«Періодична система елементів Д. І. Менделєєва, історія її відкриття та експериментальне підтвердження»

Ковилкінская середня загальноосвітня школа №1

РЕФЕРАТ

З ХІМІЇ

НА ТЕМУ:

«Періодична система елементів

Д. І. Менделєєва, історія її

відкриття та експериментальне

підтвердження »

Виконав: миготіння Сергій

учень 10 А класу

переможець районних олімпіад з

хімії та екології в 2005-06 уч. м

(I місце), учасник Республіканської олімпіади з хімії

Перевірила: Волкова Т. Н.

2006 рік

Зміст.

РЕФЕРАТ ... 1

Вступ. 4

Глава I. Особисте життя і діяльність Д. І. Менделєєва. 5

1. Сім'я Соколових. Як в ній з'явилося прізвище Менделєєв. 5

2. Відносини Менделєєвих з декабристами. 6

3. Навчання майбутнього вченого. 6

4. Характер Д. І. Менделєєва. Його самобутність. 7

5. Педагогічна діяльність Д. І. Менделєєва. 8

6. «Основи хімії Д. Менделєєва». 9

7. Хімічний з'їзд в м Карлсруе і його вплив на думки вченого. 10

Глава II. Як був відкритий Великий закон. 10

§ 1. Що було напередодні відкриття ?. 10

§ 2. Спроби вчених класифікувати відомі елементи. 11

1. Тріади Деберейнера. 11

2. Класифікація елементів Гесса. 12

3. «телурової гвинт» де Шанкуртуа. 13

4. Графік Мейєра. 13

5. «Закон октав» Ньюландса. 14

§ 3. Творчий процес роботи Д. І. Менделєєва над складанням періодичної таблиці. 15

Глава 3. Важкий шлях періодичного закону. 21

§ 1. Прогалини і передбачення Д. І. Менделєєва. 21

§ 2. Теорія будови атома. 27

1. Незнання причин періодичності. 27

2. Планетарна модель атома. 28

3. Модель атома Бора. 29

4. Чотири літери атомного алфавіту. 33

5. Архітектура періодичної системи. 35

6. Атом квантовомеханічний. 36

§ 3. Штучні елементи. 37

1. Синтез елементів. 37

2. Штучні елементи в межах періодичної системи. 38

3. Трансуранові елементи. 41

Висновок. Значення періодичного закону. 47

Використовувана література. 50

Мал. 1. Рамка з фотографіями хіміків Л. Нільсона, Л. де Буабодрана, Б. Браунера і К. Вінклера.

Вступ.

Мабуть, хімія як жодна інша наука набула за останні сторіччя вага і значимість. Цьому в чималому ступені сприяв хімік Д. І. Менделєєв. Використання на практиці результатів проведених ним досліджень глибоко торкнулося життя людей. З цим пов'язаний в наші дні інтерес до історії хімії, а також до життя і творчості великого хіміка.

Сьогодні ми маємо право стверджувати, що створення основ сучасної неорганічної хімії належать російським ученим, в першу чергу найбільш геніальному корифея науки і великому патріоту своєї Батьківщини Д. І. Менделєєва. Він виступає на арену наукової громадської діяльності в період промислового підйому, з одного боку, і визвольного руху в Росії, з іншого.

Розвиток капіталістичного господарства в Росії вимагало значного зростання науково-технічних кадрів, а також привертало увагу працівників науки до вирішення народно-господарських завдань. Саме в цей час Д, І, Менделєєв розробляє план освоєння нафти.

Підводячи підсумки своєї наукової діяльності, він в одному з листів вказував, що «перша моя служба - Батьківщині, друга - з освітою, третя - промисловості», а ведучи боротьбу за пріоритет відкритого їм періодичного закону, казав, що він захищає честь цього закону «Не заради себе, а заради російського імені ».

Д. І. Менделєєв належав до покоління діячів передової російської науки і культури другої половини Х1Х століття, до покоління, яке виросло під ідейним впливом російських революційних демократів. Це був період боротьби активних передових людей суспільства за розвиток національної науки.

Глава I. Особисте життя і діяльність Д. І. Менделєєва.

1. Сім'я Соколових. Як в ній з'явилося прізвище Менделєєв.

Дмитро Іванович Менделєєв (27.01 [8.02] 1834 - 20.01 [2.02] 1907) - великий російський вчений; відкрив періодичний закон хімічних елементів, що є природно-науковою основою сучасного вчення про речовину.

Мал. 2. Батько Д. І. М6енделеева - Іван Павлович.

Його батько Іван Павлович був директором гімназії. Дід Менделєєва Дмитра Івановича Менделєєва, Павло Максимович Соколов, в кінці ХVШ - початку Х1Х ст. був священиком в Тверській губернії. Тут у Павла Максимовича та його дружини Степаниди Євдокимівни народилися діти: Наталя, Тетяна, Парасковія, Тимофій, Василь, Олександр, Іван. Прихід був бідним, і батьки, прагнучи дати синам освіту, визначили їх в Тверську духовну семінарію, де діти священиків могли вчитися безкоштовно. У семінарії існував звичай - привласнювати учням нові прізвища. Молодшого Івана, майбутнього батька Д.І. Менделєєва, нарекли Менделєєвим в честь тверського поміщика, який брав участь в родині Соколових, а також допомагав Івану в навчанні.

Мал. 3. Вид міста Тобольська.

2. Відносини Менделєєвих з декабристами.

Сім'я Менделєєвих жила в будинку на крутому високому березі річки Тобол в м Тобольську, тут і народився майбутній вчений. У той час в Тобольську відбували заслання багато декабристів: Анненков, Барятинський, Вольф, Кюхельбекер, Фонвізен і ін ... Вони заражали своєю мужністю, працьовитістю оточуючих. Їх не зломили не тюрма, ні каторга, ні посилання. Таких людей бачив Митя Менделєєв. У спілкуванні з ними формувалася його любов до Батьківщини, відповідальність за її майбутнє. Сім'я Менделєєвих була в дружніх і родинних відносинах з декабристами. Д. І. Менделєєв писав: «... тут жили поважні і всіма шановні декабристи: Фонвізен, Анненков, Муравйов, близькі до нашої сім'ї, особливо після того, як один з декабристів, Микола Васильович Басаргін, одружився на моїй сестрі Ользі Іванівні ... Сім'ї декабристів , в ті часи надавали тобольской життя особливий відбиток, наділяли її світським вихованням. Переказ про них до сих пір живе в Тобольську ».

3. Навчання майбутнього вченого.

У 15 років Дмитро Іванович закінчив гімназію. Його мати Марія Дмитрівна доклала чимало зусиль, щоб юнак продовжив освіту.

Мал. 4. Мати Д. І. Менделєєва - Марія Дмитрівна.

Менделєєв намагався вступити до Медико-хірургічної академії в Петербурзі. Однак анатомія виявилася не під силу вразливому юнакові, тому Менделєєву довелося змінити медицину на педагогіку. У 1850 він надходить в Головний педагогічний інститут, де колись навчався його батько. Тільки тут Менделєєв відчув смак до навчання і скоро став одним з кращих.

У віці 21 року Менделєєв блискуче витримав вступні іспити. Навчання Дмитра Менделєєва в Петербурзі в педагогічному інституті спочатку давалася нелегко. На першому курсі він примудрився з усіх предметів, крім математики, отримати незадовільні оцінки. Але на старших курсах справа пішла по-іншому - середньорічний бал Менделєєва дорівнював чотирьом з половиною (з п'яти можливих).

Його дипломна робота про явище ізоморфізму була визнана кандидатською дисертацією. Талановитого студента в 1855р. призначили вчителем Рішельєвській гімназії в Одесі. Тут він підготував другу наукову роботу - «Питомі обсяги». Ця праця був представлений в якості магістерської дисертації. У 1857р. після її захисту Менделєєв отримав звання магістра хімії, став приват-доцентом Петербурзького університету, де читав лекції з органічної хімії. У 1859 р був відряджений за кордон.

Два роки Менделєєв провів у різних університетах Франції і Німеччини, але найбільш результативною була його дисертаційна робота в Гейдельберзі у найбільших учених того часу Бунзена і Кірхгоффа.

4. Характер Д. І. Менделєєва. Його самобутність.

Безсумнівно, на життя вченого сильно вплинув характер середовища, в якій пройшло його дитинство. Замолоду і до старості він робив все і завжди по-своєму. Починаючи з повсякденних дрібниць і продовжуючи в істотному. Племінниця Дмитра Івановича, Н. Я. Капустіна-Губкіна згадувала: «У нього були свої улюблені страви, їм самим для себе придумані ... Він завжди носив широку суконну куртку без пояса самим їм придуманого фасону ... Курил кручені цигарки, згортаючи їх сам ...». Створив зразкове маєток - і тут же його закинув. Провів чудові експерименти по зчепленню рідин, і тут же назавжди залишив цю область науки. А які скандали він начальству закочував! Ще в юності, неопереним випускником Педагогічного інституту, накричав на директора департаменту, за що був покликаний до самого міністра Аврааму Сергійовичу Нороватову. Втім, що йому директор департаменту - він і з синодом не зважив. Коли той наклав на нього семирічну покуту з нагоди розлучення з Феозой Никитишне, так і не примирилися зі своєрідністю його інтересів, Дмитро Іванович за шість років до покладеного терміну умовив священика в Кронштадті знову повінчати його. А чого коштувала історія його польоту на повітряній кулі, коли він силою захопив аеростат, що належить військовому відомству, вигнавши з кошика генерала Кованько, досвідченого повітроплавця ... Скромністю Дмитро Іванович не страждав, навпаки - «Скромність - мати всіх вад», - стверджував Менделєєв.

Самобутність особистості Дмитра Івановича спостерігалася не тільки в поведінці вченого, а й у всій її образі. Його племінниця Н. Я. Капустіна-Губкіна намалювала наступний словесний портрет вченого: «Грива довгих пухнастих волосся навколо високого білого чола, дуже виразного і дуже рухомого ... Ясні сині, проникливі очі ... В ньому багато знаходили схожість з Гарібальді ... При розмові він завжди жестикулював . Широкі, швидкі, нервові рухи рук відповідали завжди його настрою ... Тембр голосу у нього був низький, але гучний і чіткий, але тон його дуже змінювався і часто переходив з низьких нот на високі, майже тенорові ... Коли він говорив про те, чого не любив , то кривився, нахилявся, охав, пищав ... ». Улюбленим заняттям на дозвіллі у Менделєєва протягом багатьох років було виготовлення валіз і рамок для портретів. Припаси для цих робіт він закуповував у Гостиному дворі.

Самобутність Менделєєва виділяла його із загальної маси з юності ... Навчаючись в педагогічному інституті, синьоокий сибіряк, який не мав ні гроша за душею, несподівано для панів професорів почав проявляти таку гостроту розуму, таке шаленство у праці, що залишив далеко позаду всіх своїх співтоваришів. Саме тоді його помітив і полюбив дійсний статський радник, відомий діяч народної освіти, педагог, учений, професор хімії Олександр Абрамович Воскресенський. Тому в 1867 році на посаду професора загальної та неорганічної хімії фізико-математичного факультету в Петербурзькому університеті Олександр Абрамович рекомендував улюбленого свого учня - тридцяти трьох річного Дмитра Івановича Менделєєва. У травні 1868 року в Менделєєвих народилася улюблена дочка Ольга ...

5.Педагогічна діяльність Д. І. Менделєєва.

Тридцять три - традиційний вік подвигу: в тридцять три, згідно билині зліз з печі Ілля Муромець. Але хоча в цьому сенсі життя Дмитра Івановича не складе виключення, сам він навряд чи міг відчути, що відбувається різкий поворот в його житті. Замість курсів технічної, або органічної, або аналітичної хімії, читаних їм раніше, треба було йому приступити до читання нового курсу, загальної хімії.

Звичайно, по торованому простіше. Однак коли він приступав до колишніх своїм курсам, теж було не просто. Російських посібників або не існувало зовсім, або існували, але - застарілі. Хімія справа нова, молода, а в молодості все застаріває швидко. Іноземні ж підручники, самоновітніх, доводилося перекладати самому. Він і перекладав - «Аналітичну хімію» Жерара, «Хімічну технологію» Вагнера. А з органічної хімії і в Європі нічого гідного не знайшлося, хоч сам сідай і пиши. І написав. За два місяці, абсолютно новий, на нових принципах заснований курс, тридцять друкованих аркушів. Шістдесят днів щоденного запойного праці - по дванадцять готових сторінок на добу. Саме в добу - він не бажав ставити свій розпорядок в залежності від такої дрібниці, як обертання земної кулі навколо своєї осі, не вставав з-за столу і по тридцять годин, і по сорок.

