Среди детей Менделеева Иван (род. 1883 г.) был, пожалуй, самой яркой личностью. Биографы учёного говорили о «редком дружеском взаимоотношении» между ними; отмечали, что «…Д.И. в лице сына имел друга, советника, с которым делился идеями и мыслями». Ещё будучи студентом физико-математического факультета Санкт-Петербургского Университета, Иван нередко помогал отцу в расчётах по экономической тематике и работам в Главной Палате мер и весов.
Многие близкие родственники и друзья Дмитрия Ивановича оставили воспоминания о нём (см. например, Д.И. Менделеев в воспоминаниях современников. Изд. 2-ое. М.: Атомиздат. 1973. Составители А.А. Макареня, И.Н. Филимонова, Н.Г. Карпило). Из этих свидетельств, подчас трогательных и проникновенных, можно представить себе отдельные черты облика великого учёного и человека. Однако нет ещё труда, который достаточно полно освещал бы жизнь и творческую деятельность Дмитрия Ивановича. Он сам однажды сказал о себе: «Я—человек своеобычный». Быть может, тому «менделеевисту», кому удастся расшифровать глубинное значение этой короткой фразы, и удастся найти «точки опоры», позволяющие создать «голографический» облик одного из самых великих россиян.
Воспоминания Ивана, написанные им, видимо, уже на склоне лет (Иван скончался в 1936 г.) были полностью опубликованы только… в 1993 г. (см. Научное наследство. Том 21. В.Е. Тищенко, М.Н. Младенцев. Дмитрий Иванович Менделеев, его жизнь и деятельность. Университетский период. 1861-1890 гг. М.: Наука. 1993. Приложение 2. Менделеев Ив. Воспоминания об отце Дмитрии Ивановиче Менделееве). Да и книга эта, опубликованная тиражом 1000 экз., ныне стала уже библиографической редкостью. Между тем воспоминания являются ценнейшим историческим документом. Именно Иван являлся тем членом большой менделеевской семьи, который духовно и идейно был наиболее близок к её главе. Впечатления о взаимоотношениях с отцом и оценку его жизни и деятельности Иван излагал спустя много лет после кончины учёного. Конечно, кое-что могло и стереться в памяти; могли быть упущены немаловажные подробности, перепутаны некоторые даты… Впрочем, едва ли всё это сколь либо существенно. Искренность написанного, отсутствие всякого рода «любований» и «преувеличений» заставляют относиться к воспоминаниям Ивана с высокой степенью доверия.
Воспоминания начинаются с раздела «I. Открытие периодического закона»
Сам Дмитрий Иванович ни разу сколь-либо подробно не затрагивал историю того, как именно он пришёл к идее периодичности. Попытки реконструировать ход его мыслей оказывались отнюдь не безупречными. И тем больший интерес представляет рассказанное Иваном.
«I. Открытие периодического закона .
…Отец крайне не любил говорить с посторонними о личной, субъективной стороне своих переживаний, о том подготовительном периоде, когда формулировались мысли и слагалась постепенно уверенность, что он проник в одну из глубочайших тайн природы.
«Молчи, скрывайся и таи
И чувства и мечты свои»,
—отвечал он часто словами Тютчева на назойливые вопросы. Но в интимных беседах время от времени прорывалось невольно многое…
«Я был с самого начала глубоко убеждён,—говорил мне отец,—в том, что самое основное свойство атомов—атомный вес или масса атома должна определять остальные свойства каждого элемента. В этом убеждении и были предприняты ещё со студенческой скамьи две мои первые более серьёзные работы— «Изоморфизм» и «Удельные объёмы». Этот путь неизбежно должен был привести меня к периодической системе—достаточно было идти им до конца. Ведь изоморфизм, т.е. способность различных веществ давать одинаковые кристаллические формы,—есть одно из типичных свойств элементов одной и той же химической жизни. В «Основах химии» в главе о периодическом законе я указываю, что именно изоморфизм послужил исторически первым, важным доказательным средством для суждения о сходстве соединений двух различных элементов. Точно также и удельные объёмы, т.е. величины, обратные плотностям, дают, как я впоследствии наблюдал, один из наиболее ярких примеров периодичности, повторяемости свойств простых тел при возрастании их атомного веса. Мне оставалось только последовательно углублять этот путь.
Я работал над капиллярностью, над удельными объёмами, над изучением кристаллических форм соединений—постоянно в этом убеждении, стремясь найти основной закон атомной механики. Я сделал попутно ряд обобщений—о температуре абсолютного кипения жидкостей или сжиженных газов, о законе предельности соединений и т.д. Но всё это казалось мне второстепенным и до конца не удовлетворяло. Я уже тогда, на студенческой скамье, в первые годы самостоятельного труда—чувствовал, что должно существовать обширное обобщение, связывающее атомный вес со свойствами элементов. Это—вполне естественная мысль, но на неё не обращали тогда достаточного внимания. Я искал это обобщение с помощью усидчивого труда— во всех возможных направлениях. Только весь этот труд дал мне необходимые точки опоры и вселил уверенность, позволившую мне преодолеть препятствия, казавшиеся тогда непреодолимыми».
«Когда я учился,—говорил отец,—группировки сходных элементов под влиянием, главным образом, французского химика Дюма, которого я потом узнал лично,—были уже довольно ясно намечены. Её нам излагал отчётливо «дедушка русской химии» Александр Абр. Воскресенский. У меня уже тогда возникала мысль о различных возможных группировках элементов, но атомные веса, допускаемые согласно господствующим тогда воззрениям общепризнанными авторитетами, не позволяли высвободить естественную классификацию из тогдашней стройности понятий. Первый свет внесли для меня начала Жерара, давшие правильный подход к установлению атомных весов,—и я стал деятельным борцом за эти начала. Это вело меня,—говорил отец,—уже непосредственно к конечной цели».
