|
|
11.2020 | Всего: 501 назв.
— С.488-490. — Библиогр.: 14 назв.
Х юбил. Менделеевского съезда. — М.: Наука, 1969. — С.318-335. — Библиогр.: 87 назв.
Г. Деятельностный подход в изучении закономерностей Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева // Лидеры образования. — 2015. — N 1.
2004: сб. — М.: Наука, 2005. — С.399-404. — Библиогр.: 3 назв.
А. Мироздание. Единая фундаментальная физика 21-го века: теории познания материального мира: философия, жизнь и судьба земного человечества. — Изд. 12-е, испр. и доп. — М.: Буки Веди, 2014, — 240 с. — Библиогр.: 31 назв.
— М., 1985. — 24 с.
— 2019. — N 7. — С.10-15.
Периодический закон в биологии. — С.79-118.
Таблица является естественной классификацией химических элементов. Обсуждается эмпирический закон периодичности химических элементов.
По сути, расшифрована электронная структура атома. Определены основные атомные константы большинства элементов таблицы Д.И. Менделеева. Предложена естественная классификация атомов по признаку их электронного строения. Показана основополагающая роль атома в понимании электронного строения вещества и процессов структурообразования и химической эволюции. Заложены теоретические основы науки и вещества.
5-23. — Библиогр.: 6 назв.
Одновременно авторы рискнули высказать ряд гипотез об истоках органического вещества и происхождения жизни.
А. Менделеев (Максвелл, Мендель, Мендельсон) и периодизация энергии // Естеств. и техн. науки. — 2019. — №1(127). — С.12-16. — Библиогр.: 12 назв.
Р., Глазов В.М. Периодический закон и физические свойства электронных расплавов. — М.: Наука, 1978. — 307 с. — Библиогр.: 647 назв.
— 2019. — Т.89, N 4. — С.495-496.
И. Менделеева // Система «Планета Земля»: 200 лет Священному союзу. — М.: ЛЕНАНД, 2015. — С.546-554.
материалы всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, посвященной 150-летию открытия Периодического закона химических элементов Д. И. Менделеевым, г. Грозный, 29 апр. 2019. — Грозный: Изд-во Чеченского гос. ун-та, 2019. — С.147-152. — Библиогр.: 15 назв.
Новая форма системы с 1989 г. принята мировым научным сообществом, однако российское образование и наука в значительной мере и сегодня находятся на отживших представлениях в публикации и использовании системы.
— 2017. — N 9. — С.84-89. — Библиогр.: 31 назв.От истории химии до величайших вымыслов: вся правда о Менделееве
Как известно, в 2019 году мир отмечал 185-летие со дня рождения Д.И. Менделеева и 150-летие Периодической системы химических элементов. В честь памятных дат ведущие ученые проводили в «Сириусе» научно-популярные лекции по химии и ее истории. Подводя итоги года, мы вспоминаем самые интересные факты и вымыслы, связанные с великими открытиями.
Открытие Менделеевым таблицы химических элементов стало настоящей революцией в науке. Но история этого открытия до сих пор окутана легендами, мифами и легендами. Правда ли, что великому ученому приснился сон о том, как систематизировать знания о химических элементах? А верить ли слухам, что он торговал чемоданами в Гостином дворе в Санкт-Петербурге и придумал формулу спирта?
Развенчивает стереотипы и подтверждает догадки, а также рассказывает об истории химии – старший преподаватель кафедры радиохимии СПбГУ Евгений Калинин.
С чего начинается химия
Основа всей современной химии – наши представления об атоме. Именно на уровне атома (носителя свойств вещества) человечество может объяснить фундаментальные свойства химических элементов – электронное строение атома, масса и заряд ядра, валентность, степени окисления и многое другое.
Из школьной программы мы, конечно, помним, что:
- атом – мельчайшая частица, в состав которой входят отрицательно заряженные электроны» и «положительно заряженное» ядро. А ядро – это центр атома, который играет в его строении самую существенную роль и вокруг которого вращаются все электроны.
Но изучена ли природа мельчайшей структурной единицы досконально? Если подумать, мы в точности не знаем, как устроен атом и можем рассуждать о его строении лишь опосредованно, утверждает Евгений Калинин.
Тем не менее, история химии изучает и описывает долгий процесс накопления научных знаний, начиная с древних времен. Например, еще греческие философы были рассуждали о важных вопросах о делимости материи. Первым стал рассуждать на эту тему Левкипп, учитель Демокрита.
Атомизм Левкиппа-Демокрита
Философа интересовало: можно ли каждую часть материи, которая обладает определенными свойствами, бесконечно делить на еще более мелкие части?
Например, камень, расколотый пополам или растолченный в порошок, все равно останется тем же камнем. А что, если взять каждую его крупинку и раздробить на еще меньшие частички – до какого предела можно проводить такое деление и существует ли вообще такой предел?
Левкипп пришел к выводу:
- в конечном счете это приведет к исчезновению прежних свойств и появлению новых.
Эту мысль за своим наставником стал развивать и Демокрит. Он придумал мельчайшим частицам название: «атомос», то есть «неделимые». Термин, который ввел философ, унаследовала и современная химия. Учение о том, что деление материи допустимо только до определенного предела, стало называться атомистикой, или атомистической теорией.
Таким образом, Левкипп и Демокрит обрисовали важную мысль о том, что все состоит из атомов – невидимых и неделимых сфер материи бесконечного типа и числа.
Попытка точных измерений
Тщательным экспериментальным исследованиям физических и химических явлений дал жизнь ирландский химик XVII века Роберт Бойль – автор многих фундаментальных открытий. Вы о них точно слышали:
— Бойль предпринял первые попытки точных измерений при описании изменения вещества в экспериментах по сжатию и расширению газов;
— Именно Бойль установил, что воздух под давлением ртути умеет сжиматься, правда, не бесконечно (такое свойство воздуха в 1651 году было названо упругостью). Открытая ученым обратная зависимость объема от давления получила название закона Бойля. Занимаясь изучением химических процессов, он ввел в науку понятие анализа состава тел и прославился своими взглядами на строение вещества.
Как-то охарактеризовать невидимые атомы предложил английский естествоиспытатель Джон Дальтон. Изучая составы химических соединений, он установил:
- Два элемента могут соединяться друг с другом в строго определенных соотношениях (соотношение малых целых чисел) и обобщил результаты своих исследований, сформулировав закон кратных отношений – важнейшее открытие в химии.
Дальтон исследовал многие распространенные бинарные соединения (гидриды и оксиды) и сгруппировал первую таблицу относительных атомных весов.
Тропинка к Менделееву
В истории развития химии важными являются и труды Йенса Якоба Берцелиуса. В попытке точно определить элементный состав различных соединений ученый провел не менее 2000 анализов и в итоге получил новую таблицу относительных атомных весов. К слову, во времена Берцелиуса было открыто уже 54 элемента.
- Метод, как их упорядочить и систематизировать, обнаружил Иоганн Деберейнер, объединивший элементы в группы. Он наблюдал за изменением их химических свойств и поведением атомного веса.
- Но впервые расположил их в порядке возрастания Джон Ньюлендс. Он придумал вертикальные столбцы и вставил по семь элементов в каждый. Также ученый определил, что похожие элементы часто попадают в одни и те же горизонтальные ряды.
- Позже немец Лотар Майер опубликовал научный труд, в котором рассматривал объемы, занимаемые весовыми количествами элемента, численно равными их атомным весам. Он первым предложил термин «периодичность».
И наконец, фундаментальный вклад в развитие науки – создание периодической системы химических элементов и формулировка Периодического закона Менделеева. К этой задаче российский ученый подошел вплотную: в 1867-1868 годах он подготовил первое издание учебника «Основы химии», где обобщал все химические свойства всех известных тогда элементов.
Спустя три года Менделеев предложил новый вариант Периодической системы, уже в известном нам виде. Особенностью этого исследования было то, что в этой системе ученый предугадал открытие новых элементов.
- По мнению Менделеева, в одном столбце должны находиться элементы с одинаковой валентностью, поэтому он решил в своей таблице оставить пустые клетки, при этом тщательно изучая динамику возрастания атомных весов. Потом он соотносил это с валентностями в типических соединениях и химическими свойствами элементов.
Интересный факт: сперва коллеги Менделеева с недоверием отнеслись к его теории о недостающих элементах, но в течение 15 лет новые элементы – галлий, скандий и германий – были открыты, их свойства в точности отвечали признакам, описанным Менделеевым. После этого сомнений в значимости Периодической системы у скептиков не осталось.
Легенды и мифы о Менделееве
Миф 1. Таблица Менделеева ученому приснилась
Историю о том, что Периодическая система элементов привиделась химику во сне, слышал чуть ли не каждый изучающий химию школьник. Эта легенда появилась благодаря товарищу Менделеева Александру Иностранцеву, русскому геологу и профессору Петербургского университета. Сам Менделеев такого не подтверждал: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».
Миф 2. Изобретение 40-градусной водки
Есть мнение, что Дмитрий Иванович Менделеев изобрел традиционную русскую водку. Слухи породила его революционная научная работа на тему «Рассуждение о соединении спирта с водою», и строго говоря, к алкогольному напитку эта работа имела весьма косвенное отношение – ученый в своей диссертации заложил основы гидратной теории растворов спирта с водой при различных температурах.
Миф 3. Чемоданных дел мастер
Еще один интересный миф говорит о том, что Менделеев изготавливал чемоданы и торговал ими в Гостином дворе в Санкт-Петербурге. Ученый действительно научился переплетному и картонажному делу еще в юности и, имея огромный архив личных и научных документов, самостоятельно переплетал их и клеил для них картонные ящики. Кроме того, он мастерски делал оригинальные рамки для фотографий. Материалы для любимого занятия Менделеев покупал в том самом петербуржском Гостином дворе.
А легенду породила одна история. Однажды, когда ученый зашел в хозяйственную лавку, он услышал за своей спиной следующий диалог:
– Кто этот почтенный господин? – спросили у лавочника.
– Неужели не знаете? – удивился тот. – Да это же известный чемоданных дел мастер Менделеев! – с уважением в голосе ответил продавец.
Так люди узнали, что Менделеев любил не только изобретать, но и заниматься «приземленными ремеслами».
Краткий конспект подготовки к ЗНО по химии №4 Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Подготовка к ВНО. Химия.
Конспект 4. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Открытие Периодического закона
Основной закон химии – Периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым в 1869 году в то время, когда атом считался неделимым, и о его внутреннем строении ничего не было известно. В основу Периодического закона Д.И. Менделеев положил атомные массы (ранее – атомные веса) и химические свойства элементов. Расположив 63 известных в то время элемента в порядке возрастания их атомных масс, Д. И. Менделеев получил естественный (природный) ряд химических элементов, в котором он обнаружил периодическую повторяемость химических свойств. Например, свойства типичного металла лития повторялись у элементов натрия и калия , свойства типичного неметалла фтора – у элементов хлора , брома , иода .
У некоторых элементов Д. И. Менделеев не обнаружил химических аналогов (например, у алюминия и кремния ), поскольку такие аналоги в то время были еще неизвестны. Для них он оставил в естественном ряду пустые места и на основе периодической повторяемости предсказал их химические свойства. После открытия соответствующих элементов (аналога алюминия – галлия , аналога кремния – германия и др.) предсказания Д. И. Менделеева полностью подтвердились.
Периодический закон в формулировке Д.И. Менделеева
Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
Периодическая система химических элементов
На основе Периодического закона Д.И. Менделеев создал Периодическую систему химических элементов. Она состоит из 7 периодов и 8 групп (короткопериодный вариант таблицы).
Периоды – это горизонтальные ряды таблицы. Они подразделяются на малые и большие.
В малых периодах находится 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды), В больших периодах – 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й, 7-й период). Каждый период начинается с типичного металла, а заканчивается благородным газом.
Группы – это вертикальные последовательности элементов, они нумеруется римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А и Б. Короткопериодный вариант Периодической системы включает подгруппы элементов (главную и побочную).
Подгруппа – это совокупность элементов, являющихся безусловными химическими аналогами; часто элементы подгруппы обладают высшей степенью окисления, отвечающей номеру группы.
В А-группах химические свойства элементов могут меняться в широком диапазоне от неметаллических к металлическим (например, в главной подгруппе V группы азот – неметалл, а висмут – металл).
В Периодической системе типичные металлы расположены в IА группе (),
IIА () и IIIА ().
Неметаллы расположены в группах VIIА (), VIА (), VА (), IVА () и IIIА ().
Некоторые элементы А-групп (бериллий , алюминий , германий , сурьма , полоний и другие), а также многие элементы Б-групп проявляют и металлические, и неметаллические свойства (явление амфотерности).
Некоторые главные подруппы имеют свои особенные названия:
| I-a | Щелочные металлы |
| II-a | Щелочноземельные металлы |
| V-a | Пниктогены |
| VI-a | Халькогены |
| VII-a | Галогены |
| VIII-a | Благородные (инертные) газы |
В каждой ячейке, соответствующей элементу, представлены: химический символ, название, порядковый номер, соответствующий числу протонов в атоме, относительная атомная масса.
Число электронов в атоме соответствует числу протонов. Количество нейтронов в атоме можно найти, по разности меду относительной атомной массой и количеством протонов, т.е. порядкового номера.
У каждой группы есть формула высшего оксида, т.е. оксиды с максимальной степенью окисления элементов. Эта информация написана внизу таблицы.
Например, для элементов V группы, формула высшего оксида: . Это .
