Читать книгу Увлекательная таблица Менделеева - Игорь Семенов - Страница 3

В середине 1700-х химики начали активно идентифицировать элементы, которые представляют собой вещества, состоящие всего из одного вида атомов. Но столетие спустя они все еще использовали множество символов и сокращений для обозначения различных материалов – просто не было общей лексики. В 1869 году русский химик Дмитрий Менделеев получил известность благодаря своей табличной схеме известных элементов. Этот список основных ингредиентов, из которых состоит все вещество, стал известен как периодическая таблица. Вот что особенно удивительно: в таблице Менделеева отведены места для элементов, которые еще не были открыты. Для некоторых из этих недостающих частей он предсказал, какими будут их атомные массы и другие химические свойства. Позже, когда ученые открыли элементы, которые ожидал увидеть Менделеев, мир получил представление о великолепии периодической системы.

Менделеев родился в 1834 году на крайнем западе Российской Сибири, младшим из дюжины детей. Его семья сталкивалась с одним кризисом за другим. Когда Дмитрий был маленьким, его отец, учитель, ослеп, а мать пошла работать. Она стала менеджером успешного стекольного завода. Трагедия повторилась в 1848 году, когда фабрика сгорела дотла, и семья оказалась в бедности. Мать Менделеева была полна решимости дать ему образование и для этого проехала с ним большое расстояние – в Москву, а затем в Санкт-Петербург. Через десять дней после того, как он поступил в школу, его мать умерла от туберкулеза, болезни, которая также унесла его отца, по крайней мере, одного из его братьев и сестер, и с которой сам Менделеев боролся в юности.

В 1861 году Менделеев вернулся в Россию после исследований в Европе, а позже преподавал в Техническом институте в Санкт-Петербурге. Он обнаружил, что лишь немногие из новых разработок в области химии добрались до его родины – то, что он был полон решимости изменить, с энтузиазмом читая лекции о последних достижениях. Ему было всего 27 лет, но он культивировал образ эксцентрика, с развевающейся бородой и длинными растрепанными волосами, которые, как было известно, он подстригал только раз в год. Тем не менее, он был популярным профессором.

Менделеев признал, что современного учебника по современной органической химии (посвященного соединениям углерода, включая живые организмы) не существует, поэтому он написал один. Его Органическая химия (1861) считалась самой авторитетной книгой своего времени по этому предмету. Но профессор с болью осознавал, что многие из его студентов «не могли следовать» за ним, как заметил один студент. Менделеев знал, что критической причиной трудностей понимания химии людьми было отсутствие какой-либо четкой системы классификации известных элементов. Без нее он мог бы предложить только сведения о конкретных строительных блоках материи, но не структуру, которая объясняла бы взаимосвязи между различными веществами.

В 1867 году, когда Менделеев начал писать «Принципы химии», он задался целью упорядочить и объяснить элементы. Он начал с того, что назвал «типичными» элементами: водородом, кислородом, азотом и углеродом. Эти вещества демонстрировали естественный порядок для самих себя. Затем он включил галогены, которые имели низкий атомный вес, легко реагировали с другими элементами и были легко доступны в природе. Он начал с использования атомных весов как принципа организации, но сами по себе они не представляли четкой системы.

В то время элементы обычно группировались двумя способами: либо по их атомному весу, либо по их общим свойствам, например, были ли они металлами или газами. Прорыв Менделеева заключался в том, что он увидел, что эти два понятия можно объединить в единой структуре.

Говорят, что Менделеева вдохновила карточная игра, известная в Северной Америке как пасьянс, а в других странах – как «терпение». В игре карты расположены как по масти по горизонтали, так и по номеру по вертикали. Чтобы навести некоторый порядок в своем изучении химических элементов, Менделеев составил набор карточек, по одной для каждого из 63 известных на то время элементов. Менделеев записал атомный вес и свойства каждого элемента на карточке.