Я перехожу к вопросу о приоритете отца в открытии периодического закона. История науки бесспорно утвердила теперь право первенства здесь всецело за одним Менделеевым. Но было немало охотников пристроиться к этому открытию. Национальный шовинизм вносил первоначально немалую путаницу. Отец не придавал этим спорам никакого значения, говоря, что субъективные высказывания здесь ничто, что надо найти прочные объективные доказательства, ввести закон в рабочую практику науки и убедить подавляющими данными в нём людей. Он с внутренним удовлетворением сознавал, что всё это он именно и сделал по отношению к периодическому закону, что он, а никто другой изменил с его помощью лицо химии и направил её на новый путь.
«О попытках Ньюландса и Шанкуртуа,—говорил отец,—в период установления мною периодического закона я не знал, да и вообще они лежали вне течения серьёзной науки. В фантазиях часто много верного, но кто же на них опирается? Что же касается до притязаний Лотара Мейера, то в его группировке до появления моих работ не содержалось ничего нового по сравнению со взглядами Дюма, которые мы знали уже на студенческой скамье: идея периодичности свойств элементов в функции атомного веса отсутствовала. Когда же Лотар Мейер усваивает, наконец, эту мысль, он в первом же своём сообщении ссылается именно на мою работу и в сущности только её реферирует—с осторожной оговоркой, что «было бы ошибочно по столь шатким основаниям изменять общепризнанные атомные веса», т.е. отрицает именно то, необходимость чего я доказал, что стоило мне наибольших усилий и утвердило закон окончательно, отрицает, в сущности весь непризнанный им закон как природы. Периодичность удельных объёмов элементов найдена была мною и доложена русскому химическому съезду тоже до Л. Мейера. Я поэтому не могу внутренне признать притязаний Лотара Мейера на соавторство со мною. Может быть, субъективно, он и делал до опубликования своих работ какие-либо построения и попытки, но ведь и я субъективно задолго до опубликования моих работ здесь много думал, и строил, и знал. Такими доводами приоритет не устанавливается»...
«Решающим моментом в развитии моей мысли о периодическом законе,—говорил мне неоднократно отец,—я считаю 1860-й год—Съезд химиков в Карлсруэ, в котором я участвовал, и на этом съезде—идеи высказанные итальянским химиком С. Канниццаро. Его я и считаю настоящим своим предшественником, так как установленные им атомные веса дали мне необходимую точку опоры. У меня тогда же явилась мысль сопоставить эти новые данные с классификацией Дюма и разобраться в этом очень сложном—при тогдашнем состоянии знаний—вопросе. С тех пор субъективно уже созрела уверенность, что я на верном пути. Между тем мне вскоре вернуться в Россию, и здесь первое время я так был занят лекциями и уроками, потом писанием «Органической химии» и своей докторской диссертацией «О соединении спирта с водой», что надолго был отвлечён в сторону. Только получив кафедру и приступив к составлению «Основ химии», мне удалось вернуться, наконец, вновь к самому сердцу вопроса. В короткое время я пересмотрел массу источников, сопоставил огромный материал. Мне надо было, однако, совершить большое усилие, чтобы в имевшихся сведениях отделить главное от второстепенного, решиться изменить ряд общепризнанных атомных весов, отступить от того, что было признано тогда лучшими авторитетами. Сопоставив всё, я с неотразимой ясностью увидел периодический закон и получил полное внутреннее убеждение, что он отвечает глубочайшей природе вещей. В его освещении предо мной раскрылись целые новые области науки. Я в него внутренне поверил—той верой, которую я считаю необходимой для каждого плодотворного дела. Когда я стал окончательно оформлять мою классификацию элементов, я написал на отдельных карточках каждый элемент и его соединения и затем, расположив их в порядке групп и рядов, получил первую наглядную таблицу периодического закона. Но это был лишь заключительный аккорд, итог всего предыдущего труда. Это было в конце 1868 и после 1869 года».
Я беседовал с отцом на эти темы много раз и передал из этих бесед здесь немногое. Общее моё убеждение, вынесенное мною их этих бесед то, что открытие периодического закона для его творца было не счастливым случаем, не неожиданной удачей. Нет, отыскание основного закона мира атомов было сознательным философским устремлением, заданием, поставленным с самого начала. Творец периодического закона шёл на осаду этой тайны природы систематически, с первых своих работ, постепенно и последовательно суживая круг, пока в результате неутомимого жизненного труда с помощью высшего подъёма творческой мысли не взял, наконец, крепости штурмом.
Воспоминания содержат также разделы: 2. Единство вещества; 3. Приёмы труда; 4. Среди современников; 5. Среди современников (продолжение); 6. Миросозерцание; 7. Путешествия; 8. Менделеев —педагог; 9. Менделеев—педагог (продолжение); 10. Разнообразие деятельности; 11. В мире искусства; 12. Семейная жизнь; 13. Нравственный облик.
«То, что он сделал, он сделал вопреки окружающему, благодаря исключительной силе своей личности, признанной со стороны иностранцев и поддержке на родине очень немногих понявших его лиц» —такими словами заканчивает Иван свои воспоминания.
(U), титан (Ti), иттрий (Y), хром (Сг) и бериллий (Be).
В те же годы итальянский физик Александр Вольта создал первый электрический элемент.
В начале XIX века английский химик Гемфри Дэви, используя очень большую электрическую батарею, провел опыты с веществом, которое теперь известно как гидроокись калия. Это соединение было хорошо известно, но никто не знал, из чего оно состоит. Дэви открыл, что, расплавив это соединение и пропустив через него электрический ток, можно получить новый химический элемент.
