«Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, история её открытия и экспериментальное подтверждение» (стр. 6 из 12)
В 1902 г. Менделеев сформулировал суть двух существенно различных способов предугадывания чего-либо неизвестного на основании периодического закона: способ интерполирования (когда неизвестное находится между известными данными) и способ экстраполирования (когда оно находится за пределами известного) при условии, что известен общий закон, которому подчиняются все данные предметы вообще – как уже известные, так и ещё не известные. Так, говоря о своих предсказаниях неизвестных ещё элементов, воплотившихся позднее в галлий, скандий и германий, Менделеев писал: «Предсказания эти были по существу тем, что называется в математике интерполированием, т. е. нахождением промежуточных точек на основании крайних, когда известен закон (или направление кривой, его выражающей), по которому точки следуют друг за другом. Поэтому оправдание предсказанного есть не что иное, как способ утверждения законности… экстраполировать, т. е. находить точки вне пределов известного, нельзя было на основании ещё не упорядоченной законности. Но когда она утвердилась, можно было на это решиться…».
В случае прогнозов, составленных по способу интерполирования, Менделеев выступает с твёрдой уверенностью, без всяких колебаний, ясно и чётко формулируя выводы, которые делает в порядке предсказаний. Напротив, в случае прогнозов, полученных по способу экстраполирования и содержащих в той или иной форме большой элемент «гадательности», он проявляет неуверенность, колебания, часто отказывается от своих первоначальных предсказаний, а сами предсказания высказывает без достаточной ясности и чёткости в форме смутных догадок, робких намёков или отдалённых предчувствований. Незадолго до смерти Менделеев писал: «Когда я прилагал периодический закон к аналогам бора, алюминия и кремния, я был на 33 года моложе, во мне жила полная уверенность, что рано или поздно предвиденное должно непременно оправдаться, потому что мне всё там было ясно видно. Оправдание пришло скорее, чем я мог надеяться. Теперь же у меня нет ни прежней ясности, ни бывшей уверенности. Тогда я не рисковал, теперь рискую. На это надобна решимость. Она пришла, когда я видел радиоактивные явления… и что, быть может, мои несовершенные мысли наведут кого-нибудь на путь более верный, чем тот возможный, какой представляется моему слабеющему зрению».
Экспериментальное определение зарядов ядер элементов, проведенное Г. Мозли в 1914 году, подтвердило правоту Д. И. Менделеева, который отдал предпочтение химическим свойствам, а не атомным весам элементов при определении их окончательного места в Периодической таблице. С момента появления Периодического закона химия перестала быть описательной наукой. Как образно заметил известный русский химик Н. Д. Зелинский, Периодический закон явился "открытием взаимной связи всех атомов в мироздании". Дальнейшие открытия в химии и физике многократно подтвердили фундаментальный смысл Периодического закона. Были открыты инертные газы, которые великолепно вписались в Периодическую таблицу. Порядковый номер элемента оказался равным заряду ядра атома этого элемента. Многие неизвестные ранее элементы были открыты благодаря целенаправленному поиску именно тех свойств, которые предсказывались по Периодической таблице. Вклад Д. И. Менделеева в науку был столь огромен, что и по сей день работают специальные комиссии по изучению его научного наследия. Вначале это открытие не получило должного признания и было встречено многими химиками крайне скептически. Одним из критиков периодической системы оказался как раз Бунзен, полагавший, что никакого реального научного значения подобные построения не имеют.
Ирония судьбы заключается в том, что сначала сам Бунзен, а затем разработанный им спектральный анализ и дали первые подтверждения правильности периодического закона.
При составлении периодической системы Менделееву довольно много хлопот доставил индий. Первооткрыватели элемента Ф. Рейх и И. Рихтер приписывали этому металлу атомную массу, равную 75,4, но с таким значением массы индию места в периодической системе не находилось. Провозившись с индием больше года, Менделеев, в конце концов, сделал предположение, что данный металл имеет валентность не два, как считали первооткрыватели, а три и, следовательно, его атомную массу надо увеличить в полтора раза, т. е. изменить с 75 до 113. Для обоснования своих предположений Дмитрий Иванович в 1870 г. решил провести проверку атомной массы индия, определив его удельную теплоёмкость. Проведённые опыты убедили учёного в правильности размещения индия в третьей группе периодической системы. Уверенности русскому химику придало также то, что ему стало известно об опытах по определению теплоёмкости паров индия, проведенных Бунзеном. Результаты, полученные немецким химиком (0,057), хорошо согласовывались со значением, полученным Менделеевым (0,055).