По составу высшего оксида элемента можно определить его свойства. Оксиды состава – основные, – чаще всего – амфотерные. Остальные оксиды – кислотные. Чем выше степень окисления элемента , чем ярче выраженными кислотными свойствами обладает его оксид.
Таким образом, кислотность высших оксидов элементов главных подгрупп увеличивается по периоду слева направо.
В таблице отражен состав летучих водородных соединений. Такие соединения образуют элементы IV-VII групп, причем только легких.
Изменение атомного радиуса
В группах: Для элементов главных подгрупп, сверху вниз увеличивается число энергетических уровней. Энергетический уровень – это и есть расстояние, на котором находится электрон от ядра. Значит, по группе вниз атомный радиус увеличивается.
В периодах: По периоду номер энергетического уровня, на котором находятся валентные электроны, остается неизменным, но число валентных электронов увеличивается, а также растет и заряд ядра.
Значит, электроны электростатически сильнее притягиваются к ядру. Поэтому радиус атома уменьшается.
Закономерности изменения периодических свойств
| Параметр | По группе вниз | По периоду вправо |
| Заряд ядра | Увеличивается | Увеличивается |
| Число валентных электронов | Не меняется | Увеличивается |
| Число энергетических уровней | Увеличивается | Не меняется |
| Радиус атома | Увеличивается | Уменьшается |
| Электроотрицательность | Уменьшается | Увеличивается |
| Металлические свойства | Увеличиваются | Уменьшаются |
| Степень окисления в высшем оксиде | Не меняется | Увеличивается |
|
Степень окисления в водородных соединениях
(для элементов IV-VII групп)
| Не меняется | Увеличивается |
Современная формулировка закона: свойства химических элементов, простых веществ, также состав и свойства соединений находятся в периодической зависимости от значений зарядов ядер атомов.
Тесты подготовки к ЗНО:
Online-тест подготовки к ЗНО по химии №4 «Периодический закон»
Закон нулевого уровня – Наука – Коммерсантъ
Русский ученый, химик Дмитрий Менделеев
Фото: Stock Montage / Getty Images
Ничего сравнимого с Периодическим законом российская наука мировой не дала. Это открытие высшего, нулевого уровня, так сказал о Периодической таблице химических элементов Дмитрия Менделеева вице-президент РАН Алексей Хохлов. Что позволяет отнести открытие Менделеева, которому исполнилось 150 лет, к числу важнейших в истории науки?
Таблицы с двумя недостатками
За 40 лет до Менделеева сходные по свойствам элементы объединил в триады немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер. Известны таблицы польского химика Леопольда Гмелина, немецкого врача, химика и гигиениста Макса Йозефа фон Петтенкофера, французского химика Жана Батиста Дюма… И конечно, работы середины XIX века — «земная спираль» Александра де Шанкуртуа, «Октавы» Джона Ньюлендса, таблицы Уильяма Одлинга и Лотара Мейера 1864 года. Варианты таблиц приведены в порядке возрастания качества. Но у всех были два недостатка. Во-первых, не все известные элементы вписывались в систему; во-вторых, все таблицы включали только известные элементы. А это все равно что сложить N-лучевую звезду, обладая N-x лучами, где x>0.
Таблица с предсказаниями
6 марта 1869 года на заседании Русского химического общества Менделеев зачитал доклад «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сродстве». В следующие полтора года Менделеев уточнил характер этой зависимости и 3 декабря 1870 года вывел окончательную формулировку закона: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Главное в Периодической системе Менделеева — ее предсказательная способность. Он не побоялся сказать, что набор элементов неполон; что существуют неоткрытые элементы с весами более легкими, чем уже известные,— иначе не складывается единая система. В таблице Менделеева появились ячейки для «экаалюминия», «экабора» и «экасилиция». Для каждого из этих элементов Менделеев предложил примерную атомную массу, набор ключевых химических и физических свойств. Кроме того, он указал на неправильно определенную массу 9 химических элементов и впоследствии описал еще 8 неизвестных науке элементов.
Глубокий патриот
Говорят, что на здоровье [Менделеева] сильно подействовал исход Японской войны. Будучи глубоким патриотом, он очень тяжело переживал наши неудачи на Дальнем Востоке, нередко даже плакал… К 1906 г. он как-то быстро стал дряхлеть, стал часто прихварывать. В этом году он два раза ездил за границу и как будто поправился. Но дни его были сочтены, и он сам уже как бы предчувствовал близкий конец.
Лев Чугаев, «Дмитрий Менделеев, жизнь и деятельность»
Таблица верна
Лотар Мейер, который выпустил в 1870 году работу «Природа элементов как функция их атомного веса», уже сослался на таблицу Менделеева. Мейер писал, что ему не хватило научной дерзости Менделеева, чтобы понять всю систему.
Но в работе русского ученого было столько нового, что часть научного сообщества встретила его исследование с недоверием. Тем более что он указывал на неправильно определенные характеристики уже открытых элементов. Прямой и жесткий, Менделеев не стеснялся открыто указывать людям на их ошибки — можно себе представить, как встретили академики его открытие.
Но в 1875 году во Франции открывают предсказанный «экаалюминий» (галлий), в 1879 году — «экабор» (скандий), а в 1885-м — «экасилиций» (германий). Характеристики каждого полностью укладываются в значения, предсказанные Менделеевым. И научный мир признает, что эта система — верная. Даже открытые сегодня, спустя 150 лет, химические элементы по-прежнему укладываются в эту систему. «Можно смело утверждать, что во Вселенной не существует химических элементов вне описанной Менделеевым системы»,— сказал декан химического факультета МГУ имени Ломоносова, член-корреспондент РАН и один из ведущих радиохимиков мира Степан Калмыков.
«Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», рукопись Д.И. Менделеева. Это прообраз современной таблицы химических элементов
Фото: Science & Society Picture Library / SSPL / Getty Images
Слишком вкусил от физиологии
Менделеев дал мне тему, рассказал, как приготовлять вещество, азотистометиловый эфир, что делать с ним, дал мне комнату, посуду, материалы, и я с великим удовольствием принялся за работу, тем более что не имел до того в руках веществ, кипящих при низких температурах, а это кипело при 12°C. Результаты той ученической работы описал сам Дмитрий Иванович. Быть учеником такого учителя, как Менделеев, было, конечно, и приятно, и полезно, но я уже слишком много вкусил от физиологии, чтобы изменить ей, и химиком не сделался.
«Автобиографические записки Ивана Михайловича Сеченова»
Таблица сокровищ
Как говорили великие люди (например, Генри Форд): «Не обязательно знать все. Главное — знать, где посмотреть». Периодический закон стал картой сокровищ для химиков, прямо указывая, какие элементы и с какими характеристиками стоит искать. Начался взрывной рост неорганической химии: понимание свойств и их изменений по группам и периодам позволило ученым либо впервые, либо более простым способом синтезировать множество новых неорганических соединений.
Но исследователи задались следующим вопросом: «Почему так, а не иначе?» В начале XX века с открытием радиоактивности, электрона, протона, а затем и нейтрона Периодический закон получил новые подтверждения, обрел дополнительный физический смысл. Оказалось, что порядковый номер элемента тождествен заряду ядра, что элементы разной массы, но с одинаковым зарядом ядра химически эквивалентны. Что электроны бегают вокруг ядра не кучкой, а по орбитам, что и приводит именно к таким химическим свойствам.
Ученые осознали и природу химической связи, из-за чего получили мощный толчок целые направления: каталитическая химия, квантовая химия, элементоорганическая химия, вычислительная химия и многие другие.
Не менее важно, пожалуй, и то, чего ученые не делали благодаря Периодическому закону. Понимая, как устроены химические элементы, исследователи не провели множества экспериментов.
Ругайся — и будешь здоров
Нельзя отрицать, что нрав у него был крутой, но он был вспыльчив, да отходчив. Слушать его крик, воркотню было иногда нелегко, но мы знали, что он кричит и ворчит не со зла, а такова уж его натура. Вероятно, в шутку он говорил, что держать в себе раздражение вредно для здоровья; надо, чтобы оно выходило наружу. «Ругайся себе направо-налево и будешь здоров».
Вячеслав Тищенко, «Воспоминания о Д. И. Менделееве»
Таблица с отклонениями
Первооткрыватель 10 трансурановых элементов, ректор Калифорнийского университета в Беркли, человек-элемент Гленн Теодор Сиборг и его коллеги в 1955 году решили назвать элемент №101 менделевием. Как писал Сиборг: «Согласно обычаю, ученые, получившие новый элемент, имеют право дать ему имя. Американские ученые предложили назвать элемент 101 менделевием — в честь великого русского химика, который первым использовал Периодическую систему для предсказания химических свойств неоткрытых элементов. Этот принцип явился ключевым при открытии почти всех трансурановых элементов и бесспорно сохранит свое значение в последующих попытках продвинуться в этой области науки».
Даже отклонения от Периодического закона, которые обнаружила при открытии последней пятерки элементов группа физиков под руководством еще одного человека-элемента, академика Юрия Оганесяна, также вытекают из этого закона. И каждое новое открытие так или иначе подтверждает величие закона Менделеева.
Он не гнался за патентованием изобретений, хотя за приоритет в открытиях бился жестко. Поэтому в признание его заслуг было бы правильно присвоить Периодической таблице его имя. И к такому решению постепенно склоняется все мировое сообщество. Неслучайно год 150-летия со дня открытия Менделеевым Периодического закона объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Вероятно, вопрос о всемирном присвоении Периодической таблице химических элементов имени Менделеева в конце года будет поставлен на голосование перед IUPAC (Международным союзом теоретической и прикладной химии).
Валерий Сергеев
Таблица Менделеева – универсальный и безграничный язык общения ученых
АМ: Это инициатива, которая поддержана ЮНЕСКО и ООН. Изначально год Периодического закона, год 150-летия открытия Периодического закона, это инициатива, с которой выступила Российская академия наук при поддержке Министерства иностранных дел Российской Федерации.
Таблица Менделеева — универсальный язык общения ученых, прежде всего химиков. Хотя, если мы посмотрим шире, Менделеев был не только химиком. И открытие Периодического закона – это открытие, которое связывает очень многих ученых. Это и химики, и биологи, и медики, геологи, геохимики…
Для чего нужен этот год? Для того, чтобы еще раз напомнить всему миру, поскольку это международное событие, что мир наш развивается за счет открытий ученых, и что наука — это двигатель, драйвер прогресса человечества.
Во Франции, в ЮНЕСКО, 29 января будет торжественное открытие празднования Международного года Периодического закона. В России такое открытие пройдет 6 февраля в здании Российской академии наук.
Фото РХТУ
Александр Мажуга, ректор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
АУ: Химия – наука, которая постоянно развивается. Какие ее направления сегодня наиболее востребованы в мире? В чем будущее химических технологий?
АМ: Сегодня, как и многие другие науки, химия выходит на междисциплинарный уровень. И все больше востребованных направлений находятся на стыке наук. Это химия, биология и медицина, биомедицина, биохимия, биоорганическая химия. Надо понимать, что химия — это вообще все, что есть вокруг нас: то, чем мы дышим, что мы едим, к чему мы прикасаемся. Но наиболее востребованные направления сейчас, это — биомедицина, использование новых материалов в медицине; все, что связано с созданием новых конструкционных материалов – это, естественно, тоже химия. А конструкционные материалы – это различные аппараты новые, это различные строительные материалы, материалы для сельского хозяйства. Конечно же химия – это основа наших лекарств. Фармацевтическая химия – синтез новых терапевтических, диагностических агентов. Если химия – все, что вокруг нас, то химическая технология – это то, что позволяет получать те или иные продукты.
АУ: Что интересует молодежь, на какие факультеты и специальности самый высокий конкурс? Куда хотят пойти учиться абитуриенты?
АМ: Самый высокий конкурс в нашем университете на следующих направлениях: химико-фармацевтический факультет – это все, что связано с разработкой фармацевтических субстанций; биотехнологический факультет – наш университет специализируется в области биотехнологий применительно к пищевым добавкам, различным кормам, а также к селекции микроорганизмов, которые используются применительно к утилизации тех или иных техногенных отходов. И факультет нефтегазохимии и полимеров – все, что связано с созданием новых конструкционных материалов, прежде всего полимерного строения.
АУ: Вы упомянули сейчас переработку отходов при помощи различных новых соединений. Это направление, которое очень востребовано, потому что загрязнение окружающей среды – тема, которая постоянно на повестке дня и ООН, и всего мира. Такая научная работа идет обычно закрыто — в институтах и университетах — или же она предполагает международное сотрудничество и есть какие-то крупные проекты?
Такие работы ведутся в рамках международного сотрудничества и, конечно же, вместе с нашими партнерами из химической и биотехнологической промышленности. И тут нужен не только биотехнологический подход, чтобы решить техногенные проблемы, но и направление, связанное с созданием новых «зеленых» химических производств, производств, которые экологичны, требуют небольшого количества ресурсов – например, замкнутые циклы. Такие химические фабрики будущего – тоже важное направление работы нашего университета.
АУ: Зачастую образование бывает очень академичным, научным… Есть ли практика связи образования с навыками и работой в отрасли, с работой на практический результат?
Основной залог успеха образования в нашей области, в области химической технологии, это непосредственный контакт с предприятиями, с конечными потребителями наших технологий, с компаниями, куда идут работать наши выпускники. Мы стараемся максимально изменять образовательные «траектории» наших студентов так, чтобы они были синхронизированы с предприятиями отрасли.
