Прошло 150 лет – Часть 2. Достижения Мейера, Менделеева

В 60-х годах было известно около 2/3 всех встречающихся в природе элементов. Это число позволяло сравнивать их свойства и даже находить закономерности наблюдаемого сходства.

Предпринятые попытки были либо безуспешны, либо забыты (см. предыдущий эпизод), пока два химика, читавших лекции по общей химии, не решили написать учебники для своих студентов. В каком порядке следует обсуждать известные элементы? Нужно было классифицировать их так, чтобы расположение контента было логичным (1).

1. Великие соперники: слева Лотар Мейер (1830-1895), справа Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907).

система Мейера

Первый, кто заметил, что Химические и физические свойства, расположенные в порядке возрастания атомной массы, периодически сходны. (звучало так периодический закон), был немецкий химик Лотар Мейер. Однако славы исследователя он не снискал, потому что его система была… полной. Этот парадокс становится понятным, если сравнить его с таблицей Менделеева.

Мейер не оставил места для еще неизвестных элементов и даже опустил несколько уже существующих, потому что они не совпадали с теми местами, где должны быть. Причем свою таблицу он составил раньше, но опубликовал открытие лишь тогда, когда о достижениях россиянина уже стало известно – несомненные достижения Мейера лишь способствовали закреплению приоритета его конкурента. Приведенная им зависимость молярного объема (объема одного моля) от атомного веса явилась прекрасной иллюстрацией периодического характера свойств элементов (2). Многие другие свойства также показывают подобную зависимость (попробуйте построить сами).

2. График молярного объема элементов является прекрасной иллюстрацией закона периодичности.

Большой день Менделеева

Легенда гласит, что Дмитрий Менделеев Он всегда носил с собой карточки с данными о 63 известных в то время элементах и ​​без конца сочинял «химический пасьянс». Так ли это было — неизвестно, но он, должно быть, давно об этом думал. В истории науки мало таких хорошо задокументированных открытий. Сохранившиеся зарисовки показывают, что Менделеев приступил к работе утром 1 марта 1869 года (в России, где в то время действовал юлианский календарь, это было 17 февраля). После нескольких часов репетиций он вздремнул, и вскоре после этого система была готова (ему приснилось?). Он немедленно разослал копии таблицы многим известным химикам, и вскоре в химических журналах появилось больше версий. Форма таблицы отличалась от современной, но общий набросок все же понятен любому химику (3).

3. Первая форма таблицы от 1869 г., опубликованная в немецком химическом журнале.

Выводы, которые Менделеев сделал из своего открытия, вполне дают ему право на пальму первенства. Он исправил несколько неправильно определенных валентностей и атомных масс (например, бериллия или урана) и поместил эти элементы в соответствующие группы. В случае с теллуром и йодом, а также с кобальтом и никелем он изменил порядок следования их атомных масс так, что они тоже оказались на нужных местах (он считал, что их массы определены неправильно, но предпринятые попытки проверить их не принесли результатов).

Однако самым большим достижением Менделеева было то, что он оставил в системе пробелы, которые должны были быть заняты еще не открытыми элементами, и определил их свойства.

Успехи…

Менделеев занимался популяризацией закона периодичности: читал лекции и оживленно переписывался с самыми известными химиками. Однако не только эта рекламная деятельность первооткрывателя определила успех таблицы Менделеева – она ​​фактически объединяла сходные элементы в группы, в т.ч. с той же валентностью и аналогичными свойствами созданных отношений. Вскоре аранжировка Менделеева стала основной инструмент работы химиков и отличное средство преподавания этого предмета.

В последующие годы Менделеев постоянно пересматривал свою таблицу, и открытия эка-бора (сканд, 1879 г.), эка-алюминия (галлия, 1875 г.) и эка-кремния (германия, 1886 г.) вызвали справедливое восхищение химиков. В случае галлия Менделеев даже попросил первооткрывателя этого элемента проверить некоторые свойства нового металла, поскольку они не соответствовали его теоретическим предсказаниям. После повторной проверки Менделеев оказался прав!

Следует, однако, добавить, что в то время как некоторые из других предсказаний подтвердились (например, полоний нашел место под теллуром, свойства которого хорошо соответствовали дви-теллуру Менделея), другие не подтвердились (4).

4. Таблица Менделеева в учебнике 1871 г. с пробелами для еще не открытых элементов.

… И опасности

Лантановце с самого начала они не давали спать химикам по ночам. К счастью, в 1869 году были известны лишь некоторые из них, помещенные среди остальных элементов. Однако с открытием следующих возникла серьезная проблема: лантаноиды немного различались по своей атомной массе (поэтому в системе они должны были лежать рядом друг с другом), но их валентность почти всегда равнялась трем. Это противоречило закону периодичности, который требовал, чтобы соседние элементы находились в разных группах и с разной валентностью.

