Менделєєв і Періодичний закон

Професор Б. Д. Степин

За чотири роки до відкриття періодичного закону Д.І. Менделєєв, нарешті, знайшов спокій у сімейних справах і впевненість у своїх діях. 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.

В 1867 Менделєєв став завідувати кафедрою загальної та неорганічної хімії фізико-математичного факультету Петербурзького університету, а в кінці року йому надали довгоочікувану університетську квартиру. У травні 1868 р. у Менделєєвих народилася улюблена дочка Ольга ...

Ось кілька епізодів з життя Дмитра Івановича Менделєєва.

Він народився в 1834 році в Тобольську і був останнім, сімнадцятого за рахунком дитиною в родині директора Тобольської гімназії Івана Павловича Менделєєва і його дружини Марії Дмитрівни. До часу його народження в сім'ї Менделєєвих з дітей залишилося в живих два брати і п'ять сестер. Дев'ять дітей померли ще в дитячому віці, а трьом з них батьки навіть не встигли дати імена.

Освіта Дмитра Менделєєва у Петербурзі в педагогічному інституті спочатку давалася нелегко. На першому курсі він примудрився з усіх предметів, окрім математики, отримати незадовільні оцінки. Але на старших курсах справа пішла по-іншому - середньорічний бал Менделєєва був рівний чотирьом з половиною (з п'яти можливих). Він закінчив інститут в 1855 році із золотою медаллю, одержавши диплом старшого вчителя.

Життя не завжди була прихильною до Менделєєва: були в ній і розрив з нареченою, і недоброзичливість колег, невдалий шлюб і потім розлучення ... 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 непристойну 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 ".

В 1881 на превелику силу був розірваний шлюб Менделєєва з першою дружиною, абсолютно не розуміє чоловіка і дорікає його у відсутності уваги.

"Майстер чемоданних справ"

Коханим заняттям на дозвіллі у Менделєєва протягом багатьох років було виготовлення валіз і рамок для портретів. Припаси для цих робіт він закуповував у Гостинному дворі. Одного разу, вибираючи потрібний товар, Менделєєв почув за спиною питання одного з покупців:

-- "Хто цей поважний пан?"

-- "Таких людей знати треба, - з повагою в голосі відповів прикажчик. - Це майстер чемоданних справ Менделєєв ".

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

Але повернемося до 1867 року.

Взимку 1867-68 року Менделєєв почав писати підручник "Основи хімії" і відразу зіткнувся з труднощами систематизації фактичного матеріалу. До середини лютого 1869 року, обдумуючи структуру підручника, він поступово прийшов до висновку, що властивості простих речовин (а це є форма існування хімічних елементів у вільному стані) і атомні маси елементів зв'язує якась закономірність.

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 Мейєра.

Вирішальний етап його роздумів наступив 1 березня 1869 року (14 лютого за старим стилем). На день раніше Менделєєв написав прохання про відпустку на десять днів для обстеження артільних сироварень у Тверській губернії: він одержав листа з рекомендаціями з вивчення виробництва сиру від А. И. Ходнева - одного з керівників Вільного економічного суспільства.

В Петербурзі в цей день було похмуре і морозно. Під вітром поскрипували дерева в університетському саду, куди виходили вікна квартири Менделєєва. Ще в ліжку Дмитро Іванович випив кухоль теплого молока, потім встав, помився і пішов снідати. Настрій у нього був чудовий.

Несподівана думка

За сніданком Менделєєву прийшла несподівана думка: зіставити близькі атомні маси різних хімічних елементів і їхні хімічні властивості.