В настоящее время, чтобы повторить этот опыт, мы просто должны расплавить гидроокись калия в металлическом тигле, подсоединив его к одному из полюсов источника тока. Если затем платиновую проволоку, соединенную с другим полюсом, опустить в расплавленное вещество, то вокруг конца проволоки образуется небольшое количество металлического калия.
Через несколько дней после открытия калия Дэви провел тот же эксперимент, используя вместо гидроокиси калия гидроокись натрия, и выделил натрий. Так Дэви стал первооткрывателем обоих этих металлических элементов - калия и натрия.
Последовательно были открыты:
- ванадий (V), два химических «родственника»-ниобий (Nb) и тантал (Та), церий (Се), палладий (Pd), родий (Rh), иридий (Ir), осмий (Os) и открытые в 1807 г.
- калий (К) и натрий (Na); бор (В), четыре «родственника» - магний (Mg), кальций (Са), стронций (Sr) и барий (Ва) - все в 1808 г.;
- йод (J), литий (Li), кадмий (Cd), селен (Se), кремний (Si), бром (Вг), алюминий (А1);
- Редкоземельные элементы - торий (Th), лантан (La), эрбий (Ег) и тербий (ТЬ), а также элемент рутений (Ru);
- цезий (Cs), таллий (Т1), рубидий (Rb), индий (In) и редкий газ гелий (Не), который впервые был обнаружен на .
Хотя в то время не существовало никакой более или менее правильной «таблицы элементов», мы хотели бы показать, как выглядела бы в 1869 г. современная периодическая таблица.
H He
Li Be В C N 0
No Mg Al Si P S Cl
К Ca Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Br
Rb Sr Y Zr Nb Mo Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Те J
Cs Ba 1 Ta W Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi
До 1817 года, когда было известно уже около пятидесяти элементов, никто не пытался классифицировать или сгруппировать их в каком-либо порядке. Фактически было ясно лишь одно - что химические элементы представляют собой нечто совершенно отличное от химических соединений.
Явно ощущалась необходимость создания какой-либо классификации известных элементов, и ученые вскоре начали предпринимать попытки разобраться в создавшейся ситуации. Многие из них бились над идеей, что различия элементов, возможно, находятся в какой-то связи с их атомными весами.
Первым, кому удалось установить многообещающую связь между несколькими элементами, был немецкий химик Иоганн Вольфганг Деберейнер. В 1829 г. он выдвинул свою идею, триад.
Он нашел, что если поместить элементы с одинаковыми свойствами, например литий, натрий и калий, один над другим, то атомный вес среднего элемента будет равен полусумме атомных весов верхнего и нижнего элементов. Кроме того, химические свойства среднего элемента являются средними между свойствами двух, крайних. Другими примерами таких триад были кальций - стронций - барий и хлор - бром - иод.
В последующие двадцать пять лет химики расширили систему триад Деберейнера и обнаружили группы, состоящие из четырех или пяти взаимно связанных элементов. Это были важные шаги на пути построения системы элементов.
В 1862 г. французский химик Шанкуртуа разместил химические элементы по спирали соответственно их атомным весам. Эта спираль соединяла вместе элементы с близкими химическими свойствами, и каждая пара сходных друг с другом элементов отличалась по атомным весам на 16 единиц (т. е. на атомный вес кислорода). Шанкуртуа предполагал, что свойства элементов относятся между собой так, как целые числа.
Двумя годами позже английский ученый Ньюлендс тюпытался расположить первые семь элементов: , литий, бериллий, бор, углерод, азот и кислород подобно музыкальным нотам. Каждый из этих семи элементов возглавлял группу элементов с одинаковыми свойствами. Ньюлендс назвал это расположение элементов, разделенных на семь групп, «законом октав».
История создания периодической таблицы Менделеева
Настоящая победа пришла в 1869 г., когда немецкий химик Лотар Мейер и великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев открыли принцип построения периодической системы, впоследствии названный также периодическим законом Менделеева.
Прежде всего они расположили все известные элементы по порядку возрастания их атомных весов.
Водород не очень хорошо укладывался в их систему, и они начали с лития и бериллия. Было обнаружено, что если скомплектовать один ряд и разместить под ним второй, то элементы с одинаковыми химическими свойствами оказываются лежащими один под другим, причем это справедливо для всей таблицы.
Li Be В C N O F
Na Mg Al Si Р S Cl
После того как была составлена таблица, выяснилось, что несколько групп элементов никак не укладываются в эти семь категорий. Их удалось включить в таблицу лишь позднее.
Д. И. Менделеев заметил, что при попытке составить вертикальные столбцы из элементов, обладающих одинаковыми свойствами, остается несколько пустых мест. Показанная ниже частная форма периодической таблицы отличается от более поздней, расширенной таблицы.
Li Be В C N O F
Na Mg Al Si P S Cl
К Ca Ti V Cr Mn Fe Co Ni
Си Zn As Se Br
Rb Sr Y Zr Nb Mo
Важнейшим вкладом Менделеева явилось то, что он обнаружил пробелы в периодической таблице и заявил, что эти пустые места должны быть заполнены пока еще не открытыми элементами. Менделеев пошел еще дальше. Он взял на себя смелость предсказать, как будут выглядеть эти, тогда еще не открытые элементы, каковы будут их атомные веса и химические свойства.
Так как он считал, что три не обнаруженных пока элемента должны быть похожи на бор, алюминий и кремний, то он предположительно назвал их соответственно эка-бором, эка-алюминием и эка-кремнием. В частности, эка-кремний, как утверждал Менделеев, должен быть твердым веществом грязно-серого цвета с атомным весом 72 и плотностью 5,5; эка-кремний должен образовывать жидкий хлорид.
Перечисленные элементы никогда раньше никто не предсказывал. И если хотя бы один из этих трех элементов был бы открыт, это навсегда доказало бы значение и мощь системы химических элементов Менделеева.
