Версия для печати

Периодическая система: история и современность

Дайджест. Курган. 2019

Организация ЮНЕСКО провозгласила 2019 год Международным годом Периодической таблицы химических элементов.

В 2019 году исполняется 150 лет со дня создания этой таблицы российским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Периодическая система стала вечным памятником Менделееву. Сто первый элемент этой таблицы носит его имя – «менделевий».

Дайджест «Периодическая система: история и современность» посвящен истории создания периодической таблицы. При составлении использовались статьи из журналов, имеющихся в фонде Центральной городской библиотеки им. В. В. Маяковского.

Другого ничего в природе нет

ни здесь, ни там, в космических глубинах:

все – от песчинок малых до планет –

из элементов состоит единых.

Как формула, как график трудовой

строй Менделеевской системы строгой.

Вокруг тебя творится мир живой,

Входи в него, вдыхай, руками трогай.

Кипит железо, серебро, сурьма

И темно-бурые растворы брома,

И кажется Вселенная сама

Одной лабораторией огромной…

С. Щипачев

На самом деле Менделеев не первый, кто создал периодическую таблицу элементов, и не первый, кто предположил периодичность химических свойств элементов. Но он открыл таинственный закон взаимосвязи элементов и добился его мирового признания.

На календаре 17 февраля 1869 года. У 35-летнего профессора химии Дмитрия Менделеева напряженный график. На столе громоздятся стопки исписанных листов, научных статей и книг. На улице уже ждет санная упряжка, которая должна отвезти его через заснеженный Петербург на вокзал. Сегодня вечером он читает доклад сыроделам Тверской губернии.

Менделеев привык делать все сразу. За завтраком он просматривает почту, оставляя на бумагах следы от чашки с чаем. Читает письмо от Вольного экономического общества, организовавшего встречу с сыроделами. И снова возвращается к вопросу, который не дает ему покоя.

Вот уже больше двух лет Дмитрий Менделеев работает над учебником химии, в котором он планирует логически упорядочить и сгруппировать все известные на тот момент 63 элемента. Первый том «Основ химии» уже готов. Теперь нужно решить, какую группу веществ описать в следующем.

Поглаживая густую бороду, он вновь перебирает в уме характеристики фтора, хлора, брома, натрия, кальция и других элементов. Как вдруг его осеняет. Он хватает первый попавшийся лист бумаги – программу осмотра сыроварен. И быстро записывает в ряд обозначения химических элементов.

Эта пара неразборчивых строк на обратной стороне письма откроет новую эру в истории химии.

Вопросы, над которыми размышляет в тот февральский день Менделеев, уже давно волнуют естествоиспытателей. Из каких простых химических тел – базовых элементов – состоят все вещества? Сколько их в природе? Почему они обладают разными свойствами? А главное, какому организующему закону подчиняются?

В V веке до н. э. греческий философ Эмпедокл утверждал: вся материя состоит из четырех первоэлементов – земли, воздуха, огня и воды. Позднее к этому набору Аристотель добавил земных «корней всех вещей» пятый, небесный элемент – эфир. Это учение и господствовало в науке вплоть до Средневековья. Со временем, благодаря развитию горнорудного дела, ученые открывали все новые элементы, в том числе кобальт и никель, названные в честь подземных духов. Но и они считались лишь комбинациями земли, воздуха, огня и воды.

Лишь в 1789 году эту ненаучную идею опроверг французский химик Антуан Лавуазье, опубликовав список из 33 базовых элементов, химически неразложимых на другие вещества. Многие элементы в его перечне указаны верно. Например, водород и сера, золото и олово, кислород, ртуть и платина. Но они никак не поддавались систематизации. Слишком уж разными казались их свойства.

Через несколько лет английский химик-самоучка Джон Дальтон выдвинул новаторскую идею: он предположил, что каждый базовый элемент состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов. Их измеряемые величины, в частности размер и вес, варьируются в зависимости от элемента.

Ни выделить, ни взвесить эти частицы он не мог. Но при наблюдении за реакциями соединения простых веществ (например, образования угарного газа из углерода и кислорода) он определил необходимые пропорции исходных веществ. И сумел рассчитать соотношение их атомных масс.

В 1803 году, после многочисленных опытов, английскому химику удалось составить таблицу относительных атомных масс некоторых известных на тот момент элементов. За условную единицу измерения он взял вес атома легчайшего элемента – водорода. Он занял первое место в так называемой «водородной шкале». За ним по нарастающей следовали остальные элементы. Кислород, по расчетам Дальтона, был в пять с половиной раз тяжелее водорода, а значит, его относительная атомная масса – примерно шесть единиц (сейчас известно, что она равна 16).