Фото РХТУ
Новый учебный комлекс РХТУ
АУ: Участвуют ли студенты в каких-то научных разработках, которые потом претворяются в жизнь?
АМ: Да, конечно. Студенты во время обучения в нашем университете занимаются наукой, как и во многих других университетах в нашей стране. Мы рассматриваем сейчас возможность так называемого «проектного» обучения, когда начиная с первого курса студенты – мы можем также готовить проектные группы – выполняют тот или иной проект, связанный с отраслью химической технологии, и на выходе они получают технологию, которую можно реализовать. И подход, когда дипломный проект — это некий стартап, также реализуется в нашем университете.
АУ: Возвращаясь к теме таблицы Менделеева… Говорят, оформляя свой Периодический закон в таблицу, Менделеев предусмотрительно оставил свободные места – «на будущее». Как происходит открытие новых элементов, как часто приходится обновлять таблицу?
АМ: Периодическая таблица – это не просто графическое представление элементов. До Менделеева были более ранние варианты, когда элементы располагались по мере увеличения их атомного номера или веса (те элементы, что были открыты на момент той или иной таблицы). Но только Менделеев увидел в расположении элементов периодичность. Так появился Периодический закон: свойства элементов изменяются в рядах, и они повторяются. То есть самое его главное открытие – не просто расположение элементов в ячейках в таблице, а закон периодичности.
Сейчас элементы, которые были совсем недавно открыты – три новых элемента, – являются сверхтяжелыми, радиоактивными и короткоживущими. На момент открытия таблицы такого количества элементов как сейчас известно не было. Что самое главное, Менделеев своим законом предсказывал существование элементов. В его первоначальной таблице были пустые ячейки – он показывал, что в этой ячейке должен появиться новый элемент. Само доказательство закона происходило позднее, когда эти новые элементы открывались и попадали уже в ячеечку Периодической таблицы. Мало того, Менделеев мог предсказывать и массу этого элемента, причем совпадения были порой с точностью до десятой в атомной массе!
Что касается новых элементов и пустых ячеек, то, как говорят, таблица Менделеева не окончена и, на самом деле, бесконечна. Сейчас мы находимся на таком «минимуме стабильности» химических элементов, но благодаря предсказаниям физиков мы должны будем выйти на элементы, которые будут опять же стабильны. То есть, чем тяжелее элемент, чем больше у него масса, тем менее стабильным он становится. Часто такие элементы — короткоживущие и радиоактивные. Но через какой-то период мы должны выйти опять на более стабильные элементы.
АУ: Есть ли страны-лидеры в открытии новых элементов, которые открыли их больше всего?
АМ: Нельзя сказать, что какая-то одна страна имеет лидерство. И в России было открыто шесть элементов, и в США было открыто достаточно большое количество. Достаточно сложно сказать, в какой стране больше или меньше было открыто. Чаще всего сейчас открытие новых элементов – как последних трех – происходит в коллаборации. Так, последние три были открыты при сотрудничестве России и США вместе: кто-то делает мишень, кто-то ее облучает, кто-то выделяет. И, соответственно, и один из элементов был назван в честь известного российского ученого, академика Юрия Оганесяна. Кстати, это единственный пример в Периодической таблице, когда элемент назван в честь живущего сейчас ученого.
АУ: То есть выдающийся ученый получил таким образом «памятник при жизни»?
АМ: Да, при жизни. Есть еще ряд элементов, которые названы «московий» — в честь Москвы, «дубний» — в честь г. Дубны, где находится Объединенный институт ядерных исследований, и конечно же «рутений», названный в честь России. Поэтому, ждем новых элементов – в коллаборации с другими странами, другими научными и учебными организациями.
О Д.И. Менделееве
О Д.И. Менделееве
ОСНОВНЫЕ ДАТЫ ЖИЗНИ ДМИТРИЯ ИВАНОВИЧА МЕНДЕЛЕЕВА
1834 — 27 января (8 февраля) — в семье директора Тобольской гимназии Ивана Павловича Менделеева родился сын Дмитрий
1841 — Поступление в гимназию
1847 — Смерть отца Менделеева
1849 — Окончание гимназии
1850-1855 — Обучение в Петербургском Главном педагогическом институте. В этот период Менделеев живо интересуется лекциями известного химика А.А.Воскресенского. Написаны первые научные работы: «Анализ минералов ортит и пироксен», студенческая диссертация «Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу»
1855-1856 — Преподавание в первой Одесской гимназии, возвращение в Петербург, защита магистерской диссертации «Об удельных объёмах»
1857-1858 — Утверждение в звании доцента Петербургского университета. Здесь Менделеев читает курсы теоретической и органической химии. Выходят его статьи о газовом топливе и о металлургии
1859 — Научная командировка в Германию. Менделеев организует в Гейдельберге собственную лабораторию, где производит ряд выдающихся исследований по физической химии в числе которых изучение сил сцепления и расширения жидкостей. Сделано открытие «температуры абсолютного кипения жидкостей», известной ныне под названием критической температуры
1860 — Менделеев принимает деятельное участие в первом международном съезде химиков в Карлсруэ
1861 — Возвращение в Петербург. Чтение лекций по органической химии в университете, преподавание во 2-м кадетском корпусе, в корпусе инженеров путей сообщения, в Военно-инженерном училище и в Военно-инженерной академии. В это период Менделеев составляет для студентов обширный курс «Органическая химия», удостоенный Демидовской премии. Выходят его работы по вопросам заводской, промышленной России.
1863-1864 — Избрание профессором Петербургского университета по кафедре технической химии и профессором Петербургского технологического института. Поездка в Баку для ознакомления с процессами переработки нефти.
1865 — Защита докторской диссертации «О соединении спирта с водой», в которой Менделеев изложил свою теорию растворов. Ряд сельскохозяйственных опытов в Боблове. Министерство народного просвещения утверждает Дмитрия Ивановича профессором Петербургского университета.
1867 — Менделеев получает при университете кафедру неорганической (общей) химии, на которой проработал затем в течении 23 лет. Поездка в Париж на «Всемирную выставку» и посещение ряда французских промышленных предприятий. Результатом стала его работа «О современном развитии некоторых химических производств в применении к России и по поводу Всемирной выставки 1867 года»
1869 — Первая формулировка Периодического закона. 6 (18) марта на заседании Русского физико-химического общества профессор Н.А.Меншуткин читает доклад Д.И.Менделеева «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сродстве»
1869-1871 — Выход в свет классического труда Менделеева «Основы химии», построенного на основе Периодического закона
1872-1878 — Менделеев проводит систематические исследования растворов и законов сжимаемости газов. Проявляет интерес к проблемам воздухоплавания и изучению высших слоёв атмосферы. Выходят его труды «Об упругости газов» и «О барометрическом нивелировании и применении для него высотомера». Дмитрий Иванович включается в борьбу со спиритизмом.
1875 — Блестящее подтверждение Периодического закона: французский учёный Лекок де Буабодран открывает новый элемент галлий, существование которого было предсказано Менделеевым
1876 — Поездка в США для ознакомления с американской нефтяной промышленностью.
1877 — Создание труда «Нефтяная промышленность в Северо-Американском штате Пенсильвания и на Кавказе»
1879 — Завершение работы «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании»
1880 — Академия наук забаллотировала выдвижение Менделеева в академики, что вызвало резкий протест русского общества против решения Академии
1881 — Преподавание химии на Высших женских курсах
1882 — Выступление на промышленном съезде в Москве с речью «Мысли об условиях развития заводского дела в России»
1887 — Полёт на воздушном шаре во время солнечного затмения с целью наблюдения высших слоев атмосферы. Создание труда «Исследование водных растворов по удельному весу»
1888 — Изучение каменноугольной промышленности Донбасса. Написание статьи «Будущая сила, покоящаяся на берегах Донца», где Менделеев высказывает идею о подземной газификации каменного угля.
1889 — Менделеев принимает участие в комиссии по пересмотру таможенных тарифов
1890 — Менделеев подает в отставку и покидает Петербургский университет в результате его конфликта с Министром народного просвещения
1891 — Дмитрий Иванович, по поручению Морского и Военного министерств проводит работу по созданию в России производства бездымного пороха
1893 — Назначение управляющим Главной палаты мер и весов
1894 — Основание журнала «Временник главной палаты мер и весов»
1899 -1905 — Поездка на Урал для изучения железной промышленности. Создание труда «Уральская железная промышленность в 1899 году». Выход статьи «Попытка химического понимания мирового эфира». Опубликование работы «Заветные мысли».
1907 — 20 января (2 февраля) — смерть Д.И.Менделеева
Работы Д.И. Менделеева
1. Заветные мысли
2. Попытка химического понимания мирового эфира
3. Экономические работы, том XIX
4. Основы химии I том
5. Органическая химия (8 том )
6. Материалы для суждения о спиритизме
7. Растворы
8. Высшее образование:
— письмо Н.В. Стасовой
— письмо С.Ю. Витте
— О подготовке профессоров и преподавателей для вузов
— О результатах выпуска студентов Киевск.политехникума
9. О преподавании химии на первом курсе
10. О покровительственной системе, письмо Николаю II
Работы по истории химии соратников Д.И. Менделеева
1. Морозов Н. Д.И. Менделеев и ПСХЭ, 1907
2. Мейер Э. История химии от древнейших времен до настоящих дней (1898г., с предисловием Д.И. Менделеева)
3. Меншуткин Н. Очерк химических воззрений, 1888 г.
Работы о Д.И. Менделееве
1. Вольфкович С.И., Семишин В.И. Н. Д.И. Менделеев гордость отечественной науки
2. Д.Н. Трифонов Начало пути
3. Троцкий. Л. Д.И. Менделеев и марксизм
4. Кадзи М. Ветка сакуры в генеалогическом древе Менделеева
5. Мустафин Д.И. Две внучки Менделеева
6. Фигуровский Открытие химических элементов
7. Младенцев М.Н., Тищенко В.Е. Д.И. Менделеев, его жизнь и деятельность, том 1 (отрывки)
8. Семин Д.К. Д.И. Менделеев /100 великих имен
9. Дмитриев И.С. Феномен русского энциклопедизма
Учебники и книги по истории химии
1. Соловьев Ю.И. История химии
2. Фигуровский Н.А. История химии
3. Левченков С.И. Краткий очерк истории химии
4. Арбузов А.Е. Краткий очерк развития органической химии в России
5. Нечаев И. Рассказы об элементах
Презентация «Д. И. Менделеев и образование», Платонова Т.И.
Современная трактовка явления периодичности Текст научной статьи по специальности «Физика»
DOI: https://doi.org/l0.31992/0869-3617-2019-28-11-69-77
Современная трактовка явления периодичности
Фадеев Герман Николаевич — д-р пед. наук, проф., кафедра химии. E-mail: [email protected] Лебедев Юрий Александрович — канд. техн. наук, доцент, кафедра химии. E-mail: [email protected]
Двуличанская Наталья Николаевна — д-р пед. наук, проф., кафедра химии. E-mail: [email protected]
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия Адрес: 107005, г. Москва, 2-я Бауманская улица, 5
Аннотация. Представленная работа посвящена анализу современного этапа развития учения о периодичности свойств химических элементов как фундаментального аспекта естественнонаучной картины мира. Изучение явления периодичности свойств химических элементов и его осознание научным сообществом дабно вышли за рамки одной науки. Сегодня, после создания двух квантовых теорий электронного строения атома, столетнего опыта исследований химических элементов и экспериментального открытия антиводорода эта проблема далеко не исчерпана. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований квантово-механических аспектов химических свойств вещества и первых результатов изучения антивещества позволили выдвинуть гипотезу о существовании новой фундаментальной характеристики химического элемента и дать адекватную современным представлениям формулировку Периодического закона.
Ключевые слова: Периодическая таблица, электронное строение атома, менделеевское число, Периодический закон, современная формулировка, антиматерия
Для цитирования: Фадеев Г.Н, Лебедев Ю.А, Двуличанская Н.Н. Современная трактовка явления периодичности // Высшее образование в России. 2019. Т. 28. № 11. С. 69-77. DOI: https://doi.org/10.31992/0869-3617-2019-28-11-69-77
Введение
К сегодняшнему времени исследование периодичности свойств химических элементов обрело черты универсального знания. По образному выражению академика С.И. Вольфковича, «закон является открытием взаимосвязи всех атомов мироздания» [1, с. 4]. Периодическая система химических элементов теперь включает в себя 118 «атомов мироздания» — индивидуальных химических элементов. Однако выяснение сути явления периодичности до сих пор остаётся чрезвычайно сложной научной проблемой, которая с открытием антивещества приобрела принципиально новый мировоззренческий аспект. При создании Дмитрием
Ивановичем Менделеевым курса химии для студентов Санкт-Петербургского университета перед ним как лектором возникла проблема логичного изложения материала на единой концептуальной основе. Для химии, как и для любой другой науки, важен принцип классификации, по которому происходит рассмотрение и отбор необходимых отдельных структурных элементов при создании единого целого. Такой принцип классификации химических элементов ещё до рождения Дмитрия Ивановича (1834 г.) был найден немецким учёным И. Дёберейнером, который на основании сходства свойств хи-
Фотография первого варианта периодической таблицы химических элементов (внизу слева дата — 17.II.1869.) (http://www.thingshistory.com)
мических элементов расположил их триадами по возрастанию атомного веса. В 1817 г. он опубликовал сведения о первой триаде, а к 1829 г. их стало пять. Они включали в себя пятнадцать элементов — менее половины из известных к тому времени. Самое же главное — обнаружился стержневой принцип: зависимость свойств химических элементов от их атомной массы. В триадах атомная масса среднего элемента была среднеарифметической величиной из атомных масс двух крайних элементов. Автор «триад», однако, не решился распространить обнаруженную им закономерность на другие известные к тому времени элементы. В своих работах по классификации химических элементов Д.И. Менделеев дал пример не только эмпирического, но и философского обоснования закона. Можно с уверенностью утверждать, что
научное и философское значение Периодической системы и Периодического закона Д.И. Менделеева в продолжение полутора-векового их существования не поколеблено ни одним из революционных научных приобретений в области строения вещества.
