История открытия периодическеой таблицы химических элементов

Пока люди будут изучать химию, будет существовать и периодическая таблица. Кроме того, если когда-нибудь мы установим контакт с жителями другой части Вселенной, то можем быть уверены, что в наших культурах найдется общая составляющая – упорядоченная система химических элементов, которая будет мгновенно узнаваема для любого разумного существа.

Джон Эмсли

Древнегреческие философы вслед за Аристотелем верили, что материальный мир и все преобразования его составляющих, которые мы наблюдаем вокруг, можно описать в виде взаимных превращений всего лишь четырех первоэлементов: земли, огня, воздуха и воды. Такое наивное представление господствовало вплоть до XVII века, когда химия, развившаяся из алхимии, начала обнаруживать другие элементарные (простейшие) вещества. Оказалось, что земля состоит из множества веществ и воздух тоже неоднороден. В XVIII веке количество известных химических элементов значительно увеличилось. Были открыты многие металлы, в частности кобальт, никель, марганец, вольфрам, хром, магний, уран; также впервые были выделены некоторые газы – водород, азот, кислород, хлор.

Определение химического элемента впервые сформулировал французский химик Антуан Лоран де Лавуазье, развивший идеи Роберта Бойля. Это произошло в 1789 году. Химическим элементом Лавуазье назвал вещество, не поддающееся дальнейшему разложению в ходе физических процессов. Лавуазье выбрал 33 вещества, подходящих на роль химических элементов, а их, в свою очередь, разделил на четыре группы: металлы, неметаллы, земли и газы. Некоторые из этих элементов оказались химическими соединениями, а еще несколько, в частности тепло и свет, вообще не были веществами. Вот список химических элементов, составленный Лавуазье (курсивом выделены те вещества, которые действительно оказались химическими элементами):

газы: теплород, свет, водород, азот, кислород;

земли: глинозем, барит, известь, магнезия, кремнезем;

металлы: сурьма, висмут, кобальт, медь, золото, железо, свинец, марганец, ртуть, молибден, никель, никель, платина, серебро, олово, вольфрам, цинк;

неметаллы: сера, фосфор, углерод, муриевый радикал, плавиковый радикал, борный радикал.

Все «земли» оказались оксидами (например, негашеная известь – это оксид кальция, а кремнезем – диоксид кремния), но во времена Лавуазье еще не было возможности высвободить из этих соединений атомы кислорода и получить связанные с ними химические элементы. Кроме того, по той же причине в группе неметаллов оказались вещества, не относящиеся к химическим элементам: хлор, фтор и бор невозможно было выделить из радикалов, располагая ресурсами, которые были в распоряжении у Лавуазье. В 1794 году в числе других жертв революционного террора Лавуазье, будучи врагом Жана-Поля Марата, был казнен на гильотине. Формальным поводом для приговора послужило участие великого химика в распределении средств на науку и образование. Его обвинили в попытке похитить государственные деньги и в заговоре с врагами Франции.

Периодическая таблица элементов, составленная русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907). Эта первая версия таблицы была напечатана в 1869 году. Менделеев оставил в таблице пропуски для новых элементов, которые были открыты позднее, тем самым подтвердив его теорию. В этой таблице элементы обозначены химическими символами и расположены в порядке возрастания атомной массы, но полностью правильное химическое расположение элементов еще не было сформировано. В окончательной версии таблицы (1871) элементы располагались во всем нам знакомых вертикальных столбцах – группах

На суде председатель трибунала заявил, что республика не нуждается в ученых, но всего через полтора года правительство признало, что казнь Лавуазье была ошибкой.

Следующий важный этап в исследовании химических элементов связан с именем Джона Дальтона, английского преподавателя естественных наук, работавшего в Манчестере. В лекции и статье, представленных вниманию Манчестерского литературного и философского общества в 1805 году, Дальтон попытался описать различные способы, которыми элементы могли соединяться друг с другом. Он предположил, что при этом взаимодействуют некие базовые ингредиенты, обладающие конкретной массой. Большинство химиков тех дней считали, что атомы слишком малы, чтобы их можно было изучать, но Дальтона это не останавливало. Он предложил таблицу из 20 элементов, для каждого из которых указал массу, а также символический способ записи, отражавший правила их соединения. Вещества обозначались маленькими схемами, состоявшими из символических обозначений элементов. Из этого базового списка элементов можно было получить соединения: под номером 21 была вода, обозначенная НО. Номер 22 достался аммонию, он обозначался NH. Такие записи стали основой, на которой развилась идея хорошо знакомых нам химических формул.