Недовго думаючи, на зворотній стороні листа Ходнева він записав символи хлору Cl і калію K з досить близькими атомними масами, рівними відповідно 35,5 і 39 (різниця всього в 3,5 одиниці). На тому ж листі Менделєєв накидав символи інших елементів, відшукуючи серед них подібні "парадоксальні" пари: фтор F і натрій Na, бром Br і рубідій Rb, йод I і цезій Cs, для яких розходження мас зростає з 4,0 до 5,0, а потім і до 6,0. Менделєєв тоді не міг знати, що "невизначена зона" між явними неметалами і металами містить елементи - благородні гази, відкриття яких надалі істотно видозмінить Періодичну систему.

Після сніданку Менделєєв закрився у своєму кабінеті. Він дістав з конторки пачку візитних карток і став на їх зворотному боці писати символи елементів і їх головні хімічні властивості.

Через деякий час домочадці почули, як з кабінету стало доноситися: "У-у-у! Рогата. Ух, яка рогата! Я ті здолаю. Уб'ю-у!" Ці вигуки означали, що у Дмитра Івановича наступило творче натхнення.

Менделєєв перекладав картки з одного горизонтального ряду в інший, керуючись значеннями атомної маси і властивостями простих речовин, утворених атомами одного і того ж елементу. У який раз на допомогу йому прийшло доскональне знання неорганічної хімії. Поступово почав вимальовуватися вигляд майбутньої Періодичної системи хімічних елементів.

Так, спочатку він поклав картку з елементом берилієм Be (атомна маса 14) поряд з карткою елементу алюмінію Al (атомна маса 27,4), за тодішньою традицією прийнявши берилій за аналог алюмінію. Проте потім, зіставивши хімічні властивості, він помістив берилій над магнієм Mg. Засумнівавшись у загальноприйнятому тоді значенні атомної маси берилію, він змінив її на 9,4, а формулу оксиду берилію переробив з Be2O3 в BeO (як у оксиду магнію MgO). До речі, "виправлене" значення атомної маси берилію підтвердилося тільки через десять років. Так само сміливо діяв він і в інших випадках.

Поступово Дмитро Іванович прийшов до остаточного висновку, що елементи, розташовані по зростанню їхніх атомних мас, виявляють явну періодичність фізичних і хімічних властивостей.

В Протягом усього дня Менделєєв працював над системою елементів, відриваючись ненадовго, щоб пограти з дочкою Ольгою, пообідати і повечеряти.

Увечері 1 березня 1869 він начисто переписав складену ним таблицю і під назвою "Досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній вазі і хімічній схожості "послав її в друкарню, зробивши позначки для складачів і поставивши дату "17 лютого 1869 року" (це за старим стилем).

Так був відкритий Періодичний закон ...

... Так був відкритий Періодичний закон, сучасна формулювання якого така:

Властивості простих речовин, а також форми і властивості з'єднань елементів знаходяться в періодичній залежності від заряду ядер їхніх атомів.

Менделєєву тоді було всього 35 років.

видрукувані листки з таблицею елементів Менделєєв розіслав багатьом вітчизняним і закордонним хімікам і тільки після цього виїхав з Петербурга для обстеження сироварень.

До від'їзду він ще встиг передати Н. А. Меншуткина, хіміку-органіку і майбутньому історикові хімії, рукопис статті "Співвідношення властивостей з атомною вагою елементів "- для публікації в Журналі Російського хімічного суспільства і для повідомлення на майбутнім засіданні суспільства.

18 Березень 1869 Меншуткина, який був у той час діловодом суспільства, зробив від імені Менделєєва невелика доповідь про Періодичний закон. Доповідь спочатку не привернула особливої уваги хіміків, і Президент російського хімічного суспільства, академік Микола Зінін (1812-1880) заявив, що Менделєєв робить не те, чим слід займатися справжньому досліднику. Правда, через два роки, прочитавши статтю Дмитра Івановича "Природна система елементів і застосування її до вказівки властивостей деяких елементів ", Зінін змінив своє думку і написав Менделєєва: "Дуже, дуже добре, пребагато відмінних зближень, навіть весело читати, дай Боже Вам удачі в досвідченому підтвердженні Ваших висновків. Щиро Вам відданий і глибоко Вас поважаючий Н. Зінін ".