В оставшиеся три десятилетия XIX столетия в основу расположения элементов клались их относительные веса. Как оказалось впоследствии, более правильно размещать элементы не по атомным весам, а в соответствии с их атомными номерами. Атомный номер элемента представляет собой число положительных электрических зарядов его атомного ядра. Как правило, элементы с большим зарядом имеют и больший атомный вес. Но это не всегда так: например, в случае кобальта и никеля имеет место как раз обратное.
Тот факт, что положительный заряд сосредоточен в плотном, чрезвычайно маленьком ядре, был открыт в 1911 г. английским физиком лордом Эрнестом Резерфордом.
В течение двух последующих лет датский физик Нильс Бор детально разработал теорию строения атома и описал орбиты различных групп электронов, вращающихся вокруг ядра.
В 1913 и 1914 гг. английский ученый Генри Мозели дал окончательное определение атомного номера как положительного заряда ядра. С этих новых позиций удалось пересмотреть всю периодическую систему и объяснить некоторые факты, казавшиеся ранее противоречивыми.
Подтверждение периодического закона Менделеева
А теперь мы можем теперь вернуться к знаменитому предсказанию Менделеева о том, что должны быть открыты три новых элемента, которым предстоит заполнить три пустых места в его периодической таблице.
Спустя несколько лет после этого предсказания, в 1875 г., французский химик Лекок де Буабодран работал с цинковыми рудами. Он был хорошо знаком с «пророчеством» Менделеева и знал, какого рода новый элемент следовало искать. С помощью спектроскопа де Буабодран обнаружил в образце цинковой обманки предсказанный Менделеевым эка-алюминий. В честь своей родины Франции он назвал этот элемент галлием (Галлия - старое романское название Франции).
В современной периодической таблице галлий непосредственно следует за цинком. Тот факт, что он был обнаружен в цинковой руде, говорит о том, что одинаковые химические свойства иногда обнаруживаются у двух соседних элементов одного горизонтального ряда; обычно же и более естественно такое сходство проявляется у элементов, принадлежащих одной и той же вертикальной колонке периодической таблицы.
Галлий - твердое вещество, однако он имеет плавления лишь немного выше комнатной температуры. Если вы подержите его в руке несколько минут, он начнет плавиться.
Эка-бор был открыт в 1879 г. шведским ученым Ларсом Нильсоном, который назвал его скандием - в честь Скандинавии.
Немецкий химик Клеменс Александр Винклер открыл в 1886 г. предсказанный Менделеевым эка-кремний и назвал его германием - в честь Германии.
Все три элемента поражали удивительным соответствием между предсказанными и фактическими свойствами. Это подтверждало гениальность Менделеева и укрепляло авторитет его периодической системы элементов. Менделеев получил огромное удовлетворение, увидев эти три элемента открытыми еще при его жизни.
А спустя полстолетия после его смерти в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета (США) был получен элемент с атомным номером 101 и назван Менделевием в честь великого русского химика.
Утверждение атомно-молекулярной теории на рубеже XIIX - XIX веков сопровождалось бурным ростом числа известных химических элементов. Только за первое десятилетие 19 века было открыто 14 новых элементов. Рекордсменом среди первооткрывателей оказался английский химик Гемфри Деви, который за один год с помощью электролиза получил 6 новых простых веществ (натрий, калий, магний, кальций, барий, стронций). А к 1830 году число известных элементов достигло 55.
Существование такого количества элементов, разнородных по своим свойствам, озадачивало химиков и требовало упорядочения и систематизации элементов. Многие учёные занимались поисками закономерностей в списке элементов и добивались определённого прогресса. Можно выделить три наиболее значительные работы, которые оспаривали приоритет открытия периодического закона у Д.И. Менделеева.
Менделеев сформулировал периодический закон в виде следующих основных положений:
- 1. Элементы, расположенные по величине атомного веса, представляют явственную периодичность свойств.
- 2. Должно ожидать открытия ещё многих неизвестных простых тел, например, сходных с Al и Si элементов с атомным весом 65 - 75.
- 3. Величина атомного веса элемента иногда может быть исправлена, зная его аналогии.
Некоторые аналогии открываются по величине веса их атома. Первое положение было известно ещё до Менделеева, но именно он придал ему характер всеобщего закона, предсказав на его основе существование ещё не открытых элементов, изменив атомные веса ряда элементов и расположив некоторые элементы в таблице вопреки их атомным весам, но в полном соответствии с их свойствами (главным образом, валентностью). Остальные положения открыты только Менделеевым и являются логическими следствиями из периодического закона. Правильность этих следствий подтверждалась многими опытами в течение последующих двух десятилетий и позволила говорить о периодическом законе как о строгом законе природы.
Используя эти положения, Менделеев составил свой вариант периодической системы элементов. Первый черновой набросок таблицы элементов появился 17 февраля (1 марта по новому стилю) 1869 года.
А 6 марта 1869 года официальное сообщение об открытии Менделеева сделал профессор Меншуткин на заседании Русского химического общества.
В уста учёного вложили такую исповедь: Вижу во сне таблицу, где все элементы расставлены, как нужно. Проснулся, тотчас записал на клочке бумаги - только в одном месте впоследствии оказалась нужной поправка». Как всё просто в легендах! На разработку и поправку ушло более 30 лет жизни учёного.
Процесс открытия периодического закона поучителен и сам Менделеев рассказывал об этом так: «Невольно зародилась мысль о том, что между массой и химическими свойствами необходимо должна быть связь.
А так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде весов атомов, то надо искать функциональное соответствие между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами. Искать же что - либо, хотя бы грибы или какую-нибудь зависимость, нельзя иначе, как смотря и пробуя.
Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса, что быстро и привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса, причём, сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить не возможно».
В самой первой таблицы Менделеева все элементы до кальция включительно - такие же, как и в современной таблице, за исключением благородных газов. Это можно увидеть по фрагменту страницы из статьи Д.И. Менделеева, содержащей периодическую систему элементов.
Если исходить из принципа увеличения атомных весов, то следующими элементами после кальция должны были быть ванадий, хром и титан. Но Менделеев поставил после кальция знак вопроса, а следом поместил титан, изменив его атомный вес с 52 до 50.
Неизвестному элементу, обозначенному знаком вопроса, был приписан атомный вес А = 45, являющийся средним арифметическим между атомными весами кальция и титана. Затем, между цинком и мышьяком Менделеев оставил место сразу для двух ещё не открытых элементов. Кроме того, он поместил теллур перед йодом, хотя последний имеет меньший атомный вес. При таком расположении элементов все горизонтальные ряды в таблице содержали только сходные элементы, и отчётливо проявлялась периодичность изменения свойств элементов. Последующие два года Менделеев значительно усовершенствовал систему элементов. В 1871 году вышло первое издание учебника Дмитрия Ивановича «Основы химии», в котором приведена периодическая система в почти современном виде.
В таблице образовалось 8 групп элементов, номера групп указывают на высшую валентность элементов тех рядов, которые включены в эти группы, и периоды становятся более близкими к современным, разбитые на 12 рядов. Теперь каждый период начинается активным щелочным металлом и заканчивается типичным неметаллом галогеном.Второй вариант системы дал возможность Менделееву предсказать существование не 4, а 12 элементов и, бросая вызов учёному миру, с изумительной точностью описал свойства трёх неизвестных элементов, которые он назвал экабор (эка на санскрите означает «одно и то же»), экаалюминий и экасилиций. (Галлия - древнеримское название Франции). Учёному удалось выделить этот элемент в чистом виде и изучить его свойства. А Менделеев увидел, что свойства галлия совпадают со свойствами предсказанного им экаалюминия, и сообщил Лекок де Буабодрану, что тот неверно измерил плотность галлия, которая должна быть равна 5,9-6,0 г/см3 вместо 4,7 г/см3. И действительно, более аккуратные измерения привели к правильному значению 5,904 г/см3. Окончательного признания периодический закон Д.И. Менделеева добился после 1886 года, когда немецкий химик К. Винклер, анализируя серебряную руду, получил элемент, который он назвал германием. Это оказывается экасицилий.
Периодический закон и периодическая система элементов.
Периодический закон - один из важнейших законов химии. Менделеев считал, что главной характеристикой элемента является его атомная масса. Поэтому он расположил все элементы в один ряд в порядке увеличения их атомной массы.
Если рассмотреть ряд элементов от Li до F, то можно увидеть, что металлические свойства элементов ослабляются, а неметаллические свойства усиливаются. Аналогично изменяются и свойства элементов в ряду от Na до Cl. Следующий знак К, как Li и Na, является типичным металлом.
Высшая валентность элементов увеличивается от I y Li до V y N (кислород и фтор имеют постоянную валентность, соответственно II и I) и от I y Na до VII y Cl. Следующий элемент К, как Li и Na, имеет валентность I. В ряду оксидов от Li2O до N2O5 и гидроксидов от LiОН до HNO3 основные свойства ослабляются, а кислотные свойства усиливаются. Аналогично изменяются свойства оксидов в ряду от Na2O и NaOH до Cl2O7 и HClO4. Оксид калия К2О, как и оксиды лития и натрия Li2O и Na2O, является основным оксидом, а гидроксид калия КОН, как и гидроксиды лития и натрия LiOH и NaOH, является типичным основанием.
Аналогично изменяются формы и свойства неметаллов от CH4 до HF и от SiH4 до HCl.
Такой характер свойств элементов и их соединений, какой наблюдается при увеличении атомной массы элементов, называется периодическим изменением. Свойства всех химических элементов при увеличении атомной массы изменяются периодически.
Это периодическое изменение называется периодической зависимостью свойств элементов и их соединений от величины атомной массы.
Поэтому Д.И. Менделеев сформулировал открытый им закон так:
· Свойства элементов, а так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомной массы элементов.
Менделеев расположил периоды элементов друг под другом и в результате составил периодическую систему элементов.
Он говорил, что таблица элементов - плод не только его собственного труда, но и усилий многих химиков, среди которых он особо отмечал «укрепителей периодического закона», открывших предсказанные им элементы.
Для создания современной таблицы потребовалась напряженная многолетняя работа тысяч и тысяч химиков и физиков. Если бы Менделеев был сейчас жив, он, глядя на современную таблицу элементов, вполне мог бы повторить слова английского химика Дж.У.Меллора, автора классической 16-томной энциклопедии по неорганической и теоретической химии. Закончив в 1937, после 15-летней работы, свой труд, он написал с признательностью на титульном листе: «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их работы остались»...
Периодическая система - это классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона. На октябрь 2009 года известно 117 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые -- лишь в следовых количествах). Остальные23 получены искусственно в результате ядерных реакций - это процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, обычно приводящий к выделению колоссального количества энергии. Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные -- временные.
Открытие 112-го элемента (самый тяжелый из официальных) признано Международным союзом теоретической и прикладной химии.