Таким образом, Бунзен, сам того не желая, подтвердил теоретические идеи Менделеева, причем сделал это с помощью эксперимента.
Первое издание «Основ химии» было завершено в 1871 году, ровно через два года после выхода в свет их первой части, написанной еще до открытия периодического закона. Два года ушли на превращение неуклюжего опытного образца в хорошо отработанную, добротную модель. Вторая часть «Основ» была оснащена уже той самой менделеевской таблицей, с которой
мы привыкли иметь дело – существенные отличия заключались лишь в отсутствии группы благородных газов, к тому времени ещё не открытых, и дополнительных строчек для лантаноидов и актиноидов, большая часть которых, также ещё не была известна.
Пять русских университетов избрали Менделеева своим почётным членом; Кембриджский, Оксфордский и другие старейшие университеты Европы присвоили ему почётные учёные степени; он был избран членом Лондонского королевского общества, Римской и Парижской, Берлинской и других академий, также почётным членом многих научных обществ России, Западной Европы и Америки.
Два года (1880 и 1881) были очень тяжелыми в жизни Менделеева. В декабре 1880 года Петербургская академия наук отказала ему в избрании академиком: "за" проголосовало девять, а "против" - десять академиков. Особенно неблаговидную роль при этом сыграл секретарь академии некто Веселовский. Он откровенно заявил: "Мы не хотим университетских. Если они и лучше нас, то нам все-таки их не нужно".
В 1895 году Менделеев ослеп, но продолжал руководить Палатой мер и весов. Деловые бумаги ему зачитывали вслух, распоряжения он диктовал секретарю. Профессор И. В. Костенич за две операции удалил катаракту, и вскоре зрение вернулось…
1. Незнание причин периодичности.
В своё время Д. И. Менделеев с огорчением замечал: «…причин периодичности мы не знаем». Ему не удалось дожить до разгадки этой тайны.
Одним из важных аргументов в пользу сложного строения атомов было открытие периодического закона Д. И. Менделеева:Свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений находится в периодической зависимости от атомных масс химических элементов.
Когда было доказано, что порядковый номер элемента в системе численно равен заряду ядра его атома, то стала ясной физическая сущность периодического закона.
Но почему свойства химических элементов изменяются периодически по мере роста заряда ядра? Почему система элементов построена так, а не иначе и её периоды содержат строго определённое число элементов? На эти важнейшие вопросы ответа не было.
Логические рассуждения предсказывали, что если между химическими элементами, состоящими из атомов, существует взаимосвязь, то значит, у атомов имеется что-то общее и, следовательно, они должны иметь сложное строение.
Тайна периодической системы элементов была полностью разгадана, когда удалось понять сложнейшую структуру атома, строение его внешних электронных оболочек, законы движения электронов вокруг положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
Все химические и физические свойства вещества определяются строением атомов. Периодический закон, открытый Менделеевым, есть всеобщий закон природы, потому что он опирается на закон строения атома.
Основоположником современного учения об атоме является английский физик Резерфорд, который убедительными опытами показал, что практически вся масса и положительно заряженная материя атома сконцентрирована в малой части его объёма. Эту часть атома он назвал ядром. Положительный заряд ядра компенсируется вращающимися вокруг него электронами. В этой модели атома электроны напоминают планеты солнечной системы, вследствие чего она и получила название планетарной. В дальнейшем Резерфорду удалось использовать опытные данные для расчёта зарядов ядер. Они оказались равными порядковым номерам элементов в таблице Д. И. Менделеева. После работ Резерфорда и его учеников периодический закон Менделеева получил более ясный смысл и несколько иную формулировку: