Роль периодического закона Д. И. Менделеева в открытии и исследовании химических элементов

В истории человеческих знаний немало подвигов. Но очень немногие из них можно сопоставить с тем, что было сделано Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Величие научного подвига Менделеева не только не стирается временем, но продолжает расти.

История строго и придирчиво отбирает и сортирует все, что найдено и создано человеком. Поразительная, ставшая привычной четкость таблицы Менделеева наших дней скрывает от нас гигантскую работу ученого по осознанию всего, что было известно до него о превращениях вещества, работу, благодаря которой стала осуществимой великая интуитивная догадка о существование нового закона – закона периодичности свойств химических элементов.

Законы природы, открытые человеком, различны по объему познанного и по тому, в каких областях познания мира они действенны. Их трудно сравнивать между собой. Но законы сравнимы по самому главному – по возможности предсказания нового, предвидения неизвестного. Периодический закон в этом отношении не имеет равных в истории науки. Менделеев указал путь направленного поиска в химии будущего. Многие ученые, основываясь на периодическом законе, предсказывали и описывали неизвестные химические элементы и их свойства.

История химии не знает подобного триумфа. Открыт новый закон природы. Вместо разрозненных не связанных между собой веществ перед наукой встала единая стройная система, объединившая в одно целое все химические элементы. Но Менделеев поставил перед наукой еще более грандиозную задачу: объяснить взаимную связь между всеми элементам, между их физическими и химическими свойствами.

Мне приходилось слышать немало версий о том, как был открыт периодический закон и периодическая система химических элементов, а также, что было создано раньше: закон или периодическая система. Цель моей работы заключается в том, чтобы выяснить основные этапы деятельности учёного в период создания им великого творения, актуального и в наше время, несмотря на то что прошло более ста лет со дня его открытия. Отметить огромное значение Великого закона для развития науки, промышленности.

И так, что было накануне открытия?

Было известно 63 химических элемента. Далеко не все свойства этих элементов были достаточно изучены, даже атомные веса некоторых были определены неправильно или неточно. Много это или мало – 63 элемента? Если вспомнить, что сейчас мы знаем 110 элементов, то, конечно, маловато. Но вполне достаточно, чтобы можно подметить закономерность изменения их свойств.

Но разве до Менделеева не пытались ученые подчинить все известные элементы определенному порядку, классифицировать их, свести в систему?

Многие пытались. Такие, как немецкий химик И. Дёберейнер в 1829 г, в 1849 г. русский химик Г. И. Гесс, в 1862 г. француз А. Бегье де Шанкуртуа, в 1864г. Л. Мейер. Сказать, что их попытки были бесполезными, нельзя: какие – то крупицы истины они содержали.

Предшественники Менделеева, подметившие частные проявления великой закономерности в мире химических элементов, по разным причинам не смогли подняться до великого обобщения и осознать существование в мире фундаментального закона.

Почему же именно Дмитрию Ивановичу Менделееву удалось открыть периодический закон? И как было сделано это открытие?

Учение о химических элементах как основных кирпичиках мироздания и органически связанное с этим учением представление о массе вещества как фундаментальной характеристике материи стало к концу 1860-х годов ведущим направлением в научной деятельности Д. И. Менделеева. В 1868 г. Д. И. Менделеев начинает писать «Основы химии», о которых впоследствии сказал: «Тут много самостоятельного в мелочах, а главное – периодичность элементов, найденная именно при обработке “Основ химии”»

В середине февраля Менделеев, продолжая обдумывать структуру последующих разделов книги, вплотную подошёл к проблеме создания рациональной системы химических элементов. Решающий этап работы наступил 17 февраля. Утром этого дня учёный сделал запись, содержащую сопоставления по величине атомного веса щелочных и двухвалентных металлов. Она сделана на первом попавшемся под руку листке. В этот день Менделеев составил отдельную табличку, в которой сопоставил различные группы сходных элементов по атомному весу. В работе он использовал карточки, на которых были записаны основные свойства элементов, в том числе их атомный вес. Ему удалось, раскладывая карточки в виде пасьянса, создать вариант таблицы, охватывающей почти все элементы. В центре её располагались горизонтально друг под другом группы щелочных металлов и галогенов.