Дмитро Іванович міг не тільки запійний працювати, а й так само запійний спати. Нервова система у Менделєєва була надзвичайно чутлива, почуття загострені - майже всі мемуаристи, не змовляючись, повідомляють, що він надзвичайно легко, постійно зривався на крик, хоча, по суті був людиною доброю.

Не виключено, що вроджені особливості особистості Дмитра Івановича пояснювалися його пізнім появою в сім'ї - він був «недобитків», сімнадцятим за рахунком дитиною. А згідно з нинішніми уявленнями, можливості мутацій у потомства зростають зі збільшенням віку батьків.

Першу свою лекцію з загальної хімії він почав так:

«Все замечаемое нами ми чітко розрізняємо як речовина, або як явище. Речовина займає простір і має вагу, а явище є те, що відбувається в часі. Кожна речовина надає різноманітні явища, і немає жодного явища, совершающегося без речовини. Різноманітність речовин і явищ не може вислизнути від уваги кожного. Відкривати законність, тобто простоту і правильність в цьому розмаїтті, значить вивчати природу ... »

Відкривати законність, тобто простоту, і правильність ... Речовина має вагу ... Речовина ... Вага ... Речовина ... Вага ...

Він думав про це безперестанку, чим би не займався. А чим він тільки не займався! У Дмитра Івановича часу вистачало на все. Здавалося б, отримав, нарешті, кращу хімічну кафедру Росії, квартиру казенну, можливість безбідно, без біганини за приробітком існувати, - так сосредоточься на головному, а все інше по боку ... Купив іменьіце в 400 десятин землі і вже через рік заклав в маєтку досвідчені пол, на яких вивчав можливість повернути назад виснаження землі за допомогою хімії. Одні з перших в Росії.

6. «Основи хімії Д. Менделєєва».

Минуло півтора року як одна мить, а реальної системи в загальній хімії все ще не було. Це не означає, що свій курс Менделєєв читав зовсім вже безсистемно. Він почав з того, що знайоме кожному, - з води, з повітря, з вугілля, з солей. З елементів, які в них містяться. З головних законів, відповідно до яких речовини між собою взаємодіють.

Потім розповів про хімічних родичів хлору - фтор, бром, йод. Це була остання лекція, стенограму якої він ще встиг заслати в друкарню, де набирався другий випуск затіяної їм нової книги.

Перший випуск - кишенькового формату, був видрукуваний в січні 1869 року. На титульному аркуші значилося: «Основи хімії Д. Менделєєва». Ні передмов. Перший, вже вийшов випуск, і другий, який перебував в друкарні, повинні були скласти, за задумом Дмитра Івановича, першу частину курсу, а ще два випуски - другу частину.

У січні і першій половині лютого Менделєєв прочитав лекції про натрії і інших лужних металах, написав відповідну главу другій частині «Основ хімії» - і застряг.

7. Хімічний з'їзд в м Карлсруе і його вплив на думки вченого.

У 1826 році Йенс Якоб Берцеліус закінчив дослідження 2000 речовин і на цій основі визначення атомної ваги трьох десятків хімічних елементів. У п'яти з них атомний вага був визначений не вірно - у натрію, калію, срібла, бору і кремнію. Берцеліус помилився, бо застосував два невірних допущення: що в молекулі оксиду може бути тільки один атом металу і що в рівному обсязі газів міститься рівне число атомів. Насправді в молекулі оксиду може бути і два і більше атома металу, а в рівному обсязі газів, відповідно до закону Авогадро, міститься рівне число не атомів, а молекул.

Аж до 1858 року, коли італієць Станіслао Канніцаро, відновивши в правах закон свого співвітчизника Авогадро, виправив атомні ваги декількох елементів, в справі з атомними вагами панувала плутанина.

Тільки в 1860 році на хімічному з'їзді в Карлсруе після гарячих суперечок плутанина була розплутати, закон Авогадро остаточно відновлений у своїх правах і з'ясовані остаточно непорушні основи для визначення атомної ваги будь-якого хімічного елемента.

За щасливим збігом обставин Менделєєв в 1860 році як раз перебував у закордонному відрядженні, був присутній на цьому з'їзді і отримав ясне і чітке уявлення про те, що атомна вага став відтепер точним і надійним чисельним виразом. Повернувшись до Росії, Менделєєв приступив до вивчення списку елементів, і звернув увагу на періодичність зміни валентності у елементів, розташованих в порядку зростання атомної ваги: валентність H - 1, Li - 1, Be - 2, B - 3, C - 4, Mg - 2, N - 2, S - 2, F - 1, Na - 1, Al - 3, Si - 4 і т. п. Грунтуючись на збільшенні і зменшенні валентності, Менделєєв розбив елементи на періоди; 1-ий період включив тільки один водень, потім слідує два періоди по 7 елементів кожен, потім періоди, що містять більше 7-й елементів. Д, І, Менделєєв скористався цими даними не тільки для того, щоб побудувати графік, як це зробив Мейер і Шанкуртуа, але і для того, щоб побудувати таблицю подібну таблиці Ньюлендса. Така періодична таблиця елементів ясніше і наочніше, ніж графік, і, крім того, Д, І, Менделєєв зумів уникнути помилки Ньюлендса, який наполягає на рівності періодів.

Глава II. Як був відкритий Великий закон.

§ 1. Що було напередодні відкриття?

«Вирішальним моментом моєї думки про періодичний закон я вважаю 1860 г. - з'їзд хіміків в Карлсруе, в якому я брав участь ... Ідея можливості періодичності властивостей елементів при зростанні атомного ваги по суті вже тоді мені представлялася внутрішньо», - зазначав Д.І. Менделєєв.

У 1865 році він купив маєток Боблово недалеко від Клину і отримав можливість займатися агрохімією, якій тоді захоплювався, і відпочивати там з родиною кожне літо.

«Днем народження» системи Д. І. Менделєєва зазвичай вважають 18 лютого 1869 року, коли був складений перший варіант таблиці.

Мал. 5. Фото Д. І. Менделєєва в рік відкриття періодичного закону.

Було відомо 63 хімічні елементи. Далеко не всі властивості цих елементів були досить добре вивчені, навіть атомні ваги деяких були визначені неправильно або неточно. Багато це чи мало - 63 елемента? Якщо згадати, що зараз ми знаємо 109 елементів, то, звичайно, замало. Але цілком достатньо, щоб можна було помітити закономірність зміни їх властивостей. При 30 або 40 відомих хімічних елементах чи б вдалося що-небудь відкрити. Це мала бути певний мінімум відкритих елементів. Ось чому можна охарактеризувати менделєєвськая відкриття як своєчасне.

§ 2. Спроби вчених класифікувати відомі елементи.

До Менделєєва вчені теж намагалися підпорядкувати всі відомі елементи певного порядку, класифікувати їх, звести в систему. Сказати, що їх спроби були марними, не можна: якісь крихти істини вони містили. Всі вони обмежувалися тим, що об'єднували в групи подібні за хімічними властивостями елементи, але не знаходили внутрішнього зв'язку між цими «природними», як тоді говорили, їх групами.

1. Тріади Деберейнера.

У 1829 р німецький хімік Іоганн Вольфганг Деберейнер в 1820 році, вивчаючи властивості брому - елемента, відкритого трьома роками раніше за своїми властивостями займає проміжне положення між хлором і йодом. В ряду Cl - Br - I спостерігалося не тільки поступова зміна кольору і реакційної здатності, а й поступова зміна атомної ваги. Деберейнер продовжив пошуки і знайшов ще дві групи з трьох елементів, у яких також спостерігалося поступове зміна властивостей. Цими групами були кальцій, стронцій, барій і сірка, селен, телур. Він назвав ці групи тріадами. Пізніше сукупності таких елементів стали іменувати природними групами. В обох групах атомний вага середнього елемента приблизно дорівнює середньому атомних ваг двох інших елементів. Деберейнер намагався знайти інші такі тріади, але безуспішно. Оскільки розбити п'ятдесят шість відомих елементів на тріади не вдалося, хіміки прийшли до висновку, що тріади Деберейнер - явище випадкове. Більш того, відповідність в зміні атомних ваг і хімічних властивостей елементів в тріади Деберейнера не справило жодного враження на хіміків. У першій половині XIX століття хіміки взагалі недооцінювали значення атомних мас. Атомні ваги зручно використовувати при проведенні різного роду розрахунків, але орієнтуватися на них, напр., При складанні списку елементів уявлялося нерезонним.

Існували сумніви щодо доцільності використання атомної ваги в проведенні розрахунків. Деякі хіміки не проводили чіткого відмінності між атомною вагою і молекулярною вагою; деякі плутали поняття «атомна вага» і «еквівалентний вагу». Так, наприклад, еквівалентний вагу кисню дорівнює 8. атомний вага - 16, молекулярна вага - 32. При проведенні розрахунків найзручніше користуватися еквівалентним вагою, що дорівнює 8, чому ж в такому випадку для визначення місця кисню в списку елементів слід використовувати число 16?

Ця плутанина з еквівалентним, атомним, молекулярним вагою не тільки заважала вирішити питання про список елементів, але і взагалі негативно позначалася на розвитку хімії.

Розбіжність з приводу відносних атомних ваг, що приписуються різним атомам, привели до розбіжностей і щодо числа атомів окремих елементів, що входять в дану молекулу.

2. Класифікація елементів Гесса.

У 1849 р класифікацією елементів зацікавився видатний російський хімік Г. І. Гесс. У підручнику «Підстави чистої хімії» він описував чотири групи елементів-неметалів зі схожими хімічними властивостями:

I Te CN

Br Se BP

Cl S Si As

F O

Гесс писав: «Ця класифікація ще дуже далека від того, щоб бути природною, але вона все-таки з'єднує елементи і групи дуже подібні, і з розширенням наших відомостей вона може удосконалюватися».

Безуспішні спроби побудувати систему хімічних елементів, виходячи з їх атомних ваг, було здійснено ще до з'їзду в Карлсруе обидві - англійцями: в 1853 році Гледстон, в 1857 році Одлінгом.

3. «телурової гвинт» де Шанкуртуа.

Одну зі спроб класифікації зробив в 1862 р француз Олександр Еміль Бегюйс де Шанкуртуа. Систему елементів він представляв у вигляді спіральної лінії на поверхні циліндра. На кожному витку по 16 елементів. Подібні елементи розташовувалися один під одним на твірної циліндра. Публікуючи своє повідомлення, Учений не супроводжував його побудованим їм графіком, і ніхто з учених не звернув уваги на роботу де Шанкуртуа.

Мал. 6. «телурової гвинт» де Шанкуртуа.

4. Графік Мейєра.

Більш щасливий виявився німецький хімік Юліус Лотар Мейєр. У 1864 році він запропонував таблицю, в якій всі відомі хімічні елементи були розбиті на шість груп, згідно їх валентності. За зовнішнім виглядом таблиця Мейєра була трохи схожа на майбутню менделеевскую. Він розглядав обсяги, займані ваговими кількостями елемента, чисельно рівними їх атомним вагам. При цьому з'ясувалося, що в кожному такому ваговій кількості будь-якого елементу міститься одне і те ж число атомів. Це означало, що ставлення розглянутих обсягів різних атомів цих елементів. Тому зазначена характеристика елемента отримала назву атомний об'єм.

Графічно залежність атомних об'ємів елементів від їхніх атомних ваг виражається у вигляді ряду хвиль, що піднімаються гострими списами в точках, відповідних лужних металів (натрій, калій, цезій). Кожен спуск і підйом до піку відповідає періоду в таблиці елементів. У кожному періоді значення деяких фізичних характеристик, крім атомного обсягу, також закономірно спочатку зменшуються, а потім зростають.

Мал. 7. Залежність атомних об'ємів від атомних мас елементів, по

Л. Мейеру.

Водень - елемент з найменшим атомним вагою - стояв в списку елементів першим. У той час прийнято було вважати, 101-ий період включає в себе один елемент. 2-ий і 3-ий періоди графіка Мейєра включали кожен по сім елементів. Ці періоди дублювали октави Ньюландса. Однак в наступних двох періодах число елементів перевищувало сім. Таким чином, Мейер показав, в чому помилка Ньюлендса. Закон октав не міг строго виконуватися для всього списку елементів, останні періоди повинні були бути довшою перших.