Он брал карты с собой повсюду, куда бы ни пошел. 17 февраля 1869 года, сразу после завтрака, чтобы успеть на поезд позже тем же утром, Менделеев приступил к упорядочиванию элементов с помощью своих карт. Он продолжал в течение трех дней и ночей, забыв о поезде и постоянно расставляя карточки в различных последовательностях, пока не заметил некоторые пробелы в порядке указания атомной массы.

Как гласит одна история, Менделеев, измученный трехдневными усилиями, заснул. Позже он вспоминал: Я видел во сне таблицу, где все элементы располагались по своим местам, как требовалось. Проснувшись, я сразу же записал это на листе бумаги. Он назвал свое открытие периодической таблицей элементов.

После своего сна Менделеев нарисовал таблицу, которую он себе представлял. Раскладывая эти таблицы с атомными данными, Менделеев открыл то, что называется периодическим законом. Когда Менделеев расположил элементы в порядке увеличения атомной массы, свойства повторились. Поскольку свойства регулярно или периодически повторялись на его таблице, система стала известна как периодическая таблица.

При составлении своей таблицы Менделеев не полностью придерживался порядка атомной массы. Он поменял местами некоторые элементы. (Теперь мы знаем, что не все элементы в периодической таблице расположены в порядке атомной массы.) Хотя он и не знал об этом, Менделеев на самом деле расположил элементы в порядке возрастания атомного номера, числа, представляющего количество положительно заряженных протонов в атоме (также количество отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг атома).

Менделеев пошел еще дальше. Он скорректировал известные атомные массы некоторых элементов и использовал закономерности в своей таблице, чтобы предсказать свойства элементов, которые, по его мнению, должны были существовать, но еще не были открыты. Он оставил пустые места в своей таблице в качестве заполнителей для обозначения этих неизвестных элементов. Когда промежуток находился в середине триады или трех элементов, обладающих схожими характеристиками, он угадывал атомную массу гипотетического элемента, атомный номер и другие свойства. Затем он назвал их с помощью приставки эка, что на санскрите означает «первый». Например, предсказанный элемент, обозначенный как «эка-алюминий», он располагался ниже известного элемента алюминия. Позже он был идентифицирован как галлий.

Галлий, германий и скандий были неизвестны в 1871 году, но Менделеев оставил пробелы для каждого из них и предсказал их атомные массы и другие химические свойства. В течение 15 лет были обнаружены «недостающие» элементы, соответствующие основным характеристикам, записанным Менделеевым. Точность этих предсказаний привела к принятию периодической таблицы.

Менделеев не разрабатывал периодическую таблицу полностью самостоятельно; он унаследовал и развил знания, которые были переданы многими химиками, посвятившими свою жизнь исследованию материи. В начале 1800-х годов было известно около 30 элементов, и хотя химики знали, что некоторые из этих элементов действуют сходным образом или имеют сходные характеристики, никто не нашел общей, общепринятой закономерности в их поведении.

В 1860 году ученые встретились на одной из первых международных химических конференций. Они решили, что водороду, самому легкому элементу, присвоить вес 1. Вес всех других элементов можно сравнить с весом атома водорода. Это означает, что если элемент в восемь раз тяжелее водорода, его вес равен 8. Концепция систематической меры атомного веса в значительной степени способствовала успеху периодической таблицы Менделеева.

В 1864 году, когда было известно около 50 элементов, британский химик Джон Ньюлендс заметил закономерность, когда он расположил элементы в порядке атомной массы, или веса. Он обнаружил, что свойства элементов, казалось, повторяют каждый восьмой элемент. Он назвал это Законом октав, сравнив его с музыкальными гаммами. Его идеи были отвергнуты, и его коллеги шутили, что с таким же успехом он мог расположить элементы в алфавитном порядке. После кальция (20 в сегодняшней периодической таблице) порядок Ньюлендса нарушился. Он сгруппировал очень нереактивный металл медь в ту же группу, что и высокореактивные элементы литий, натрий и калий. Далеко в России Менделеев не знал о Ньюлендсе.

