Периодический закон менделеева, суть и история открытия. История открытия периодического закона и периодической системы химических элементов

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.

Периодический закон Д. И. Mенделеева. Взаимосвязь элементов.

Понятие об элементах как о первичных веществах пришло из глубокой древности и, постепенно видоизменяясь а уточняясь, дошло до нашего времени. Основоположникам научных воззрений на химические элементы являются Р. Бойль (VII в.), М. В. Ломоносов (XVIII в.) и Дальтон (XIX в.).
К началу XIX в. было известно около 30 элементов, к середине XIX в.- около 60. По море накопления числа элементов возникла задача их систематизации. Таких попыток до Д.И. Менделеева было не меньше пятидесяти; за основу систематизации принимались: и атомный вес (ныне называемый атомной массой), и химический эквивалент, и валентность. Подходя к классификации химических элементов метафизически, пытаясь систематизировать только известные в то время элементы, ни один из предшественников Д. И. Менделеева не мог открыть всеобщую взаимосвязь элементов, создать единую стройную систему, отражающую закон развития материи. Эта важная, для науки задача была блестяще разрешена в 1869 г. великим русским ученым Д. И. Менделеевым, открывшим периодический закон.
За основу систематизации Менделеевым были взяты: а) атомный вес и б) химическое сходство между элементами. Наиболее ярким, выразителем сходства свойств элементов является их одинаковая высшая валентность. Как атомный вес (атомная масса), так и высшая валентность элемента представляют собой количественные, числовые константы, удобные для систематизации.
Расположив все известный в то время 63 элемента в ряд по возрастанию атомных масс, Менделеев заметил периодическую повторяемость свойств элементов через неодинаковые промежутки. В результате Менделеевым был создан первый вариант периодической системы.
Закономерный характер изменения атомных масс элементов по вертикалям и горизонталям таблицы, а также образовавшиеся в ней пустые мecта позволили Менделееву смело предсказать наличие n природе ряда элементов, еще не известных в то время науке и даже наметить их атомные массы и основные свойства, исходя из предполагаемого положения элементов в таблице. Это можно било сделать лишь на основе системы, объективно отражающей закон развития материи. Сущность периодического закона Д. И. Менделеев сформулировал в 1869 г.: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов (масс) элементов".

Периодическая система элементов.
В 1871 году Д. И. Менделеев дает второй вариант периодической системы (так называемую короткую форму таблицы), в которой он выявляет различные степени родства между элементами. Этот вариант системы дал возможность Менделееву предсказать существование 12 элементов и свойства трех из них описать с очень большой точностью. В период с 1875 по 1886 гг. эти три элемента были открыты и выявилось полное совпадение их свойств с теми, которые были предсказаны великим русским ученым. Эти элементы получили следующие названия: скандий, галлий, германий. После этого периодический закон полечил всеобщее признание как объективный закон природы и ныне является фундаментом химии, физики и других естественных наук.

Многие изобретения и открытия в науке и технике можно сравнить с историей географических открытий. Как делались географические открытия? Допустим, высаживалась экспедиция на побережье и шла вглубь континента. Что значит «шла вглубь континента»? А именно то и значит – вставали утром, ели и шли шаг за шагом. Миллион шагов – и географическое открытие готово. Для всего остального человечества их описания как чудо. А для них – элементарная ходьба. Главное – высадиться в неисследованном районе. Ну и, конечно, надо быть профессионалом в своем деле. Также и в науке. Почему Менделеев открыл Периодический закон? Прежде всего, потому, что мало кто задумывался о классификации химических элементов. Сколько в 19 веке было высококвалифицированных химиков, прекрасно знавших все свойства открытых к тому времени элементов? Да всего несколько профессоров ведущих европейских университетов. И среди них Менделеев. Менделееву надо было читать курс химии. Но ему очень не нравился хаос знаний о химических элементах. Было выделено 2-3 группы сходных по свойствам элементов, а об остальных надо было рассказывать о каждом отдельно. Сразу надо сказать, что простая мысль – расположить элементы в порядке возрастания атомных весов, тогда не могла сработать. Это сейчас любой школьник может увидеть закономерности изменения химических свойств по мере возрастания атомного веса. Но это стало возможным после открытия Менделеева благодаря накоплению новых экспериментальных данных.