В 1869 г. — к моменту появления первого варианта Периодической системы — понятие «атом» не имело физического обоснования, являясь философской абстракцией. По представлениям естественнонаучных разделов естествознания того времени, таких как физика и химия, атом считался неделимой частицей. На эти представления опирался и Менделеев. Однако открытие электрона, входящего в состав атома (1895-1897 гг.), так же как и обнаруженное Э. Резерфордом через пятнадцать лет, в 1911 г., сложное строение атома, нисколько не умалили значение
менделеевского открытия. Эти достижения мировой науки, наоборот, укрепили величие Периодического закона. Существенные перемены в понимании Периодического закона, вызвавшие изменение его формулировки, внесли опыты английского физика Г. Мозли. Проведённый им в 1913 г. анализ экспериментально полученных рентгеновских спектров химических элементов показал: атомный (порядковый) номер химического элемента в таблице Менделеева является фундаментальной физической характеристикой этого атома. Г. Мозли предположил, что такой характеристикой является заряд ядра.
В 1920 г. Дж. Чедвик непосредственным измерением рассеяния а-частиц на ядрах платины, серебра и меди определил заряды их ядер и подтвердил равенство этих зарядов порядковым номерам исследованных элементов. Усвоение результатов описанных открытий привело к той формулировке Периодического закона, которая используется до сего времени в энциклопедиях [2, с. 985; 3, с. 432] и учебниках для высшей школы [4, с. 141; 5, с. 48; 6, с. 96]: «Свойства химических элементов… находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер». В приведённой формулировке нет объяснения сути явления периодичности. Выяснение причин периодичности свойств химических элементов, начавшееся в двадцатых годах прошлого столетия, потребовало нескольких десятилетий работы общемировой научной мысли, создания двух теоретических представлений: квантово-корпускуляр-ной теории Резерфорда — Бора и квантово-волновой теории Шредингера — Гейзенбер-га, — чтобы количественно описать состояние электронов в многоэлектронных атомах.
Хроника открытия
Появление первой менделеевской периодической таблицы и оглашение лежащего в её основе закона оказались разнесёнными по времени, поэтому так важно уяснить хронологию этого события. Историки химии
подсчитали, что Д.И. Менделеев был 53-м исследователем, занимавшимся систематизацией химических элементов. И всё же именно он признан первооткрывателем закона природы, на котором строится Периодическая система химических элементов. Успех Д.И. Менделеева стал возможен потому, что он рассматривал периодичность, опираясь не на одну, как делали его предшественники, а на две основы систематизации. В соответствии с разработанным им «методом атомной аналогии» Д.И. Менделеев брал в рассмотрение не только атомную массу элементов, но и аналогию их химических свойств. Этот факт отражён в самом названии Первой таблицы Периодической системы химических элементов, которая появилась 17 февраля 1869 г.: «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». 22 февраля 1869 г. Дмитрий Иванович закончил статью под названием «Соотношение свойств с атомным весом элементов». Этот труд от имени Д.И. Менделеева был 6 марта 1869 г. представлен секретарём Русского химического общества профессором Н.А. Меншуткиным на заседании этого научного собрания и напечатан в майском номере журнала этого общества.
Высокая интенсивность работы над статьёй и небывало короткий срок её публикации свидетельствуют об осознании исключительной важности события. В статье Д.И. Менделеев делал важнейший вывод: «Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств». Так во всемирном химическом словаре появился новый термин — периодичность свойств химических элементов, однако открытие самого закона было ещё впереди. Этому новому термину ещё предстояло войти в формулировку закона, на обоснование которого Дмитрию Ивановичу потребовалось полтора года напряжённой работы.
Открытый Д.И. Менделеевым закон природы, названный им «законом периодичности», впервые сформулирован в 1870 г.
в учебнике «Основы химии»: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов» — и уточнён в последнем прижизненном издании [7, с. 80]. Убежддён-ный в справедливости созданной им Периодической системы, Д.И. Менделеев, во втором варианте Периодической таблицы предсказывает существование уже не четырёх (как сделано им в первом варианте), а двенадцати химических элементов. Некоторые из них учёный описал так подробно, что заставил пересматривать результаты экспериментальных измерений. Глубокое и всестороннее обоснование Периодического закона и Периодической системы изложено в 15 наиболее известных трудах Дмитрия Ивановича. Самым выдающимся своим научным произведением Д.И. Менделеев считал учебник «Основы химии», выдержавший более десяти изданий, из которых последнее прижизненное вышло в свет в 1906 г. Эта книга рекомендовалась в качестве учебника для химических факультетов отечественных университетов вплоть до середины ХХ века. Химический этап развития учения о периодичности, начавшийся 17 февраля 1869 г., длился до 1911 года.
Ядерный период развития
Следующий период изучения явления периодичности, который можно назвать ядерным, наступил после выявления Э. Резерфор-дом в 1911 г. факта строения атомов химических элементов. Атом, считавшийся прежде бесструктурным, оказался иерархически сложным образованием! Для установления этого факта было использовано недавно открытое А. Беккерелем явление радиоактивного распада атомов, подробно изученное самим Резерфордом, открывшим три вида продуктов распада: а-, Р-, у-излучения. При экспериментальном измерении отклонения от прямолинейного пути а-частиц, проходящих сквозь золотую фольгу, обнаружился потрясающий факт: атом имеет тяжёлое положи-
тельно заряженное ядро в окружении лёгких отрицательно заряженных электронов.
Открытие электронной компоненты атомов химических элементов и прямой связи её структуры с химическими свойствами элементов приоткрыло логику связи заряда атомного ядра (нуклида), определяющего количество электронов в атоме, с химическим поведением всей нуклидо-электронной системы. Для детализации этой логики до возможности выявления количественных закономерностей химического поведения атомов элементов потребовалось создание квантово-механической модели атома. Эту задачу в общем виде удалось решить Н. Бору.
Квантово-механическое объяснение периодичности, выдвинутое его школой и сводящееся к констатации корреляции между структурой внешних электронных оболочек и общим характером химических свойств атома, явилось весьма продуктивным для прагматичного использования явления периодичности.
Однако оно не внесло окончательной ясности в понимание сути этого явления. Оставим в стороне обсуждение формальных «шероховатостей» этого объяснения, вызванных многочисленными отклонениями структур электронных оболочек от «идеальной» последовательности: Ь <2s <2р <3s <3р <3d <4s <4р <4d <4f <.., и нарушениями последовательности заполнения орбиталей электронами (различные «провалы», нарушающие правило Гунда). Скажем о главном: объяснение не раскрывает природу химической связи и конкретные виды функций периодичности свойств атомов: потенциалов ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности и других.
Структурность взаимосвязанных систем фундаментальных частиц как первооснова явления химической периодичности
Особенно важным для уяснения причин периодичности свойств химических элементов является открытие и синтез антиэлементов, в первую очередь — антиводорода.
Обсудим основные результаты этих исследований. После предсказания Дираком в 1928 г. существования антиматерии, первая античастица — позитрон — была открыта в 1932 г. американским физиком К.Д. Андерсеном в космических лучах при помощи камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле. Автор удостоен Нобелевской премии по физике за 1936 г. Нуклид — антипротон — открыт в 1955 г. на ускорителе протонов в Калифорнийском университете в Беркли.
15 сентября 1995 г. группа физиков под началом В. Олерта в ЦЕРНе (Швейцария) синтезировала первые атомы антиводорода. В настоящее время изучаются уже «газовые облачка», состоящие из 50 000 атомов антиводорода. Эти атомы, в отличие от атомов водорода, имеют заряд ядра не +1, а -1, их энергетические орбитали заняты не электронами, а позитронами. Химические свойства атомов антиводорода пока только начинают изучаться [8]. В 2016 г. в ЦЕРНе большой группой исследователей (в том числе и российских) установлено, что энергия перехода из состояния Ь в 2s у этих атомов совпадает с энергией такого же перехода у атомов «обычного водорода» с точностью до ~ 10-10 [9]. Это даёт достаточное основание утверждать, что водород и антиводород — один и тот же химический элемент, обладающий двумя типами зарядов ядер атома.
Из этого факта следует чрезвычайно важный вывод: формулировка Периодического закона как зависимости периодичности свойств химических элементов от заряда ядер теряет смысл, поскольку заряд ядра неоднозначно привязывает нуклидо-лептон-ную (в частности, для «обычных элементов» нуклидо-электронную) группировку к определённому месту в Периодической таблице. Факт существования антиматерии делает привязку атомного номера к значению заряда ядра несостоятельной. Эксперимент в ЦЕРНе подтвердил «физическую возможность» взаимного преобразования миров материи и антиматерии. С физической точки зрения симметричность этих миров со-
ответствует следствию из теоремы Людер-са — Паули (или СРТ-теоремы) [10; 11], которая гласит: «При зеркальном отражении пространственных координат, изменении знака электрического заряда и обращении направления течения времени физические свойства вещества и антивещества остаются строго тождественными ».
Не вдаваясь в детали физических представлений о свойствах материи и антиматерии, рассмотрим, какое отношение это имеет к химии и Периодическому закону. Прежде всего, отметим, что антиматерия в форме нуклидов химических элементов — это уже экспериментальный факт. Известны ионы антидейтерия и изотопов антигелия. Самое тяжёлое на настоящий момент «антиядро» получено в лаборатории Брукхевей-на: при столкновениях пучков ионов золота появились ионы антигелия-4 (анти-4Не+2) [12]. Если мы допускаем, что Р»-распад и в+-распад — это разные по своим параметрам процессы в мире материи и антиматерии, то это означает, что и другие свойства атомов, подверженных этим видам распада, могут быть разными. А в числе этих других свойств могут быть и химические свойства, поскольку свойства ядер влияют на энергетику орбита-лей (электронных «у нас» и позитронных — в антимирах). Следовательно, заряд ядра нельзя полностью отождествлять с порядковым номером элемента, так как он является более частной его характеристикой.
Заряд ядра имеет знак: положительный — для обычных элементов и отрицательный — для антиэлементов. «Порядковый номер элемента» — знака заряда не имеет. Следовательно, если справедлива СРТ-теорема, таблица антиэлементов, которые будут синтезированы (или открыты где-либо во Вселенной), будет иметь точно такой же вид, как и привычная нам Периодическая таблица Менделеева. Сегодня, однако, настоящего нуклидо-позитронно-го антивещества в «химически связанной форме» (т.е. в форме молекул или молекулярных ионов) ещё не получено. Поэтому
существует ли химическая симметрия «миров» и «антимиров» — вопрос на сегодня открытый. Есть основания предположить, что «незначительные отличия» ядерных свойств анти-элементов могут привести к более точной балансировке сил их взаимодействия с позитронными оболочками, и в Периодической таблице антиэлементов, возможно, исчезнут те исключения из правила «Маделунга — Клечковского» [13; 14, с. 603], которые наблюдаются в существующей таблице элементов. Идея эквивалентности «физичности» и «математичности», хотя не выраженная явно, очевидно, была близка мироощущению Д.И. Менделеева, который в последней прижизненной версии Периодического закона формулирует её так: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от величины атомных весов элементов» [15, с. 254].
Как следует из предшествующего изложения проблемы, химическая периодичность является функцией некоторой величины, которая имеет фундаментальное значение и математически соответствует натуральному ряду чисел. Сегодня в качестве такой величины принято использовать заряд ядра.. Это допущение, однако, кроме обсуждённого выше физического возражения против такого отождествления в связи с существованием антиматерии, содержит в себе логическую несообразность. Заряд ядра — это размерная величина, имеющая различные значения в зависимости от принятых единиц измерения. В системе СИ единицей измерения электрического заряда является кулон. В таком случае изменение заряда ядер при переходе от элемента к элементу в Периодической таблице соответствует изменению заряда на величину шага в 1,6-10-19 Кл. Для придания порядковому номеру элемента правильного физического смысла в формулировке Периодического закона необходимо указывать, что под зарядом ядра имеется в виду
приведённая величина, нормированная на единичный электрический заряд. Такое дополнение формулировки фундаментального химического закона затрудняет восприятие и привносит в его формулировку несущественные частности. Вместе с тем они снижают ранг его фундаментальности.
Фундаментальная характеристика химического элемента — менделеевское число
Указанные методологические трудности с определением аргумента функции химической периодичности сегодня преодолеваются введением понятия «порядковый номер» химического элемента. Однако это не разрешает всех логических проблем. Прежде всего, само понятие «порядковый номер» подразумевает существование критерия, по которому производится упорядочение. В химии таких критериев может быть множество: место элемента в А-последовательности ор-биталей; электроотрицательность атомов; первый потенциал ионизации; сродство к электрону; электродный потенциал и т.п.
