона химических элементов.

То, что химические элементы – не пёстрая смесь простейших веществ с хаотическим распределением свойств, а какая-то единая, обладающая внутренней структурой система, учёные догадывались давно. До Д. И. Менделеева было предпринято около 50 попыток классифицировать элементы. Большинство учёных пытались выявить связь между химическими свойствами элементов и их соединений и атомной массой.

И. Деберейнер (1817г. ) группировал элементы по сходству свойств, объединяя их в триады. Выяснилось, что атомная масса среднего элемента триады примерно равна среднему арифметическому атомных масс крайних её членов

LiCa P S Cl

237 + 39 80 35 + 127

Na - = 23; Sr As Se Br - = 81.

392 127 2

K Ba Sb Te I

Это послужило подтверждением мысли о наличии определённой связи между атомными массами и свойствами элементов. И. Деберейнеру удалось составить лишь четыре триады; классифицировать все известные в то время элементы он не сумел.

Дж. Ньюлэндс (1864 г. ) расположил элементы в порядке возрастания их атомных масс и вывел закон октав, согласно которому свойства каждого восьмого в таком ряду элемента повторяют свойства первого, с которого начинался отсчёт. Таким образом, он обнаружил правильную повторяемость свойств в построенном им ряду элементов – периодичность. Но, размещая элементы в октавах, Дж. Ньюлэндс произвольно переставлял их и даже помещал по два на одно место. Кроме того, он учёл возможности открытия новых элементов.

Л. Мейер (1864 г. ) распределил элементы в шести столбцах по валентности: в пределах столбцов атомные массы элементов прогрессивно возрастали и наблюдалось относительное постоянство их разности. Но даже в более поздний вариант таблицы он не включил водород, бор, алюминий и некоторые другие элементы.

На рассмотренных примерах видно, что создать классификацию, непротиворечиво включающую все известные в то время химические элементы, не удалось. Ни одна из попыток не привела к созданию системы, отражающей взаимосвязь элементов и выявляющей природу их сходства и различия. Открытие периодического закона и построение периодической системы химических элементов – заслуга великого русского учёного Д. И. Менделеева.В основу классификации Д. И. Менделеев положил два показателя: главную количественную характеристику элементов – атомную массу (в то время её называли атомным весом) и химическое сходство элементов. Он писал: «По смыслу всех точных сведений о явлении природы, масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе всего и естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и их атомным весами, с другой». Атомные массы некоторых элементов были неточно определены, что приводило к путанице в случае формального использования этих величин. К середине XIX в. были открыты 63 из известных в настоящее время 107 химических элементов; неполнота знаний обусловила ряд недоразумений в классификациях предшественников Д. И. Менделеева. Великий русский учёный в отличие от своих предшественников сопоставил между собой и несходные элементы. Он сравнивал естественные группы и, располагая элементы в порядке возрастания их атомных масс, обнаружил, что свойства меняются не монотонно (линейно), а периодически, т. е. через определённое число элементов встречаются сходные. Эту закономерность Д. И. Менделеев назвал законом периодичности (периодическим законом). Д. И. Менделеев открыл фундаментальный закон природы и построил таблицу, отражающую естественную систему химических элементов. В таблице, где эта система отражена графически, Д. И. Менделеев сознательно трижды нарушил принцип её построения, отражённый в периодическом законе. Он переставил местами кобальт и никель, теллур и йод, аргон и калий так, что элемент с большей атомной массой опережает элемент с меньшей; но при такой расстановке все они попадают в группы сходных по свойствам элементов. Дальнейшее развитие науки привело к открытию сложного строения атомов, созданию их ядерной модели, что позволило выявить более глубокую и существенную связь периодически повторяющихся свойств элементов с зарядами ядер их атомов. Это убедило в гениальной прозорливости Д. И. Менделеева и оправдало указанные выше перестановки. Открытия в физике в конце XIX – начале ХХ в. электрона и явления радиоактивности подтвердили прогнозы учёных о сложном строении атомов и вызвали революцию в естествознании. Представление об атоме как о простейшем, далее неделимом «кирпичике», из которого слагаются вещества и тела природы, рухнуло. Новые факты опровергли его. Противоречия между ними и существовавшими представлениями было разрешено резким изменением знаний (скачок), выразившимся в полном отрицании старых мнений о неизменности и неделимости атомов. Это один из примеров действия закономерностей развития познания, когда возникновение противоречия между новыми фактами и существующими теориями является источником прогресса в науке. Новые представления заменили старые резко, скачкообразно, поэтому период их формирования назван революцией в естествознании. Следовательно, в развитии науки чередуются периоды длительных постепенных изменений и резких революционных переходов к новым представлениям.

Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева – один из наиболее общих законов природы. Ему подчиняются все химические элементы. Но он действует только в рамках совокупности химических элементов, не распространяясь на другие явления природы.

Закон – это внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение.

Периодический закон, действительно, отражает связь всех химических элементов по структуре атомов, следствием чего является правильная повторяемость свойств. Связь эта может быть рассмотрена как внутренняя, потому что она обусловлена внутренним строением атомов и действует в рамках системы химических элементов. Она в то же время является существенной и устойчивой, так как отражает наиболее важные черты их природы и постоянно действует. Закон существует и действует в природе реально и независимо от сознания человека - объективно. Человек лишь открывает его, т. е. познаёт связь явлений и выражает её в формулировке закона. Периодический закон выражает сущность взаимосвязи между химическими элементами. Сами же элементы и их взаимосвязь (система) реально и независимо от человека (объективно) существует в природе. Таблица – это графическое выражение периодического закона и отражение природной системы химических элементов. Задачу определения места химического элемента в периодической системе по свойствам образуемых им простых и сложных веществ приходилось решать самому Д. И. Менделееву, когда он строил и совершенствовал свою таблицу. Причём ошибки в значениях атомных масс и наличие не открытых ещё элементов создавали дополнительные трудности. Но великий учёный был твёрдо уверен в истинности открытого им закона природы. Основываясь на сходстве в свойствах элементов и веря в правильность определения их места в таблице периодической системы, он существенно изменил принятые в то время атомные массы и валентность в соединениях с кислородом у десяти элементов: бериллия, индия, ванадия, лантана, церия, тория, урана и др. Д. И. Менделеев «подправил» атомные массы ещё у десяти элементов. Восемь элементов он разместил в таблице вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими. Например, таллий он исключил из естественного семейства щелочных металлов и поместил в III группу согласно проявляемой им высшей валентности; бериллий с неверно определённой атомной массой (11) и валентностью (III) перевёл из III группы во II, изменив его атомную массу на 9 и высшую валентность на II.

Большинство учёных восприняли этот факт как научное легкомыслие, необоснованную дерзость. Периодический закон и составленная Д. И. Менделеевым на его основе таблица «Периодическая система химических элементов» рассматривались как гипотеза, т. е. предположение, нуждающееся в проверке. Учёный понимал это и именно для проверки правильности открытого им закона и системы элементов подробно описал свойства не открытых ещё элементов и даже способы их открытия, исходя из предпологаемого их места в системе. По первому варианту таблицы он сделал четыре прогноза (галлий, германий, гафний, скандий), а по усовершенствованному, второму – ещё семь (технеций, рений, астат, франций, радий, актиний, протактиний). Отмечая, что можно указать атомную массу элементов, плотность образуемых ими простых веществ, оксидов, основной или кислотный характер гидроксидов, способность к восстановлению, описать со значительными подробностями свойства соединений элементов, Д. И. Менделеев писал: «Решаюсь это сделать ради того, чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых мною тел, иметь возможность окончательно увериться самому и уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы»..

Галлий.