Запись, предложенная Дальтоном, была довольно сложной и не получила широкого признания. Современные химические символы ввел в 1813 году шведский химик Йене Берцелиус, восхищавшийся работами Дальтона. Он использовал более простой способ записи, при котором элементу соответствовала первая буква его названия (иногда – латинского, а в случае с калием – арабского) или две первые буквы, если возникала двусмысленность: например, С для углерода и Со для кобальта. Эти символы очень просто было объединять в последовательности, обозначающие химические соединения, например Н20 – вода. Такие формулы стали широко использоваться примерно после 1835 года и применяться для записи уравнений, описывающих химические реакции, например: CuS04 + 2НС1 – H2S04 + CuCl.

Дальтон ужасался тому, насколько сложным стал язык химии. «Скоро молодой студент-химик без труда сможет выучить иврит», – воскликнул он в отчаянии, увидев новую схему.

Одно за другим следовали открытия все новых элементов. «Земли» Лавуазье удалось разложить на их элементарные составляющие, это сделал Хэмфри Дэви с помощью электролиза. К 1863 году уже было известно более 60 элементов, и напрашивался вопрос: а есть ли границы у этого растущего множества и, если есть, что это за границы, какие факторы должны их определять?

В течение XIX века предпринимались героические попытки создания классификации, которая помогла бы предсказывать свойства элементов по их массе. Эту задачу пробовало решить большинство ведущих химиков того времени. Но всех их опередил почти никому не известный русский профессор родом из Сибири.

Дмитрий Иванович Менделеев родился в 1834 году в семье директора гимназии в Тобольске, он был младшим из 17 детей. Образование Менделеев получил в Санкт-Петербурге, так как его мать истово верила, что ее сын исключительно талантлив и должен учиться в самых лучших академических условиях. Она не ошиблась. Менделеев был одним из лучших студентов в университете, а затем поехал сначала во Францию, а потом в Германию, где в Гейдельберге ассистировал самому Роберту Бун-зену, прославившемуся изобретением знаменитой бунзеновской горелки. По возвращении в Санкт-Петербург в 1867 году он стал профессором химии в университете.

Однажды весной 1867 года совершенно испортилась погода, и Менделеев, вынужденный остаться дома, решил поработать над своей новой книгой «Основы химии». Перед ним стояла проблема: как организованно представить химические элементы и их свойства, при том что количество известных элементов быстро увеличивается. Он написал названия химических элементов на карточках, указывая также некоторые их свойства, оксиды и гидриды. Затем Менделеев принялся раскладывать эти карточки различными способами – строил ряды из элементов с одинаковой валентностью, располагал элементы в столбцах по мере уменьшения атомных масс и в процессе работы пытался найти закономерности. Он набросал свои предположения на обратной стороне старого конверта, который до сих пор экспонируется в Санкт-Петербурге.

Вскоре Менделеев переделал эту работу начисто. Он отобрал по возрастанию атомной массы семь первых элементов от лития до фтора, а затем так же отобрал семь следующих – от натрия до хлора, и расположил два эти ряда по горизонтали. Проявилась периодичность: в вертикальном столбце оказалось по два элемента с похожими свойствами, а главная валентность в первом из семи столбцов составляла I, во втором – II, затем, соответственно, ГУ, III и I. Вскоре Менделеев понял, что таблица была бы понятнее в перевернутом виде: если поменять местами столбцы и ряды. В результате таблица приобрела форму, которой мы пользуемся сегодня, несмотря на то что она увеличилась, так как были открыты новые элементы.

В периодической таблице восемь столбцов, называемых периодами. В 1870 году Менделеев решил значительно доработать таблицу и расположил 63 известных на тот момент элемента, начиная с водорода и заканчивая ураном, в 12 рядов и одновременно в столбцы по мере увеличения атомной массы, так, чтобы все элементы в столбце обладали схожими химическими свойствами.

Одним из самых замечательных интуитивных шагов, которые Менделеев сделал при составлении своей таблицы, было то, что он предсказал существование еще не открытых элементов. Он противился стремлению уместить все известные элементы в полной периодической таблице. Наверное, на его месте Аристотель попытался бы сделать именно это. Напротив, Менделеев считал, что логическая организация периодической системы предполагает, что в таблице должны быть пропуски, и предсказал существование еще не открытых элементов, которые заполнят эти пропуски. При этом, основываясь на свойстве периодичности, он строил предположения об атомной массе и плотности еще не известных элементов.

