Периодическая система элементов как международный проект в области химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

Периодическая система элементов как международный проект в области химии

Алексеева Н.А.,

Каныгина О.Н.

д-р физ.-мат. наук, профессор,

Сальникова Е.В. д-р биол. н., доцент

Аннотация

Систематизация химических элементов являлась одной из главных задач химии XVIII-XIX веков. На протяжении данного периода времени около пятидесяти ученых пытались создать единую структуру, однако, лишь в конце XIX века русскому учёному Д. И. Менделееву удалось сформулировать «Периодический закон» и на его основании создать свой вариант Периодической таблицы элементов [1].

Формирование понятия «элемент»

Термин «элемент» использовался в ранней древнегреческой философии и обозначал четыре первоначальных вещества: землю, воду, огонь и воздух, а также «пятый элемент» - ночь или эфир. Алхимики называли элементами: серу, серебро, соль [5].

Рисунок 1 - «Элементы» в древнегреческой философии и алхимии [3]

Независимо друг от друга два ученых, Р. Бойль (1661) и М.В. Ломоносов (1748) сформировали близкие по смыслу и содержанию определения слова «элемент». Несмотря на разницу в 87 лет определение принято называть Бойлевско-Ломоносовским и оно является наиболее приближенным к современной трактовке.

Попытки систематизации элементов до Д.И. Менделеева

А. Лавуазье, французский естествоиспытатель, в 1789 г. первым представил концепцию систематизации периодических элементов в своем издании «Элементарный курс химии». Критерий определения элемента определялся как эмпирико-аналитическое. Всё, что не было возможно определить экспериментально категорически отрицалось [2]. Лавуазье разделил вещества на простые и сложные. К простым он отнес вещества, которые не могут разложиться на более простые: металлы, неметаллы, «земли» и радикалы, флюиды (свет, теплород) и азот, водород, серу, фосфор и уголь. Сложными были оксиды и кислоты.

Предположения Лавуазье касательно сложного состава минералов, щелочей и кислот были верны [10]. Таблица, составленная А. Лавуазье, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Классификация элементов по А. Лавуазье

По современным меркам классификация А. Лавуазье далека от правильной периодической системы, однако имеет большое историческое значение в развитии химии.

Немецкий химик И. В. Дёберейнер был одним из разработчиков систематизации элементов [1, 4, 7]. В ходе исследования он обнаружил следующую закономерность: если расположить три химических элемента в порядке возрастания их атомных масс, то атомная масса среднего члена такой тройки будет равна арифметическому среднему масс крайних членов. В 1817 году Дёберейнер выявил так называемую первую «триаду» - щелочноземельные металлы кальция, стронций, барий. Позднее, в 1829 году, он сформулировал закономерность для других групп элементов: литий, натрий, калий и сера, селен, теллур. Триады Дёберейнера приведены на рисунке 3.

Примечание: погрешность ? 0,1 - зеленый; 0,1 ? погрешность ? 1 - желтый

Рисунок 3 - Триады, предложенные Дёберейнером. Под символами химических элементов приведены их относительные атомные массы

В 1840 Л. Гмелин [1, 7] расширил список элементов и указал на то, что принцип их классификации значительно сложнее представленных Дёберейнером «триад».

Леопольд Гмелин [4], немецкий химик, известен благодаря авторству справочного издания «Руководство по теоретической химии». В своем «Руководстве», опираясь на закон постоянства состава и закон эквивалентов, Гмелин предложил таблицу эквивалентных весов, часть из которых представлена ниже:

Примечание: погрешность ? 0,1 - зеленый; 0,1 ? погрешность ? 1 - желтый; погрешность ? 1 - красный

Рисунок 4 - Таблица эквивалентных весов химических элементов

Гмелин классифицировал химические элементы, и опубликовал свои результаты в 1843 году. На основе данной классификации была создана таблица химически сходных элементов:

Примечание: погрешность ? 0,1 - зеленый; 0,1 ? погрешность ? 1 - желтый; погрешность ? 1 - красный

Рисунок 5 - Таблица химически сходных элементов Гмелина

В ней использованы триады Дёберейнера, дополненные тетрадами и пентадами, располагавшимися под «базисными» элементами, которыми являлись кислород, азот и водород. Особенностью таблицы стало расположение под кислородом групп металлоидов, элементов с отрицательным зарядом. Заряд групп элементов плавно изменялся сверху вниз.