Прогноз был выдвинут Д. И. Менделеевым в 1869 г. , более точно в 1870 – 1871 гг.

Сравнение свойств экаалюминия, предсказанных Д. И. Менделеевым, со свойствами галлия

Новый элемент был открыт в 1875 г. французским учёным П. Э. Лекок де Буабодраном и назван галлием, так как Галлия – древнее название Франции. Д. И. Менделеев сразу узнал в описании галлия предсказанный им экаалюминий. Но между опытными данными и прогнозом обнаружилось расхождение в характеристике плотности металла. Опыты французского учёного дали значение 4,7, а по прогнозу – 5,9. Д. И. Менделеев советовал Лекок де Буабодрану тщательнее очистить галлий от примесей. Повторный эксперимент с очищенным металлом дал значение 5,956. Прогноз был подтверждён исследованиями французского учёного, который писал о его значении так: «Я думаю, что нет нужды настаивать на исключительной важности подтверждения теоретических взглядов г. Менделеева относительно плотности нового элемента».

Д. И. Менделеев и П. Э. Лекок де буабодран встречались во Франции, переписывались, обменивались статьями. Французский учёный подарил автору периодического закона образцы металлического галлия и его соединений.

Скандий.

Прогноз был выдвинут Д. И. Менделеевым в 1869 г. , более точно в 1870 – 1871 гг. Элемент он предложил предварительно назвать экабором, используя санскритскую приставку «эка» (один), которая придаёт слову значение «следующий за», «следующий аналог».

Сравнения свойств экабора, предсказанных Д. И. Менделеевым, со свойствами скандия:Новый элемент был открыт шведским учёным Ларсом Фредериком Нильсоном в 1879 г. Он назвал его скандием в честь полуострова Скандинавии – своей родины. Л. Нильсон долго не замечал совпадения свойств скандия и предсказанного Д. И. Менделеевым экабора. Он даже полагал сначала, что оксид скандия имеет состав Sc2O4, что атомная масса элемента около 160 – 180, так что скандий должен занять свободное место в IV группе между оловом и торием.

Правильность прогноза окончательно подтверждена Л. Нильсоном и П. Клеве в 1880 г. Л. Нильсон писал поэтому поводу: «Следовательно, не остаётся никакого сомнения в том , что скандии открыт экабор Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого вещества, но и наперёд вывести его важнейшие свойства».

Между Л. Нильсоном, П. Клеве и Д. И. Менделеевым установились тесные научные контакты. Характеризует научные и личные взаимоотношения Д. И. Менделеева и Л. Нильсона следующий эпизод: получив металл скандий, Л. Нильсон послал Д. И. Менделееву некоторое количество его в подарок. Но, спустя четыре года, попросил вернуть эту порцию скандия, так как ему не хватало металла для исследований. Подарок был возвращён. Оба учёных не придали значения нарушению правил этикета, так как этого требовали интересы науки, и все остальные соображения отступили на второй план.

Германий.

Прогноз был выдвинут Д. И. Менделеевым в 1869 г. , более точно в 1870 – 1871 гг. Он дал элементу название экасилиций – следующий за кремнием, аналог кремния. Сравнения свойств экасилиция, предсказанных Д. И. Менделеевым, со свойствами германия.

Новый элемент был открыт немецким химиком Клеменсом Винклером в 1886 г. и назван германием в честь родины учёного. В том же году он окончательно подтвердил правильность прогноза. К. Винклер писал в статье «Сообщение о германии»: «Не подлежит больше никакому сомнению, что новый элемент есть не что иное, как предсказанный Менделеевым за пятнадцать лет до этого экасилиция. Ибо едва ли может быть дано более убедительное доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем воплощение бывшего до сих пор гипотетическим экасилиция, и оно представляет собой поистине нечто большее, чем простое подтверждение смело выдвинутой теории, - оно означает выдающееся расширение химического поля зрения, могучий шаг в области познания»

Между Д. И. Менделеевым и К. Винклером завязались тесные научные и личные контакты, перешедшие в длительную дружбу. Немецкий учёный обращался за советом к великому русскому химику по вопросу о названии элемента. Д. И. Менделеев поддержал немецкого химика в споре о сохранении за новым элементом названия «германий». Между ними шёл постоянный обмен статьями, письмами. К. Винклер стал последователем Д. И. Менделеева, его соратником и защитником периодического закона.