Менделеев выписал основные свойства элементов, включая атомные веса и формулы окислов, на карточки. И стал размышлять, как же их можно сгруппировать. Тогда уже были известны группы щелочных и щелочноземельных металлов. И тут-то он и обнаружил, что элементы этих групп попарно отличаются на одинаковое число единиц атомного веса! Калий 39, кальций 40, натрий 23, магний 24. Это-то и стало главным толчком к открытию периодического закона. Поэтому суть Периодического закона Менделеева в его первичном понимании в том, что есть группы химических элементов со сходными свойствами и эти группы между собой связаны в соответствии с атомными весами. А когда пришла эта мысль, то удалось и все остальные сведения об элементах уложить в единую систему.

В чем же психологический механизм открытия Менделеева? Главное в том, что он, во-первых, был один из немногих химиков, хорошо знавших современную ему химию. А, во-вторых, в том, что он просто поставил себе задачу систематизировать знания о свойствах элементов. Другие европейские профессора химии просто такой задачи себе не ставили. Сам же процесс поиска решения был не очень сложен: у него было понимание, что существуют группы элементов со схожими свойствами, у него было общее понимание, что, несмотря на то, что простое расположение элементов по возрастанию атомного веса в то время не позволяло увидеть четких закономерностей, атомный вес – величина фундаментальная и ее в любом случае надо учитывать. Сочетание этих общих представлений и привело к открытию Периодического закона.

А что касается мифа о том, что Периодическая система Менделееву приснилась, то суть истории такова. После того, как Менделеев открыл свой закон, он набросал первый вариант таблицы, в котором группы располагались горизонтально, а периоды вертикально. Как-то утром он проснулся и понял, что, если сделать наоборот, то есть, расположить периоды горизонтально, а группы – вертикально, то это более четко отразит суть Периодического закона. Вот и вся история с ролью сна в открытии Периодического закона.

Итак, один из путей эффективного мышления состоит в том, что высококвалифицированный специалист начинает глубоко думать в каком-то определенном узком направлении. Он собирает информацию по этому направлению в литературе, ставит эксперименты для проверки в реальности своих умственных идей, делает наблюдения за реальными фактами. Каждый из этих шагов часто почти очевиден для него. Но эта очевидность для него связана с тем, что он только один до этого думал и собирал информацию. Постепенно он приходит к решению проблемы. Для других, не прошедших всего этого пути, его решение может показаться каким-то сверхестественным озарением. Он сам может не помнить осознанно всей длинной истории формирования у него модели проблемы. И конечное решение иногда и для автора кажется возникшим непонятно как. К тому же сам момент получения решения проблемы вызывает радостный восторг, подобный чувству альпиниста, вступающего на вершину. Из этого рождаются всяческие легенды об озарении. Но разве для альпиниста, покорившего сложную вершину, главное – последний шаг, а не тысячи движений при подъеме?

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.

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.

Открытие периодического закона

«Основы химии» издавались отдельными выпусками. Первый из них вышел в июне 1868 года. Он был посвящен общим вопросам химии, а также рассматривал свойства водорода, кислорода и азота. При составлении плана дальнейшей работы у Менделеева возник важный вопрос: в какой последовательности располагать материал? Решение этой проблемы ученый считал не менее важным, чем само изложение сведений. Он писал: «Одно собрание фактов, даже и очень обширное, одно накопление их, даже и бескорыстное, даже и знание общепринятых начал не дадут еще метода обладания наукою, и они не дадут еще ручательства за дальнейшие успехи и ни даже права на имя науки в высшем смысле этого слова. Здание науки требует не только материала, но и плана. При том пока нет плана - нет и возможности узнать многое из того, что уже было кому-либо известно, что уже сложено. Многие факты химии, не нанесенные на ее планы, часто открывались не раз, а два, три и более раз <.>.

В лабиринте известных фактов легко потеряться без плана, и самый план уже известного иногда стоит такого труда изучения, доли которого не стоит изучение многих отдельных фактов».