Расчеты Дальтона оказались ошибочными, а его замеры – неточными. Но именно благодаря ему, химики впервые получили в свое распоряжение измеряемую величину, на основе которой можно было хоть как-то упорядочить множество элементов.

Но вот неожиданность: систематизация элементов по атомной массе не совпадает с их распределением по химическому сходству. Близкие по атомной массе элементы зачастую совершенно не похожи друг на друга. За блестящим сероватым полуметаллом бором следует неметалл углерод, обычно встречающийся в форме абсолютно черной графитовой сажи или прозрачного алмаза. А за ним идет азот – бесцветный газ, не имеющий запаха. Желтая сера занимает место между фосфором и хлором. Одна из разновидностей первого – белый фосфор: прозрачная, воскообразная масса. Второй представляет собой едкий газ.

Зато некоторые элементы с сильно отличающимися атомными массами обладают на удивление сходными свойствами. Взять хотя бы металлы литий, натрий и калий. Они настолько мягкие, что их можно разрезать ножом. При попадании в воду все они начинают шипеть и нагреваться. Причем натрий воспламеняется, а калий и вовсе реагирует со взрывом.

В XIX веке многие исследователи пытаются навести порядок в хаосе элементов. Один из них – немецкий химик Иоганн Вольфганг Деберейнер. В 1817 году он вычленил группы из трех сходных по химическим свойствам элементов – так называемые «триады». Всего он насчитал их четыре. Одну из них составляют литий, натрий и калий. Другую – хлор, бром и йод, зачастую образующие соли при соединении с другими веществами. Теперь оставалось только выяснить, что именно их объединяет.

Деберейнер обнаружил искомую закономерность: если расположить три элемента в каждой триаде в порядке возрастания их атомной массы, то атомный вес второго элемента будет примерно равен среднему арифметическому атомных масс первого и третьего. Значит, в мире химических веществ существует какой-то порядок!

Но немецкий химик сталкивается с фундаментальной проблемой. Атомная теория англичанина Дальтона считается спорной. Даже у ее приверженцев нет единого мнения о сущности атома и оптимальных способах измерения его массы. Универсальное определение атомного веса утверждается только через десять лет после смерти Деберейнера – в 1860 году на первом международном химическом конгрессе в Карлсруэ (Германия). У химиков появляется точный критерий для классификации известных науке элементов.

С этого момента многие исследователи берутся за их сравнительное изучение. И некоторые из них, независимо друг от друга, предлагают разные варианты систематизации.

Но открыть таинственный закон взаимосвязи элементов и добиться его мирового признания удается только одному человеку – Дмитрию Менделееву. Русскому химику, который начал свой путь в науку с нуля. И стал ученым не благодаря, а вопреки обстоятельствам.

Проработав несколько лет приват-доцентом в Петербургском университете, он удостаивается государственной стипендии для стажировки во Франции и Германии, где посещает лабораторию химика Роберта Бунзена и физика Густава Кирхгофа, авторов новаторского метода изучения химических элементов – спектроскопии.

Эти двое раскаляют химические пробы на горелке и пропускают свет от пламени через стеклянную призму, которая разлагает его на цвета спектра. В исходящем из спектроскопа пучке света каждый раз выявляется характерный набор цветных линий, в зависимости от содержащихся в образце элементов.

С помощью нового метода ученые исследуют самые разные химические соединения, в том числе минералы. А в 1860-1861 годах Бунзен открывает неизвестные прежде металлы цезий и рубидий. По своим свойствам они близки к литию, натрию и калию. «Триада» Деберейнера превращается в «пятерку».

Тем временем Менделеев обращает на себя внимание статьями о свойствах растворов. Он возвращается в 1861 году в Петербург. В 31 год получает звание профессора. На его лекции собираются толпы любопытных, привлеченных эффектными демонстрациями химических опытов. Но для преподавания химии своим студентам Менделееву не хватает главного пособия – хорошего учебника. И он решает написать его сам.

Менделеев ищет ответы на вопросы, над которыми бились его предшественники. Почему некоторые из 63 известных тогда элементов обладают сходными свойствами? Какой порядок таится в их хаосе? Менделеев изучает работы, написанные на эту тему за последние десятилетия.

Какие-то почти неуловимые закономерности угадываются. Химическое сходство некоторых металлов налицо. Но так обстоит далеко не со всеми элементами. Многие даже трудно сравнить: при комнатной температуре они находятся в разных состояниях – одни в газообразном, другие в жидком или твердом.