Постепенно возрастает доверие к периодическому закону, признание возможности руководствоваться им в целенаправленном поиске неоткрытых элементов. Большое научное мужество потребовалось Д. И. Менделееву, когда он настаивал на переопределении плотности галлия. Возник конфликт экспериментальных и теоретических знаний, и неудача прогноза могла подорвать веру в правильность периодического закона. С другой стороны, первооткрыватели новых элементов проявили заинтересованность в истинности знаний, свою научную добросовестность. Лекок де Буабодрана, Л. Нильсона и К. Винклера вместе с рядом других учёных, способствовавших подтверждению периодического закона, Д. И. Менделеев называл истинными укрепителями этого закона, относил к числу своих друзей, высоко ценил и всегда отмечал их заслуги.

В истории подтверждения менделеевских прогнозов ярко проявился коллективный и интернациональный характер науки. Открытый русским учёным периодический закон утвердился благодаря работам учёных Франции, Швеции, Германии, Англии (У. Рамзай – открытие инертных элементов), Чехии (Б. Браунер – определение атомной массы теллура) и других стран. После смерти Д. И. Менделеева эта тенденция сохранилась. Так, гафний был предсказан самим Д. И. Менделеевым, прогноз уточнён Н. Бором (Дания), сам элемент открыт Д. Костером (Нидерланды) и Г. Хэвеши (Венгрия) в цирконовой руде (из Норвегии). Эти факты подтверждают слова великого русского химика о том, что «наука есть достояние общее», возникающее «только благодаря труду многих и накопившейся сумме данных».

Подводя итоги о значении менделеевских прогнозов в истории естествознания:

1. Впервые было теоретически предсказано не только существование в природе неизвестного объекта, но и способа, с помощью которого он может быть открыт.

2. До сих пор не было случая, чтобы научная теория позволяла точнее характеризовать вещество, чем непосредственное наблюдение и эксперимент.

3. В химии господствовало случайность в области открытия химических элементов. Периодический закон стал компасом для научного предвидения и целенаправленного поиска новых химических элементов и их соединений.

4. Д. И. Менделеев показал возможность проверки правильности теории путём вывода из неё следствий и подтверждения их практикой.

Подтверждение прогнозов Д. И. Менделеева повлияло на мировоззрение не только учёных-химиков, но и всех знакомых с этим фактом людей. Оно показало могущество человеческого разума, способность его проникать в тайны природы, т. е. познаваемость окружающего мира. Сила теоретического мышления великого русского химика отражена в словах К. А. Тимирязева: «Мочь и предвидеть – дар чудодействия и дар пророчества, вот о чём с самой своей колыбели мечтало человечество, наделяя ими своих мифических и сказочных героев. Эти два дара принесла ему наука, и только ежедневная привычка к её чудесам мешает нам ясно осознавать Дмитрий Иванович Менделеев объявляет учёному миру, что где-то во вселенной, может быть на нашей планете, а может быть и в иных звёздных мирах, должен найтись элемент, которого не видел ещё человеческий глаз; и этот элемент находится, и тот, кто его находит при помощи своих чувств, видит его на первый раз хуже, чем видел своим умственным взором Менделеев, - это ли не пророчество».