Сопоставление двух групп элементов (галогенов и щелочных металлов), столь различных по химическим свойствам, показало, что по величине их атомных весов и по валентности их можно сблизить в системе элементов:

F = 19 Cl = 35,5 Br = 80 J = 127

Li = 7 Na = 23 K = 39 Rb = 85,4 Cs = 133

Ca = 40 Sr = 87,6 Ba = 137

Подписывая далее по ходу изменения атомных весов остальные группы (выше и ниже центральных), Менделеев заметил следующую закономерность: последовательное возрастание атомных весов элементов сопровождается периодическим изменением их свойств.

Переписанный набело вариант таблицы, названной «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», Менделеев в этот же день отправил в типографию.

«Первые мысли о периодичности, - писал Д. И. Менделеев, - вложены мною в листок, который 1 марта 1869 г. был послан мною многим учёным».

В последующие дни учёный стремился всесторонне обосновать свой «Опыт системы элементов» в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов». Он писал: « при всей перемене в свойствах простых тел, в свободном их состоянии, нечто остаётся постоянным, и при переходе элемента в соединения это нечто – материальное и составляет характеристику соединений, заключающих данный элемент. В этом отношении поныне известно только одно числовое данное, это именно атомный вес, свойственный элементу». Менделеев принял атомный вес элемента за основу для определения его места в системе. Сопоставляя свойства элементов по горизонтали (группы сходных элементов) и по вертикали (ряды), он пришёл к заключению, что «способ распределения элементов по атомному их весу не противоречит естественному сходству, существующему между элементами, а, напротив того, прямо на него указывает» и что «естественность распределения групп в определённом порядке не нарушается числами, выражающими их атомный вес, а, напротив того, как бы предугадывается».

Анализ различных сопоставлений, проведённый Менделеевым, привёл его к выводу, что «величина атомного веса определяет природу элемента».

Излагая сущность открытого им закона, он сформулировал его в следующих словах: « свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от величины атомных весов элементов»

«Полагаю, - пишет учёный, - что выставляемый мною закон не идёт вразрез с общим направлением естествознания Отныне, мне кажется, приобретается ещё новый интерес в определении атомных весов, в открытии новых простых тел и в отыскании новых между ними аналогий».

В заключении статьи он сформулировал основные положения, вытекающие из закона:

1. «Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств.

2. Сходственные по химическим отправлениям элементы представляют или близкие атомные веса (подобно Pt, Ir, Os), или последовательно и однообразно увеличивающиеся (подобно К, Rb, Cs)

3. Сопоставление элементов или их групп по величине атомного веса соответствует так называемой атомности их и, до некоторой степени, различию химического характера, что видно ясно в ряде Li, Ве, В, С, N, О, F и повторяется в других рядах.

4. Распространённые в природе простые тела имеют малый атомный вес, а все элементы с малым атомным весом характеризуются резкостью свойств. Они поэтому суть типические элементы. Водород, как легчайший элемент, по справедливости избирается как самый типический.

5. Величина атомного веса определяет характер элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела

6. Должно ожидать открытия ещё многих неизвестных простых тел, например сходных с Al и Si элементов, с паем 65 – 75.

7. Величина атомного веса элемента иногда может быть исправлена, зная его аналоги. Так, пай Те должен быть не 128, а 123 – 126?

8. Некоторые аналоги элементов открываются по величине веса и атома»

В течение последующих трёх лет (1869 – 1871) Д. И. Менделеев теоретически и экспериментально разработал и обосновал открытый им закон и периодическую систему элементов. В июне 1869 г. Менделеев составил таблицу значений атомных объёмов элементов.

29 ноября 1870 г. Д. И. Менделеев закончил статью «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств не открытых элементов», о которой доложил 3 декабря 1870 г. на экстренном заседании Русского химического общества. Эта работа проникнута верой в периодический закон – закон природы, не терпящий исключений. В 1870 – 1871 гг. он обосновал понятие о «месте элемента в системе» как узле, в котором и пересекаются закономерные ряды изменений свойств по горизонтали (в пределах периода или ряда) и по вертикали (в пределах группы). Место элемента в системе как совокупность всех связей и отношений данного элемента с окружающими его «соседями», по словам Менделеева, указывает «величину атомного веса, аналогию, свойства и форму соединений»

К концу 1870 г. Д. И. Менделеев был уже полностью уверен в том, что место, которое должен занять элемент в системе, позволяет достаточно точно предсказать его свойства.

Таким образом, в 1870 г. Структура периодической системы приобрела наиболее совершенную форму (так называемая короткая таблица).

С этого момента периодический закон и периодическая система становится мощным «инструментом» в предсказании ещё не открытых элементов.