Во избежание путаницы, возникающей с термином «порядковый номер» в связи с разнообразием химических характеристик элементов, предлагается следующее. Отмечая основополагающий вклад Д.И. Менделеева в открытии смысла понятия «химический элемент», заменить термин «порядковый номер химического элемента» фундаментальной характеристикой — «менделеевское число» (Мч). Введение данного термина в год 150-летия Периодической таблицы включит имя первооткрывателя Периодического закона в число мировых констант, ещё более укрепит авторитет Д.И. Менделеева и будет являться свидетельством международного признания заслуг нашего великого соотечественника.
Как ясно из предыдущего изложения, химическая периодичность является функцией менделеевского числа — величины, имеющей фундаментальное значение и математически соответствующая натуральному ряду чисел. Заряд ядра, по сравнению с менделеевским числом химического элемента,
является более частной характеристикой. Физический смысл менделеевского числа в том, что оно представляется квантовым числом, характеризующим качественные скачки изменения химических свойств элементов. Само понятие «химические свойства» обретает с введением менделеевского числа количественную характеристику. В таком случае смысл явления периодичности раскрывается как связь количественных характеристик «химичности» элемента с «фи-зичностью» структуры его элементарной единицы — атома.
Итак, что можно сказать об исследовании явления периодичности свойств химических элементов сегодня — в год 150-летия Периодической таблицы Д.И. Менделеева? Подводя итог приведённым рассуждениям, можно констатировать следующее. Явление периодичности, опираясь на новейшие достижения экспериментальной и теоретической химии и физики, играет интегрирующую роль в процессе естественнонаучного познания. Современное его состояние открывает принципиально новые стратегические горизонты перед теоретической и прикладной химией. Целесообразно было бы обратиться к международным организациям химиков с предложением внести в формулировку Периодического закона изменения, касающиеся роли электронной оболочки атомов. Периодический закон Д.И. Менделеева может быть сформулирован следующим образом: «Свойства химических элементов в нуклидо-лептонных формах атомов и ионов, а также формы и свойства соединений этих элементов, находятся в периодической зависимости от менделеевского числа, определяющего структуру и основные свойства химического проявления их электронной конфигурации».
Для учебных целей эту формулировку можно упростить: «Свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений этих элементов находятся в периодической зависимости от менделеевского числа, определяющего структуру электронной конфигурации атомов».
Смысл такого нововведения состоит не только в том, чтобы отдать дань прошлому химии, но и в том, чтобы на его основе строить планы будущего развития учения о периодичности. Вспомним приведённую выше менделеевскую формулировку Периодического закона 1906 г., в которой он провидчески ввёл «алгебраическую функцию» в качестве коррелята между физическими свойствами «атомный вес» и «химические свойства». Вдумаемся: в этой формулировке физические свойства и химические взаимодействия логически эквивалентны некоторой периодической «алгебраической функции»! Применительно к обсуждаемой теме современной формулировки Периодического закона эти идеи порождают вопросы об универсализме как самого химического взаимодействия атомов, так и его проявлений в рамках этого закона.
Литература
1. Вольфкович С.И. Вводная статья // Сто лет периодического закона химических элементов. Сб. докл. Х юбил. Менделеевского съезда. М.: Наука, 1969.
2. Советский энциклопедический словарь. М.: Большая Советская энциклопедия, 1983.
3. Химия // Большой энциклопедический словарь. М.: Большая Росс. энциклопедия, 2000.
4. ТаммМ.Е, ТретьяковЮ.Д. Неорганическая химия: в 3 т. Т. 1. Физико-химические основы неорганической химии: Учебник для студентов высших учебных заведений. М.: Академия, 2000.
5. Росин И.В., Томина Л.Д. Общая и неорганическая химия. Современный курс: Учебное пособие для бакалавров и специалистов. М.: Юрайт, 2012. 1338 с.
6. Лебедев Ю.А., Фадеев Г.Н, Голубев А.М, Шаповал В.М. Химия: Учебник для академического бакалавриата. М.: Юрайт. 2016.
7. Менделеев Д. Основы химии. Изд.13-е (5-е посмертное). М.- Л.: Гос. науч.-техн. изд-во химической литературы, 1947. Т. 2.
8. Грушина А. Антиводород: новая эра экспериментов с антиматерией // Наука и жизнь. 2017. № 1. URL: https://www.nkj.ru/archive/ articles/30451/
9. Ahmad M, Alves B.X.R, Baker C. J., Bertsche W, Butler E., Capra A, Carruth C., Cesar C.L., Charlton M, Cohen S, Collister R, Eriksson S, Evans A., Evetts N, Fajans J., Friesen T, Fujiwara M.C., GillD.R., Gutierrez A., Hangst J.S, Hardy W.N, Hayden M.E, Isaac C.A, Ishida A., Johnson M.A, Jones S.A, Jonsell S., Kurchaninov L., Madsen N., Mathers M., Maxwell D, McKenna J.T.K, Menary S, Michan J.M, Momose T, Munich J.J, Nolan P., Olchanski K., Olin A., Pusa P., Rasmussen C.0., Robicheaux F, Sacramento R.L, Sameed M., Sarid E., Silveira D.M., Stracka S., Stutter G., So C, Tharp T.D, Thompson J.E, Thompson R.I, van der WerfD.P, Wurtele J.S. Observation of the 1S-2S transition in trapped antihydrogen // Nature. 2017, January, Vol. 541, pp. 506-510. URL: https://www.nature.com/ articles/nature21040/
10. Luders G. On the Equivalence of Invariance under Time Reversal and under Particle-Antiparticle Conjugation for Relativistic Field Theories //
Kgl. Danske Videnskab. Selskab, Mat-Fys. Medd. 1954. Vol. 28. No. 5.
11. Pauli W. Niels Bohr and the Development of Physics. N.Y., 1955.
12. Walsh Karen McNulty, Genzer Peter. RHIC Physicists Nab New Record for Heaviest Antimatter // Brookhaven National Laboratory. 2011. April 24.
13. Madelung E. Die mathematischen Hilfsmittel des Physikers, Springer Verlag, Berlin, 1936.
14. Клечковский В.М. (n+l)-rpynnbi в последовательном заполнении электронных конфигураций атомов // Доклады АН СССР. 1951. Т. 80.
15. Менделеев Д.И. Основы химии. 8-е издание, вновь исправленное и дополненное. С.-Петербург, Типо-литография М.П. Фроловой, 1906.
Статья поступила в редакцию 05.03.19 Принята к публикации 02.10.19
Modern Interpretation ofPeriodic Phenomenon
German N. Fadeev — Dr. Sci. (Education), Prof., Department of chemistry, e-mail: [email protected]
Yuri A. Lebedev — Cand. Sci. (Engineering), Assoc. Prof., Department of chemistry, e-mail: [email protected]
Natalya N. Dvulichanskaya — Dr. Sci. (Education), Prof., Department of chemistry, e-mail: [email protected]
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Address: 5, 2nd Baumanskaya str., 107005, Moscow, Russian Federation
Abstract. The presented work is devoted to the analysis of the modern stage of development of the theory periodic properties of chemical elements as a fundamental aspect of scientific worldpic-ture. Studying of the phenomenon of periodic properties of chemical elements has gone far beyond chemistry. It should be taken into account that even today, after the creation of two quantum theories of the electronic structure of the atom, after a century of experience in the study of chemical elements and the experimental discovery of antihydrogen, this problem is far from being exhausted. The generalization of theoretical and experimental studies of the quantum-mechanical aspects of the chemical properties of matter, the first results of the study of antimatter made it possible to set a hypothesis of the existence of a new fundamental characteristic of chemical element and to formulate the Periodic Law adequately — in keeping with modern concepts.
Keywords: Periodic table, Periodic Law, electronic structure of the atom, Mendeleev number, antimatter
Cite as: Fadeev, G.N., Lebedev, Yu.A., Dvulichanskaya, N.N. (2019). Modern Interpretation of the Periodic Phenomenon. Vysshee obrazovanie v Rossii = Higher Education in Russia. Vol. 28, no. 11, pp. 69-77. (In Russ., abstract in Eng.)
DOI: https://doi.org/10.31992/0869-3617-2019-28-11-69-77
References
1. Wolfkovich, S.I. (1969). Introductory article. In: Sto let periodicheskogo zakona khimicheskikh elementov [One Hundred Years of the Periodic Law of Chemical Elements: Proc. X Mendeleev Congress]. Moscow: Nauka Publ. (In Russ.)
2. Sovetskiy entsiklopedicheskiy slovar (1983). [Soviet Encyclopedic Dictionary]. Moscow: Bol’shaya Sovetskaya entsiklopediya Publ. (In Russ.)
3. Khimiya (2000). [Chemistry]. In: Bol’shoy entsiklopedicheskiy slova/ [Great Encyclopedic Dictionary], Moscow: Bol’shaya Rossiiskaya entsiklopediya Publ. (In Russ.)
4. Tamm, M.E., Tret’yakov, Yu.D. (2000). Neorganicheskaya khimiya: v 3 t. [Inorganic Chemistry: in 3 Volumes: Textbook for higher education institution students]. Vol. 1. Physico-Chemical Bases of Inorganic Chemistry. Moscow: Academiya Publ. (In Russ.)
5. Rosin, I.V., Tomina, L.D. (2012). Obshchaya i neorganicheskaya khimiya. Sovremenniy kurs: Uchebnoe posobie dlya bakalavrov i spetsialistov [General and Inorganic Chemistry. Modern course: Textbook for Bachelors and Specialists]. Moscow: Yurait Publ. (In Russ.)
6. Lebedev, Yu. A., Fadeev, G.N., Golubev, A.M., Shapoval, V.M. (2016). Khimiya: Uchebnik dlya akademicheskogo bakalavriata [Chemistry: Textbook for Academic Baccalaureate]. Moscow: Yurait Publ. (In Russ.)
7. Mendeleev, D. (1947). Osnovy khimii. Izd.13-e (5-e posmertnoe) [Fundamentals of Chem-istry.13th Ed. (5th posthumous)]. Vol. 2. Moscow — Leningrad: State Scientific and Technical Publishing House of Chemical Literature. (In Russ.)
8. Grushina, A. (2017). Antihydrogen: A New Era of Experiments with Antimatter. Nauka iZhizn’ = Science and Life. No. 1. Available at: https://www.nkj.ru/archive/articles/30451/ (In Russ.)
9. Ahmadi, M., Alves, B.X.R., Baker, C.J., Bertsche, W., Butler, E., Capra, A, Carruth, C., Cesar, C.L., Charlton, M., Cohen, S., Collister, R., Eriksson, S., Evans, A., Evetts, N., Fajans, J., Friesen, T., Fujiwara, M.C., Gill, D.R., Gutierrez, A., Hangst, J.S., Hardy, W.N., Hayden, M.E., Isaac, C.A., Ishida, A., Johnson, M.A., Jones, S.A, Jonsell, S., Kurchaninov, L., Madsen, N., Mathers, M., Maxwell, D., McKenna, J.T.K., Menary, S., Michan. J.M., Momose, T., Munich, J.J., Nolan, P., Olchanski, K., Olin, A., Pusa, P., Rasmussen, C.0., Robicheaux, F., Sacramento, R.L., Sa-meed, M., Sarid, E., Silveira, D.M., Stracka. S., Stutter. G., So, C., Tharp, T.D., Thompson, J.E., Thompson, R.I., van der Werf, DP, Wurtele, J.S. (2017). Observation of the 1S — 2S Transition in Trapped Antihydrogen. Nature, January. Vol. 541, pp. 506-510. Available at: https://www. nature.com/articles/nature21040/
10. Luders, G. (1954). On the Equivalence of the Invariance under Time Reversal and Under Parti-cle-Antiparticle Conjugation for Relativistic Field Theories. Kgl. Danske Videnskab. Selskab, Mat-Fys. Medd. Vol. 28, no. 5.
11. Pauli, W. (1955). Niels Bohr and the Development of Physics. N.Y.
12. Karen McNulty Walsh, Genzer, Peter (2011). RHIC Physicists Nab New Record for Heaviest Antimatter. Brookhaven National Laboratory, April 24.
13. Madelung, E. (1936). Die mathematische Hilfsmittel des Physikers, Springer Verlag. Berlin.
14. Klechkovsky, V.M. (1951). (n + l) -Groups in the Sequential Filling of Electron Configurations of Atoms. Doklady Akademii nauk SSSR [Reports of the USSR Academy of Sciences]. Vol. 80. (In Russ.)
15. Mendeleev, D.I. (1906). Osnovy khimii. 8-e izdanie, vnov’ ispravlennoe i dopolnennoe [Basics of Chemistry. 8th Edition, Newly Revised and Augmented], St. Petersburg: Publ. by Tipo-lithogra-phy M.P. Frolova. (In Russ.)
The paper was submitted 05.03.19 Accepted for publication 02.10.19
История периодической таблицы
В 1669 Немецкий торговец и алхимик-любитель Хенниг Бранд попытался создать Философский камень ; объект, который якобы мог превращать металлы в чистое золото. Он нагрел остатки кипяченой мочи, и жидкость выпала и загорелась. Это было первое открытие фосфора.
В 1680 Роберт Бойль также открыл фосфор, и это стало достоянием общественности.
В 1809 было открыто по крайней мере 47 элементов, и ученые начали видеть закономерности в характеристиках.
В 1863 английский химик Джон Ньюлендс разделил тогда открытые 56 элементов на 11 групп, основываясь на характеристиках.
В 1869 Русский химик Дмитрий Менделеев начал разработку таблицы Менделеева, упорядочивая химические элементы по атомной массе. Он предсказал открытие других элементов и оставил для них свободные места в своей периодической таблице.
