«Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, история её открытия и экспериментальное подтверждение» (стр. 3 из 12)
Рис. 5. Фото Д. И. Менделеева в год открытия периодического закона.
Было известно 63 химических элемента. Далеко не все свойства этих элементов были достаточно хорошо изучены, даже атомные веса некоторых были определены неправильно или неточно. Много это или мало – 63 элемента? Если вспомнить, что сейчас мы знаем 109 элементов, то, конечно, маловато. Но вполне достаточно, чтобы можно было подметить закономерность изменения их свойств. При 30 или 40 известных химических элементах едва ли бы удалось что-либо открыть. Нужен был определённый минимум открытых элементов. Вот почему можно охарактеризовать менделеевское открытие как своевременное.
§ 2. Попытки учёных классифицировать известные элементы.
До Менделеева учёные тоже пытались подчинить все известные элементы определённому порядку, классифицировать их, свести в систему. Сказать, что их попытки были бесполезными, нельзя: какие-то крупицы истины они содержали. Все они ограничивались тем, что объединяли в группы сходные по химическим свойствам элементы, но не находили внутренней связи между этими «естественными», как тогда говорили, их группами.
В 1829 г. немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер в 1820 году, изучая свойства брома – элемента, открытого тремя годами ранее по своим свойствам занимает промежуточное положение между хлором и йодом. В ряду Cl – Br – I наблюдалось не только постепенное изменение цвета и реакционной способности, но и постепенное изменение атомного веса. Дёберейнер продолжил поиски и нашел ещё две группы из трёх элементов, у которых также наблюдалось постепенное изменение свойств. Этими группами были кальций, стронций, барий и сера, селен, теллур. Он назвал эти группы триадами. Позже совокупности таких элементов стали именовать естественными группами. В обеих группах атомный вес среднего элемента примерно равен среднему атомных весов двух других элементов. Дёберейнер пытался найти другие такие триады, но безуспешно. Поскольку разбить пятьдесят шесть известных элементов на триады не удалось, химики пришли к выводу, что триады Дёберейнер – явление случайное. Более того, соответствие в изменении атомных весов и химических свойств элементов в триадах Дёберейнера не произвело никакого впечатления на химиков. В первой половине XIX века химики вообще недооценивали значения атомных весов. Атомные веса удобно использовать при проведении разного рода расчётов, но ориентироваться на них, напр., при составлении списка элементов представлялось нерезонным.
Существовали сомнения относительно целесообразности использования атомных весов в проведении расчётов. Некоторые химики не проводили чёткого различия между атомным весом и молекулярным весом; некоторые путали понятия «атомный вес» и «эквивалентный вес». Так, например, эквивалентный вес кислорода равен 8. атомный вес – 16, молекулярный вес – 32. При проведении расчётов удобнее всего пользоваться эквивалентным весом, который равен 8, почему же в таком случае для определения места кислорода в списке элементов следует использовать число 16?
Эта путаница с эквивалентным, атомным, молекулярным весом не только мешала решить вопрос о списке элементов, но и вообще отрицательно сказывалась на развитии химии.
Разногласие по поводу относительных атомных весов, приписываемых различным атомам, привели к разногласиям и в отношении числа атомов отдельных элементов, входящих в данную молекулу.
2. Классификация элементов Гесса.
В 1849 г. классификацией элементов заинтересовался видный русский химик Г. И. Гесс. В учебнике «Основания чистой химии» он описывал четыре группы элементов-неметаллов с похожими химическими свойствами:
I Te C N
Br Se B P
Cl S Si As
F O
Гесс писал: «Эта классификация ещё очень далека от того, чтобы быть естественной, но она всё-таки соединяет элементы и группы весьма сходные, и с расширением наших сведений она может усовершенствоваться».
Безуспешные попытки построить систему химических элементов, исходя из их атомных весов, были предприняты ещё до съезда в Карлсруэ обе – англичанами: в 1853 году Глэдстоном, в 1857 году Одлингом.
3. «Теллуровый винт» де Шанкуртуа.
Одну из попыток классификации сделал в 1862 г. француз Александр Эмиль Бегюйс де Шанкуртуа. Систему элементов он представлял в виде спиральной линии на поверхности цилиндра. На каждом витке по 16 элементов. Сходные элементы располагались друг под другом на образующей цилиндра. Публикуя своё сообщение, учёный не сопроводил его построенным им графиком, и никто из учёных не обратил внимания на работу де Шанкуртуа.