Мейер опублікував свою роботу в 1870 р Роком раніше російський хімік Д І. Менделєєв встановив порядок зміни довжини періодів елементів і наочно продемонстрував значення відкриття.

5. «Закон октав» Ньюландса.

Після 1860 року першу спробу подібного роду зробив ще один англійський хімік - Джон Александер Рейну Ньюландс. Одну за одною становив він таблиці, в яких намагався втілити свою ідею. Остання таблиця датована 1865 роком. Вчений вважав, що все в світі підкоряється загальної гармонії. І в хімії і в музиці вона повинна бути єдиною. Побудовані в порядку зростання атомної ваги елементів розділені в ній на октави - на вісім вертикальних рядів, по сім елементів у кожному. Дійсно, багато родинні за хімічними властивостями елементи виявилися при цьому в одній горизонтальній шерензі: в першій - галогени, у другій лужні метали, і так далі. Але, на жаль, в шеренги затесалося і чимало чужинців, і це псувало всю картину. Серед галогенів, наприклад, були присутні кобальт з нікелем і три платиноїдів. У шерензі лужноземельних - ванадій і свинець. У сімействі вуглецю - вольфрам і ртуть. Щоб хоч якось об'єднати споріднені елементи, Ньюландсу довелося в восьми випадках порушити розстановку елементів по порядку атомних ваг. До того ж, щоб скласти вісім груп по сім елементів, потрібно 56 елементів, а відомо було 62, і він подекуди на місце одного елемента поставив відразу два. Вийшов повний свавілля. Коли Ньюландс доповів про свій «Закон октав» на засіданні Лондонського хімічного товариства, один з присутніх єхидно зауважив: а чи не пробував поважний доповідач розташовувати елементи просто за алфавітом і виявити при цьому якусь закономірність?

Всі ці класифікації не містили головного: вони не відображали загальної, фундаментальної закономірності зміни властивостей елементів. Вони створювали лише видимість порядку в їхньому світі.

Попередники Менделєєва, підмітили приватні прояви великої закономірності в світі хімічних елементів, з різних причин не змогли піднятися до великого узагальнення і усвідомити існування в світі фундаментального закону. Менделєєв багато чого не знав про спроби його попередників розташувати хімічні елементи по зростанню їхніх атомних мас і про виникаючі при цьому казуси. Наприклад, він не мав майже ніякої інформації про роботи Шанкуртуа, Ньюлендса і Мейера.

§ 3. Творчий процес роботи Д. І. Менделєєва над складанням періодичної таблиці.

На відміну від Ньюландса, Менделєєв головним вважав не стільки атомні ваги, скільки хімічні властивості, хімічна індивідуальність. Про це він думав постійно. Речовина ... Вага ... Речовина ... Вага ... Рішень все не приходило.

А тут ще потрапив Дмитро Іванович в лютий цейтнот. І вийшло зовсім зле: не те щоб «зараз або ніколи», але або сьогодні, або справа знову відкладалося на кілька тижнів.

Давно вже дав він у Вільному економічному суспільстві обіцянку з'їздити в лютому в Тверську губернію, обстежити тамтешні сироварні і представити свої міркування про постановку цієї справи на сучасний лад. На поїздку було вже дістану дозвіл університетського начальства. І «відпускний свідоцтво» - тодішнє посвідчення про відрядження - було вже виправлено. І остання напутня записка секретаря Вільного економічного суспільства Ходнева отримана. І нічого не залишалося, як вирушати в призначений вояж. Поїзд, на якому належало йому промандрували до Твері, відходив від Московського вокзалу 17 лютого, ввечері.

«Вранці, ще в ліжку, він незмінно випив кухоль теплого молока ... Вставши і вмиваючись, він йшов зараз же в свій кабінет і там пив одну - дві, іноді три великих, у вигляді гуртки, чашки міцного не надто солодкого чаю» (зі спогадів його племінниці Н.Я. Капустіною-Губкіна).

Слід від чашки, що збереглася на зворотному боці записки Ходнева, датованій 17 лютого, свідчить, що вона отримана була рано вранці, до сніданку, ймовірно, принесена посильним. А це в свою чергу свідчить про те, що думка про систему елементів не покидала Дмитра Івановича ні вдень, ні вночі: поруч з відбитком чашки листок зберігає зримі сліди незримого розумового процесу, що призвів до великого наукового відкриття. В історії науки - випадок рідкісний, якщо не єдиний.

Судячи з речовим доказам, справа відбувалася так. Допивши свій кухоль і поставивши її на перше-ліпше місце - на лист Ходнева, він тут же схопився за перо і на першому-ліпшому клаптику паперу, на тому ж листі Ходнева, записав промайнула у нього в голові думка. На листку з'явилися, один під іншим, символи хлору і калію ... Далі натрію і бору, потім літію, барію, водню ... Перо блукало, як і думка. Нарешті він взяв нормальну восьму чистого паперу - цей листок теж зберігся - і накидав на ньому одну під інший, в порядку зменшення, шеренги символів і атомних ваг: нагорі лужноземельні, під ними галогени, під ними група кисню, під нею азоту, під нею група вуглецю і т.д. Було видно на око, як близькі між собою різниці атомних ваг у елементів сусідніх шеренг. Менделєєв тоді не міг знати, що "невизначена зона" між явними неметалами і металами містить елементи - благородні гази, відкриття яких надалі істотно видоизменит Періодичну систему.

Він поспішав, тому то і справа помилявся, робив описки. Сере приписав атомний вага 36, замість 32. Віднімаючи їх 65 (атомна вага цинку) 39 (атомна вага калію), отримав 27. Але не в дрібницях справа! Його несла висока хвиля інтуїції.

У інтуїцію він вірив. Цілком свідомо нею користувався в самих різних випадках життя. Анна Іванівна, дружина Менделєєва писала: «Якщо йому

треба було вирішити який-небудь скрутний, важливий життєвий питання він швидко-швидко своєї легкою ходою входив, говорив, в чому справа, і просив сказати по першому враженню моя думка. «Тільки не думай, тільки не думай», - повторював він. Я говорила, і це було рішенням ».

Однак ні чого не виходило. Списаний аркуш знову перетворився в ребус. А час ішов, ввечері треба було вирушати на вокзал. Головне він уже намацав, відчув. Але цього відчуття треба було неодмінно надати ясну логічну форму. Можна уявити собі як, він у відчаї або люті носився по кабінету, оглядаючи все, що в ньому було, вишукуючи спосіб, як би по швидше скласти систему. Нарешті, він схопив стопку кар-точок, розкрив на потрібній сторінці - там, де був список простих тіл - свої «Основи» і почав виготовляти небачену карткову колоду. Виготовивши колоду хімічних карт, він став розкладати небачений пасьянс. Пасьянс явно задавався! Перші шість шеренг вишикувалися без всяких скандалів. Але далі все стало розповзатися.

Знову і знову хапався Дмитро Іванович за перо і стрімким своїм почерком накидав на аркуші колонки чисел. І знову, з подивом, кидав це заняття і приймався крутити цигарку і так пихкати нею, що в голові зовсім вже каламутніла. Нарешті очі у нього почали злипатися, він кинувся на диван і заснув. Таке для нього не було в дивину. На цей раз він спав недовго - може бути, кілька годин, але може бути і кілька хвилин. Точних відомостей про це не залишилося. Він прокинувся від того, що побачив уві сні свій пасьянс, причому не в тому вигляді, в якому він залишив його на конторки, а в іншому, більш стрункому і логічному. І тут же схопився на ноги і почав складати на аркуші паперу нову таблицю.

Першою відмінністю її від попереднього варіанту було те, що елементи шикувалися тепер не в порядку зменшення, а в порядку зростання атомної ваги. Другим - те, що порожні місця всередині таблиці були заповнені знаками і атомними вагами.

Мал. 8. Чорновий нарис, складений Д. І. Менделєєвим ході відкриття періодичного закону (в ході розкладання «хімічного пасьянсу»). 17 лютого (1 березня) 1869 року.

Довгий час до розповіді Дмитра Івановича про те, що він побачив свою таблицю уві сні, ставилися як до анекдоту. Знаходити щось раціональне в сновидіннях вважалося марновірством. Нині наука вже не ставить глухого бар'єру між процесами, що відбуваються в свідомості і підсвідомості. І не бачить нічого надприродного в тому, що картина, чи не склалася в процесі усвідомленого обмірковування, була видана в готовому вигляді в результаті неусвідомленого процесу.

Менделєєв, переконаний в існуванні об'єктивного закону, якому підпорядковуються всі різноманітні за властивостями елементи, пішов принципово відмінним шляхом.

Будучи стихійним матеріалістом, він шукав в якості характеристики елементів щось матеріальне, що відображає все різноманіття їх властивостей, взявши в якості такої характеристики як атомна маса елементів, Менделєєв склав відомі в той час групи за величиною атомної ваги їх членів.

Написавши групу галогенів (F = 19, Сl = 35,5, Вг = 80, J = 127) під групою лужних металів (Li = 7, Na = 23, К = 39, RЬ = 85, Cs = 133) і розташувавши під ними інші групи подібних елементів (в порядку зростання величини їхніх атомних мас), Менделєєв встановив, що члени цих природних груп утворюють загальний закономірний ряд елементів; при цьому хімічні властивості елементів, складових такої ряд, періодично повторюються. Розмістивши за значенням атомних мас усі відомі в той час 63 елемента в загальну «періодичну систему», Менделєєв виявив, що встановлені раніше природні групи органічно увійшли в цю систему, втративши колишню штучну роз'єднаність.Пізніше Менделєєв так формулював відкритий їм періодичний закон: «Властивості простих тіл, також форми і властивості з'єднань елементів, знаходяться в періодичній залежності від величин атомних мас елементів».

Мал. 9. «Досвід системи елементів, заснований на їх вазі і хімічній подібності».

Перша таблиця ще дуже недосконала, вона далека від сучасного виду періодичної системи. Але ця таблиця виявилася першою графічною ілюстрацією відкритої Менделєєвим закономірності: «Елементи, розташовані по величинам їх атомної ваги, представляють виразну періодичність властивостей» ( «Співвідношення властивостей з атомною вагою елементів» Менделєєв). Ця стаття стала підсумком роздумів ученого в ході роботи над «Досвідом системи ...». Повідомлення про відкрите Менделєєвим співвідношенні між властивостями елементів і їх атомних мас було зроблено 6 (18) березня 1869 на засіданні Російського хімічного суспільства. Менделєєва на цьому засіданні не було. Замість відсутнього автора його доповідь прочитав хімік Н. А. Меншуткин. У протоколах Російського хімічного товариства з'явилася суха запис про зборах 6 березня: «Н. Меншуткин повідомляє від імені Д. Менделєєва «досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній вазі і хімічній подібності». За відсутністю Д. Менделєєва обговорення цього питання відкладено до наступного засідання ». Виступ Н. Меншуткина опубліковано в «Журналі Російського хімічного суспільства» ( «Співвідношення властивостей з атомною вагою елементів»). Влітку 1871 Менделєєв підсумував свої численні дослідження, пов'язані з встановленням періодичного закону, у праці «Періодична законність для хімічних елементів». У класичній праці «Основи хімії», що витримали при житті Менделєєва 8 видань російською мовою і кілька видань іноземними мовами, Менделєєв вперше виклав неорганічну хімію на основі періодичного закону.

При побудові періодичної системи елементів, Менделєєв подолав великі труднощі, так як, багато елементів ще не були відкриті, а з 63 відомих на той час елементів у дев'яти були неправильно визначені значення атомних мас. Створюючи таблицю, Менделєєв виправив атомну вагу берилію, поставивши берилій не в одній групі з алюмінієм, як це зазвичай робили хіміки, а в одній групі з магнієм. У 1870-71 Менделєєв змінив значення атомних мас індію, урану, торію, церію та інших елементів, керуючись їх властивостями і уточненими місцем у періодичній системі. На підставі періодичного закону він помістив телур перед йодом і кобальт перед нікелем, щоб телур потрапив в один стовпець з елементами, валентність яких дорівнює 2, а йод потрапив в один стовпець з елементами, валентність яких дорівнює 1, хоча величини атомних ваг цих елементів вимагали зворотнього розташування.