Немаловажный вклад в развитие систематизации элементов внесли ученые Макс фон Петтенкофер, Жан Батист Андре Дюма и Адольф Штреккер. Работы этих ученых схожи между собой и преследовали общую цель. Результатом их исследований стало выдвижение теории о том, что разница между атомными весами некоторых элементов кратна восьми [7, 10, 12].

Работы Петтенкофера, Дюма и Штреккера имели большое значение в дальнейшем развитии систематизации химических элементов.

В 1857 году уже английский химик Уильям Одлинг попытался систематизировать химические элементы, опираясь на их атомный вес и атомность (валентность). Из пяти попыток самой удачной была таблица, предложенная им в 1864 году [1, 7, 12].

Примечание: *G - глициний, символ и старое название элемента бериллий. Погрешность ? 0,1 - зеленый; 0,1 ? погрешность ? 1 - желтый; погрешность ? 1 - красный

Рисунок 7 - Классификация Одлинга образца 1864 года [7]

В 1864 году Джон Ньюлендс начал работать над проблемой систематизации элементов. Он провел нумерацию элементов, сопоставил их со свойствами, и сделал заключение: «Разность в номерах наименьшего члена группы и следующего за ним равна семи; иначе говоря, восьмой элемент, начиная с данного элемента, является своего рода повторением первого, подобно восьмой ноте октавы в музыке…» [7, 12].

Примечание: *Во (бор) - первоначальная символика элемента бора; ** Di (дидим) - символ и название «элемента» дидима (смесь неодима и празеодима)

Рисунок 8 - Классификация Ньюлендса: 8 октав, содержащие по 7 элементов [7]

В 1865 году Ньюлендс опубликовал «закон октав», принцип которого опирался на сходство номеров элементов с расположением крайних нот в одной или нескольких октавах в музыке.

Финальный вклад внес Юлиус Лотар Мейер. В 1860 году Мейер наряду с Д. Менделеевым стал участником конгресса химиков в Карлсруэ. На конгрессе четко разграничили понятия «атом», «молекула» и «эквивалент»; решили проблему атомных масс. Это открыло путь к созданию периодического закона [1, 7, 9].

В 1864 году Мейер издал работу «Современные теории химии». В ней была изображена первая таблица, содержащая 63 элемента, 42 из которых были размещены на основе их валентности и атомных масс. В 1870 году, в издании «Анналы химии и фармации» им была опубликована статья «Природа химических элементов как функция их атомного веса», где главным было соотношение между атомными весами и атомными объемоми элементов [9].

Примечание: погрешность ? 0,1 - зеленый; 0,1 ? погрешность ? 1 - желтый; погрешность ? 1 - красный

Рисунок 9 - Таблица Ю. Майера [7]

Это попытка систематизации элементов близка к таблице Д.И. Менделеева. Однако неточности в атомных массах элементов Мейером не редактировать.

Рисунок 10 - Длительность действия различных систематик элементов

Действие различных теорий длилось разное время, например, теория «триад» действовала около 33 лет, однако распределение элементов закончилось на 5 триадах, а остальные элементы так и не были задействованы.

В таблице 1 приведен анализ классификаций элементов на протяжении 80 лет до создания Периодической системы Д.И. Менделеева.

Таблица 1 - Анализ классификаций элементов

Таким образом, путь к появлению периодического закона начался с 1789 года, постепенно набирая обороты. Каждый из ученых вносил новый вклад для последующего. И лишь спустя 80 лет миру явился первый образец периодического закона Д. Менделеева.

Формирование периодического закона Д.И. Менделеевым

В 1869 году 1 марта, Дмитрию Ивановичу пришла идея сопоставить близкие атомные массы разных элементов, а также их химические свойства [1]. На обратной стороне письма, пришедшего ему от Вольного экономического общества, Менделеев записал символы Cl и К, имеющие близкие атомные массы: 35,5 и 39. Он набросал символы других «парадоксальных» пар элементов: F и Na, Br и Rb, I и Cs. При этом разница в массе изменялась от 4.0 до 5.0, потом и до 6.0. На тот момент Менделеев не имел данных о «неопределенной зоне», расположенной между металлами и неметаллами. После открытия благородных газов Периодическая система претерпела значительные изменения. [6, 7, 8, 11].