Рис. 6. «Теллуровый винт» де Шанкуртуа.
Более удачлив оказался немецкий химик Юлиус Лотар Мейер. В 1864 г. он предложил таблицу, в которой все известные химические элементы были разбиты на шесть групп, согласно их валентности. По внешнему виду таблица Мейера была немного похожа на будущую менделеевскую. Он рассматривал объёмы, занимаемые весовыми количествами элемента, численно равными их атомным весам. При этом выяснилось, что в каждом таком весовом количестве любого элемента содержится одно и то же число атомов. Это означало, что отношение рассматриваемых объёмов различных атомов этих элементов. Поэтому указанная характеристика элемента получила название атомный объём.
Графически зависимость атомных объёмов элементов от их атомных весов выражается в виде ряда волн, поднимающихся острыми пиками в точках, соответствующих щелочным металлам (натрий, калий, цезий). Каждый спуск и подъём к пику соответствует периоду в таблице элементов. В каждом периоде значения некоторых физических характеристик, помимо атомного объёма, также закономерно сначала уменьшаются, а затем возрастают.
Рис. 7. Зависимость атомных объёмов от атомных масс элементов, по
Л. Мейеру.
Водород – элемент с наименьшим атомным весом – стоял в списке элементов первым. В то время принято было считать, 101-ый период включает в себя один элемент. 2-ой и 3-ий периоды графика Мейера включали каждый по семь элементов. Эти периоды дублировали октавы Ньюландса. Однако в следующих двух периодах число элементов превышало семь. Таким образом, Мейер показал, в чём ошибка Ньюлендса. Закон октав не мог строго выполняться для всего списка элементов, последние периоды должны были быть длиннее первых.
Мейер опубликовал свою работу в 1870 г. Годом раньше русский химик Д И. Менделеев установил порядок изменения длины периодов элементов и наглядно продемонстрировал значение открытия.
После 1860 года первую попытку подобного рода предпринял еще один английский химик – Джон Александер Рейна Ньюландс. Одну за другой составлял он таблицы, в которых пытался воплотить свою идею. Последняя таблица датирована 1865 годом. Учёный считал, что всё в мире подчиняется общей гармонии. И в химии и в музыке она должна быть единой. Построенные в порядке возрастания атомных весов элементов разделены в ней на октавы – на восемь вертикальных рядов, по семь элементов в каждом. Действительно, многие родственные по химическим свойствам элементы оказались при этом в одной горизонтальной шеренге: в первой – галогены, во второй щелочные металлы, и так далее. Но, к сожалению, в шеренги затесалось и немало чужаков, и это портило всю картину. Среди галогенов, например, присутствовали кобальт с никелем и три платиноида. В шеренге щелочноземельных – ванадий и свинец. В семействе углерода – вольфрам и ртуть. Чтобы хоть как-то объединить родственные элементы, Ньюландсу пришлось в восьми случаях нарушить расстановку элементов по порядку атомных весов. К тому же, чтобы составить восемь групп по семь элементов, нужно 56 элементов, а известно было 62, и он кое-где на место одного элемента поставил сразу два. Получился полный произвол. Когда Ньюландс доложил о свой «Закон октав» на заседании Лондонского химического общества, один из присутствующих ехидно заметил: а не пробовал ли почтенный докладчик располагать элементы просто по алфавиту и обнаружить при этом какую-нибудь закономерность?
Все эти классификации не содержали главного: они не отражали общей, фундаментальной закономерности изменения свойств элементов. Они создавали лишь видимость порядка в их мире.
Предшественники Менделеева, подметившие частные проявления великой закономерности в мире химических элементов, по разным причинам не смогли подняться до великого обобщения и осознать существования в мире фундаментального закона. Менделеев многого не знал о попытках его предшественников расположить химические элементы по возрастанию их атомных масс и о возникающих при этом казусах. Например, он не имел почти никакой информации о работах Шанкуртуа, Ньюлендса и Мейера.
§ 3. Творческий процесс работы Д. И. Менделеева над составлением периодической таблицы.
В отличие от Ньюландса, Менделеев главным считал не столько атомные веса, сколько химические свойства, химическая индивидуальность. Об этом он думал постоянно. Вещество…Вес… Вещество… Вес… Решений всё не приходило.
А тут ещё попал Дмитрий Иванович в лютый цейтнот. И получилось совсем худо: не то чтобы «сейчас или никогда», но либо сегодня, либо дело снова откладывалось на несколько недель.