Самый стабильный из известных изотопов данного элемента имеет период полураспада 34 секунды. На начало июня 2009 года носит неофициальное имя унунбий, был впервые синтезирован в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Институте тяжелых ионов в Дармштадте. Первооткрыватели имеют полгода, чтобы предложить новое официальное название для добавления в таблицу (ими уже предлагались Виксхаузий, Гельмгольций, Венусий, Фриший, Штрассманий и Гейзенбергий). В настоящее время известны трансурановые элементы с номерами 113-116 и 118, полученные в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, однако они официально пока не признаны. Распространённее других являются 3 формы таблицы Менделеева: «короткая» (короткопериодная), «длинная» (длиннопериодная) и «сверхдлинная». В «сверхдлинном» варианте каждый период занимает ровно одну строчку. В «длинном» варианте лантаноиды (семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58--71, расположенных в VI периоде системы) и актиноиды (семейство радиоактивных химических элементов, состоящее из актиния и 14 подобных ему по своим химическим свойствам) вынесены из общей таблицы, делая её более компактной. В «короткой» форме записи, в дополнение к этому, четвёртый и последующие периоды занимают по 2 строчки; символы элементов главных и побочных подгрупп выравниваются относительно разных краёв клеток. Короткая форма таблицы, содержащая восемь групп элементов, была официально отменена ИЮПАК в 1989 году. Несмотря на рекомендацию использовать длинную форму, короткая форма продолжила приводиться в большом числе российских справочников и пособий и после этого времени. Из современной иностранной литературы короткая форма исключена полностью, вместо неё используется длинная форма. Такую ситуацию некоторые исследователи связывают, в том числе с кажущейся рациональной компактностью короткой формы таблицы, а также со стереотипностью мышления и невосприятием современной (международной) информации.
В 1969 году Теодор Сиборг предложил расширенную периодическую таблицу элементов. Нильсом Бором разрабатывалась лестничная (пирамидальная) форма периодической системы.
Существует и множество других, редко или вовсе не используемых, но весьма оригинальных, способов графического отображения Периодического закона. Сегодня существуют несколько сот вариантов таблицы, при этом учёные предлагают всё новые варианты.
Периодический закон и его обоснование.
Периодический закон позволил привести в систему и обобщить огромный объем научной информации в химии. Эту функцию закона принято называть интегративной. Особо четко она проявляется в структурировании научного и учебного материала химии.
Академик А. Е. Ферсман говорил, что система объединила всю химию в рамки единой пространственной, хронологической, генетической, энергетической связи.
Интегративная роль Периодического закона проявилась и в том, что некоторые данные об элементах, якобы выпадавшие из общих закономерностей, были проверены и уточнены как самим автором, так и его последователями.
Так случилось с характеристиками бериллия. До работы Менделеева его считали трехвалентным аналогом алюминия из-за их так называемого диагонального сходства. Таким образом, во втором периоде оказывалось два трехвалентных элемента и ни одного двухвалентного. Именно на этой стадии Менделеев заподозрил ошибку в исследованиях свойств бериллия, он нашел работу российского химика Авдеева, утверждавшего, что бериллий двухвалентен и имеет атомный вес 9. Работа Авдеева оставалась не замеченной ученым миром, автор рано скончался, по-видимому, получив отравление чрезвычайно ядовитыми бериллиевыми соединениями. Результаты исследования Авдеева утвердились в науке благодаря Периодическому закону.
Такие изменения и уточнения значений и атомных весов, и валентностей были сделаны Менделеевым еще для девяти элементов (In, V, Th, U, La, Ce и трех других лантаноидов).
Еще у десяти элементов были исправлены только атомные веса. И все эти уточнения впоследствии были подтверждены экспериментально.
Прогностическая (предсказательная) функция Периодического закона получила самое яркое подтверждение в открытии неизвестных элементов с порядковыми номерами 21, 31 и 32.
Их существование сначала было предсказано на интуитивном уровне, но с формированием системы Менделеев с высокой степенью точности смог рассчитать их свойства. Хорошо известная история открытия скандия, галлия и германия явилась триумфом менделеевского открытия. Он все предсказания делал на основе им же самим открытого всеобщего закона природы.
Всего же Менделеевым были предсказаны двенадцать элементов.С самого начала Менделеев указал, что закон описывает свойства не только самих химических элементов, но и множества их соединений. Для подтверждения этого достаточно привести такой пример. С 1929 г., когда академик П. Л. Капица впервые обнаружил неметаллическую проводимость германия, во всех странах мира началось развитие учения о полупроводниках.
Сразу стало ясно, что элементы с такими свойствами занимают главную подгруппу IV группы.
Со временем пришло понимание, что полупроводниковыми свойствами должны в большей или меньшей мере обладать соединения элементов, расположенных в периодах равно удаленной от этой группы (например, с общей формулой типа АзВ).
Это сразу сделало поиск новых практически важных полупроводников целенаправленным и предсказуемым. На таких соединениях основывается практически вся современная электроника.
Важно отметить, что предсказания в рамках Периодической системы делались и после ее всеобщего признания. В 1913г.
Мозли обнаружил, что длина волн рентгеновских лучей, которые получены от антикатодов, сделанных из разных элементов, изменяется закономерно в зависимости от порядкового номера, условно присвоенного элементам в Периодической системе. Эксперимент подтвердил, что порядковый номер элемента имеет прямой физический смысл.
Лишь позднее порядковые номера были связаны со значением положительного заряда ядра. Зато закон Мозли позволил сразу экспериментально подтвердить число элементов в периодах и вместе с тем предсказать места еще не открытых к тому времени гафния (№ 72) и рения (№ 75).
Долгое время шел спор: выделять инертные газы в самостоятельную нулевую группу элементов или считать их главной подгруппой VIII группы.
Исходя из положения элементов в Периодической системе, химики-теоретики во главе с Лайнусом Полингом давно сомневались в полной химической пассивности инертных газов, напрямую указывая на возможную устойчивость их фторидов и оксидов.
Но только в 1962 г. американский химик Нил Бартлетт впервые осуществил в самых обычных условиях реакцию гексафторида платины с кислородом, получив гексафтороплати-нат ксенона XePtF^, а за ним и другие соединения газов, которые теперь правильнее называть благородными, а не инертны.