Так що ж таке періодичність?

Це повторюваність хімічних властивостей простих речовин і їхніх з'єднань при зміні порядкового номера елемента Z і поява в ряду властивостей максимумів і мінімумів, у залежності від значення порядкового (атомного) номера елемента.

Наприклад, що дозволяє об'єднати в одну групу всі лужні елементи?

Перш за все, повторюваність через деякі інтервали значень Z електронної конфігурації. Атоми всіх лужних елементів мають на зовнішньої атомної орбіталі всього один електрон, і тому у своїх з'єднаннях виявляють ту саму ступінь окислювання, рівну + I. Формули їхніх з'єднань однотипні: у хлоридів MCl, у карбонатів - М2СO3, у ацетатів - CH3COOM і так далі (тут буквою M позначений лужний елемент).

Менделєєву після відкриття періодичного закону стояло зробити ще багато чого. Причина періодичної зміни властивостей елементів залишалася невідомої, не знаходила пояснення і сама структура Періодичної системи, де властивості повторювалися через сім елементів у восьмого. Однак з цих чисел був знятий перший покрив таємничості: у другому і третьому періодах системи знаходилося тоді як раз по сім елементів.

Не всі елементи Менделєєв розмістив у порядку зростання атомних мас; в деяких випадках він більше керувався подібністю хімічних властивостей. Так, у кобальту Co атомна маса більше, ніж у нікелю Ni, у телуру Te вона також більше, ніж у йоду I, але Менделєєв розмістив їх в порядку Co - Ni, Te - I, а не навпаки. Інакше телур потрапляв би в групу галогенів, а иод ставав родичем селен Se.

Самое ж важливе у відкритті періодичного закону - пророкування існування ще не відкритих хімічних елементів. Під алюмінієм Al Менделєєв залишив місце для його аналога "экаалюминия", під бором B - для "экабора", а під кремнієм Si - для "екасіліція". Так назвав Менделєєв ще не відкриті хімічні елементи. Він навіть дав їм символи El, Eb і Es.

За приводу елемента "екасіліція" Менделєєв писав: "Мені здається, найбільш цікавим з безсумнівно відсутніх металів буде той, який належить до IV групи аналогів вуглецю, а саме, до III ряду. Це буде метал, що випливає негайно ж за кремнієм,  і тому назвемо його екасіліціем ". Дійсно, цей ще не відкритий елемент повинен був стати своєрідним "замком", що зв'язує два типових неметалів - вуглець C і кремній Si - із двома типовими металами - оловом Sn і свинцем Pb.

Не всі закордонні хіміки відразу оцінили значення відкриття Менделєєва. Уж очень багато чого воно змінювало у світі сформованих уявлень. Так, німецький фізікохімік Вільгельм Оствальд, майбутній лауреат Нобелівської премії, стверджував, що відкритий не закон, а принцип класифікації "чогось невизначеного". Німецька хімік Роберт Бунзен, що відкрив в 1861 році два нових лужних елемента, рубідій Rb і цезій Cs, писав, що Менделєєв захоплює хіміків "у надуманий світ чистих абстракцій ".

Професор Лейпцігського університету Герман Кольбе в 1870 році назвав відкриття Менделєєва "спекулятивним". Кольбе відрізнявся брутальністю і неприйняттям нових теоретичних поглядів у хімії. Зокрема, він був супротивником теорії будови органічних сполук і у свій час різко обрушився на статтю Якоба Вант-Гоффа "Хімія в просторі". Пізніше Вант-Гофф за свої дослідження став першим Нобелівським лауреатом. Але ж Кольбе пропонував таких дослідників, як Вант-Гофф, "виключити з лав справжніх учених і зарахувати їх до табору Спіритів "!