В 1886 французский физик Антуан Бекерель впервые обнаружил радиоактивность.Студент Томсона из Новой Зеландии Эрнест Резерфорд назвал три типа излучения; альфа-, бета- и гамма-лучи. Мари и Пьер Кюри начали работать над излучением урана и тория, а затем открыли радий и полоний. Они обнаружили, что бета-частицы заряжены отрицательно.
В 1894 сэр Уильям Рамзи и лорд Рэлей открыли благородные газы, которые были добавлены в периодическую таблицу как группу 0.
В 1897 Английский физик Дж.Дж. Томсон первым открыл электроны; маленькие отрицательно заряженные частицы в атоме. Джон Таунсенд и Роберт Милликен определили их точный заряд и массу.
В 1900 Бекерель обнаружил, что электроны и бета-частицы, идентифицированные Кюри, — это одно и то же.
В 1903 Резерфорд объявил, что радиоактивность вызвана распадом атомов.
В 1911 Резерфорд и немецкий физик Ганс Гейгер обнаружили, что электроны вращаются вокруг ядра атома.
В 1913 Бор обнаружил, что электроны движутся вокруг ядра с дискретной энергией, называемой орбиталями. Излучение испускается при движении с одной орбиты на другую.
В 1914 Резерфорд впервые идентифицировал протоны в атомном ядре. Он также впервые трансмутировал атом азота в атом кислорода. Английский физик Генри Мозли предоставил атомные номера, основанные на количестве электронов в атоме, а не на атомной массе.
В 1932 Джеймс Чедвик впервые открыл нейтроны и идентифицировали изотопы.Это была полная основа периодической таблицы. В том же году англичанин Кокрофт и ирландец Уолтон впервые расщепили атом, бомбардируя литий в ускорителе частиц, превратив его в два ядра гелия.
В 1945 Гленн Сиборг идентифицировал лантаноиды и актиниды (атомный номер> 92), которые обычно помещаются под периодической таблицей.
Источники
Манхэттенский проект
Википедия
Сборка современной периодической таблицы
Собираем все вместе
В феврале 1869 года, во время написания второго тома своего учебника химии «Основы химии», Менделеев разработал свою собственную форму периодической таблицы.Популярные источники рассказывают о том, как Менделеев тасовал и переставлял карты, помеченные элементами и их свойствами, как в пасьянсе. Хотя историки не нашли карт в архиве Менделеева, они обнаружили бесчисленное множество групп элементов, покрытых вычеркнутыми идеями и перестановками. Кульминацией этой работы стала таблица Менделеева, в которой он организовал элементы путем увеличения атомной массы и выровнял элементы с аналогичными свойствами в ряды. В 1869 году Менделеев напечатал 200 экземпляров своей таблицы и разослал их коллегам по России и Европе.
Однако Менделеев пошел дальше простого создания таблицы; он утверждал, что организация элементов отражает основной периодический закон. Например, в то время как Мейер поменял местами теллур и йод, Менделеев поменял местами их и утверждал, что атомная масса одного из них должна быть неправильной. (Атомные массы на самом деле не были неправильными, потому что периодичность оказывается основанной на атомном номере, а не на атомной массе.) Менделеев скорректировал массы нескольких элементов на основе своей таблицы, и эти поправки позже были экспериментально подтверждены.
В то время как Мейер оставил пробелы в своей таблице, Менделеев предсказал, что будут обнаружены элементы, которые восполнят эти пробелы. Он зашел так далеко, что предсказал их атомные массы и свойства, и назвал их: эка-бор, эка-алюминий, эка-марганец и эка-кремний («эка» на санскрите означает «единичный» или «один»). Это был смелый шаг; В то время ожидалось, что химики будут репортерами существующих фактов, а не спекулянтами о том, что еще может быть обнаружено. Хотя он не был прав относительно всех их свойств, когда были открыты германий, галлий и скандий, химики смогли увидеть, как они вписываются в пробелы в таблице Менделеева, обеспечивая дальнейшее подтверждение периодического закона Менделеева.
Положение Менделеева как отца таблицы Менделеева укрепилось в 1890-х годах с открытием благородных газов. В то время не только было немыслимо, чтобы элемент мог быть инертным, но для них не было места в периодической таблице. В 1894 году аргон был открыт британским ученым лордом Рэли и шотландским ученым Уильямом Рамзи. Когда единственным предлагаемым благородным газом был аргон, Менделеев и другие химики утверждали, что это не новый элемент, а трехатомный азот (N 3 ).Однако после открытия гелия, криптона, неона и ксенона эти инертные газы не могли быть объяснены. Лишь в 1900 году Рамзи предложил новым элементам выделить отдельную группу между галогенами и щелочными металлами. Менделеев ответил так: «Это было чрезвычайно важно для [Рамзи] как подтверждение позиции вновь открытых элементов и для меня как великолепное подтверждение общей применимости периодического закона».
Дорога к нашей современной таблице Менделеева была извилистой, полной тупиков и неправильных поворотов.Для этого потребовались многочисленные открытия, ученые и эксперименты, а также многочисленные неудачи и победы. По сути, это было типично для науки. Хотя нам нравится думать о науке, развивающейся через гениев-одиночек, таких как Менделеев, которые устремляют нас к прогрессу, реальность науки такова, что она беспорядочная, требует обширного сотрудничества, основывается на работе других и пересматривает гипотезы, когда появляется новая информация. Менделеев, Мейер и другие были действительно выдающимися учеными не потому, что они все выяснили сами, а потому, что они были полностью вовлечены в выдающееся предприятие, которое мы называем наукой.
150 лет назад периодическая таблица Менделеева началась с видения одного химика
У каждой области науки есть любимый юбилей.
Для физики это Principia Ньютона 1687 года, книга, которая ввела законы движения и гравитации. Биология отмечает Дарвина О происхождении видов (1859 г.) вместе с его днем рождения (1809 г.). Поклонники астрономии отмечают 1543 год, когда Коперник поместил Солнце в центр Солнечной системы.
Что касается химии, то ни один повод для праздника не превосходит происхождение периодической таблицы элементов, созданной 150 лет назад в марте этого года русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Таблица Менделеева стала так же знакома студентам-химикам, как электронные таблицы — бухгалтерам. Он суммирует всю науку в примерно 100 квадратах, содержащих символы и числа. Он перечисляет элементы, из которых состоят все земные субстанции, расположенные таким образом, чтобы выявить закономерности в их свойствах, что определяет направление химических исследований как в теории, так и на практике.
Подпишитесь на последние новости
Science News
Заголовки и резюме последних научных новостей статей, доставленных на ваш почтовый ящик
«Периодическая таблица Менделеева, — писал химик Питер Аткинс, — возможно, является наиболее важным понятием в химии».
Таблица Менделеева выглядела как специальная диаграмма, но он хотел, чтобы таблица выражала глубокую научную истину, которую он открыл: периодический закон.Его закон выявил глубокие семейные отношения между известными химическими элементами — они проявляли сходные свойства через равные промежутки времени (или периоды), когда они располагались в порядке их атомного веса — и позволил Менделееву предсказать существование элементов, которые еще не были обнаружены.
«До обнародования этого закона химические элементы были лишь отрывочными, случайными фактами в Природе», — заявил Менделеев. «Закон периодичности впервые позволил нам воспринимать неоткрытые элементы на расстоянии, которое раньше было недоступно химическому зрению.”
Таблица Менделеева не только предсказывала появление новых элементов. Это подтвердило тогдашнюю спорную веру в реальность атомов. Он намекнул на существование субатомной структуры и предвосхитил математический аппарат, лежащий в основе правил, управляющих материей, которые в конечном итоге проявились в квантовой теории. Его таблица завершила трансформацию химической науки из средневекового магического мистицизма алхимии в область современной научной строгости. Таблица Менделеева символизирует не только составные части материи, но и логическую убедительность и принципиальную рациональность всей науки.
Заложить основу
Легенда гласит, что Менделеев задумал и создал свою таблицу за один день: 17 февраля 1869 года по русскому календарю (1 марта в большей части остального мира). Но это, наверное, преувеличение. Менделеев думал о группировке элементов в течение многих лет, а другие химики несколько раз рассматривали понятие взаимосвязи между элементами в предыдущие десятилетия.
На самом деле немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер заметил особенности в группировках элементов еще в 1817 году.В те дни химики еще не полностью осознали природу атомов, как это описано в атомной теории, предложенной английским школьным учителем Джоном Далтоном в 1808 году. В своей книге Новая система химической философии Дальтон объяснил химические реакции, предполагая, что каждая элементарная субстанция состоит из определенного типа атома.
Химические реакции, предположил Дальтон, дают новые вещества, когда атомы разъединяются или соединяются. Он рассуждал, что любой данный элемент целиком состоит из одного вида атомов, отличающихся от других по весу.Атомы кислорода весили в восемь раз больше, чем атомы водорода; По мнению Дальтона, атомы углерода в шесть раз тяжелее водорода. Когда элементы объединяются, чтобы образовать новые вещества, количество, которое прореагировало, можно рассчитать, зная эти атомные веса.
Дальтон ошибался насчет некоторых весов — кислород действительно в 16 раз тяжелее водорода, а углерод в 12 раз тяжелее водорода. Но его теория сделала идею атомов полезной, что привело к революции в химии. Точное измерение атомного веса стало главной заботой химиков в последующие десятилетия.
Размышляя об этих весах, Доберейнер заметил, что определенные наборы из трех элементов (он назвал их триадами) обнаруживают своеобразную взаимосвязь. Бром, например, имел атомный вес посередине между весами хлора и йода, и все три элемента демонстрировали сходное химическое поведение. Литий, натрий и калий тоже были триадой.
Другие химики заметили связь между атомным весом и химическими свойствами, но только в 1860-х годах атомные веса были достаточно хорошо изучены и измерены для более глубокого понимания.В Англии химик Джон Ньюлендс заметил, что расположение известных элементов в порядке возрастания атомного веса приводит к повторению химических свойств каждого восьмого элемента — закономерность, которую он назвал «законом октав» в статье 1865 года. Но паттерн Ньюлендса не очень хорошо держался после первых двух октав, что побудило критика предположить, что ему следует вместо этого попытаться расположить элементы в алфавитном порядке. Очевидно, что соотношение свойств элементов и атомных весов было немного сложнее, как вскоре понял Менделеев.
Организация элементов
Менделеев родился в 1834 году в Тобольске в Сибири (17-й ребенок его родителей). Он жил разобщенной жизнью, преследуя множество интересов и путешествуя по запутанному пути к известности. Во время учебы в педагогическом институте в Санкт-Петербурге он чуть не умер от тяжелой болезни. После окончания школы он преподавал в средних школах (требование его стипендии в педагогическом институте) и, преподавая математику и естественные науки, проводил исследования для получения степени магистра.
Затем он работал наставником и лектором (наряду с некоторыми научно-популярными работами), пока не получил стипендию для длительной поездки по исследованиям в самых известных университетских химических лабораториях Европы.
Когда он вернулся в Санкт-Петербург, у него не было работы, поэтому он написал мастерский справочник по органической химии в надежде выиграть крупный денежный приз. Долгая попытка окупилась благодаря прибыльной Демидовской премии 1862 года. Он также нашел работу редактором, переводчиком и консультантом в различных отраслях химической промышленности.В конце концов он вернулся к исследованиям, получив докторскую степень. в 1865 г., а затем стал профессором Петербургского университета.
Вскоре Менделеев начал преподавать неорганическую химию. Готовясь освоить эту новую (для него) область, он не был впечатлен имеющимися учебниками. Поэтому он решил написать свое собственное. Организация текста требовала систематизации элементов, поэтому он думал, как лучше их расположить.
К началу 1869 года Менделеев добился достаточного прогресса, чтобы понять, что некоторые группы подобных элементов показывают регулярное увеличение атомного веса; другие элементы с примерно равным атомным весом обладали общими свойствами.Оказалось, что упорядочение элементов по их атомному весу было ключом к их классификации.
По словам самого Менделеева, он структурировал свое мышление, записав свойства каждого из 63 известных элементов на отдельной карточке. Затем, с помощью своего рода игры в химический пасьянс, он нашел искомый паттерн. Располагая карточки в вертикальных столбцах от меньшего атомного веса к большему, в каждый горизонтальный ряд помещались элементы с аналогичными свойствами. Так родилась таблица Менделеева.1 марта он набросал свою таблицу, отправил ее в типографию и включил в свой учебник, который скоро будет издан. Он быстро подготовил доклад для представления в Русское химическое общество.
«Элементы, расположенные в соответствии с размером их атомного веса, демонстрируют явные периодические свойства», — заявил Менделеев в своей статье. «Все сравнения, которые я сделал… привели меня к выводу, что размер атомной массы определяет природу элементов».
Тем временем немецкий химик Лотар Мейер также работал над организацией элементов.Он приготовил стол, похожий на стол Менделеева, возможно, даже раньше Менделеева. Но Менделеев опубликовал первым.
Однако более важным, чем победить Мейера в публикации, было то, что Менделеев использовал свою таблицу, чтобы делать смелые прогнозы относительно неоткрытых элементов. Готовя свой стол, Менделеев заметил, что пропало несколько карточек. Ему пришлось оставить пустые места, чтобы известные элементы правильно выровнялись. При его жизни три из этих пробелов были заполнены ранее неизвестными элементами галлием, скандием и германием.