Почему же именно Д. И. Менделееву удалось открыть Великий закон?

Менделеев видел три обстоятельства, которые, по его мнению, способствовали открытию периодического закона: во–первых, были более или менее точно определены величины атомных весов большинства известных химических элементов; во-вторых, появилось четкое понятие о группах сходных по химическим свойствам элементов (естественных группах); в-третьих, к 1869 г. была изучена химия многих редких элементов, без знания которой трудно было бы прийти к какому-либо обобщению. Наконец, решающий шаг к открытию закона заключался в том, что Менделеев сопоставил между собой все элементы по величине атомных весов. Предшественники Менделеева сравнивали элементы, сходные между собой, т. е. элементы естественных групп. Эти группы оказывались не связанными. Менделеев логично объединил их в структуре своей таблицы.

Иногда среди науки вспыхивает спор: что раньше родилось в сознание Менделеева – периодический закон или периодическая система элементов?

Система элементов – это закономерность, выраженная в виде таблицы. Но чтобы уловить смысл закона, нужно было, прежде всего, свести все известные химические элементы в определенную систему, т. е. в таблицу. Поэтому никак нельзя разрывать систему и закон.

Вот как сам Менделеев охарактеризовал течение творческого процесса, который представляет собой открытие периодического закона: «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 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, причем, сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить было невозможно».

Периодический закон дал возможность доказать существование в природе новых элементов, свойства которых на основе этого закона можно предсказать. Это послужило поводом к открытию новых элементов, и действительно с 1869 по 1930 г. Было обнаружено ещё 26 химических элемента. Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и создание периодической системы было научным подвигом. Дальнейшее развитие науки более полно раскрыло суть и содержание закона Д. И. Менделеева. «Новые завоевания, - писал академик А. Е. Ферсман, - рождаются всюду, где учёные применяют закон Менделеева к анализу природных явлений». В свете периодической системы и само понятие химического элемента значительно углубляется и выходит за рамки того, которое существовало. Элемент представляет вид атомов, характеризующийся не только определённой атомной массой, но и местом в системе их. Элемент рассматривается как звено единой системы атомов, как узловой пункт в ряде качественных изменений, вызываемых количественными изменениями, как ступень в последовательном формировании материи. Исходя из периодического закона, Д. И. Менделеев предсказал существование 11 ещё неизвестных элементов. Для трёх из них он точно указал химические и физические свойства. Свойства открытых элементов полностью совпали с теми свойствами, которые были предугаданы великим учёным

Свойства экасилиция, предсказанные Д. И. Менделеевым в 1871 г. Свойства германия, открытого Винклером в 1886 г.

Атомная масса должна быть 72 Атомная масса 72,6

Серый тугоплавкий металл Серый тугоплавкий металл

Плотность должна быть 5,5 Плотность 5,35

Должен получиться восстановлением водородом из окиси Получается при восстановлении из окиси водородом

Формула окисла EsO2 Формула окисла GeO2

Плотность окисла – 4,7 Плотность окисла – 4,7

Хлорид EsCl4 должен быть жидкостью с плотностью 1,9 и точкой кипенияХлорид GeCl4 – жидкость с плотностью 1,887 и точкой кипения 86 ˚С

Значение периодического закона не исчерпывается только предсказанием тех элементов, которые должны были находиться в пустующих клетках периодической системы, составленной Д. И. Менделеевым в 1870 году.

Учёный, исходя из закона, исправляет атомные массы девяти элементов, а именно: бериллия, индия, лантана, диспрозия, иттрия, европия, цезия, тория, урана. , так что они с очень незначительными отклонениями совпадают с современными данными.

Исходя из периодического закона, Д. И. Менделеев делает предположение о том, что периодическая система элементов не заканчивается ураном, что должны существовать и заурановые элементы, т. е. элементы с большей атомной массой, чем уран.

Таким образом, периодический закон и система не только завершили важнейший этап в развитии химии, но и открыли новую эру в химии и физике, явились исходным пунктом для новых изысканий и открытий.

Коротко можно определить значение периодического закона следующим:

1. Поиски новых элементов для заполнения пустующих мест в периодической системе.

2. Периодическая система дала возможность исправить атомные массы многих элементов, уточнить формулы их окислов, валентность этих элементов в их соединениях, а также положение в системе.

3. Самое главное значение научного подвига Д. И. Менделеева заключается в том, что он направил усилия учёных на поиски причин периодичности, на вскрытие физического смысла понятия порядковых номеров элементов и физического смысла самого периодического закона.