ДОКЛАД
На тему:
«Жизнь и деятельность Д.И.Менделеева»
Выполнила студентка 1 курса
Группы 16-ЭО-1
Степанова Екатерина
Биография
Дмитрии Иванович Менделеев родился 27 января 1834 г. в Тобольске. Его отец после окончания в Петербурге педагогического института преподавал словесность в гимназиях Пензы, Тамбова и Саратова. Переехав в Сибирь, он познакомился с дочерью некогда богатого купца Корнильева Марией Дмитриевной. Корнильевы играли важную роль в культурной жизни Сибири, основали типографию, издавали журнал. В их доме была одна из лучших библиотек того времени.
Когда Д. И. Менделеев был еще ребенком, отец его, Иван Павлович, ослеп и вынужден был выйти на пенсию. Оказавшись в трудном материальном положении и имея большую семью, Мария Дмитриевна переехала в деревню Аремзянка, где находился заброшенный стекольный заводик, принадлежавший ее брату В. Д. Корнильеву, переехавшему в Москву и служившему управляющим в имении князей Трубецких.
Тобольск был неофициальной столицей Сибирского края. Город в прошлом имел важное значение как торговый и культурный центр. Память о Ермаке, рассказы сосланных туда декабристов- участников восстания на Сенатской площади в Петербурге в 1825 г., рассказы учителя Тобольской гимназии П. П. Ершова, автора сказки «Конек-Горбунок», о встречах с А. С. Пушкиным - все это возбуждало воображение жителей города, захватывало своей необычностью, широтой, разнообразием событий. Неудивительно, что детские игры в семье Менделеевых были связаны с путешествиями, походами за Тобол, увлечением историческими описаниями...
В гимназии Д. И. Менделеев увлекся историей, географией, русской литературой, позже математикой и физикой. Дмитрий любил решать головоломки, задачи, а дома играл в «учителя», причем старшим братьям и сестрам нередко приходилось трудно, так как удовлетворить строгого экзаменатора могли только быстрота мышления, неизвестные ему факты или сказанные к месту афоризмы. В доме царила трудовая и доброжелательная обстановка, в чем главная роль принадлежала Марин Дмитриевне.
В 1847 г. отец умер, а в 1849 г. Дмитрий окончил гимназию, старшие братья и сестры уже нашли свое место в жизни, - ничто не задерживало больше Марию Дмитриевну в Тобольске; она задалась целью дать самому младшему сыну хорошее образование и отправилась с детьми Митей и Лизой, а также верным слугой Яковом в Москву к В. Д. Корнильеву.
Не найдя поддержки у брата, Мария Дмитриевна поехала в Петербург, здесь в университете работал друг ее мужа, профессор математики Чижов.
Он получил разрешение Дмитрию Менделееву, как сыну учителя, поступить в Главный педагогический институт в неприемный год. Обучаясь в этом институте с 1850 пo 1855 г., Дмитрий Иванович избрал химию своей специальностью. Будущий учитель гимназии слушал лекции выдающихся ученых своего времени: физику читал академик Э. Х.Линц, математику- академик М. В. Остроградский, зоологию - академик Ф. Ф. Бранд. Особенно заинтересовался Д. И. Менделеев химией, которую читал А. А. Воскресенский, минералогией и ботаникой.
Уже будучи студентом, Д. И. Менделеев собрал гербарий, участвовал в описании фауны Петербургской губернии, осуществил анализ минералов пироксена и ортита, привезенных С. С. Куторгой из минералогических экспедиций, провел первые химические эксперименты в лабораториях института и Академии наук, просмотрел большое число научных статей и монографий, готовя «пробные лекции» по педагогике, зоологии, химии и минералогии. Завершил Д. И. Менделеев свою учебу 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. А между тем его жизнь в столице не была легкой: вскоре после переезда в Петербург умерла его мать, он сам много болел. Первый год после окончания института Д. И. Менделеев работал в гимназиях Симферополя и Одессы. Однако после защиты магистерской диссертации в начале осени 1856 г. он был переведен на службу в Петербургский университет, а в 1859 г. отправлен в заграничную командировку для «подготовки к профессорскому званию».
Предпосылки
Конечно, начиная рассказывать об открытиях гениального ученого, нельзя не осветить главное открытие Д.И. Менделеева – Периодический закон.
Ко времени открытия Периодического закона было известно 63 химических элемента, описаны состав и свойства их многочисленных химических соединений.
Многие ученые пытались классифицировать химические элементы. Одним из них был выдающийся шведский химик Й. Я. Берцелиус. Он разделил все элементы на металлы и неметаллы на основе различий в свойствах образованных ими простых веществ и соединений. Он определил, что металлам соответствуют основные оксиды и основания, а неметаллам – кислотные оксиды и кислоты. Но групп было всего две, они были велики и включали значительно отличающиеся друг от друга элементы. Наличие амфотерных оксидов и гидроксидов у некоторых металлов вносило путаницу. Классификация была неудачной.
Многие ученые предполагали периодичность свойств элементов и зависимость их от атомных масс, но грамотную и систематическую классификацию предложить не смогли.
Очередной предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в г. Карлсруэ в 1860 г., когда окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который теперь называется относительной атомной массой. Именно это понятие как неизменную характеристику атомов химических элементов Д.И. Менделеев положил в основу своей классификации. Предшественники ученого сравнивали между собой только сходные элементы, а поэтому не смогли открыть Периодический закон.
Рассмотренные выше предпосылки можно назвать объективными, то есть не зависящими от личности ученого, так как они были обусловлены историческим развитием химии как науки.