В тот самый день, 17 февраля (1 марта по новому стилю) 1869 года, он делает набросок на обратной стороне письма с приглашением на встречу с сыроделами. И чувствует, что близок к разгадке. Он откладывает поездку в Тверскую губернию. Выписывает на отдельные карточки обозначения элементов с указанием их атомной массы и свойств. И начинает раскладывать «химический пасьянс»...

Снова и снова Менделеев перебирает в уме параметры простых веществ, опираясь на свои энциклопедические знания. Об изученных тогда элементах ему известно все: химические свойства, температура перехода в жидкое, газообразное и твердое состояние, степень блеска и пластичности металлов, формы их реакций друг с другом... «В голове все сложилось, а выразить таблицей не могу», - жалуется он в тот вечер другу.

Менделеев не спал уже три ночи. В его поисках разгадки тайны материи есть что-то маниакальное. И вот озарение нисходит на него во сне. По крайней мере, так потом будет утверждать он сам: «Ясно вижу во сне таблицу, где все элементы расставлены как нужно. Проснулся, тотчас записал на клочке бумаги».

Правда это или нет, но к концу дня у него готов первый вариант таблицы. Элементы в ней расставлены по клеткам в 19 рядов и шесть столбцов.

В первом варианте еще не все они стоят на своих местах. Но принцип химических взаимосвязей уже нащупан верно. Элементы со сходными свойствами Менделеев расставил последовательно горизонтально. В одном таком ряду – металлы литий, натрий и калий из триады Деберейнера плюс рубидий и цезий. Их сходство общеизвестно: все они отличаются мягкостью и вступают в бурную реакцию с водой, и при этом, в отличие от металлов вроде железа, образуют не оксиды, а щелочи.

Но не во всех рядах сходство между элементами так очевидно. Чтобы его уловить, требуются глубокие знания о свойствах соединений, которые они образуют. Менделеев ставит в один ряд газ азот, твердый элемент фосфор, полуметаллы мышьяк и сурьму, а также металл висмут. Их сходство проявляется в том, как они вступают в реакцию с другими веществами. Например, каждый их атом связывается с тремя атомами водорода. И при этом образуются едкие или даже ядовитые газы.

В вертикальные столбцы элементы выстроены в порядке возрастания атомной массы – снизу вверх: от самого легкого элемента в нижней клетке первого столбца до самого тяжелого в верхней клетке последнего. Позднее Менделеев сделает наоборот: самый легкий элемент займет верхнюю клетку первого столбца, а самый тяжелый – нижнюю клетку последнего. С ростом атомной массы от столбца к столбцу через равные промежутки – периоды – повторяются элементы со сходными свойствами. Например, за литием через семь клеток следует родственный ему натрий, а за ним еще через семь клеток – калий.

«Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств», - пишет Менделеев в докладе о новом принципе систематизации, который будет назван Периодическим законом. В дальнейшем таблица будет уточняться, пополняться новыми элементами, видоизменяться. Но и в основе ее современного варианта по-прежнему лежит открытая им закономерность.

Ученый пока не может объяснить, почему элементы распределяются в такой последовательности, почему их атомы обладают именно такими свойствами. Но он твердо убежден: открытый им порядок не случаен. За ним скрывается еще неизвестный фундаментальный закон природы.

Всего через несколько недель Менделеев представляет свою систему научному сообществу. Многие химики и раньше составляли подобные таблицы элементов, распределяя их в столбцы в соответствии с атомной массой. Но отличие системы Менделеева в том, что он совместил в ней сразу два параметра: атомную массу и химические свойства. Уверенность в своей правоте позволяет ему сделать и еще один, решающий шаг вперед.

Для того чтобы периодичность соблюдалась полностью, Менделеев идет на неслыханный риск: он не только исправляет атомные массы некоторых элементов, но и оставляет в таблице пустые клетки. «Эти пробелы в будущем заполнят еще неизвестные науке элементы», - предсказывает он. И, основываясь на свойствах уже изученных соседних элементов, даже описывает их химические характеристики и атомную массу.

На кону его научная репутация. Некоторые коллеги считают его шарлатаном. Как можно делать такие смелые заявления на основе какой-то таблицы?

Но уже через несколько лет французский химик Поль-Эмиль Лекок де Буабодран действительно открывает первый из предсказанных Менделеевым элементов – галлий. И по атомному весу, и по многим другим характеристикам галлий почти полностью соответствует расчетам русского ученого. И идеально подходит на вакантное место между алюминием и индием.