Сначала Менделеев планировал классифицировать элементы по валентностям, но затем решил располагать их по атомному весу и сходству свойств. В конце 1868 года он закончил работу по составлению дальнейшего плана «Основ химии» и в начале 1869 года приступил ко второй части книги. Но систематизация химических знаний продолжала интересовать ученого с дидактической точки зрения, а классификация элементов - с научной. И размышления над этой проблемой дали в конце концов свой результат. Утром 17 февраля Менделеев получил письмо от своего коллеги профессора Ходнева. На обороте письма Дмитрий Иванович сделал запись, в которой сопоставил по величине атомного веса щелочные и щелочноземельные металлы.

Насколько верно утверждение о том, что решение проблемы Менделеев нашел во сне - неизвестно. Но, по всей видимости, некий момент озарения, во сне или наяву, присутствовал. Иначе трудно объяснить, почему ученый стал развивать такую важную идею на первом листе, попавшемся под руку. Однако, озарение озарением, но дальнейшее исследование Менделеев провел с привычной для него методичностью. Используя карточки, на которых были кратко изложены свойства элементов и указан их атомный век, Менделеев создал вариант таблицы, в которой нашли свое место практически все известные на тот момент элементы. Переписав систему начисто, Менделеев отправил ее в типографию под заглавием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Экземпляры «Опыта системы» он разослал своим отечественным и зарубежным коллегам. Вот как выглядела эта система, или, если хотите, первая таблица Менделеева:

На первый взгляд, эта таблица мало напоминает современный вариант. Но изучив ее внимательнее, можно увидеть, что в ней видны многие закономерности, на которых основана современная система элементов. Так можно заметить, что в «Опыте системы» уже практически выделены семь главных подгрупп современной таблицы.

Несколько последующих дней Менделеев работал над статьей «Соотношение свойств с атомным весом элементов». В ней ученый обосновывал выбранный им подход: «:…при всей перемене в свойствах простых тел, в свободном их состоянии, нечто остается 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».

Действительно, в то время, когда ученые не имели представления о строении атомов, единственной их характеристикой был атомарный вес. Менделеев не был автором идеи создания системы элементов, основанной на этой величине. До него подобные попытки делали и другие исследователи. Менделеев не старался умалить достижения своих предшественников. Но при этом он в очень корректной форме указывал на прогрессивность своей системы: «Периодическая зависимость свойств несходных элементов и их соединений от атомного веса элементов могла быть установлена после того, как эта зависимость была доказана для сходных элементов. В сопоставлении несходных элементов заключается также, как мне кажется, важнейший признак, которым моя система отличается от систем моих предшественников. Как и эти последние, я принял, за небольшим исключением, те же группы аналогичных элементов, но при этом я поставил себе целью исследовать закономерность во взаимном отношении групп. При этом я пришел к вышеупомянутому общему принципу, который применим ко всем элементам».

Менделеев настаивает на том, что его классификация элементов естественна: «Способ распределения элементов по атомному их весу не противоречит естественному сходству, существующему между элементами, а, напротив того, прямо на него указывает».

В действительности свойства элементов зависят не от веса его атомов, а от их строения, которое, конечно же, в свою очередь связано с этим показателем. Но не имея других характеристик атомов, Менделеев мог отталкиваться только от этой, и такой подход был

действительно самым естественным из возможных.

В конце статьи ученый излагает некоторые положения, вытекающие из открытого им периодического 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, Be, С, N, О, F и повторяется в других рядах.

4. Распространеннейшие в природе простые тела имеют малый атомный вес, а все элементы с малым атомным весом характеризуются резкостью свойств. Они по этому 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 еще многих неизвестных простых тел, например сходных с AL и Si, с паем 65–75.

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

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

В конце февраля Менделеев передал рукопись статьи своему коллеге Н. А. Меншуткину. Статья была опубликована в «Журнале Русского химического общества». На заседании Общества доклад по ней сделал, по причине отсутствия автора, Меншуткин. Сам Менделеев был в командировке. По заданию Вольного экономического общества он обследовал несколько сыроварен Тверской губернии. К своей «третьей службе», заботе о развитии промышленности, ученый продолжал относиться не менее серьезно, чем к научной и преподавательской деятельности.