Ниже бора, алюминия и кремния он обнаружил три недостающих элемента, которые назвал «экабор», «экаалюминий» и «экасили-ций». Впоследствии эти элементы действительно были открыты и имели предсказанные Менделеевым атомную массу и плотность. Экаалюминий был открыт в 1875 году в Париже и назван галлием (Галлия – латинское наименование Франции). Экабор получили в 1879 году в шведском городе Упсале и назвали скандием в честь Скандинавии. В 1886-м во Фрайберге открыли экасилиций, и он получил название «германий». Менделеев также предсказал существование неоткрытого элемента в ГУ (титановой) группе элементов. Новый элемент должен был иметь атомную массу около 180. Он был обнаружен в 1923 году в университете Копенгагена, имел атомную массу 178,5 и был назван гафнием (Гафния – латинское название Копенгагена).

В 1893 году Менделеев стал директором Российской палаты мер и весов и сделал еще одно замечательное открытие. Он определил наилучшую долю содержания спирта в водке: одна молекула этилового спирта на две молекулы воды. В соответствии с молекулярной массой в такой смеси по объему должно быть 38 процентов спирта и 62 процента воды. В 1894 году в России был законодательно введен стандарт водки: показатели, предложенные Менделеевым, были слегка округлены и составили 40 процентов спирта на 60 процентов воды. В США аналогичный показатель составляет 80 proof.

Джеральд Холтон придумал красивую аналогию, которая объясняет природу менделеевского успеха и огромное воздействие, которое он оказал на своих современников: «Представьте себе ситуацию, в которой от библиотекаря потребовалось бы сложить все свои книги в кучу, взвесить каждую из них, а затем разместить на стеллаже в порядке возрастания их массы. Как бы он удивился, если бы обнаружил, что на каждой полке первая книга посвящена искусству, вторая – философии, третья – естественным наукам, четвертая – экономике и так далее. Наш библиотекарь в итоге мог и не понять, почему возникает такая регулярность, но если бы он обнаружил на одной из полок расположившиеся друг за другом книги по искусству, естественным наукам и экономике, то ему бы очень хотелось оставить промежуток между книгами по искусству и естественной науке и поискать недостающую книгу по философии, которая имела бы подходящую массу и заполнила этот пропуск».

Периодичность таблицы, благодаря которой она и получила свое название, наблюдается, если нанести на график определенное свойство элемента, например атомный объем, в зависимости от его атомной массы. Впервые это сделал Юлиус Мейер в 1870 году. В высших точках графика оказываются щелочные металлы.

Менделеев не пытался объяснить причин, по которым его таблица строится именно так. Это была блестящая интуитивная догадка. Менделеев верил, что в природе существует базовая симметричная структура, в которой укладываются все элементы, а не просто хотел каталогизировать все элементы в удобной форме. Благодаря этому он сделал свои потрясающие открытия и прогнозы. Хотя он и не мог объяснить найденных закономерностей, он считал, что другие ученые найдут такое объяснение.

В современной полной форме периодическая таблица элементов состоит из семи рядов, или периодов, в которых располагаются соответственно по 2, 8, 8, 18, 32 и 32 элемента. Эта закономерность полностью объясняется квантовой теорией атома. Квантовая волнообразная природа электрона означает, что по окружности каждой орбиты умещается только целое число длин волн. Количество элементов в каждом периоде таблицы элементов отражает количество электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра каждого атома. В соответствии с квантовой механикой самая внутренняя из орбит (орбиты также называют оболочками) может содержать не более двух электронов, следующая – не более шести, третья – до 10, а четвертая – до 14. Количество элементов в ряду таблицы таким образом определяется по количеству электронов, необходимому для заполнения всех орбит на данном уровне. То есть 8 = 2 + 6, 18 = 2 + 6 + 10, 32 = 2 + 6 + 10 + 14. Если упорядочить элементы в виде рядов по мере увеличения атомной массы, а в каждом столбце у атомов всех элементов будет одинаковая внешняя орбита, то получится современная форма периодической системы элементов. В каждом ряду электроны постепенно заполняют орбиту, пока она не будет занята полностью – в этой ячейке будет находиться благородный (химически инертный) газ, один из тех, что составляют правый столбец таблицы. Затем начинается заполнение следующей орбиты – со следующего ряда. Примечательно, что Менделеев смог заметить эту закономерность задолго до открытия как электрона, так и протона. Ориентируясь на атомную массу (определяемый количеством протонов в ядре элемента) и на валентность (степень наполненности внешней орбиты), он смог ухватить суть этих закономерностей. Сегодня его таблица висит на стене в любой химической лаборатории мира. Действительно, мать Менделеева была права.