Но одно несовпадение все же есть. Удельный вес галлия не такой, как предсказывал ученый. Менделеев отправляет французскому химику письмо с просьбой провести повторные измерения. В образце галлия, который использовался для анализа, могли быть посторонние примеси, предполагает он. Лекок следует его совету.

И правда! Результаты повторного анализа полностью совпадают с расчетами Менделеева. Это триумф.

С 1879 по 1886 год подтверждаются и другие пророчества Менделеева. Открыты еще два предсказанных им элемента – скандий и германий. Однако один пробел в периодической таблице, несмотря на все старания, заполнить не удается. Место элемента под номером 43 остается вакантным. Ученые периодически сообщают о его открытии. Но на поверку их выводы оказываются ошибочными.

Однако слава Менделеева непоколебима. В России его считают героем науки, а царское правительство закрывает глаза на его «вольнодумство». В отличие от других профессоров Менделеев пускает на свои лекции женщин.

Менделеев продолжает совершенствовать периодическую систему, публикует почти 30 вариантов таблицы. И в 1902 году включает в нее недавно открытые инертные газы: гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Они отлично вписываются в отведенные им пустые клетки.

20 января 1907 года в возрасте 72 лет Менделеев умирает. На его похороны приходят тысячи людей. Бывшие студенты несут транспарант с изображением таблицы.

Тем временем научные открытия продолжаются. И, кажется, некоторые из них ставят под сомнение дело жизни Менделеева. Атомы уже давно не считаются мельчайшими и неделимыми частицами. Еще в 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон открывает электроны – микроскопические частицы, вращающиеся вокруг ядра атома. Вскоре выясняется, что некоторые элементы распадаются под воздействием радиации и даже могут менять состав атомного ядра.

Выявляется все больше таких промежуточных продуктов радиоактивного распада. Становится ясно: один и тот же элемент может иметь много изотопов – разновидностей, отличающихся друг от друга атомной массой. Многие ученые требуют отказаться от периодической системы. Но австрийскому химику Фридриху Панету удается приспособить ее к новым реалиям. Он предлагает распределять элементы не по атомной массе, которая у изотопов одного и того же элемента бывает разной, а по количеству положительно заряженных частиц протонов в атомном ядре. Оно соответствует порядковому номеру каждого элемента в таблице и остается неизменным у всех его изотопов.

Периодическая система спасена. Новые теории позволяют объяснить закономерности, лежащие в ее основе. В 1912 году датский физик Нильс Бор находит ответ на вечный вопрос: почему некоторые элементы обладают сходными химическими свойствами? Электроны вращаются вокруг атомного ядра по многоуровневым орбитам. Секрет сходства лития, натрия и калия в том, что во внешней оболочке атома у них всего один электрон. А, например, у бериллия, магния и кальция – по два.

Химическое сходство объясняется однотипным строением атома. Литий, натрий и калий легко теряют единственный электрон во внешней оболочке и поэтому вступают в бурную реакцию с другими веществами. Бериллию, магнию и кальцию труднее расстаться со своими двумя электронами. И поэтому они не так активно образуют соединения.

У элементов другой группы – инертных газов – атомная оболочка заполнена электронами до предела. Такая структура придает их атомам устойчивость, поэтому они редко объединяются в молекулы. Причина периодичности свойств элементов – в сходстве строения их атомов.

Пробел между 42-й и 44-й клетками в таблице Менделеева ученым удается заполнить в 1937 году. Итальянцы Эмилио Сегре и Карло Перье, путем бомбардировки молибденовой пластины частицами-дейтронами получают технеций: первый искусственно синтезированный элемент.

В последующие годы ядерные физики проводят все более смелые эксперименты, разгоняя и сталкивая в ускорителях элементарные частицы. И открывают новые элементы. Так, в 1995 году в Калифорнийском университете в Беркли были получены 17 атомов ранее неизвестного элемента под номером 101. В память о русском химике его назвали менделевий.

Сегодня известны 94 природных и 20 искусственно синтезированных элементов – «простых химических тел, неразложимых на другие вещества», как говорили во времена Менделеева. Дело в том, что всего синтезировано 24 элемента, но четыре из них носят пока временные названия, не утвержденные Международным союзом теоретической и прикладной химии. Они отличаются друг от друга физическими свойствами и химической активностью. Например, гелий – это прозрачный газ, бром – бурая жидкость, а железо – твердый металл.