Медленно, но верно Менделеев приближался к законченному облику системы химических элементов. Первым элементов он поставил бериллий Ве (14), а затем карточку с алюминием Al (27,4), на тот момент бериллий принимали за аналог алюминия. Но после анализа химических свойств Ве и Mg Менделеев расположил карточку с Ве над Mg [7, 8]. Усомнившись в верность значения атомной массы Ве, Менделеев изменил ее с 14 на 9,4. Формула оксида бериллия также изменилась из Be₂O₃ в BeO, и приобрела вид идентичный оксиду магния. Важно отметить, что исправления в атомной массе бериллия были признаны только через 10 лет [1, 7]. Выводом стало суждение: если расположить элементы по возрастанию атомных масс, то можно заметить четкую периодичность физических и химических свойств. На протяжении всего дня Менделеев трудился над своим творением, и уже к вечеру представил составленную им таблицу, которая была названа «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Работу он отправил в типографию в тот же день, а также отослал многим зарубежным и местным химикам [8].

Рукопись доклада «Соотношение свойств с атомным весом элементов» была представлена (Н.А. Меншутником) на заседании химического общества 18 марта 1869 году и была раскритикована Президентом общества, академиком Н. Н. Зининым. Однако спустя два года он изменил своё мнение, после ознакомления со статьей «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств некоторых элементов». В тот же год вышла книга Д.И. Менделеева «Основы химии» с иллюстрацией таблицы, представленной на рисунке 11 [1, 7, 8].

Рисунок 11 - Опытная система элементов Д. Менделеева [7]

Формулировка периодического закона Менделеевым было лишь началом развития периодической системы элементов. Предсказания Менделеева по поводу еще не открытых элементов воспринимались с должным скепсисом, и лишь после того, как они были открыты, а их свойства оказались сходны с предсказанными Менделеевым, периодический закон был принят как один из фундаментальных законов химии.

В 1882 году Лондонское королевское общество присудило Менделееву и Лотару Мейеру высшие награды - золотые медали Дэви - «За открытие периодических соотношений атомных весов» [8].

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что периодический закон и в целом систематизация химических элементов является международным достижением несколькими поколениями химиков, особая роль в котором принадлежит Д.И. Менделееву. При этом таблица продолжает совершенствоваться и дополняется новыми химическими элементами.

элемент периодический закон Менделеев

Список литературы

1. Аликберова Л.Ю. Периодический закон и периодическая система химических элементов / Л.Ю. Аликберова // Вестник МИТХТ. - 2009. - Т.4. - №1. - С. 5-14.

2. Большая советская энциклопедия: биография Лавуазье / сост. Я.Г. Дорфман. - М.: АН СССР, 1962. - 463 с.

3. Воронцов В.Б. Герметизм и его происхождение / Воронцов В.Б. // Цигун и жизнь (Цигун и спорт). - 1991. - №6. - С.10.

4. Джуа М. История химии: учебное пособие / М. Джуа. - М.: Мир, 1966. - 452 с.

5. Каныгина О.Н. Глоссарий для самостоятельной работы: методические указания / О.Н. Каныгина, Л.Н. Гусловская. - Оренбург: ОГУ, 2017. - С. 59.

6. Кедров Б.М. Менделеевские формы системы элементов в годы открытия и разработки периодического закона (1869-1871) / Б.М. Кедров // Вопросы истории естествознания и техники. - 1969. - №4 (29). - С. 59-71.

7. Курамшин А. Полтора века - от таблицы Менделеева к периодической системе / А. Курамшина // Беседы об основах наук. - 2019. - №9. - С. 71-80.

8. Летопись жизни и деятельности Д.И. Менделеева : книга / Р.Б. Добротин [и др.]. - Л. : Наука, 1984. - 531 с.

9. Макареня А.А. Вклад Лотара Мейера в разработку периодического закона Д.И. Менделеева / А.А. Макареня // Вопросы истории естествознания и техники. - 1969. - №4 (29). - С. 77-82.

10. Манолов К. Великие химики: книга / К. Маналов. - М.: Мир, 1985. - Т.1. - 96 с.

11. Соловьев Ю.И. История химии в России. Научные центры и основные направления исследований: книга / Ю.И. Соловьев. - М.: Наука. - 1985. - 416 с.

12. Фигуровский Н.А. Систематизация химических элементов до открытия периодического закона Д.И. Менделеевым / Н.А. Фигуровский // Сто лет периодического закона химических элементов. - 1969. - С. 15-41.

Размещено на Allbest.ru