Как это часто бывает в научных разработках, другой исследователь примерно в то же время пришел к той же теории, что и Менделеев. В 1870 году немецкий химик Юлиус Лотар Мейер опубликовал статью, описывающую ту же организацию элементов, что и у Менделеева. У обоих ученых было схожее образование: они учились в Гейдельберге, Германия, в лаборатории химика Роберта Бунзена. Оба присутствовали в сентябре 1860 года на первом международном химическом конгрессе в Карлсруэ, Германия. На конгрессе обсуждалась необходимость создания общей системы измерения веса различных элементов. И оба химика были преподавателями, работавшими над учебниками для своих студентов.

Справедливо ли было, что Менделеев получил все заслуги за периодическую таблицу, в то время как Мейер оставался неизвестным. Возможно, это произошло потому, что Менделеев, уверенный в своей теории, опубликовал свои открытия первым.

Как бы то ни было, периодическая таблица Менделеева с заполнителями, стратегически сохраненными для предстоящих открытий, обеспечила бесценную основу для классификации строительных блоков материи. Отведенные им места также отражали уверенность в постоянном поиске знаний.

Периодическая таблица не сразу оказала влияние на область химии, хотя ситуация изменилась с открытием первого недостающего элемента, галлия, в 1875 году. Все его качества соответствуют тем, которые Менделеев предвидел для элемента, который он назвал эка-алюминий.

Периодическая таблица Менделеева, каким бы бесценным справочным инструментом она ни была, оставляла много возможностей для открытий и усовершенствований. В 1890-х годах была обнаружена совершенно новая и неожиданная группа элементов: благородные газы. Они были добавлены в таблицу в виде отдельной колонки. Гелий, второй по распространенности элемент во Вселенной, не был найден на Земле до 1895 года. С тех пор было открыто еще около 60 элементов, а другие, возможно, все еще ждут своего открытия.

Под смежной периодической таблицей вы можете увидеть две строки, известные как «лантаноиды» (атомные номера 57—71) и «актиноиды» (атомные номера 89—103), названные в честь первых, крайних слева членов их групп. По мере того, как ученые находили более тяжелые элементы и начали создавать еще больше, новые элементы были разделены, чтобы сохранить целостную форму таблицы.

По состоянию на 2012 год периодическая таблица содержит в общей сложности 118 элементов. Некоторые элементы были названы в честь ученых, например, атомный номер 99, эйнштейний, в честь Альберта Эйнштейна. Резерфордий, атомный номер 104, назван в честь физика Эрнеста Резерфорда, разработавшего современную модель атома. Атомный номер 101, менделевий, назван в честь составителя периодической таблицы.

Периодическая таблица Менделеева представила новую парадигму, в которой все элементы расположены в логической матрице. Элементы расположены в виде ряда строк, называемых «периодами», так что элементы с аналогичными свойствами отображаются в вертикальных столбцах. Каждая вертикальная колонка называется «группой», или семейством, элементов. Это мгновенно показывает один набор взаимосвязей, если читать сверху вниз, и другой, если читать из стороны в сторону. В некоторых группах есть элементы, обладающие очень похожими свойствами, такими как их внешний вид и поведение. Например, у каждого элемента есть своя точка плавления и кипения, температуры, при которых он переходит из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное. Еще одной характеристикой является то, насколько «реактивен» элемент, то есть насколько быстро он соединяется с другими элементами. Ученые распознают, как элемент будет реагировать, исходя из его расположения на столе.

Элементы известны по атомному символу из одной или двух букв. Например, атомный символ золота – «Au», название атома – «gold», а его атомный номер – 79. Чем выше атомный номер, тем считается, что элемент «тяжелее».

Водород равен 1 в периодической таблице, в верхнем левом углу. Его атомный номер равен 1; его ядро содержит один протон и один электрон. Около 98 процентов Вселенной состоит из двух самых легких элементов – водорода и гелия.