Менделеев не только предсказал существование этих элементов, но и правильно подробно описал их свойства. Галлий, например, открытый в 1875 году, имел атомный вес (измеренный тогда) 69,9 и плотность в шесть раз больше плотности воды. Менделеев предсказал элемент (он назвал его эка-алюминием) именно с такой плотностью и атомным весом 68. Его предсказания для эка-кремния близко соответствовали германию (открытому в 1886 г.) по атомному весу (предсказано 72, 72.3) и плотности (5,5 против 5,469). Он также правильно предсказал плотность соединений германия с кислородом и хлором.
Стол Менделеева стал оракулом. Это было так, как если бы плитки Scrabble в конце игры раскрывали секреты вселенной. В то время как другие увидели силу периодического закона, Менделеев был мастером его использования.
Успешные предсказания Менделеева принесли ему легендарный статус маэстро химического волшебства. Но сегодня историки спорят, укрепило ли открытие предсказанных элементов принятие его периодического закона.Одобрение закона могло быть больше связано с его способностью объяснять установившиеся химические взаимосвязи. В любом случае точность прогнозов Менделеева, безусловно, привлекла внимание к достоинствам его таблицы.
К 1890-м годам химики широко признали его закон вехой в химических знаниях. В 1900 году будущий лауреат Нобелевской премии по химии Уильям Рамзи назвал это «величайшим обобщением, которое когда-либо было сделано в химии». И Менделеев сделал это, даже не понимая, почему это вообще работает.
Математическая карта
Во многих случаях в истории науки великие предсказания, основанные на новых уравнениях, оказывались верными. Каким-то образом математика открывает некоторые секреты природы до того, как их обнаруживают экспериментаторы. Антивещество — один пример, расширение Вселенной — другой. В случае Менделеева предсказания новых элементов возникали без какой-либо творческой математики. Но на самом деле Менделеев открыл глубокую математическую карту природы, поскольку его таблица отражала последствия квантовой механики, математических правил, управляющих атомной архитектурой.
В своем учебнике Менделеев отмечал, что «внутренние различия вещества, из которого состоят атомы», могут быть ответственны за периодически повторяющиеся свойства элементов. Но он не придерживался этой линии мысли. Фактически, на протяжении многих лет он болтал о том, насколько важна атомная теория для его таблицы.
Но другие могли прочитать сообщение в таблице. В 1888 году немецкий химик Йоханнес Вислиценус заявил, что периодичность свойств элементов при расчете по весу указывает на то, что атомы состоят из регулярного расположения более мелких частиц.Таким образом, в некотором смысле таблица Менделеева действительно предвосхищала (и предоставляла доказательства) сложную внутреннюю структуру атомов в то время, когда никто не имел ни малейшего представления о том, как на самом деле выглядит атом, и даже о том, есть ли у него какая-либо внутренняя структура.
Ко времени смерти Менделеева в 1907 году ученые знали, что у атомов есть части: электроны, несущие отрицательный электрический заряд, плюс некоторый положительно заряженный компонент, делающий атомы электрически нейтральными. Ключ к разгадке того, как были устроены эти части, был получен в 1911 году, когда физик Эрнест Резерфорд, работающий в Манчестерском университете в Англии, открыл атомное ядро.Вскоре после этого Генри Мозли, физик, работавший с Резерфордом, продемонстрировал, что количество положительного заряда в ядре (количество протонов, которые оно содержит, или его «атомный номер») определяет правильный порядок элементов в периодической таблице.
Атомный вес был тесно связан с атомным номером Мозли — достаточно близко, чтобы элементы упорядочения по весу лишь в нескольких местах отличались от упорядочения по номерам. Менделеев настаивал на том, что эти веса были неправильными и нуждались в повторном измерении, и в некоторых случаях он был прав.Осталось несколько несоответствий, но атомный номер Мозли определил положение вещей.
Примерно в то же время датский физик Нильс Бор понял, что квантовая теория управляет расположением электронов, окружающих ядро, и что самые удаленные электроны определяют химические свойства элемента.
Физик Нильс Бор пересмотрел периодическую таблицу в 1922 году. QWerk / Wikimedia Commons
Подобное расположение внешних электронов периодически повторялось, объясняя закономерности, которые изначально были обнаружены в таблице Менделеева.Бор создал свою собственную версию таблицы в 1922 году, основанную на экспериментальных измерениях энергии электронов (наряду с некоторыми рекомендациями из периодического закона).
В таблицу Бора добавлены элементы, открытые с 1869 года, но, по сути, это была периодическая структура, которую обнаружил Менделеев. Не имея ни малейшего ключа к квантовой теории, Менделеев создал таблицу, отражающую атомную архитектуру, продиктованную квантовой физикой.
Новый стол Бора не был ни первым, ни последним вариантом первоначального дизайна Менделеева.Были разработаны и опубликованы сотни версий таблицы Менделеева. Современная форма, горизонтальный дизайн в отличие от первоначальной вертикальной версии Менделеева, стала широко популярной только после Второй мировой войны, во многом благодаря работе американского химика Гленна Сиборга (давнего члена правления Science Service, первоначального издателя книги). Новости науки ).
Сиборг и его сотрудники синтетическим путем получили несколько новых элементов с атомными номерами помимо урана, последнего встречающегося в природе элемента в таблице.Сиборг увидел, что эти элементы, трансурановые элементы (плюс три элемента, предшествующие урану), требуют новой строки в таблице, чего Менделеев не предвидел. В таблице Сиборга строка для этих элементов добавлена под аналогичной строкой для редкоземельных элементов, правильное место которых также никогда не было вполне ясным. «Потребовалось много смелости, чтобы противостоять Менделееву», — сказал Сиборг, умерший в 1999 году, в интервью 1997 года.
Вклад Сиборга в химию принес ему честь стать его собственным одноименным элементом — сиборгием под номером 106.Это один из немногих элементов, названных в честь известного ученого, список, который включает, конечно же, элемент 101, открытый Сиборгом и его коллегами в 1955 году и названный менделевий — для химика, который прежде всего заслужил место в периодической таблице Менделевия. .
В своей редакции американский химик Гленн Сиборг повернул периодическую таблицу по горизонтали, добавив несколько синтетических элементов помимо урана. Любезно предоставлено Национальной лабораторией Лоуренса Беркли
Пришло время перевернуть Периодическую таблицу?
Лотар Мейер, немецкий химик, создал частичную таблицу Менделеева в 1864 году и более полную версию в 1869 году.«Структурно таблицы Мейера и Менделеева были очень похожи», — сказал Алан Рок, историк науки из Университета Кейс Вестерн Резерв, который выступал с докладом о Мейере в A.C.S. юбилейный симпозиум.
Изначально периодичность таблицы и ее замечательные предсказательные способности казались «нумерологической загадкой», — сказал доктор Рок. В 20 веке периодичность стала объяснять квантовая физика, в частности физика того, как электроны вращаются вокруг ядра. Литий, натрий и калий, которые хорошо совпадают в первом вертикальном столбце таблицы — группа первая, щелочные металлы, рубидий, цезий и франций — все имеют по одному электрону на своей внешней электронной оболочке.
Оба химика за многие годы построили множество таблиц, изменяя их в ответ на новые открытия и более точные данные. В конце концов Менделеев победил. Когда в шаблонах его таблиц появлялись пробелы, он предсказывал, что должно появиться. Некоторые ошибались, но он точно предсказал существование трех элементов: галлия, германия и скандия.
«Предсказания психологически драматичны», — сказал доктор Шерри. «Если ученый что-то предсказывает, и это сбывается, в некотором смысле этот ученый знает секреты природы или почти знает будущее.
Но наука редко развивается революционным путем, сказал доктор Скерри: «Наука — это деятельность, осуществляемая сотнями тысяч исследователей, и все они вносят свой вклад в общую картину, которая в конечном итоге вырисовывается».
Это была тема юбилейного симпозиума. Бриджит Ван Тиггелен, историк химии из Института истории науки в Филадельфии, обсудила работу Иды Ноддак, немецкого химика, открывшего рений, и Лизы Мейтнер, австрийско-шведского физика, которая вместе с Отто Ганом открыла протактиний.Доктор Ван Тиггелен — редактор новой книги «Женщины в их стихии», в которой исследуется более 30 подобных историй, включая, конечно же, историю Марии Кюри, которая открыла два элемента, радий и полоний, и дважды выиграла приз. Нобелевская премия.
«Мы представляем историю как коммунальное предприятие», — сказал д-р Ван Тиггелен.
So long, alchemy
Среди множества достижений периодическая таблица Менделеева позволила химии наконец избавиться от алхимии. Ньютон в этом отношении мало помог: он был одержим «химией» — синонимом алхимии, согласно Оксфордскому словарю английского языка — и поиском философского камня, который мог бы преобразовывать неблагородные металлы в золото.
Исследование будущих задач для таблицы Менделеева | MSUToday
За последнее десятилетие в Периодическую таблицу химических элементов было добавлено шесть новых сверхтяжелых элементов. Недавно Организация Объединенных Наций провозгласила 2019 год Международным годом Периодической таблицы Менделеева, поскольку он отмечает 150-летие формулировки таблицы, созданной Дмитрием Менделеевым. Обзор области и будущих задач был опубликован в недавнем коллоквиуме Reviews of Modern Physics.
Ядерная и атомная физика стремятся объяснить физический мир, от происхождения ядер до их структуры. Все элементы, содержащие более 103 протонов, помечены как «сверхтяжелые» и являются частью обширной, совершенно неизвестной территории этих ядер, которую пытаются раскрыть ученые. К поискам этих систем относятся следующие вопросы:
- Какие самые тяжелые атомные ядра, которые могут существовать?
- Как эти ядра удерживаются вместе?
- Как долго они живут как сверхтяжелые ядра, прежде чем распасться на более легкие?
- Образуются ли они при взрывах звезд? открытия, связывающие широкие области ядерной физики, атомной физики, химии и астрофизики.
В 2012 и 2016 годах в таблицу Менделеева вошли шесть новых синтетических элементов — нихоний, флеровий, московий, ливерморий, теннессин и оганессон. Их атомные номера — количество протонов в ядре, определяющее их химические свойства и место в периодической таблице, — 113, 114, 115, 116, 117 и 118 соответственно. Эти элементы определяют текущие верхние пределы массы и атомных номеров. Как таковые, они несут в себе потенциал изменить то, как мы в настоящее время понимаем ядерную и атомную физику и химию.Это, в свою очередь, существенно повлияет на то, как будут даны ответы на общие вопросы.
Самые тяжелые сверхтяжелые элементы демонстрируют странные особенности по сравнению с их более легкими собратьями. Известные в настоящее время сверхтяжелые элементы относятся к седьмому и последнему периоду таблицы Менделеева. Необычный элемент оганессон завершает этот седьмой период, и это единственный элемент этого периода, который не встречается естественным образом.
Святой Грааль для этой области — производство долгоживущих сверхтяжелых элементов с примерно 184 нейтронами.Теория и эксперимент предполагают, что на этом пределе сверхтяжелые ядра будут жить дольше, прежде чем распадутся на более легкие. Эта повышенная стабильность облегчила бы химические исследования. Однако получить 184 нейтрона в ядре будет непросто. Ученые все еще ищут оптимальный способ синтезировать такие системы. Другая цель — понять роль, которую сверхтяжелые элементы играют в звездных событиях, таких как слияние нейтронных звезд или сверхновые.
Как далеко может зайти таблица Менделеева? Это все еще загадка.По мере развития экспериментальных возможностей ученые смогут исследовать более тяжелые элементы. Следующие шаги включают поиск следующего элемента с атомным номером 119 в нескольких лабораториях по всему миру и дальнейшее понимание того, как массы и заряды приписываются этим сверхтяжелым элементам.
«Научная экспедиция продолжается в неизведанные области атомных номеров и ядерных масс», — сказал Витек Назаревич, заслуженный профессор физики МГУ и главный научный сотрудник Лаборатории редких изотопных лучей, которая в настоящее время строится в МГУ.Назаревич и несколько сотрудников написали статью, опубликованную в Reviews of Modern PhysicsColloquium. «Перспективы открытий в междисциплинарной области сверхтяжелых ядер и атомов на стыке ядерной физики, атомной физики, химии и астрофизики выдаются».
В будущем специальные новые ускорительные установки в Дубне (Россия) и RIKEN (Япония) смогут производить больше этих частиц, а исследования проводятся в Дубне, RIKEN, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research / Facility for Antiproton. и Ion Research в Германии, Национальная лаборатория Ок-Ридж и Национальная лаборатория Лоуренса Беркли в Соединенных Штатах, Grand Accèlèrateur National d’Ions Lourds во Франции и ряд других организаций по всему миру возглавят эти усилия, поскольку исследуются новые территории за пределами стандартной таблицы Менделеева.
FRIB при МГУ также будет играть важную роль. Ожидается, что ядерные реакции с использованием тяжелых радиоактивных пучков позволят ученым приблизиться к ожидаемой области повышенной стабильности. Предоставляя уникальные данные об этих богатых нейтронами ядрах, FRIB улучшит наше понимание космического происхождения сверхтяжелых элементов.
# # #
Университет штата Мичиган создает FRIB в качестве нового научного центра для пользователей Управления ядерной физики в США.S. Министерство энергетики, Управление науки. Строящийся на территории кампуса и управляемый МГУ, FRIB позволит ученым делать открытия о свойствах редких изотопов, чтобы лучше понимать физику ядер, ядерную астрофизику, фундаментальные взаимодействия и приложения для общества, в том числе в медицине, национальной безопасности и промышленность.