Но без личностных качеств великого химика, которые составляют последнюю, субъективную предпосылку открытия Периодического закона, вряд ли он бы открыт в 1869 г. Энциклопедичность знаний, научная интуиция, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого, дар научного предвидения Д.И. Менделеева сыграли свою немалую роль в открытии Периодического закона.
Открытие периодического закона
В основу своей работы по классификации химических элементов Д.И. Менделеев положил два их основных и постоянных признака: величину атомной массы и свойства. Он выписал на карточки все известные сведения об открытых и изученных в то время химических элементах и их соединениях. Сопоставляя эти сведения, ученый составил естественные группы сходных по свойствам элементов, сравнение которых между собой показало, что даже элементы несходных групп имеют объединяющие их признаки. Например, близки по значениям атомные массы фтора и натрия, хлора и калия (инертные газы еще не были известны), следовательно, щелочные металлы и галогены можно поставить рядом, выстраивая химические элементы в порядке возрастания атомных масс. Так Д.И. Менделеев объединил естественные группы химических элементов в единую систему. При этом он обнаружил, что свойства элементов изменяются в пределах определенных их совокупностей линейно (монотонно возрастают или убывают), а затем повторяются периодически, то есть через определенное число элементов встречаются сходные. Ученый выделил периоды, в которых свойства химических элементов и образованных ими веществ закономерно изменяются.
На основании этих наблюдений Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон, который в соответствии с принятой в настоящее время терминологией звучит так: «Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс».
Периодический закон и Периодическая система богаты периодическими закономерностями: кроме упоминаемой горизонтальной (по периодам) периодичности есть также периодичность вертикальная (по группам) и диагональная. Именно учет всех видов периодичности позволил Д.И. Менделееву не только предсказать, описать свойства веществ, образованных еще не открытыми химическими элементами, но и указать путь их открытия, природные источники (руды и соединения), из которых могли быть получены соответствующие простые вещества.
Похожая информация.
Периодический закон Дмитрия Ивановича Менделеева — один из фундаментальных законов природы, который увязывает зависимость свойств химических элементов и простых веществ с их атомными массами. В настоящее время закон уточнен, и зависимость свойств объясняется зарядом ядра атома.
Закон был открыт русским ученым в 1869-м году. Менделеев представил его научному сообществу в докладе съезду Русского химического общества (доклад был сделан другим ученым, так как Менделеев был вынужден срочно выехать по заданию Вольного экономического общества Петербурга). В этом же году вышел учебник «Основы химии», написанный Дмитрием Ивановичем для студентов. В нем ученый описал свойства популярных соединений, а также постарался дать логическую систематизацию химических элементов. Также в нем впервые была представлена таблица с периодически расположенными элементами, как графическая интерпретация периодического закона. Всее последующие годы Менделеев совершенствовал свою таблицу, например, добавил столбец инертных газов, которые были открыты спустя 25 лет.
Научное сообщество далеко не сразу приняло идеи великого русского химика, даже в России. Но после того, как были открыты три новых элемента (галлий в 1875-м, скандий в 1879-м и германий в 1886-м годах), предсказанные и описанные Менделеевым в своем знаменитом докладе, периодический закон был признан.
- Является всеобщим законом природы.
- В таблицу, графически представляющую закон, включаются не только все известные элементы, но и те, которые открывают до сих пор.
- Все новые открытия не повлияли на актуальность закона и таблицы. Таблица совершенствуется и изменяется, но ее суть осталась неизменной.
- Позволил уточнить атомные веса и другие характеристики некоторых элементов, предсказать существование новых элементов.
- Химики получили надежную подсказку, как и где искать новые элементы. Кроме этого, закон позволяет с высокой долей вероятности заранее определять свойства еще неоткрытых элементов.
- Сыграл огромную роль в развитии неорганической химии в 19-м веке.
История открытия
Есть красивая легенда о том, что свою таблицу Менделеев увидел во сне, а утром проснулся и записал ее. На самом деле, это просто миф. Сам ученый много раз говорил, что созданию и совершенствованию периодической таблицы элементов он посвятил 20 лет своей жизни.
Все началось с того, что Дмитрий Иванович решил написать для студентов учебник по неорганической химии, в котором собирался систематизировать все известные на этот момент знания. И естественно, он опирался на достижения и открытия своих предшественников. Впервые внимание на взаимосвязь атомных весов и свойств элементов обратил немецкий химик Дёберейнер, который попытался разбить известные ему элементы на триады с похожими свойствами и весами, подчиняющимися определенному правилу. В каждой тройке средний элемент имел вес, близкий к среднему арифметическому двух крайних элементов. Ученый смог таким образом образовать пять групп, например, Li-Na-K; Cl-Br-I. Но это были далеко не все известные элементы. К тому же, тройка элементов явно не исчерпывала список элементов с похожими свойствами. Попытки найти общую закономерность позже предпринимали немцы Гмелин и фон Петтенкофер, французы Ж. Дюма и де Шанкуртуа, англичане Ньюлендс и Одлинг. Дальше всех продвинулся немецкий ученый Мейер, который в 1864-м году составил таблицу, очень похожую на таблицу Менделеева, но она содержала лишь 28 элементов, в то время как было известно уже 63.
В отличие от своих предшественников Менделееву удалось
составить таблицу, в которую вошли все известные элементы, расположенные по определенной системе. При этом, некоторые клетки он оставил незаполненными, примерно вычислив атомные веса некоторых элементов и описав их свойства. Кроме этого, русскому ученому хватило смелости и дальновидности заявить, что открытый им закон является всеобщим законом природы и назвал его «периодическим законом». Сказав «а», он пошел дальше и исправил атомные веса элементов, которые не вписывались в таблицу. При более тщательной проверке, оказалось, что его исправления верны, а открытие описанных им гипотетических элементов стало окончательным подтверждением истинности нового закона: практика доказала справедливость теории.
