Периодическая система химических элементов Менделеева: история открытия

У каждой области науки есть свой любимый юбилей. Для физики это «Принципы Ньютона» 1687 года, книга, которая ввела законы движения и гравитации. Биология празднует дарвиновское «Происхождение видов» (1859) вместе с его днем ​​рождения (1809). Поклонники астрономии отмечают 1543 год, когда Коперник поместил Солнце в центр Солнечной системы.

А что касается химии, ни одна причина для празднования не превосходит происхождение периодической таблицы элементов, которую в марте 1869 года представил Дмитрий Иванович Менделеев.

Таблица Менделеева стала такой же привычной для студентов-химиков, как электронные таблицы для бухгалтеров. Она суммирует всю науку в чуть более 100 квадратах, содержащих символы и числа.

Она перечисляет элементы, из которых состоят все земные вещества, устроенные таким образом, чтобы выявить закономерности в их свойствах, направляя химическое исследование как в теории, так и на практике.

Таблица Менделеева выглядела как специальная таблица, но ученый хотел, чтобы таблица отражала глубокую научную истину, которую он открыл: периодический закон.

Его закон выявил глубокие «семейные отношения» между известными химическими элементами — они проявляли подобные свойства через регулярные промежутки (или периоды), когда были расположены в порядке их атомного веса — что позволило Менделееву предсказать существование элементов, которые еще не были обнаружены.

«До обнародования закона химические элементы были просто фрагментарными, случайными фактами в Природе», — заявил Менделеев. «Закон периодичности сначала позволил нам увидеть неоткрытые элементы на расстоянии, которое раньше было недоступно для химического зрения».

Таблица Менделеева не только предсказала существование новых элементов. Она подтвердила противоречивую веру в реальность атомов. Она намекала на существование субатомной структуры и предвидела математический аппарат, лежащий в основе правил, управляющих материей, которые в конечном итоге проявили себя в квантовой теории.

Таблица завершила превращение химической науки из средневекового магического мистицизма и алхимии в область современной научной строгости. Периодическая таблица символизирует не только составляющие части материи, но и логическую убедительность и принципиальную рациональность всей науки.

Заложить фундамент

Легенда гласит, что Менделеев задумал и создал свою таблицу за один день: 17 февраля 1869 года по старому стилю (1 марта). Но это, наверное, преувеличение. Менделеев годами думал о группировке элементов, а другие химики несколько раз рассматривали понятие связей между элементами в предыдущие десятилетия.

На самом деле немецкий химик Иоганн Вольфганг Доберейнер заметил особенности группирования элементов еще в 1817 году. В те дни химики еще не полностью поняли природу атомов, как это описано в теории атома, предложенной английским школьным учителем Джоном Далтоном в 1808 году.

В своей «Новой системе химической философии» Далтон объяснил химические реакции, предположив, что каждое элементарное вещество состоит из атома определенного типа.

Химические реакции, предложил Далтон, производят новые вещества, когда атомы разъединяются или соединяются. Любой данный элемент, рассуждал он, полностью состоял из атома одного вида, отличающегося от других по весу.

Атомы кислорода весили в восемь раз больше атомов водорода; атомы углерода были в шесть раз тяжелее водорода, полагал Далтон. Когда элементы объединяются для создания новых веществ, количество реагирующих веществ может быть рассчитано с учетом этих атомных весов.

Далтон ошибался насчет некоторых весов — кислород действительно в 16 раз больше веса водорода, а углерод в 12 раз тяжелее водорода. Но его теория сделала идею об атомах полезной, вдохновив на исследования других ученых. Измерение точного атомного веса стало основной проблемой для химиков в последующие десятилетия.

Размышляя об атомных массах, Иоганн Доберейнер отметил, что определенные наборы из трех элементов (он назвал их триадами) показали своеобразную связь. Например, бром имел атомную массу на полпути между массами хлора и йода, и все три элемента демонстрировали сходное химическое поведение. Литий, натрий и калий также были триадой.

Другие химики тоже понимали связь между атомным весом и химическими свойствами, но только в 1860-х годах атомные веса были достаточно хорошо поняты и измерены, чтобы появилось более глубокое понимание.

В Англии химик Джон Ньюландс заметил, что расположение известных элементов в порядке увеличения атомного веса приводило к повторению химических свойств каждого восьмого элемента, модель, которую он назвал «законом октав» в статье 1865 года.

Но модель Ньюландса не очень хорошо работала после первых двух октав, что заставило критиков предложить ему вместо этого расположить элементы в алфавитном порядке. Очевидно, что взаимосвязь свойств элементов и атомных весов была немного более сложной, как вскоре понял Менделеев.

Организация элементов

Менделеев родился в городе Тобольске, в Сибири, в 1834 году (17-й ребенок в семье). Во время получения своего высшего образования в педагогическом институте в Санкт-Петербурге он чуть не умер от тяжелой болезни.