Но открыть периодический закон и, отталкиваясь от него, систематизировать химические элементы было только половиной дела. Следовало еще познакомить научный мир с открытием и убедить ученых в справедливости закона. Летом 1869 года Менделеев участвовал во Втором съезде естествоиспытателей. Он выступил с новым вариантом своей системы. В нем группы элементов со сходными свойствами были расположены уже вертикально, как принято в современном варианте таблицы. Все известные в то время элементы, за исключением семи, нашли в этом варианте свое правильное место. Менделеев продолжал работать над совершенствованием системы. К 1870 году он нашел правильные положения для всех известных элементов.

В 1870–1871 годах ученый издал несколько статей и выступал с докладами по поводу периодического закона. Особое место среди работ Дмитрия Ивановича занимают статьи «Периодическая законность химических элементов» и «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». О второй из них ученый позже писал: «Это лучший свод моих взглядов и соображений о периодичности элементов и оригинал, по которому писалось потом так много про эту систему. Это причина главная моей научной известности.». В этой работе был впервые коротко сформулирован периодический закон: «.свойства элементов (а следовательно, и образованных из них простых тел) находятся в периодической зависимости от их атомного веса». Современная формулировка отличается только тем, что в ней рассматривается не атомный вес, а заряд атомного ядра.

Менделеев указывал, что открытый им закон может иметь большое значение в дальнейшем развитии химии. Среди возможностей приложения закона ученый называл составление системы элементов, определение свойств еще не открытых элементов и способа их открытия, определение атомного веса малоизученных элементов и исправление этого показателя для целого ряда элементов, пополнение сведений о формах химических соединений. И все эти возможности были реализованы при жизни Менделеева и во многом им самим. Так, к 1871 году он, используя свою периодическую систему, исправил атомный вес многих элементов. Ученый уточнил вес 28 элементов, причем некоторых - кардинальным образом. Например, он показал, что эрбий имеет атомный вес не 56, как считалось ранее, а 170, лантан не 92, а 139, и т. д. Как видим, к 1869 году атомные веса многих элементов были вычислены неверно. Учитывая это обстоятельство и то, что многие элементы тогда вообще не были открыты, можно только удивляться гениальности ученого, который, несмотря на это, смог найти периодическую закономерность.

Еще в первом варианте таблицы Менделеев оставил места для четырех неизвестных элементов с атомными весами 45, 68, 70 и 180. В 1870–1871 годах ученый предсказал химические и физические свойства первых трех из этих элементов и дал им предварительные названия: экабор, экаалюминий и экасилиций. Приставка «эка» означает «следующий за». Этими названиями Менделеев хотел сказать, что предполагаемые элементы должны быть следующими по атомному весу аналогами бора, алюминия и кремния.

В 1875 году француз Лекок де Буабодран открыл новый элемент. Химик назвал его галлием, в честь исторического названия Франции. Реально открытый галлий пришел на смену гипотетическому экаалюминию. В 1879 году шведский химик Нильсон открыл скандий, место которому в системе Менделеева уступил экабор. Экасилиций был заменен в 1886 году германием, который открыл немец Винклер. Справедливость и важность периодического закона блестяще подтвердилась на практике. Но не следует думать, что только после открытия предсказанных Менделеевым элементов периодический закон получил признание. Весной 1871 года ученый отправился в очередную заграничную командировку. Ее целью была закупка необходимых для исследований минералов. В поездке Дмитрий Иванович встречался со многими европейскими учеными, обсуждал с ними периодический закон и свою систему элементов. Выводы Менделеева получили одобрение со стороны многих иностранных коллег. Позже по поводу системы элементов даже возникла полемика о приоритетах. Дело в том, что еще в 1864 году немецкий химик Лотар Мейер создал таблицу из 27 элементов, расположив их в порядке возрастания атомных весов и сгруппировав по валентности. Но теоретических обобщений, подобным периодическому закону Менделеева, немецкий ученый не сделал. Да и полную таблицу всех элементов он создал в 1870 году, то есть уже после выхода «Опыта системы элементов». Однако следует заметить, что некоторые ученые не признавали справедливости закона и многие не понимали и не признавали его фундаментального характера. Для полного признания потребовалось немало времени.