4. Периодический закон послужил основой для изучения строения атома.

Было бы, конечно, неправильно ограничить значение периодического закона только областью химии и физики. Периодический закон сыграл большое значение и как основной закон природы в развитии материалистической философии.

Д. И. Менделеев предвидел и дальнейшее, как он писал, «развёртывание» периодической системы в сторону заурановых элементов, что также в настоящее время блестяще подтвердилось.

В 1913 – 1914 гг. английский учёный Г. Мозли показал, что порядковый номер элементов в периодической системе совпадает с зарядом ядра, поэтому между первым и 92-м элементом должны существовать все 90 элементов, а не 85, которые были известны к 1914 году. Семь из этих элементов, а именно: 43, 61, 72, 85, 87 и 91-й – были уже предсказаны Д. И. Менделеевым.

Таким образом, к концу тридцатых годов в периодической системе были только четыре пустые клетки под номерами: 43, 61, 85 и 87. Эти элементы искусственно получили в период 1930 – 1940 гг. Однако предсказания Д. И. Менделеева осуществляются и теперь.

В 2008 г. исполняется более ста лет со дня открытия периодического закона химических элементов, и мы также знаем, что изучать химию невозможно иначе, как на основе периодического закона и периодической системы элементов. Каким нелепым выглядел бы учебник химии без таблицы Менделеева! Но запомнить последовательность расположения химических элементов в менделеевской таблице – это ещё недостаточно, да это и не нужно. Нужно другое: понять, как различные элементы связаны между собой и почему они так связаны. Только тогда периодическая система окажется богатейшим хранилищем информации о свойствах элементов и их соединений, таким хранилищем, с которым мало что может сравниться.

Но ведь перед современной химической наукой стоит задача получать не только новые сведения о свойствах и практической применимости уже известных химических соединений. Научно-техническая революция потребовала синтеза новых материалов и веществ с новыми, необычными, заранее заданными свойствами, таких веществ, которые неизвестны в природе. Они создаются теперь в больших количествах.

Она же стала путеводной нитью и в синтезе полупроводниковых материалов. Учёные на множестве примеров обнаружили, что наилучшими полупроводниковыми свойствами обладают или должны обладать соединения элементов, занимающих определённые места в менделеевской таблице (главным образом в III – V её группах).

Металлические сплавы были известны людям с глубокой древности, но их ассортимент долгое время был весьма ограниченным. Только в XX в. их число резко возросло – этого потребовали техника и промышленность. В результате были получены самые разнообразные сочетания элементов, в особенности, когда начали использовать редкие металлы. В настоящее время известны тысячи различных сплавов. Изучая их строение и свойства, исследователи установили много важных закономерностей. И выяснилось, что эти закономерности не случайны, а во многом определяются положением металлов в периодической системе. Следовательно, нельзя ставить задачу получения новых сплавов, игнорируя периодическую систему.

Незадолго до смерти, 10 июля 1905 г. , Д. И. Менделеев записал в своём дневнике: «По-видимости, периодическому закону – будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает» И этот последний прогноз, сделанный великим учёным, многократно оправдывался. За много лет, прошедших с той поры, стал ясным физический смысл учения о периодичности, в нём обнаружились новые грани.

Периодически изменяются не только свойства химических элементов по мере роста их порядковых номеров в таблице, также периодически изменяются и повторяются сходные электронные конфигурации внешних оболочек атомов в зависимости от увеличения заряда ядра. И здесь заключается объяснение физической сущности явления периодичности.

Были открыты все химические элементы, которые существуют в природе, но ещё не были известны в начале XX в. И искусственно синтезировано почти два десятка элементов, не содержащихся в земных минералах. Они заполнили пустовавшие клетки в периодической системе и заметно «надстроили» её, существенно сдвинув её верхнюю границу.

Применение методов квантовой механики позволило теоретикам изучать механизм химической связи, предсказывать возможность синтеза ранее не известных соединений, объяснять особенности протекания химических реакций.

Всё это особенно яркие свидетельства развития учения о периодичности. Ныне его можно уподобить могучему древу, в корне которого нет веточек, обречённых на засыхание. Напротив, то и дело появляются молодые зелёные росточки

Д. И. Менделеев великий русский химик, гениальный учёный и мыслитель, пламенный патриот, заслуги которого перед наукой, промышленностью, родиной и всем человечеством только в наше время, в свете современных достижений науки, могли быть осознаны во всём их величии.