З кожним роком Періодичний закон завойовував все більше число прихильників, а його відкривач - усе більше визнання. У лабораторії Менделєєва стали з'являтися високопоставлені відвідувачі, у тому числі навіть великий князь Костянтин Миколайович, керуючий морським відомством.

Тріумф

Нарешті, прийшов час тріумфу. У 1875 році французький хімік Поль-Еміль Лекок де Буабодран відкрив у мінералі вюртціте - сульфіді цинку ZnS - передвіщений Менделєєвим "экаалюминий" і назвав його на честь своєї батьківщини галієм Ga (латинська назва Франції - "Галлія"). Він писав: "Я думаю, немає необхідності наполягати на величезному значенні підтвердження теоретичних висновків пана Менделєєва ".

Зауважимо, що в назві елемента є натяк і на ім'я самого Буабодрана. Латинське слово "Галлус" означає півень, а по-французькому півень - "ле кок". Це слово є й в імені першовідкривача. Що мав на увазі Лекок де Буабодран, коли давав назву елементу - себе або свою країну - цього, мабуть, вже ніколи не з'ясувати.

Менделєєв точно передбачив властивості экаалюминия: його атомну масу, щільність металу, формулу оксиду El2O3, хлориду ElCl3, сульфату El2 (SO4) 3. Після відкриття галію ці формули стали записувати як Ga2O3, GaCl3 і Ga2 (SO4) 3. Менделєєв передбачив, що це буде дуже легкоплавкий метал, і дійсно, температура плавлення галію виявилася рівною 29,8 оС. За легкоплавкості галій поступається тільки ртуті Hg і цезію Cs.

В 1879 шведський хімік Ларс Нільсон відкрив скандій, передвіщений Менделєєвим як экабор Eb. Нільсон писав: "Не залишається ніякого сумніву, що в скандію відкритий экабор ... Так підтверджуються наочно міркування російського хіміка, які не тільки дали можливість пророчити існування скандію і галію, але і передбачати заздалегідь їхні найважливіші властивості ". Скандій отримав назву на честь батьківщини Нільсона Скандинавії, а відкрив він його в складному мінералі Гадоліній, що має склад Be2 (Y, Sc) 2FeO2 (SiO4) 2.

В 1886 професор Гірничої академії у Фрайбурзі німецький хімік Клеменс Вінклер при аналізі рідкісного мінералу аргіродіта складу Ag8GeS6 виявив ще один елемент, передвіщений Менделєєвим. Вінклер назвав відкритий ним елемент германієм Ge на честь своєї батьківщини, але це чомусь викликало різкі заперечення з боку деяких хіміків. Вони стали звинувачувати Винклера в націоналізмі, у присвоєння відкриття, яке зробив Менделєєв, вже дав елементу ім'я "екасіліцій" і символ Es. Збентежений Вінклер звернувся за порадою до самого Дмитру Івановичу. Той пояснив, що саме першовідкривач нового елемент повинен дати йому назву.

Вгадати існування групи шляхетних газів Менделєєв не міг, і їм спочатку не знайшлося місця в періодичної системи.

Відкриття аргону Ar англійськими вченими У. Рамзаєм і Дж. Реле в 1894 році відразу ж викликало бурхливі дискусії і сумніви в Періодичний закон і періодична системі елементів. Менделєєв спочатку порахував аргон аллотропной модифікацією азоту і тільки в 1900 році під тиском незаперечних фактів погодився з присутністю в Періодичній системі "нульової" групи хімічних елементів, яку зайняли інші шляхетні гази, відкриті слідом за аргоном. Тепер ця група відома під номером VIIIА.

В 1905 Менделєєв написав: "Очевидно, періодичному закону майбутнє не загрожує руйнуванням, а тільки надбудови і розвиток обіцяє, хоча як російської мене хотіли затерти, особливо німці ".

Відкриття Періодичного закону прискорило розвиток хімії і відкриття нових хімічних елементів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/