Периодическая система оказалась таким открытием, которое по характеру своему не могло мирно почивать на полках библиотек, которое требовало мирового распространения, обсуждения и признания. И в этом признании учёные мира не отказали Дмитрию Ивановичу. Более ста научных обществ, университетов и академий избрали Менделеева своим членом. Среди них мы находим Геттингенский, Оксфордский, Кембриджский и Принстонский университеты, Датскую, Чешскую, Римскую, Бельгийскую академии наук, самые прославленные научные общества – Королевские общества в Лондоне и Эдинбурге, Американское химическое общество, Немецкое общество и др. Не удивительны поэтому та любовь и то уважение, которыми пользовался Менделеев на родине. Одно появление его колоритной фигуры вызывало улыбки горделивого восхищения у окружающих. Нередко совершенно незнакомые люди раскланивались с ним на улице.

Как относился к этому сам Менделеев?

«Лично я люблю свою страну, как мать, а свою науку - как дух, который благословляет, освещает и объединяет все народы для блага и мирного развития духовных и материальных богатств», - так считал великий сибиряк, сердце которого принадлежало России, гений же – всему человечеству.

Химик, философ и историк науки, академик Б. М. Кедров писал, что жизнь Менделеева – это труд и снова труд, вдохновляющий на научный подвиг и приносящий величайшую радость творчества, но вместе с тем берущий все силы человека, все его духовные потенции, всю его душу и все его сердце. И когда перед нашим мысленным взором встаёт образ Менделеева, то прежде всего как труженика науки. Он не любил, когда его называли гениальным, и говорил: «Какой там гений! Трудился всю жизнь, вот и стал гений».

Изучение химии после открытия периодического закона и построения периодической системы химических элементов стало проводиться на их основе. В химии и родственных ей науках: физике, геохимии, биохимии, металловедении, астрохимии – открылась новая эра, произошёл резкий рывок в область неизведанного. Представления о месте элемента в системе Д. И. Менделеева оказали определяющее влияние на развитие современной теоретической физике в части, касающейся строения материи, стимулировали поиск причин периодичности, физического смысла понятий «группа», «период», «порядковый номер элемента».

Корни ряда открытий ХХ в. , определяющих современную цивилизацию, лежат в периодическом законе: взаимопревращение элементов, поиск путей освобождения ядерной энергии, получение новых изотопов, синтез новых химических элементов и т. д. Прогресс в технике также связан с открытием великого русского химика. «Менделеевская таблица, - говорил геохимик академик А. Е. Ферсман, - определяет новые направления технического прогресса, она открывает закон распределения металлов в земной коре, рассеяния их и концентрации. Она помогает поискам и разведкам, подсказывает свойства соединений элементов, толкает техническую мысль вперёд. Уже намечается новая технология, являющаяся неизбежным выводом из анализа менделеевской таблицы и положения каждого элемента в её клетках Открытие нашими металлургами определённой связи менделеевской системы с ролью и поведением отдельных элементов в специальных видах стали подсказывает новые пути в решении самих основных и самых важных проблем создания прочного металла».

Открытие Д. И. Менделеева стало компонентом научной картины мира, способствовало утверждению диалектико-материалистических представлений о природных явлениях. Взаимосвязь химических элементов, общность в строении их атомов, взаимопревращаемость подтвердили идею о материальном единстве мира, познаваемости тайн природы.

Химические элементы рассматривают как ступени эволюции вещества на уровне ядер атомов и отдельных атомов. Усложнение их структур можно рассматривать как развитие от низшего к высшему, от простого к сложному. Оно происходит по общим законам развития: накопление количественных изменений приводит к качественным – появлению нового элемента, изменению свойств в пределах группы и периода; в атоме и системе элементов в целом наблюдается единство противоположностей и их «борьба», т. е. взаимоисключающие тенденции, нарушение равновесия которых приводит к новообразованию; переход от элемента к элементу, при котором в ядре идёт постепенное накопление протонов, а на электронных слоях атома – электронов, обнаруживает преемственность между элементами, периодическую повторяемость свойств и увеличение числа элементов, разделяющих элементы-аналоги