Дмитрий Менделеев открыл способ сортировки родственных элементов по группам. Сейчас химики по всему миру используют его периодическую таблицу. Все элементы в ней снабжены номерами в порядке возрастания их атомной массы, которая соответствует количеству протонов в атомном ядре. Номер 1 – самый легкий элемент водород. Номер 2 – более тяжелый гелий. И дальше по нарастающей. По заряду атомного ядра элементы распределены в семь горизонтальных рядов. В верхнем ряду стоят два самых легких элемента – водород и гелий. Во втором – более тяжелые: от лития до неона. Нижний ряд занимают самые тяжелые элементы, в том числе все искусственно синтезированные. Они получены на ускорителях заряженных частиц и крайне нестабильны. Некоторые распадаются через доли секунды.

В некоторых рядах между элементами оставлены большие пробелы. Например, между бериллием и бором. Только так их можно сгруппировать в вертикальные столбцы по принципу химического сходства. В отдельных столбцах: малоактивные инертные газы, галогены или солеобразующие элементы типа фтора и хлора, переходные металлы, к числу которых относятся самые плотные и жаростойкие элементы – железо, осмий и цинк; и мягкие щелочные металлы, вступающие в бурную реакцию с водой. Химическое сходство элементов обусловлено однотипным строением атомов. А периодическая таблица наглядно отражает один из фундаментальных законов природы.

Современный вариант периодической системы был создан в 1999 году. Новая форма таблицы Менделеева учебно-справочного назначения отвечает международным стандартам. Кроме русских и латинских названий элементов в ней приводятся английские и американские формы их написания. Чтобы сохранить преемственность таблиц и упростить использование ее длинной формы, новые номера групп в ней согласованы со старыми (римскими) номерами групп (I-VIII) и подгрупп (a, b), хотя зарубежные источники прежние обозначения уже не указывают. В новой таблице приведены исправленные атомные массы элементов, утвержденные ИЮПАК в 1995 году, и новые названия десяти последних элементов, окончательно утвержденные, также этой организацией, в 1997-м.

«Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает» (Д. И. Менделеев)

Литература

1. Шамгунова, Л. К. Д. И. Менделеев – символ национальной гордости и славы России / Л. К. Шамгунова // Химия. – 2015. - № 2. – С. 25-30.

2. Дроздов, А. М. Периодическая система как завершенное целое с прогнозированием физических свойств элементов 7-11-го периодов / А. М. Дроздов, А. А. Макареня, А. Л. Жохов // Химия в школе. – 2014. - № 8. – С. 4-6.

3. Рязанцев, Г. Проблема «нулевых» в работах Менделеева / Г. Рязанцев // Наука и жизнь. – 2014. - № 2. – С. 76-80.

4. Пэч, М. Так ли просто все гениальное / М. Пэч // ГЕО. – 2012. - № 12. – С. 134-144.

5. Кошель, П. А. Случайным ли было открытие периодического закона? / П. А. Кошель // Химия. – 2009. - № 5. – С. 1-3.

6. Подольный, И. А. Система химических элементов в научной картине мира / И. А. Подольный, Б. Ю. Подольный // Химия в школе. – 2004. - № 7. – С.17-22 ; № 6. – С. 15-22.

7. Сайфуллин, Р. Современная форма таблицы Менделеева / Р. Сайфуллин // Наука и жизнь. – 2004. - № 7. – С. 2-7.

8. Реформатский, И. Р. Тяжкие раздумья великого химика / И. Р. Реформатский // Химия и жизнь. – 2002. - № 1. – С. 54-55.

9. Белецкая, И. П. Периодическая система химических элементов в иномарках / И. П. Белецкая // Химия и жизнь. – 1994. - № 2. – С. 36-38.

10. Шевцов, В. Я. И все же – кто? / В. Я. Шевцов // Химия и жизнь. – 1994. - № 2. – С. 34-35.

Сценарии

11. Потапова, Е. А. Открытию периодического закона посвящается… : устный журнал / Е. А. Попова // Химия. – 2013. - № 2. – С. 7-10.

12. Кнышева, Л. Н. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева : интеллектуальная игра / Л. Н. Кнышева // Химия. – 2010. - № 3. – С. 1-6.

13. Гутарова, Т. В. Д. И. Менделеев и периодический закон : интеллектуальная игра / Т. В. Гутарова // Химия. – 2009. - № 3. – С. 21-24.

14. Романов, А. С. Элементы периодической системы : кроссворд / А. С. Романов // Химия. – 2006. - № 20. – С. 41.

Составитель: ведущий библиограф Артемьева М. Г.