Проблема не была решена до самой смерти Менделеева — чаще всего их всех помещали в одну «коробку» системы, а объяснение давала только современная модель строения атома. Трудности с классификацией лантаноидов привели даже к многочисленным голосам, ставящим под сомнение истинность самого закона периодичности.

В 1868 г. в спектре Солнца наблюдался гелий, но Менделеев не признал элемент, которого не было на Земле. Однако в 90-х годах в воздухе было обнаружено целое семейство благородных газов. Существование неэлементов также казалось противоречащим самому закону периодичности. От дилеммы, создавая для вертолеты особая группа нульвалентных элементов (кстати, была проблема следующей некорректной пары: аргон – калий).

хотя она, следовательно, и прояснила самый закон периодичности, но и поставила под угрозу работу Менделеева. За короткое время было идентифицировано несколько десятков веществ с разными радиоактивными свойствами.

Некоторые из них проявляли одинаковые химические свойства, несмотря на разные атомные массы, а другие, при одинаковых массах – разные. К тому же в той области таблицы, где их следовало разместить в пересчете на значения атомной массы, не хватило пустых мест, чтобы вместить их все. Лавина открытий грозила поглотить всю систему.

Объяснение закона периодичности

Сам Менделеев подозревал, что периодичность свойств элементов есть отражение внутреннего строения их атомов. В 1910 году Фредерик Содди ввел понятие изотопы. После экспериментального доказательства их существования стали понятны дробные атомные массы элементов — большинство из них представляют собой смесь нескольких изотопов, а атомная масса — это средневзвешенное значение масс всех их.

В 1913 году Генри Мозли он изучал рентгеновские лучи, испускаемые известными элементами. Рентгеновский спектр очень прост — каждый элемент излучает только две линии, длины волн которых легко соотносятся с зарядом его ядра. Это позволило впервые определить реальное число существовавших элементов и подтвердило целесообразность менделеевской перестановки неправильных пар. Чрезвычайно важно было найти любые пробелы в периодической таблице, которые ждали своего заполнения. Сам закон периодичности был немного изменен и с тех пор гласил: Физические и химические свойства элементов являются периодической функцией их атомного номера.

В последующие годы открытие гафния (1922 г.) и рения (1925 г.), а также выявление искусственно полученных технеция (1937 г.) таблица Менделеева и более раннее определение свойств искомых элементов. Полное объяснение закона периодичности дала квантовая механика в 20-х и 30-х годах прошлого века. Оказалось, что периодичность свойств элементов отражает периодичность заполнения их электронных оболочек.

Сегодня и в будущем

За 150 лет было разработано более сотни различных форм массива элементов, но две из них получили признание.

Первый – это короткая фигура (оригинал предоставлен самим Менделеевым). Делится на периоды и группы: основной (обозначены: IA, IIA и т. д.) i сторона (ИБ, МИБ и др.). Лантаниды и актиноиды размещаются под всей системой. Группа VIIIB содержит девять элементов, разделенных на триады — здесь химики предположили сходство между соседними в периоде элементами. Расположение водорода произвольно — его свойства отличают его от элементов каждой группы. Краткая форма таблицы непрозрачна, но ее группы объединяют элементы одной валентности (5).

5. Таблица в краткой форме,…

В настоящее время наиболее распространен длинная форма (происходит с начала 1 века). Основные группы обозначены цифрами 2 и 13 и от 18 до 3, а второстепенные – от 12 до 6 (лантаноиды и актиноиды также помещены под таблицу). Преимуществом является прозрачность и группировка элементов в энергетические блоки, связанные с электронами, отвечающими за валентность (XNUMX).

Он также появляется еще более длинная форма массива – с лантаноидами и актинидами, расположенными между 2 и 3 группами. Проблемы с печатью длинных таблиц возникнут при получении элементов из 8 периода и это может произойти в ближайшее время, т.к. физики успели заполнить весь 7 период (см.: «», МТ 2018) (7).

На протяжении многих лет закон периодичности неоднократно доказывал свою ценность и выходил невредимым из многих опасностей. Факты, которые, казалось, противоречили ему, впоследствии позволили более глубоко понять его. Графическое изображение закона периодичности, то есть таблица периодической таблицы элементов, стало для всех символом химии.

Единственный

О Менделееве ходило много анекдотов, а его образ с присущей ему косматой бородой был так же известен в XIX веке, как образ Альберта Эйнштейна с его вечно растрепанными волосами в прошлом веке. Первый брак Менделеева распался. По действующему в России законодательству он не мог вступить в повторный брак до семи лет после развода. Однако ему удалось найти попсу, которая согласилась выйти замуж за большой гонорар. Дело получило огласку и священнослужителя лишили полномочий, но Менделеев остался безнаказанным, хотя по закону был двоеженцем. Когда некий аристократ, ссылаясь на дело известного химика, попросил у самого царя позволения жениться раньше, чем через семь лет после развода, правитель ответил: «У Менделеева две жены, а у меня Менделеева только одна».