Менделєєв бачив три обставини, які, на його думку, сприяли відкриттю періодичного закону:

-По-перше, були більш-менш точно визначені величини атомних ваг більшості хімічних елементів;

-по-друге, з'явилося чітке поняття про групи подібних за хімічними властивостями елементів (природних групах);

-по-третє, на 1869 році була вивчена хімія багатьох рідкісних елементів, без знання якої важко було б прийти до якого-небудь узагальнення.

Нарешті, вирішальний крок до відкриття закону полягав в тому, що Менделєєв склав між собою всі елементи за величиною атомної ваги. Попередники ж Менделєєва порівнювали елементи, подібні між собою. Т. е. Елементи природних груп. Ці групи були не пов'язаними. Менделєєв логічно об'єднав їх в структурі своєї таблиці.

Втім, навіть після величезної і ретельної роботи хіміків по виправленню атомних ваг, в чотирьох місцях Періодичної таблиці елементи "порушують" строгий порядок розташування по зростанню атомних ваг. Це пари елементів:

₁₈ Ar (39,948) - ₁₉ K (39,098); ₂₇ Co (58,933) - ₂₈ Ni (58,69);

₅₂ Te (127,60) - ₅₃ I (126,904) ₉₀ Th (232,038) - ₉₁ Pa (231,0359).

За часів Д. І. Менделєєва подібні відступи вважалися недоліками Періодичної системи. Теорія будови атома розставила все на свої місця: елементи розташовані зовсім правильно - відповідно до зарядами їх ядер. Як же тоді пояснити, що атомна вага аргону більше атомного ваги калію?

Атомний вагу будь-якого елементу дорівнює середньому атомній вазі всіх його ізотопів з урахуванням їх поширеності в природі. Випадково атомний вага аргону визначається найбільш "важким" ізотопом (він зустрічається в природі в більшій кількості). У калію, навпаки, переважає більш "легкий" його ізотоп (тобто ізотоп з меншим масовим числом).

Менделєєв так охарактеризував протягом творчого процесу, який являє собою відкриття періодичного закону: «... мимоволі зародилася думка про те, що між масою і хімічними властивостями необхідно повинна бути зв'язок. А так як маса речовини, хоча і не абсолютна, а лише відносна, то треба шукати функціональна відповідність між індивідуальними властивостями елементів і їх атомними вагами. Шукати ж що-небудь, хоча б гриби або яку-небудь залежність, не можна інакше, як дивлячись і пробуючи. Ось я і став підбирати, написавши на окремих картках елементи з їх атомними вагами і корінними властивостями, подібні елементи і близькі атомні ваги, що швидко і призвело до того висновку, що властивості елементів стоять у періодичній залежності від їх атомної ваги, причому, сумніваючись у багатьох непорозуміннях, я ні хвилини не сумнівався в спільності зробленого висновку, так як випадковість допустити було неможливо ».

Глава 3. Важкий шлях періодичного закону.

§ 1. Прогалини і передбачення Д. І. Менделєєва.

Принципова важливість і новизна Періодичного закону полягала в наступному:

1. Встановлювалася зв'язок між несхожі за своїми властивостями елементами. Цей зв'язок полягає в тому, що властивості елементів плавно і приблизно однаково змінюються зі зростанням їхньої атомної ваги, а потім ці зміни, що періодично повторюються.

2. У тих випадках, коли створювалося враження, що в послідовності зміни властивостей елементів не вистачає якогось ланки, в Періодичної таблиці передбачалися прогалини, які треба було заповнити ще не відкритими елементами.

Мал. 10. Перші п'ять періодів періодичної таблиці Д. І. Менделєєва. Інертні гази ще не були відкриті, тому вони в таблиці не показані. Ще 4 невідомих до моменту створення таблиці елемента відзначені знаками питання. Властивості трьох з них Д. І. Менделєєв передбачив з високою точністю (частина Періодичної таблиці часів Д. І. Менделєєва в більш звичному для нас вигляді).

Принцип, яким користувався Д. І. Менделєєв для передбачення властивостей ще не відомих елементів зображений на малюнку 11.

Мал. 11.

Спираючись на закон періодичності і практично застосовуючи закон діалектики про перехід кількісних змін у якісні, Менделєєв вказав вже в 1869 р, на існування чотирьох ще не відкритих елементів. Вперше в історії хімії було передбачене існування нових елементів і навіть орієнтовно визначені їхні атомні маси. В кінці 1870р. Менделєєв, грунтуючись на своїй системі, описав властивості ще невідкритого елемента III групи, назвавши його «екаалюмінієм». Вчений також висловив припущення, що новий елемент буде відкритий за допомогою спектрального аналізу. І дійсно, в 1875 р французький хімік П.Е.Лекок де Буабодран, досліджуючи за допомогою спектроскопа цинкову обманку, відкрив в ній менделеевский екаалюмінієм. Точне збіг передбачуваних властивостей елемента з експериментально визначеними стало першим тріумфом і блискучим підтвердженням самий корінь сили періодичного закону. Описи властивостей «екаалюмінієм», передбаченого Менделєєвим і властивості галію, відкритого Буабодраном дані в таблиці 1.

Табл. 1

У 1879р. шведський хімік Л. Нільсон знайшов елемент скандій, що цілком відповідає описаному Менделєєвим екабору; в 1886 німецький хімік К. Вінклер відкрив елемент германій, що відповідає екасиліцію; в 1898 р французькі хіміки П'єр Кюрі і Марія Склодовська Кюрі відкрили полоній і радій. Менделєєв вважав Вінклера, Лекока де Буабодрана і Нільсона «зміцнювач періодичного закону».

Чи виправдалися і зроблені передбачення Менделєєв: відкриті тримарганець - нинішній реній, двицезій - францій та ін.

Після цього вченим усього світу стало ясно, що Періодична таблиця Менделєєва не просто систематизує елементи, а є графічним виразом фундаментального закону природи - Періодичного закону.

Цей закон має прогностичної сили. Він дозволив вести цілеспрямований пошук нових, ще не відкритих елементів. Атомні ваги багатьох елементів, певні до цього недостатньо точно, піддалися перевірці та уточненню саме тому, що їх помилкові значення вступали в протиріччя з Періодичним законом.

Вся діяльність Менделєєва і всі його праці свідчать про те, наскільки ясно і глибоко він розумів значення передбачення в розвитку науки. Менделєєв в 1870 р писав: «Судити про елементи, що стоять всередині системи в тих межах, для яких відомі вже багато елементів, ми маємо повне право; але не можна того ж сказати про елементи, що мусять міститися в крайніх частинах системи ».

«Крайніми частинами» виявляються не тільки області почала і кінця періодичної системи (її нижній і верхній краю), а й такі області всередині системи, як сімейство рідкоземельних елементів або сімейства VIII групи (правий край короткої таблиці елементів) і частково область системи, яка примикає зліва до VIII групі. Більш того, крайніми частинами можна було б вважати і самі хімічні елементи, самі атоми, які становили в XIX в. (До 1895 р) нижню межу наших знань про будову матерії, знання досягнутого тоді крайньої межі її подільності і разложимости.

Природно, що можливість передбачення невідомого за такого роду крайніми областями системи і взагалі можливість наших знань про хімічні елементи були позбавлені тієї обгрунтованості і тієї визначеності, які були характерні для передбачення елементів в областях системи, оточених з усіх боків відомими вже елементами. З цього приводу Менделєєв помітив, що крім «безсумнівно можливих і, ймовірно, ще тільки не відкритих елементів, є цілий ряд інших, саме існування яких до певної міри піддається ще під сумнів ...». Значить, тут передбачення можливо лише в порядку сміливих гіпотез і припущень, причому ступінь впевненості залежить від ступеня готівкового, хоча б часткового, знання про елементи, що стоять на тому чи іншому - зовнішньому або внутрішньому - краю системи.

У 1902 р Менделєєв сформулював суть двох істотно різних способів передбачення чогось невідомого на підставі періодичного закону: спосіб інтерполяції (коли невідоме знаходиться між відомими даними) і спосіб екстраполірованія (коли воно знаходиться за межами відомого) за умови, що відомий загальний закон, якому підпорядковуються всі дані предмети взагалі - як уже відомі, так і ще не відомі. Так, говорячи про своїх прогнозах невідомих ще елементів, що втілилися пізніше в галій, скандій і германій, Менделєєв писав: «Пророцтва ці були по суті тим, що називається в математиці интерполированием, т. Е. Знаходженням проміжних точок на підставі крайніх, коли відомий закон (або напрямок кривої, його виражає), за яким точки слідують один за одним. Тому виправдання передбаченого є не що інше, як спосіб утвердження законності ... екстраполювати, т. Е. Знаходити точки поза межами відомого, не можна було на підставі ще не впорядкованої законності. Але коли вона утвердилася, можна було на це зважитися ... ».

У разі прогнозів, складених за способом інтерполяції, Менделєєв виступає з твердою впевненістю, без жодних вагань, ясно і чітко формулюючи висновки, які робить в порядку пророкувань. Навпаки, в разі прогнозів, отриманих за способом розширення та містять в тій чи іншій формі великий елемент «непевних здогадок», він проявляє невпевненість, коливання, часто відмовляється від своїх початкових прогнозів, а самі передбачення висловлює без достатньої ясності і чіткості в формі неясних здогадок, боязких натяків або віддалених передчувань. Незадовго до смерті Менделєєв писав: «Коли я докладав періодичний закон до аналогам бору, алюмінію і кремнію, я був на 33 роки молодший, у мене жила повна впевненість, що рано чи пізно передбачене має неодмінно виправдатися, тому що мені все там було ясно видно . Виправдання прийшло швидше, ніж я міг сподіватися. Тепер же у мене немає ні колишньої ясності, ні колишньої впевненості. Тоді я не ризикував, тепер ризикую. На це непотрібна рішучість. Вона прийшла, коли я бачив радіоактивні явища ... і що, можливо, мої недосконалі думки наведуть кого-небудь на шлях більш вірний, ніж той можливий, який представляється моєму слабшає зору ».

Експериментальне визначення зарядів ядер елементів, проведене Г. Мозлі в 1914 році, підтвердило правоту Д. І. Менделєєва, який віддав перевагу хімічним властивостям, а не атомним вагам елементів при визначенні їх остаточного місця в Періодичної таблиці. З моменту появи періодичного закону хімія перестала бути описової наукою. Як образно зауважив відомий російський хімік Н. Д. Зелінський, Періодичний закон з'явився "відкриттям взаємної зв'язку всіх атомів у всесвіті". Подальші відкриття в хімії та фізики багаторазово підтвердили фундаментальний сенс періодичного закону. Були відкриті інертні гази, які чудово вписалися в Періодичну таблицю. Порядковий номер елемента виявився рівним заряду ядра атома цього елемента. Багато невідомі раніше елементи були відкриті завдяки цілеспрямованому пошуку саме тих властивостей, які передбачалися за періодичною таблиці. Внесок Д. І. Менделєєва в науку був настільки величезний, що і до цього дня працюють спеціальні комісії з вивчення його наукової спадщини. Спочатку це відкриття не набуло належного визнання і було зустрінуте багатьма хіміками вкрай скептично. Одним із критиків періодичної системи виявився якраз Бунзен, який вважав, що ніякого реального наукового значення подібні побудови не мають.

Іронія долі полягає в тому, що спочатку сам Бунзен, а потім розроблений ним спектральний аналіз і дали перші підтвердження правильності періодичного закону.

При складанні періодичної системи Менделєєва досить багато клопоту доставив індій. Першовідкривачі елемента Ф. Рейх і І. Ріхтер приписували цьому металу атомну масу, рівну 75,4, але з таким значенням маси Індію місця в періодичній системі не знаходилося. Провозившись з індієм більше року, Менделєєв, врешті-решт, зробив припущення, що даний метал має валентність не два, як вважали першовідкривачі, а три і, отже, його атомну масу треба збільшити в півтора рази, т. Е. Змінити з 75 до 113. Для обґрунтування своїх припущень Дмитро Іванович в 1870 р вирішив провести перевірку атомної маси індію, визначивши його питому теплоємність. Проведені досліди переконали вченого в правильності розміщення індію в третій групі періодичної системи. Упевненості російського хіміка додало також те, що йому стало відомо про досліди з визначення теплоємності парів індію, проведених Бунзеном. Результати, отримані німецьким хіміком (0,057), добре узгоджувалися зі значенням, отриманим Менделєєвим (0,055).

Таким чином, Бунзен, сам того не бажаючи, підтвердив теоретичні ідеї Менделєєва, причому зробив це за допомогою експерименту.