После окончания он преподавал в средних школах (требование для получения стипендии в учебном институте), а во время преподавания математики и естественных наук он проводил исследования для получения степени магистра.

Затем он работал преподавателем и лектором, пока не получил стипендию для стажировки в самых известных университетских химических лабораториях Европы.

По возвращению в Санкт-Петербург, он вернулся к исследованиям, получив докторскую степень в 1865 году, а затем становится профессором в Петербургском университете.

Вскоре после этого Менделеев начал преподавать неорганическую химию. Готовясь освоить это новое (для него) поле, он не был впечатлен имеющимися учебниками. Поэтому он решил написать свой. Организация текста требовала упорядочения элементов, поэтому вопрос о том, как лучше их расположить, постоянно занимал его.

К началу 1869 года Менделеев добился достаточного прогресса, чтобы понять, что некоторые группы подобных элементов демонстрировали регулярное увеличение атомных весов; другие элементы с примерно одинаковыми атомными весами имеют общие свойства. Оказалось, что упорядочение элементов по их атомному весу было ключом к их классификации.

По собственным словам Менделеева, он структурировал свое мышление, записав каждый из 63 известных элементов в индивидуальной записной карточке.

Затем, посредством своего рода игры в химический пасьянс, он нашел образец, который искал. Располагая карточки в вертикальных столбцах с атомными весами от низкого до более высокого, он размещал элементы с похожими свойствами в каждом горизонтальном ряду.

1 марта Менделеев включил таблицу в свой учебник, который скоро будет опубликован и подготовил доклад для представления российскому химическому обществу.

«Элементы, упорядоченные по размеру их атомных весов, показывают четкие периодические свойства», — заявил Менделеев в своей статье. «Все сравнения, которые я провел … привели меня к выводу, что размер атомного веса определяет природу элементов».

Менделеев использовал свою таблицу, чтобы сделать смелые прогнозы о неоткрытых элементах. Готовя ее, Менделеев должен был оставить пустые места, чтобы заставить известные элементы правильно расположиться. В течение его жизни три из этих пустых мест были заполнены ранее неизвестными элементами галлия, скандия и германия.

Менделеев не только предсказал существование этих элементов, но также правильно описал их свойства в деталях. Например, галлий, открытый в 1875 году, имел атомный вес (измеренный тогда) 69,9 и плотность, в шесть раз превышающую плотность воды.

Менделеев предсказал элемент (он назвал его eka-aluminium) с той же плотностью и атомным весом 68. Его предсказания для eka-кремния близко соответствовали германию (обнаруженному в 1886 году) в атомном весе (72 против 72.3 по факту) и плотности (5,5 против 5,469). Он также правильно предсказал плотность соединений германия с кислородом и хлором.

К 1890-м годам химики широко признали таблицу Менделеева как веху в химическом знании. В 1900 году будущий нобелевский лауреат по химии Уильям Рамсей назвал ее «величайшим обобщением, которое до сих пор было сделано в химии».

К моменту смерти Менделеева в 1907 году ученые знали, что атомы имеют части: электроны, которые несут отрицательный электрический заряд, плюс некоторый положительно заряженный компонент, делающий атомы электрически нейтральными.

Ключевой ключ к тому, как эти части были расположены, появился в 1911 году, когда физик Эрнест Резерфорд, работающий в Манчестерском университете в Англии, обнаружил атомное ядро.

Вскоре после этого Генри Мозли, физик, который работал с Резерфордом, продемонстрировал, что количество положительного заряда в ядре (количество протонов, которые оно содержит, или его «атомный номер») определяет правильный порядок элементов в периодической таблице.

Атомный вес был тесно связан с атомным номером Мозли — достаточно близко, чтобы упорядочение элементов по весу отличалось всего в нескольких точках от упорядочения по номеру. Менделеев настаивал на том, что эти веса были неправильными и нуждались в повторном измерении, и в некоторых случаях он был прав. Некоторые расхождения остались, но атомный номер Мозли привел таблицу в порядок.

Примерно в то же время датский физик Нильс Бор понял, что квантовая теория управляет расположением электронов вокруг ядра и что внешние электроны определяют химические свойства элемента.

Подобные расположения внешних электронов будут периодически повторяться, объясняя закономерности, которые первоначально обнаружила таблица Менделеева. Нильс Бор создал свою собственную версию таблицы в 1922 году, основываясь на экспериментальных измерениях энергий электронов (наряду с некоторыми указаниями из периодического закона).

Таблица Бора добавила элементы, открытые с 1869 года, но, по сути, это был периодический механизм, который открыл Менделеев. Не имея тогда ни малейшего понятия о квантовой теории, Менделеев создал таблицу, отражающую атомную архитектуру, которую диктовала квантовая физика.

Периодическая система Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в феврале 2019 года.