Перше видання «Основ хімії» було завершено в 1871 році, рівно через два роки після виходу в світ їх першої частини, написаної ще до відкриття періодичного закону. Два роки пішли на перетворення незграбного дослідного зразка в добре відпрацьовану, добротну модель. Друга частина «Основ» була оснащена вже тієї самої менделєєвської таблицею, з якої

ми звикли мати справу - істотні відмінності полягали лише у відсутності групи благородних газів, на той час ще не відкритих, і додаткових рядків для лантаноїдів і актиноїдів, велика частина яких, також ще не була відома.

П'ять російських університетів обрали Менделєєва своїм почесним членом; Кембриджський, Оксфордський і інші старі університети Європи присвоїли йому почесні вчені ступені; він був обраний членом Лондонського королівського товариства, Римської і Паризької, Берлінської та інших академій, також почесним членом багатьох наукових товариств Росії, Західної Європи та Америки.

Два роки (1880 і 1881) були дуже важкими в житті Менделєєва. У грудні 1880 року Петербурзька академія наук відмовила йому в обранні академіком: "за" проголосувало дев'ять, а "проти" - десять академіків. Особливо непорядну роль при цьому зіграв секретар академії хтось Веселовський. Він відверто заявив: "Ми не хочемо університетських. Якщо вони і краще нас, то нам все-таки їх не потрібно".

У 1895 році Менделєєв осліп, але продовжував керувати Палатою мір і ваг. Ділові папери йому зачитували вголос, розпорядження він диктував секретарю. Професор І. В. Костенич за дві операції видалив катаракту, і незабаром зір повернувся ...

§ 2. Теорія будови атома.

1. Незнання причин періодичності.

Свого часу Д. І. Менделєєв з прикрістю зауважував: «... причин періодичності ми не знаємо». Йому не вдалося дожити до розгадки цієї таємниці.

Одним з важливих аргументів на користь складної будови атомів було відкриття періодичного закону Д. І. Менделєєва:

Властивості простих речовин, а також властивості та форми сполук знаходиться в періодичній залежності від атомних мас хімічних елементів.

Коли було доведено, що порядковий номер елемента в системі чисельно дорівнює заряду ядра його атома, то стала ясною фізична сутність періодичного закону.

Але чому властивості хімічних елементів змінюються періодично по мірі зростання заряду ядра? Чому система елементів побудована так, а не інакше і її періоди містять строго певне число елементів? На ці найважливіші питання відповіді не було.

Логічні міркування передбачали, що якщо між хімічними елементами, що складаються з атомів, існує взаємозв'язок, то значить, у атомів є щось спільне і, отже, вони повинні мати складну будову.

Таємниця періодичної системи елементів була повністю розгадана, коли вдалося зрозуміти складну структуру атома, будова його зовнішніх електронних оболонок, закони руху електронів навколо позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена майже вся маса атома.

Всі хімічні і фізичні властивості речовини визначаються будовою атомів. Періодичний закон, відкритий Менделєєвим, є загальний закон природи, тому що він спирається на закон будови атома.

2. Планетарна модель атома.

Основоположником сучасного вчення про атом є англійський фізик Резерфорд, який переконливими дослідами показав, що практично вся маса і позитивно заряджена матерія атома сконцентрована в малій частині його обсягу. Цю частину атома він назвав ядром. Позитивний заряд ядра компенсується обертовими навколо нього електронами. У цій моделі атома електрони нагадують планети сонячної системи, внаслідок чого вона і отримала назву планетарної. Надалі Резерфорда вдалося використати досвідчені дані для розрахунку зарядів ядер. Вони виявилися рівними порядковими номерами елементів в таблиці Д. І. Менделєєва. Після робіт Резерфорда і його учнів періодичний закон Менделєєва отримав більш ясний сенс і дещо іншу формулювання:

Властивості простих речовин, а також властивості та форми з'єднання елементів знаходяться в періодичній залежності від заряду ядра атомів елементів.

Таким чином, порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі отримав фізичний зміст.

В1913 р Г. Мозлі в лабораторії Резерфорда вивчав рентгенівське випромінювання ряду хімічних елементів. Для цієї мети він сконструював анод рентгенівської трубки з матеріалів, що складаються з певних елементів. Виявилося, що довжини хвиль характеристичного рентгенівського випромінювання зростають зі збільшенням порядкового номера елементів, що становлять катод. Г. Мозлі вивів рівняння, що зв'язує довжину хвилі і порядковий номер Z:

Це математичне вираз в даний час називають законом Мозлі.Він дає можливість по виміряної довжині хвилі рентгенівського випромінювання визначити порядковий номер досліджуваного елемента.

Найпростішим атомним ядром є ядро ​​атома водню. Його заряд дорівнює і протилежний за знаком заряду електрона, а маса - найменшого зі всіх ядер. Ядро атома водню було визнано елементарною частинкою, і в 1920 р Резерфорд дав йому назву протон. Маса протона дорівнює приблизно однієї атомної одиниці маси.

Однак маса всіх атомів, крім водню, чисельно перевищує заряди ядер атомів. Уже Резерфорд припускав, що в ядрах крім протонів повинні знаходитися якісь нейтральні частинки, що володіють певною масою. Ці частинки виявлені в 1932 р Боті і Беккером. Чедвік встановив їх природу і назвав нейтронами. Нейтрон - це незаряджена частинка з масою, що дорівнює масі протона, т. Е. Також 1 а. е. м.

У 1932 р радянський учений Д. Д. Іваненко і німецький фізик Гейзенберг незалежно один від одного розробили протонно-нейтронну теорію ядра, згідно з якою ядра атомів складаються з протонів і нейтронів.

Розглянемо будову атома якогось елементу, напр., Натрію з позицій протонно-нейтронної теорії. Порядковий номер натрію в періодичній системі 11, масове число 23. Відповідно до порядковим номером заряд ядра атома натрію дорівнює + 11. Отже, в атомі натрію є 11 електронів, сума зарядів яких дорівнює позитивному заряду ядра. Якщо атом натрію втратить один електрон, то позитивний заряд буде на одиницю більше суми негативних зарядів електронів (10), і атом натрію стане іоном з зарядом 1+. Заряд ядра атома дорівнює сумі зарядів 11 протонів, що знаходяться в ядрі, маса яких дорівнює 11 а. е. м. Так як масове число натрію дорівнює 23 а. е. м., то різниця 23 - 11 = 12 визначає число нейтронів в атомі натрію.

Протони і нейтрони називають нуклонами. Ядро атома натрію складається з 23 нуклонів, з яких 11 - протонів і 12 - нейтронів. Загальна кількість нуклонів в ядрі пишуть зліва вгорі від позначення елемента, а число протонів зліва внизу, напр., Na.

Всі атоми даного елемента мають однаковий заряд ядра, т. Е. Однакове число протонів в ядрі. Число нейтронів в ядрах атомів елементів може бути різним. Атоми, що мають в ядрах однакове число протонів і різне число нейтронів, називаються ізотопами.

Атоми різних елементів, ядро яких містить однакове число нуклонів, називають изобарами.

3. Модель атома Бора.

Встановленню дійсної зв'язку між будовою атома і структурою періодичної системи наука зобов'язана в першу чергу великому датському фізику Нільса Бора. Він же був першим, хто пояснив справжні принципи періодичної зміни властивостей елементів. Бор почав з того, що зробив життєздатною Резерфордовского модель атома.

Планетарна модель атома Резерфорда відображала ту очевидну істину, що основна частина атома міститься в мізерно малу частину обсягу - атомному ядрі, а в іншій частині обсягу атома розподілені електрони. Однак характер руху електрона по орбіті навколо ядра атома суперечить теорії руху електричних зарядів електродинаміки.

По-перше, за законами електродинаміки електрон, що обертається навколо ядра, повинен в результаті втрати енергії на випромінювання впасти на ядро. По-друге, при наближенні до ядра, довжини хвиль випромінюваних електроном, повинні безперервно змінюватися, утворюючи суцільний спектр. Однак атоми не зникають, значить, електрони не падають на ядро, а спектр випромінювання атомів не є суцільним.

Якщо метал нагріти до температури випаровування, то його пар почне світитися, причому пар кожного металу має свій колір. Розкладене призмою випромінювання пара металу утворює спектр, що складається з окремих світних ліній. Такий спектр називають лінійчатим. Кожна лінія спектра характеризується певною частотою електромагнітного випромінювання.

У 1905 р Ейнштейн, пояснюючи явище фотоефекту, висловив припущення, що світло поширюється у вигляді фотонів або квантів енергії, які для кожного виду атомів мають цілком певне значення.

Бор в 1913 р вніс в планетарну модель атома Резерфорда квантове уявлення і пояснив походження лінійчатих спектрів атомів. Його теорія будови атома водню грунтується на двох постулатах.

Перший постулат:

Електрон обертається навколо ядра, що не випромінюючи енергії, по строго певним стаціонарним орбітам, що задовольняють теорію квантів.

На кожній з цих орбіт електрон володіє певною енергією. Чим далі від ядра розташована орбіта, тим більшою енергією володіє знаходиться на ній електрон.

Рух будь-якого об'єкта навколо центру в класичній механіці визначається моментом кількості руху m'v'r, де m - маса рухомого об'єкту, v - швидкість руху об'єкта, r - радіус кола. Згідно з квантовою механікою, енергія цього об'єкта може мати тільки певні значення. Бор вважав, що момент кількості руху електрона в атомі водню може дорівнювати лише цілому числу квантів дії. Мабуть, це співвідношення було здогадкою Бора, пізніше воно виведено математично французьким фізиком де Бройлем.

Таким чином, математичне вираження першого постулату Бора - рівність:

(1)

Відповідно до рівняння (1) мінімальний радіус орбіти електрона, а, отже, і мінімальна потенційна енергія електрона відповідає значенню n, рівному одиниці. Стан атома водню, яке відповідає значенню n = 1, називають нормальним або основним. Атом водню, електрон якого знаходиться на будь-який інший орбіті, відповідної значенням n = 2, 3, 4, ¼, називають збудженим.

У рівняння (1) в якості невідомих входять швидкість електрона і радіус орбіти. Якщо скласти ще одне рівняння, в яке увійдуть v і r, то можна обчислити значення цих важливих характеристик електрона в атомі водню. Таке рівняння виходить при обліку рівності відцентрової і доцентрової сил, що діють в системі «ядро атома водню - електрон».

Відцентрова сила дорівнює . Доцентрова сила, яка визначає тяжіння електрона до ядра, згідно із законом Кулона становить . З урахуванням рівності зарядів електрона і ядра в атомі водню можна написати:

(2)

Вирішуючи систему рівнянь (1) і (2) щодо v і r, знаходимо:

(3)

v =

Рівняння (3) і (4) дають можливість обчислити радіуси орбіт і швидкості електрона для будь-якого значення n. При n = 1 радіус першої орбіти атома водню - Боровський радіус, рівний 0,053 нм. Швидкість руху електрона на цій орбіті становить 2200 км / с. рівняння (3) і (4) показують, що радіуси орбіт електрона атома водню ставляться один до одного як квадрати натуральних чисел, а швидкість руху електрона зменшується зі збільшенням n.

Другий постулат:

При переході з однієї орбіти на іншу електрон поглинає або випромінює квант енергії.

При порушенні атома, т. Е. При переміщенні електрона з ближньої до ядра орбіти на більш віддалену, відбувається поглинання кванта енергії і, навпаки, при переході електрона з дальньої орбіти на ближню відбувається випромінювання квантової енергії Е ₂ - Е ₁ = hv. Після знаходження радіусів орбіт і енергії електрона на них Бор розрахував енергію фотонів і відповідних їм ліній в лінійчатому спектрі водню, що відповідало експериментальними даними.

Число n, що визначає розміри радіусів квантових орбіт, швидкості руху електронів і їх енергію, названо головним квантовим числом.

Надалі Зоммерфельд удосконалив теорію Бора. Він запропонував, що в атомі можуть бути не тільки кругові, але і еліптичні орбіти електронів, і на підставі цього пояснив походження тонкої структури спектра водню.

Мал. 12. Електрон в атомі Бора описує не тільки кругові, але і еліптичні орбіти. Ось як вони виглядають для різних значень l при п = 2, 3, 4.

Однак теорія будови атома Бора - Зоммерфельда єднало в собі класичні та квантомеханические уявлення і, таким чином, була побудована на протиріччях. Основні недоліки теорії Бора - Зоммерфельда полягають в наступному:

1. Теорія не здатна пояснити всі деталі спектральних характеристик атомів.

2. Вона не дає можливості кількісно розрахувати хімічний зв'язок навіть в такій простій молекулі, як молекула водню.

Зате було твердо встановлено фундаментальне положення: заповнення електронних оболонок в атомах хімічних елементів відбувається починаючи з третьої, М -оболонки не послідовно, поступово до повної ємності (т. Е. Так, як це було у К і L - оболонок), а поступово . Інакше кажучи, побудова електронних оболонок на час переривається через те, що в атомах з'являються електрони, що належать іншим оболонок.

4. Чотири літери атомного алфавіту.

Ці літери позначаються так: n, l, m _l , M _s - і на мові атомної фізики називаються квантовими числами. Історично вони вводилися поступово, і їх виникнення в значній мірі пов'язано з вивченням атомних спектрів.

Так ось виявляється, що стан будь-якого електрона в атомі можна записати особливим шифром, що представляє собою комбінацію чотирьох квантових чисел. Це не просто якісь абстрактні величини, використовувані для запису електронних станів. Навпаки, всі вони мають реальний фізичний зміст.

Число п входить в формулу для ємності електронної оболонки (2 п ^2), т. Е. Дане квантове число п відповідає номеру електронної оболонки; іншими словами, це число визначає приналежність електрона до даної електронної оболонці.

Число п приймає тільки цілочисельні значення: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ..., що відповідають відповідно оболонок: K, L, M, N, O, P, Q.

Оскільки п входить в формулу для енергії електрона, то кажуть, що головне квантове число визначає загальний запас енергії електрона в атомі.

Інша буква нашого алфавіту - орбітальне (побічне) квантове число - позначається як l.Воно було введено, щоб підкреслити нерівноцінність всіх електронів, що належать даній оболонці.

Кожна оболонка поділяється на певні подоболочки, причому їх число дорівнює номеру оболонки. Т. е. К-оболонка (п = 1) складається з однієї подоболочки; L-оболонка (п = 2) - з двох; М-оболонка (п = 3) - з трьох подоболочек ...

І кожна подоболочка даної оболонки характеризується певною величиною l. Орбітальний квантове число приймає також цілочисельні значення, але починаючи з нуля, т. Е. 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ... Таким чином, l завжди менше п. Легко зрозуміти, що при п = 1 l = 0; при n = 2 l = 0 і 1; при n = 3 l = 0, 1 і 2 і т. д. Число l, якщо можна так висловитися, має геометричний образ. Адже орбіти електронів, що належать до тієї чи іншої оболонці, можуть бути не тільки кругові, але і еліптичні.

різні значення l і характеризують різні типи орбіт.

Фізики люблять традиції і вважають за краще для позначення електронних подоболочек старі буквені позначення s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2), f (l = 3). Це перші літери німецьких слів, які характеризують особливості серій спектральних ліній, обумовлених переходами електронів: різка, головна, розмита, фундаментальна.

Тепер можна коротко записати, які електронні подоболочки містяться в електронних оболонках (таблиця 2).

Табл. 2.

Знати скільки електронів вміщають різні електронні подоболочки допомагають визначити третє і четверте квантові числа - m _l і m _s, які носять назви магнітного і спінового.

Магнітне квантове число m _l тісно пов'язане з l і визначає, з одного боку, напрямок розташування цих орбіт в просторі, а з іншого - їх число, можливе для даного l. З деяких закономірностей атомної теорії слід, що при даному l квантове число m _l, приймає 2 l +1 цілочисельних значень: від - l до + l, включаючи нульовий. Наприклад, для l = 3 ось яку послідовність m _l ми маємо: - 3, - 2, - 1, 0, +1, +2, +3, т. Е. Всього сім значень.

Чому m _l називається магнітним? Кожен електрон, обертаючись на орбіті навколо ядра, по суті, являє собою один виток обмотки, по якому йде електричний струм. Виникає магнітне поле, тому кожну орбіту в атомі можна розглядати як плоский магнітний листок. При знаходженні зовнішнього магнітного поля кожна електронна орбіта буде з цим полем взаємодіяти і прагнути зайняти в атомі певне положення.

Число електронів на кожній орбіті визначається значенням спінового квантового числа m _s.

Поведінка атомів в сильних неоднорідних магнітних полях показало, що кожен електрон в атомі поводиться як магнітик. А це свідчить, що електрон обертається навколо своєї власної осі, немов планета на орбіті. Це властивість електрона отримало назву «спін» (в перекладі з англійської - обертати). Обертальний рух електрона постійно і незмінно. Обертання електрона зовсім незвично: ні уповільнити, ні прискорити, ні зупинити його не можна. Воно однаково для всіх електронів в світі.

Але хоча спин - загальна властивість всіх електронів, в ньому також міститься причина відмінності між електронами в атомі.

Два електрона, обертаючись на одній і тій же орбіті навколо ядра, володіють одним і тим же спіном за величиною, і все ж вони можуть відрізнятися напрямком власного обертання. При цьому змінюється знак моменту кількості руху і знак спина.

Квантовий розрахунок призводить до двох можливих значень спінових квантових чисел, властивих електрону на орбіті: s = + і s = - . Інших значень бути не може. Тому в атомі на кожній орбіті можуть обертатися або тільки один, або два електрона. Більше бути не може.

Кожна електронна подоболочка максимально вміщує 2 (2 l + 1) - електронів, а саме (таблиця 3):

Табл. 3.

Звідси простим додаванням виходять ємності послідовних оболонок.

Дивна простота основного закону, до якого звелася первісна нескінченна складність будови атома. Вся примхливість поведінки електронів в його зовнішній оболонці, що управляє всіма його властивостями, може бути виражена надзвичайно просто: в атомі немає і не може бути двох однакових електронів. Цей закон відомий в науці як принцип Паулі (по імені швейцарського фізика-теоретика).

Знаючи ж загальне число електронів в атомі, яке дорівнює його порядковому номеру в менделєєвської системі, можна «будувати» атом: можна розрахувати структуру його зовнішньої електронної оболонки - визначати, скільки в ній електронів і які вони в ній.

5. Архітектура періодичної системи.

У міру зростання Z періодично повторюються подібні типи електронних конфігурацій атомів. По суті, це теж формулювання періодичного закону, але стосовно до процесу розподілу електронів по оболонок і подоболочкі.

Знаючи закон будови атома, можна тепер побудувати періодичну систему і пояснити, чому вона побудована саме так. Потрібно лише одне маленьке термінологічне роз'яснення: ті елементи, в атомах яких відбувається побудова s-, p-, d-, f-подоболочек, прийнято називати відповідно s-, p-, d-, f-елементами.

Формулу атома прийнято записувати в такій формі: головне квантове число - відповідною цифрою, побічна - буквою, число електронів позначають справа зверху.

Перший період містить 1 s-елементи - водень і гелій. Схематичний запис першого періоду наступна: 1 s ^2. Другий період може бути зображений таким чином: 2 s ² 2 p ^6, т. Е. В нього входять елементи, в яких заповнюються 2 s-, 2 p -подоболочки. А третій (в ньому будуються 3 s-, 3p -подоболочки): 3 s ² 3p ^6. Очевидно, подібні типи електронних конфігурацій повторюються.

На початку 4-го періоду два 4 s-елемента, т. Е. Починається заповнення N-оболонки раніше, ніж завершилася побудова М-оболонки. Вона містить ще 10 вакантних місць, які і заповнюються у десяти наступних елементів (3 d-елементів). Скінчилося заповнення М-оболонки, триває заповнення N-оболонки (шістьма 4 p-електронами). Отже, будова 4-го періоду таке: 4 s ² 3 d ¹⁰ 4 p ^6. П'ятий період заповнюється аналогічно:

5 s ² 4 d ¹⁰ 5 p ^6.

У шостому періоді 32 елемента. Його схематичний запис така: 6 s ² 4 f ¹⁴ 5 d ¹⁰ 6 p ^6.

І, нарешті, наступний, 7-ий період: 7 s ² 5 f ¹⁴ 6 d ¹⁰ 7 p ^6. Cледует мати на увазі, що ще не всі елементи 7-го періоду відомі.

Таке поетапне заповнення оболонок - сувора фізична закономірність. Виявляється, замість того щоб займати рівні 3 d -подоболочки, електронам вигідніше (з енергетичної точки зору) спочатку заселити рівні 4 s -подоболочки. Ось ці-то енергетичні «гойдалки» «вигідніше - невигідно» і пояснюють ту ситуацію, що в хімічних елементах заповнення електронних оболонок йде уступами.

6. Атом квантовомеханічний.

В середині 20-х рр. французький фізик Л. де Бройль висловив сміливу ідею: всі матеріальні частинки (в тому числі і електрони) мають не тільки матеріальними, але й хвильовими властивостями. Незабаром вдалося показати, що електрони, подібно до світлових хвиль, можуть також об'їжджати перешкоди.

Раз електрон - хвиля, то його рух в атомі може бути описано за допомогою хвильового рівняння. Таке рівняння вивів в 1926 р австрійський фізик Е. Шредінгер. Математики називають його диференціальним рівнянням другого порядку в приватних довільних. Для фізиків ж це основне рівняння квантової механіки.

Ось як виглядає це рівняння:

+ + + y = 0,

де m - маса електрона; r - відстань електрона від ядра; e - заряд електрона; Е - повна енергія електрона, що дорівнює сумі кінетичної і потенційної енергії; Z - порядковий номер атома (для атома водню дорівнює 1); h - «квант дії»; x, y, z - координати електрона; y - хвильова функція (абстрактна абстрактна величина, що характеризує ступінь ймовірності).

Ступінь ймовірності того, що електрон знаходиться в певному місці простору навколо ядра. Якщо y = 1, то, значить, електрон дійсно повинен знаходитися в цьому самому місці; якщо ж y = 0, то електрона там немає і в помині.

Подання про ймовірність знаходження електрона центральне в квантовій механіці. А величина y (пси) -функції (точніше кажучи, квадрат її величини) висловлює ймовірність перебування електрона в тій чи іншій точці простору.

В атомі квантовомеханічному немає певних електронних орбіт, настільки чітко окреслених в боровськой моделі атома. Електрон немов би розмазаний в просторі у вигляді деякого хмари. Але щільність цієї хмари різна: як то кажуть, де густо, а де й порожньо. Більшої щільності хмари відповідає велика ймовірність знаходження електрона.

Від абстрактній квантовомеханічною моделі атома можна перейти до наочної і зримою моделі атома Бора.Для цього потрібно вирішити рівняння Шредінгера. Виявляється, що хвильова функція пов'язана з трьома різними величинами, які можуть приймати тільки цілочисельні значення. Більш того, послідовність зміни цих величин така, що вони не можуть бути ні чим іншим, як квантовими числами. Головним, орбітальним і магнітним. Але ж вони були введені спеціально для позначення спектрів різних атомів. Потім вони досить органічно перекочували в постулати бора. Така наукова логіка - до неї не підкопається навіть найсуворіший скептик.

Все це означає, що рішення рівняння Шредінгера в кінцевому рахунку призводить до висновку послідовності заповнення електронних оболонок і подоболочек атомів. У цьому головна перевага атома квантовомеханічного перед атомом Бора. І звичні для планетарного атома поняття можна переглянути під кутом зору квантової механіки. Можна сказати, що орбіта - деяка сукупність ймовірних положень даного електрона в атомі. Вона відповідає певній хвильової функції. Замість терміна «орбіта» в сучасній атомній фізиці і хімії вживається термін «орбиталь».

Отже, рівняння Шредінгера - це немов чарівна паличка, яка усуває всі недоліки, що містяться в формальної теорії періодичної системи. Перетворює «формальне» в «фактичне».

Насправді це далеко не так. Тому що рівняння має точне рішення лише для атома водню, найпростішого з атомів. Для атома гелію і наступних точно вирішити рівняння Шредінгера можна, оскільки додаються сили взаємодії між електронами. А врахувати їх вплив на кінцевий результат - математична задача неймовірною складності. Людським здібностям вона недоступна; тільки швидкодіючі електронно-обчислювальні машини, які проводять сотні тисяч операцій в секунду, можуть зрівнятися з нею. Та й то лише за умови, що програма для обчислень розробляється з численними спрощеннями і приближениями.

§ 3. Штучні елементи.

1. Синтез елементів.

За 40 років список відомих хімічних елементів збільшився на 19. І всі 19 елементів були синтезовані, приготовлені штучним шляхом.

Синтез елементів можна розуміти як отримання з елемента з меншим зарядом ядра, меншим порядковим номером елемента з великим порядковим номером. А сам процес отримання називається ядерною реакцією. Її рівняння записується так само, як і рівняння звичайної хімічної реакції. У лівій частині - реагують речовини, в правій - виходять продукти. Реагують речовини в ядерній реакції - це мішень і бомбардир частка.

Мішенню може служити практично будь-який елемент періодичної системи (у вільному вигляді або у вигляді хімічної сполуки).

Роль бомбардують частинок грають a-частинки, нейтрони, протони, дейтрони (ядра важкого ізотопу водню), а також так звані багатозарядні важкі іони різних елементів - бору, вуглецю, азоту, кисню, неону, аргону і інших елементів періодичної системи.

Щоб сталася ядерна реакція, необхідно зіткнення бомбардуючої частки з ядром атома мішені. Якщо частка має досить великою енергією, то вона може настільки глибоко проникнути до ядра, що зіллється з ним. Так як всі перераховані вище частки, крім нейтрона несуть позитивні заряди, то, зливаючись з ядром, вони збільшують його заряд. А зміна значення Z і означає перетворення елементів: синтез елемента з новим значенням заряду ядра.

Щоб знайти спосіб прискорювати бомбардирующие частки, надавати їм більшу енергію, достатню для їх зливання з ядрами, винайшли і сконструювали спеціальний прискорювач частинок - циклотрон. Потім побудували спеціальну фабрику нових елементів - ядерний ректор. Його пряме призначення - виробляти ядерну енергію. Але оскільки в ньому завжди існують інтенсивні потоки нейтронів, то їх легко використовувати для цілей штучного синтезу. Нейтрон не має заряду, і тому його не треба (та й неможливо) прискорювати. Навпаки, повільні нейтрони виявляються більш корисними, ніж швидкі.

Хімікам довелося неабияк поламати голову і проявити справжні чудеса винахідливості, щоб розробити способи відділення незначних кількостей нових елементів від речовини мішені. Навчитися вивчати властивості нових елементів, коли в наявності були лічені кількості їх атомів ...

Працями сотень і тисяч вчених в періодичній системі було заповнене 19 нових клітин. Чотири - в її попередніх межах: між воднем і ураном. П'ятнадцять - за ураном. Ось як все це відбувалося ...

2. Штучні елементи в межах періодичної системи.

4 місця в періодичній системі довго залишалися порожніми: клітини з № 43, 61, 85 і 87.

Ці 4 елементи були невловимі. Зусилля вчених, спрямовані на їх пошуки в природі, залишалися безуспішними. За допомогою періодичного закону давно були заповнені всі інші місця в таблиці Менделєєва - від водню до урану.

Не один раз в наукових журналах з'являлися повідомлення про відкриття цих чотирьох елементів. Але всі ці відкриття не підтверджує: кожен раз точна перевірка показувала, що допущена помилка і випадкові незначні домішки були прийняті за новий елемент.

Довгі і важкі пошуки привели нарешті до відкриття в природі одного з невловимих елементів. Виявилося, що екацезій № 87, виникає в ланцюжку розпаду природного радіоактивного ізотопу урану-235. це короткоживучий радіоактивний елемент.

Мал. 13. Схема утворення елемента № 87 - франція. Деякі радіоактивні ізотопи можуть розпадатися двома шляхами, напр., За допомогою і a- і b-розпаду. Таке явище називається радіоакціонной виделкою. Всі природні радіоакціонние сімейства містять вилки.

Елемент 87 заслуговує на те, щоб про нього розповісти докладніше. Тепер в енциклопедіях по хімії читаємо: франций (порядковий номер 87) відкрито в 1939 р французької наукового Маргаритою Перей.

Як Перей все ж вдалося зловити невловимий елемент? У 1914 р три австрійських радіохімік - С. Мейер, В. Гесс і Ф. Панет - зайнялися вивченням радіоактивного розпаду ізотопу актинію з масовим числом 227. Було відомо, що він входить в сімейство актиноурана і випускає b-частинки; отже, продукт його розпаду торій. Однак у вчених миготіли невиразні підозри, що актиній-227 в рідкісних випадках випускає і a-частинки. Іншими словами, тут спостерігається один із прикладів радіоактивної вилки. В ході такого перетворення має утворюватися ізотоп елемента 87. Мейер і його колеги дійсно спостерігали a-частинки. Були потрібні подальші дослідження, але вони були перервані першою світовою війною.

Маргарита Перей йшла тим самим шляхом. Але в її розпорядженні були більш чутливі прилади, нові, вдосконалені методи аналізу. тому їй і супроводжував успіх.

Францій відносять до числа штучно синтезованих елементів. Але все-таки спочатку елемент був виявлений в природі. Це ізотоп франций-223. Його період напіврозпаду становить всього 22 хвилини. Стає зрозумілим, чому франція так мало на Землі. По-перше, через свою недовговічність він не встигає концентруватися в скільки-небудь помітних кількостях, по-друге, сам процес його освіти відрізняється невисокою ймовірністю: всього 1,2% ядер актиния-227 розпадається з випусканням a-частинок.

У зв'язку з цим франций вигідніше готувати штучним шляхом. Вже отримано 20 ізотопів францію, і самий долгоживущий з них - францій-223. працюючи з абсолютно малими кількостями солей франція, хіміки зуміли довести, що за своїми властивостями він надзвичайно схожий на цезій.

Вивчаючи властивості атомних ядер, фізики прийшли до висновку: у елементів з атомними номерами 43, 61, 85 і 87 не можуть існувати стабільні ізотопи. Вони можуть бути тільки радіоактивними, з короткими періодами напіврозпаду і повинні швидко зникати. Тому всі ці елементи були створені людиною штучно. Шляхи для створення нових елементів були вказані періодичним законом. Елемент 43 був першим штучно створеним.

В ядрі елемента 43 має бути 43 позитивних заряду, і навколо ядра повинні обертатися 43 електрона. У порожнього місця для елемента 43, що знаходиться в середині п'ятого періоду, в четвертому періоді варто марганець, а в шостому - реній. Тому хімічні властивості елемента 43 повинні бути схожі на властивості марганцю і ренію. Зліва від клітини 43 знаходиться молібден №42, праворуч - рутеній №44. Отже, щоб створити елемент 43, необхідно збільшити число зарядів в ядрі атома, що має 42 заряду, ще на один елементарний заряд. Тому для синтезу нового елемента 43 потрібно взяти в якості вихідної сировини молібден. Одним позитивним зарядом має найлегший елемент - водень. Отже, можна очікувати, що елемент 43 може бути отриманий в результаті ядерної реакції між молібденом і протоном.

Мал. 14. Схема синтезу елемента № 43 - техніці.

Властивості елемента 43 повинні бути подібними з хімічними властивостями марганцю і ренію, і, для того щоб виявити і довести освіту цього елемента, потрібно скористатися хімічними реакціями, аналогічними тим, за допомогою яких хіміки визначають присутність малих кількостей марганцю і ренію.

Ось яким чином періодична система дає можливість намітити шлях для створення штучних елементів.

Точно таким же шляхом і був створений в 1937 р перший штучний хімічний елемент. Він отримав знаменна ім'я технеций - перший елемент, виготовлений технічним, штучним шляхом. Ось як був здійснений синтез техніці. Платівка молібдену піддалася інтенсивному бомбардуванню ядрами важкого ізотопу водню - дейтерію, які були розігнані в циклотроні до величезній швидкості.

Ядра важкого водню, які отримали дуже велику енергію, проникли в ядра молібдену. Після опромінення в циклотроні пластика молібдену була розчинена в кислоті. З розчину було виділено за допомогою тих же реакцій, які необхідні для аналітичного визначення марганцю (аналог елемента 43), незначна кількість нового радіоактивної речовини. Це і був новий елемент - технецій. Вони точно відповідають положенню елемента в менделєєвської таблиці.

Тепер технеций став цілком доступним: він утворюється в досить великих кількостях в атомних реакторах. Технецій добре вивчений, вже практично використовується.

Метод, яким був створений елемент 61, дуже схожий на метод, яким отримують технеций. Елемент 61 було виділено лише в 1945 р з осколкових елементів, що утворюються в ядерному реакторі в результаті поділу урану.

Мал. 15. Схема синтезу елемента № 61 - прометия.

Елемент отримав символічне ім'я «прометий». Ця назва дано йому не з проста. Воно символізує драматичний шлях викрадення наукою у природи енергії ядерного ділення і оволодіння цією енергією (за переказами титан Прометей викрав з неба вогонь і передав його людям, за цей був прикутий до скелі і величезний орел щодня терзав його), але і застерігає людей від страшної військової небезпеки.

Прометій тепер отримують в чималих кількостях: його використовують в атомних батарейках - джерелах постійного струму, здатних діяти без перерви багато років.

Аналогічним шляхом був синтезований і найважчий галоген - екайод - елемент 85. Він вперше був отриманий бомбардуванням вісмуту (№ 83) ядрами гелію (№ 2), прискореними в циклотроні до великих енергій. Новий елемент названий астату (нестійкий). Він радіоактивний, швидко зникає. Його хімічні властивості також виявилися точно відповідними періодичному закону. Він схожий на йод.

Мал.16. Схема синтезу елемента № 85 - астату.

3. Трансуранові елементи.

Трансурановими елементами називають штучно синтезовані хімічні елементи, розташовані в періодичній системі після урану. Скільки їх ще вдасться синтезувати в майбутньому, поки ніхто виразно відповісти не може.

Уран був замикаючим в природному ряду хімічних елементів на протязі довгих 70 років.

І весь цей час вчених, природно, хвилювало питання: чи існують в природі елементи важче урану? Дмитра Іванович вважав, що якщо зауранові елементи і вдасться коли-небудь виявити в земних надрах, то число їх повинно бути обмежено. Після відкриття радіоактивності відсутність таких елементів в природі пояснили тим, що періоди їхнього напіврозпаду невеликі і всі вони розпалися, перетворилися в більш легкі елементи, дуже давно, на самих ранніх стадіях еволюції нашої планети. Але уран, який опинився радіоактивним, мав настільки велику тривалість життя, що зберігся до нашого часу. Чому ж хоча б найближчим трансуранов природа не могла відпустити настільки ж щедре час на існування? Було багато повідомлень про відкриття нібито нових елементів всередині системи - між воднем і ураном, але майже жодного разу наукові журнали не писали про виявлення трансуранов. Вчені лише сперечалися, в чому причина обриву періодичної системи на урані.

Тільки ядерний синтез дозволив встановити цікаві обставини, про які раніше навіть не можна було підозрювати.

Перші дослідження по синтезу нових хімічних елементів були спрямовані на штучне отримання трансуранов. Про перший штучному трансуранових елементів заговорили на три роки раніше, ніж з'явився технеций. Стимулюючим подією виявилося відкриття нейтрона. елементарна частинка, позбавлена ​​заряду, володіла величезною проникаючою здатністю, могла досягти атомного ядра, не зустрічаючи ніяких перешкод, і викликати перетворення різних елементів. Нейтронами стали обстрілювати мішені з найрізноманітніших речовин. Піонером досліджень в цій області став видатний італійський фізик Е. Фермі.

Уран, опромінених нейтронами, виявляв невідому активність з невеликим періодом напіврозпаду. Уран-238, поглинувши нейтрон, перетворюється в невідомий ізотоп елемента уран-239, який є b-радіоактивним і повинен перетворюватися в ізотоп елемента з порядковим номером 93. подібний висновок і зробив Е. Фермі зі своїми колегами.

Насправді треба було дуже багато зусиль, щоб довести, що невідома активність дійсно відповідає першому трансуранових елементів. Хімічні операції привели до висновку: новий елемент за своїми властивостями схожий на марганець, т. Е. Належить до VII б-підгрупі. Цей аргумент виявився вражаючим: у той час (в 30-х рр.) Майже всі хіміки вважали, що якби трансуранові елементи існували, то принаймні перші з них були б аналогічними d-елементів з попередніх періодів. Це була помилка, яка, безсумнівно, вплинула на хід історії відкриття елементів важче урану.

Словом, в 1934 р Е. Фермі впевнено заявляв про синтез не тільки елемента 93, якому дав назву «Аузоніо», а й його правого сусіда по таблиці Менделєєва - «Гесперія» (№ 94). Останній був продуктом b-розпаду Аузоніо:

Знайшлися вчені, які «потягнули» цей ланцюжок ще далі. Серед них: німецькі дослідники О. Ган, Л. Мейтнер і Ф. Штрассманом. У 1937 р вже говорили, як про щось реальному, про елемент № 97:

.

Але жоден з нових елементів не було отримано в скільки-небудь помітних кількостях, що не було виділено у вільному вигляді. Про їх синтезі судили по різноманітним непрямими ознаками.

В остаточному підсумку виявилося, що всі ці ефемерні речовини, які приймались за трансуранові елементи, насправді являють собою елементи, які стосуються ... до середини періодичної системи, т. Е. Штучні радіоактивні ізотопи давно відомих хімічних елементів. Це стало ясно, коли О. Ган і Ф. Штрассманом зробили 22 грудня 1938 р одне з найбільших відкриттів XX ст. - відкриття розподілу урану під дією повільних нейтронів. Вчені незаперечно встановили, що в урані, опромінених нейтронами, містяться ізотопи барію і лантану. Вони могли утворитися лише при допущенні, що нейтрони як би розвалюють ядра урану на кілька більш дрібних осколків.

Механізм розподілу пояснили Л. Мейтнер і О. Фріш. Вже існувала так звана крапельна модель ядра: атомне ядро ​​уподабліваются краплі рідини. Якщо краплі надати достатню енергію, порушити її, то вона може розділитися на більш дрібні краплі. Так само і ядро, наведене нейтроном в збуджений стан, здатне розпастися, розділитися на більш дрібні частини - ядра атомів більш легких елементів.

У 1940 р радянські вчені Г. Н. Флеров і К. А. Петржак довели, що розподіл урану може відбуватися мимовільно. Так був відкритий новий вид радіоактивних перетворень, що зустрічаються в природі, спонтанне ділення урану. Це було виключно важливе відкриття.

Однак, неправильно оголошувати помилковими дослідження по трансуранов в 30-х рр.

Два основних природних ізотопу має уран: уран-238 (істотно переважає) і уран-235. Другий головним чином і ділиться під дією повільних нейтронів, тоді як перший, поглинаючи нейтрон, лише перетворюється в більш важкий ізотоп - уран-239, причому це поглинання тим інтенсивніше, чим швидше бомбардирующие нейтрони. Тому в перших спробах синтезу трансуранов ефект уповільнення нейтронів привів до того, що при «обстрілі» мішені з природного урану, що містить і , Превалював процес ділення.

Але уран-238, що поглинув нейтрон, повинен був обов'язково дати початок ланцюжку освіти трансуранових елементів. Потрібно було знайти надійний спосіб зловити атоми елемента 93 в складній мішанині осколківподілу. Порівняно менші за масою, ці осколки в процесі бомбардування урану повинні були відлітати на великі відстані (мати велику довжину пробігу), ніж досить масивні атоми елемента 93.

Ці міркування поклав в основу своїх експериментів американський фізик Е. Макміллан, який працював в Каліфорнійському університеті. Навесні 1939 року він став ретельно досліджувати розподіл уламків поділу урану по довжині пробігів. Йому вдалося відокремити маленьку порцію осколків з незначною довжиною пробігу. Саме в цій порції він виявив сліди радіоактивної речовини з періодом напіврозпаду 2,3 дня і високою інтенсивністю випромінювання. Такої активності не спостерігалося в інших фракціях осколків. Макміллану вдалося показати, що ця речовина Х є продуктом розпаду ізотопу уран-239:

.

До роботи підключився хімік Ф. Ейблсон. Виявилося, що радіоактивна речовина з періодом напіврозпаду 2,3 дня хімічно може бути відокремлене від урану і торію і не має нічого спільного з ренієм. Так звалилося припущення, що елемент 93 має бути екареніем.

Про успішне синтезі нептунію (новий елемент був названий на честь планети Сонячної системи) оголосив американський журнал «Фізичний огляд» спочатку 1940 р так почалася епоха синтезу трансуранових елементів, який виявився дуже важливим для подальшого розвитку менделеевского вчення про періодичність.

Мал. 17. Схема синтезу елемента № 93 - нептунію.

Навіть періоди найбільш довгоживучих ізотопів трансуранових елементів, як правило, значно поступаються віку Землі, а тому їх існування в природі в даний час практично виключено. Таким чином, ясна причина обриву природного ряду хімічних елементів на урані - елементі 92.

За нептунієм пішов плутоній. Він був синтезований з ядерної реакції:

взимку 1940 - 1941 рр. американським вченим Г. Сиборгом з співробітниками (в лабораторії Г. Сиборга згодом було синтезовано ще кілька нових трансуранових елементів). Але найважливішим ізотопом плутонію виявився з періодом напіврозпаду 24 360 років. Крім того, плутоній-239 під дією повільних нейтронів ділиться набагато інтенсивніше, ніж

Мал. 18. Схема синтезу елемента № 94 - плутонію.

У 40-х рр. було синтезовано ще три елементи важче урану: америцій (в честь Америки), кюрий (в честь М. і П. Кюрі) і берклій (в честь м.Берклі в Каліфорнії). Мішенню в ядерних реакторах служив плутоній-239, бомбардований нейтронами і a-частинками, і америцій (його опромінення привело до синтезу Берклі):

.

50-е рр. почалися з синтезу каліфорнія (№ 98). Його вдалося отримати тоді, коли був накопичений в значних кількостях долгоживущий ізотоп кюрий-242 і з нього виготовили мішень. Ядерна реакція: привела до синтезу нового елемента 98.

Щоб рухатися до елементів 99 і 100, слід було подбати про накопичення вагових кількостей Берклі і каліфорнія. Обстріл виготовлених з них мішеней a-частинками давав підстави синтезувати нові елементи. Але занадто малі були періоди напіврозпаду (години та хвилини) синтезованих ізотопів елементів 97 і 98, і це виявлялося перешкодою для накопичення їх в необхідних кількостях. То мала бути й інший шлях: тривале опромінення плутонію інтенсивним потоком нейтронів. Але довелося б чекати результати довгі роки (щоб отримати один з ізотопів Берклі в чистому вигляді, плутонієву мішень опромінювали цілих 6 років!). істотно скоротити час синтезу можна було лише одним-єдиним способом: різко збільшити потужність нейтронного пучка. У лабораторіях таке виявлялося неможливим.

На допомогу прийшов термоядерний вибух. 1 листопада 1952 р американці провели вибух термоядерного пристрою на атолі Еніветок в Тихому океані. На місці вибуху зібрали кілька сотень кілограмів ґрунту, досліджували зразки. В результаті вдалося виявити ізотопи елементів 99 і 100, названих відповідно Ейнштейна (в честь А. Ейнштейна) і ферми (в честь Е. Фермі).

Утворений при вибуху потік нейтронів виявився дуже потужним, що ядра урану-238 зуміли поглинути за дуже короткий проміжок часу велике число нейтронів. Ці надважкі ізотопи урану в результаті ланцюжків послідовних розпадів перетворилися на ізотопи ейнштейнію і фермію (рисунок 19).

Мал. 19. Схема синтезу елементів № 99 - ейнштейнію і № 100 - фермію.

Менделєєва названий хімічний елемент № 101, синтезований американськими фізиками на чолі з Г. Сиборгом в 1955 р Автори синтезу назвали новий елемент «в честь визнання заслуг великого російського хіміка, який першим використовував для передбачення властивостей невідкритих хімічних елементів періодичну систему». Вченим вдалося накопичити достатню кількість ейнштейнію, щоб приготувати з нього мішень (кількість ейнштейнію вимірювалося мільярдом атомів); опромінюючи її a-частинками, можна було розрахувати на синтез ядер елемента 101 (рисунок 20):

Мал. 20. Схема синтезу елемента № 101 - Менделєєва.

Період напіврозпаду отриманого ізотопу виявився значно більшим, ніж припускали теоретики. І хоча в результаті синтезу були отримані лічені атоми Менделєєва, виявилося возіожним вивчити їх хімічні властивості тими ж методами, які використовувалися для попередніх трансуранов.

Висновок. Значення періодичного закону.

Гідну оцінку періодичному закону дав Вільям Размана, який стверджував, що періодичний закон є істинним компасом для дослідників.

Вивчати хімію неможливо інакше, як на основі цього всюдисущого закону. Яким безглуздим виглядав би підручник хімії без таблиці Менделєєва! Потрібно розуміти, як різні елементи пов'язані між собою і чому вони так пов'язані. Тільки тоді періодична система виявиться найбагатшим сховищем інформації про властивості елементів і їх з'єднань, таким сховищем, з яким мало що може зрівнятися.

Досвідчений хімік, лише поглянувши на місце, займане будь-яким елементом в системі, може розповісти про нього багато: метал даний елемент або неметалл; утворює він чи ні з'єднання з воднем - гідриди; які оксиди характерні для цього елемента; які валентності він може проявляти, вступаючи в хімічні сполуки; які з'єднання цього елемента будуть стійкі, а які, навпаки, виявляться неміцними; з яких з'єднань і яким способом зручніше і вигідніше за все отримувати даний елемент у вільному вигляді. І якщо хімік здатний витягти всі ці відомості з періодичної системи, то це означає, що він добре її освоїв.

Періодична система є основою для отримання нових матеріалів і речовин з новими, незвичними, заздалегідь заданими властивостями, таких речовин, які невідомі природі. Вони створюються тепер у великих кількостях. Вона ж стала дороговказом для синтезу напівпровідникових матеріалів. Вчені на безлічі прикладів виявили, що найкращими напівпровідниковими властивостями володіють або повинні володіти з'єднання елементів, які займають певні місця в менделєєвської таблиці (головним чином в III - V її групах).

Не можна ставити завдання отримання нових сплавів, ігноруючи періодичну систему. Адже будова і властивості сплавів визначаються положенням металів в таблиці. В даний час відомі тисячі різних сплавів.

Мабуть в будь-якій галузі сучасної хімії можна помітити відблиск періодичного закону. Але не одні тільки хіміки схиляють голову перед його величчю. У важкому і захоплюючій справі синтезу нових елементів неможливо обійтися без періодичного закону. Гігантський природний процес синтезу хімічних елементів відбувається в зірках. Цей процес вчені називають нуклеосинтезом.

Поки вчені не уявляють якими саме способами, в результаті яких послідовних ядерних реакцій утворилися відомі нам хімічні елементи. Гіпотез нуклеосинтеза багато, закінченої теорії ще немає. Але можна з упевненістю сказати, що навіть самі боязкі припущення про шляхи походження елементів були б неможливі без урахування послідовного розташування елементів у періодичній системі. Закономірності ядерної періодичності, будови і властивостей атомних ядер лежать в основі різноманітних реакцій нуклеосинтеза.

Довго можна перераховувати ті області людського знання і практики, де Великий закон і система елементів відіграють важливу роль. І, по правді кажучи, ми навіть не уявляємо собі всю масштабність менделеевского вчення про періодичність. Багато разів воно ще блисне перед вченими своїми несподіваними гранями.

Менделєєв, безсумнівно, - один з найбільших хіміків світу. Хоча з часу його закону пройшло більше ста років, ніхто не знає, коли буде до кінця зрозуміло все зміст знаменитої таблиці Менделєєва.

Мал. 21. Фото Дмитра Івановича Менделєєва.

Мал. 22. Російське хімічне товариство під головуванням

Д. І. Менделєєва.

Використовувана література.

1. Петрянов І. В., Трифонов Д. Н. «Великий закон»

Москва, «Педагогіка», 1984 р

2. Кедров Б. М. «Прогнози Д. І. Менделєєва в атомістиці»

Москва, «Атомиздат», 1977 р

3. Агафошин Н. П. «Періодичний закон і періодична система елементів Д. І. Менделєєва» Москва, «Просвещение», 1973 г.

4. «Д. І. Менделєєв у спогадах сучасників »Москва,« Атомиздат », 1973 г.

5. Волков В. А. біографічний довідник «Видатні хіміки світу» Москва, «Вища школа», 1991 р

6. Боголюбова Л. Н. «Біографії великих хіміків» Москва, «Просвещение», 1997 р

7. Іванова Л. Ф., Єгорова Е. Н. настільна енциклопедія «Все про все» Москва, «Мнемозина», 2001 р

8. Сум Л. Б. дитяча енциклопедія «Я пізнаю світ. Хімія »Москва,« Олімп », 1998 р