Периодическая таблица элементов | Химия
В 1869 году русский химик Дмитрий Менделеев впервые предположил, что химические элементы обладают «периодичностью свойств».»
Менделеев пытался организовать химические элементы в соответствии с их атомным весом, предполагая, что свойства элементов будут постепенно меняться по мере увеличения атомного веса. Однако он обнаружил, что химические и физические свойства
элементы постепенно увеличивались, а затем внезапно менялись на разных
шаги или периоды. Чтобы учесть эти повторяющиеся тенденции, Менделеев сгруппировал элементы в таблице, содержащей как строки, так и столбцы.Периодическая таблица элементов
Структура современной таблицы Менделеева
Современная периодическая таблица элементов основана на наблюдениях Менделеева; однако, вместо того, чтобы быть организованной по атомному весу, современная таблица упорядочена по атомному номеру (z).При перемещении слева направо по строке периодической таблицы свойства элементов постепенно меняются. В конце каждого ряда происходит резкое изменение химических свойств. Следующий элемент по порядку атомного номера более похож (химически говоря) на первый элемент в строке над ним; таким образом, новая строка
начинается на столе.Например, кислород (O), фтор (F) и неон (Ne) (z = 8, 9 и 10 соответственно) — все это стабильные неметаллы, которые при комнатной температуре являются газами.Натрий (Na, z = 11), однако, представляет собой металлическое серебро, твердое при комнатной температуре, как и элемент литий (z = 3). Таким образом, натрий начинает новую строку в периодической таблице и помещается непосредственно под литием, подчеркивая их химический состав.
сходства.Строки в периодической таблице называются периодами. Как один
движется слева направо в заданный период, химические свойства элементов медленно меняются. Столбцы в периодической таблице называются группами.Элементы данной группы в периодической таблице обладают многими схожими химическими и физическими свойствами.Контрольная точка понимания
Почему натрий стоит прямо под литием в периодической таблице?
Электронная конфигурация и таблица
«Периодическая» природа химических свойств, обнаруженных Менделеевым, связана с электронной конфигурацией атомов элементов.Другими словами, способ, которым электроны атома расположены вокруг его ядра, влияет на свойства атома.
Теория атома Нильса Бора говорит нам, что электроны не
расположены случайным образом вокруг ядра атома, но встречаются в определенных электронных оболочках (см. наш модуль Atomic Theory II для получения дополнительной информации). Каждая оболочка имеет ограниченную емкость для электронов. По мере заполнения нижних оболочек дополнительные электроны находятся в более удаленных оболочках.Емкость первой электронной оболочки составляет два электрона, а второй оболочки — восемь. Таким образом, в нашем примере, рассмотренном выше, кислород с восемью протонами и восемью электронами несет два электрона на своей первой оболочке и шесть на своей второй оболочке. Фтор с девятью электронами несет два в своей первой оболочке и семь во второй. Неон с десятью электронами несет два в первом и восемь во втором.Поскольку количество электронов во второй оболочке увеличивается, мы можем представить, почему химические свойства постепенно меняются по мере того, как мы переходим от кислорода к фтору и неону.
У натрия одиннадцать электронов. Двое поместились в его первую оболочку, но
помните, что вторая оболочка может нести только восемь электронов.
Одиннадцатый электрон натрия не может поместиться ни в его первую, ни в его вторую оболочку. Этот электрон поселяется на еще одной орбите, третьей электронной оболочке натрия.Причина резкого изменения химических свойств при переходе от неона к натрию заключается в том, что между двумя элементами происходит резкий сдвиг в электронной конфигурации. Но почему натрий похож на литий? Давайте посмотрим на электронные конфигурации этих элементов.Электронные конфигурации для выбранных элементов
Как вы можете видеть на иллюстрации, в то время как натрий имеет три электронные оболочки, а литий две, их общая характеристика состоит в том, что оба они имеют только один электрон на крайнем внешнем участке.
электронная оболочка.Эти электроны внешней оболочки (называемые валентными
электроны) важны для определения химических свойств элементов.Химические свойства элемента определяются тем, как его атомы взаимодействуют с другими атомами. Если мы изобразим внешнюю (валентную) электронную оболочку атома как сферу, охватывающую все внутри, то только валентная оболочка может взаимодействовать с другими атомами — почти так же, как это только краска на внешней стороне вашего дома. который «взаимодействует» с, и
промокает, дождевая вода.Валентная оболочка атома «покрывает» внутренние электронные оболочки
Электроны валентной оболочки в атоме определяют способ его взаимодействия с соседними атомами и, следовательно, определяют его химические свойства. Поскольку и натрий, и литий имеют один валентный электрон, они обладают схожими химическими свойствами.
Контрольная точка понимания
Химические свойства элемента определяются количеством электронов в
Сокращение электронной конфигурации
Для элементов в группах, обозначенных A в периодической таблице (IA, IIA и т. Д.) количество валентных электронов соответствует номеру группы. Таким образом, Li, Na и другие элементы в группе IA имеют один валентный электрон. Be, Mg и другие элементы группы IIA имеют два валентных электрона. B, Al и другие элементы группы IIIA имеют три валентных электрона и так далее. Номер строки или периода, в котором находится элемент в таблице, равен количеству полных оболочек, содержащих электроны в атоме. H и He в первом периоде обычно имеют электроны только в первой оболочке; Li, Be, B и другие элементы периода два занимают две оболочки и так далее.Чтобы записать электронную конфигурацию элементов, ученые часто используют стенографию, в которой за символом элемента следуют его электронные оболочки. Ниже приведены несколько примеров.
Сокращение конфигурации элемента Элемент Сокращение конфигурации Водород H 1e — Литий Li 2e — 1e — Фтор Ф 2e — 7e — Натрий Na 2e — 8e — 1e — Для получения дополнительных сведений в таблице, приведенной ниже, показаны электронные конфигурации первых одиннадцати элементов.
Сводка
Современная таблица Менделеева основана на наблюдениях Дмитрия Менделеева 1896 года о том, что химические элементы можно сгруппировать по химическим свойствам, которые они проявляют. Этот модуль объясняет расположение элементов в таблице периодов. Он определяет периоды и группы и описывает, как различные электронные конфигурации влияют на свойства атома.
Отец периодической таблицы Менделеева | Feature
Стремление обнаруживать закономерности в нашем окружении, по-видимому, является фундаментальной человеческой чертой.Тысячи лет назад наши далекие предки построили массивные каменные памятники, которые точно соответствовали значимым точкам годового солнечного цикла. А в 19 веке вдумчивые химики заметили семейное сходство между элементами и попытались включить их в объяснительную парадигму.
Полтора века назад Дмитрий Менделеев сделал решающий шаг в этом поиске порядка среди элементов, опубликовав первый проект своей таблицы Менделеева. В 2019 году мировое химическое сообщество отмечает этот юбилей, и это правильно.Как и Стоунхендж, таблица отражает закономерности в природе, которые были вызваны причинами, которые оставались загадочными, когда она изначально была построена. Но как Менделеев пришел построить свой памятник?
Ранние годы
Дмитрий вырос в Сибири, на окраине западной цивилизации. Его дом, Тобольск, находится на 1000 км ближе к Пекину, чем к Парижу, и его путь к научному успеху оттуда был трудным. Он был самым младшим из более чем дюжины братьев и сестер Менделеева, и вскоре после его рождения в 1834 году плохое здоровье вынудило его отца Ивана, учителя средней школы, уйти на пенсию.Несоответствие пенсии Ивану заставило его жену Марию взять на себя управление полузаброшенным стекольным заводом, которым раньше руководил ее брат.
Это предприятие содержало семью до 1848 года, когда оно сгорело. Потом Иван умер, и в 1849 году Мария увезла двоих младших детей в Москву, надеясь, что ее брат поможет Дмитрию поступить там в университет. Когда этот план провалился, они переехали в Санкт-Петербург, и в 1850 году Дмитрий был принят (несколько неохотно) в училище, где его отец учился на учителя.Там преподаватель — Александр Воскресенский, учившийся в Германии у Юстуса Либиха, — поощрял интерес Дмитрия к химии.
Он получил высшее образование в 1855 году, и его диссертация — об изоморфизме и других взаимосвязях между физической формой и химическим составом — была опубликована в горном журнале. Последовали и другие статьи для научных и технических периодических изданий, но у него не было надежного дохода. К тому времени его мать и сестра умерли, а сам он страдал от туберкулеза.Однако год обучения в более благоприятном климате Крыма значительно улучшил его здоровье, и новый врач уверенно опроверг предыдущий диагноз.
Осенью 1856 г. Менделеев успешно защитил кандидатскую диссертацию о связи удельных объемов веществ с их кристаллографическими и химическими свойствами. Вскоре после этого Санкт-Петербургский университет предоставил ему лицензию преподавателя химии, что дало ему доступ в свою лабораторию. В 1859 г. он получил государственное финансирование на двухгодичное обучение за границей.
Построение карьеры
В Гейдельбергском университете в Германии Менделеев проводил исследования по нескольким темам, включая поверхностное натяжение, капиллярность и испарение, и на протяжении всей своей карьеры он сохранял интерес к межмолекулярным силам. В 1860 году он посетил конференцию в Карлсруэ, где итальянский химик Станислау Канниццаро выступил с новаторской статьей об атомных весах (теперь называемых относительными атомными массами). Это был решающий шаг на пути к периодической системе, поскольку ранее велись серьезные споры по поводу присвоения атомных весов элементам.
Некоторые химики утверждали, что эти веса не имеют значения, или вообще отрицали физическое существование атомов. Другие предпочли систему, основанную на атомном весе кислорода восемь, предполагая, что формула воды была HO, а не H 2 O. Но в Карлсруэ Канниццарро возродил идеи своего соотечественника Амадео Авогадро, чтобы поддержать H 2 . O формула воды и атомный вес 16 для кислорода. В течение 1860-х годов мнение изменилось в его пользу — к счастью для Менделеева, поскольку закономерности, которые указывали ему на периодическую таблицу, были бы менее заметны в старой системе.
Вернувшись в Санкт-Петербург в 1861 году, Менделеев возобновил преподавание в университете, одновременно читая лекции в Технологическом институте города. Кроме того, он опубликовал учебник по органической химии и несколько статей для технической энциклопедии, а также много путешествовал в поисках возможностей применить научные открытия для экономического развития России. Посещение бакинских нефтяных месторождений в 1863 году положило начало его долгой приверженности развивающейся нефтехимической промышленности, например.
Докторская диссертация Менделеева (по теории растворов) была принята в 1865 году, а в 1867 году университет назначил его профессором общей химии. От него требовалось читать лекции по неорганической химии, и, поскольку не существовало удовлетворительного учебника русского языка, он начал его писать. Это сосредоточило его внимание на задаче упорядочения химических элементов. Несколько других, в том числе Леопольд Гмелин в Германии, Жан Батист Дюма во Франции и Джон Ньюлендс в Англии, пытались это сделать, но с ограниченным успехом.Менделеев знал о некоторых из этих усилий, но его собственный подход отличался в важных отношениях.
Кладет карты на стол
Прорыв произошел в начале 1869 года, когда Менделеев готовился к очередной промышленной поездке — на этот раз для исследования и совершенствования технологий производства сыра. Между тем, завершив первый том своего учебника, он изо всех сил пытался создать основу для второго. Позже он вспомнил процесс следующим образом:
‘Итак, я начал искать и записывать элементы с их атомным весом и типичными свойствами, аналогичные элементы и подобные атомные веса на отдельных карточках, и это вскоре убедило меня, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомные веса … ‘
Д. Менделеев, Основы химии , 1905 (курсив наш)Менделеев раскладывал свои карты столбцами и рядами, как будто в пасьянсе или в пасьянсе — его любимом занятии во время железнодорожных путешествий.Вертикальные столбцы перечисляли известные элементы в порядке возрастания атомного веса, при этом новый столбец начинался всякий раз, когда это позволяло ему уместить элементы с аналогичными характеристиками в один и тот же горизонтальный ряд.
Как отмечали другие химики, несколько групп элементов, в частности щелочные металлы и галогены, явно принадлежали друг другу. Но многие другие, особенно редкоземельные элементы (лантаноиды), представляли проблемы, как бы они ни были организованы. На этом этапе Менделеев, в отличие от большинства своих предшественников, отказался прекращать борьбу.
Если положение элемента в его таблице казалось аномальным, он был готов скорректировать его атомный вес, чтобы дать ему более совместимых компаньонов. Например, он предложил формулу оксида бериллия BeO, а не принятую формулу Be 2 O 3 . Это снизило атомный вес бериллия, что позволило ему определить местонахождение его с магнием, а не с алюминием.
6 марта 1869 года первый черновой набросок его стола был представлен Русскому химическому обществу (организации, которую он помог основать несколькими месяцами ранее).Позже в том же году журнал общества опубликовал более продуманную версию, краткое изложение которой появилось в немецком переводе. За пределами России он привлек мало внимания, но Менделеев упорно продолжал раскладывать карты на свой стол.
Обратите внимание на пробелы
Обновленная диаграмма Менделеева, опубликованная в 1871 году, выглядит более привычной для современного глаза. Для его компиляции он сделал дополнительные предположения. Например, он снизил атомный вес теллура, сделав его соседний йод более тяжелым из двух.Это позволило ему связать йод с галогенами, а теллур с серой и селеном. В то время такие корректировки находились в пределах экспериментальной ошибки. Но Менделеев не мог предвидеть, что атомный номер, а не атомный вес позже станет принципом упорядочения таблицы, или что идентификация изотопов с помощью масс-спектрометрии в конечном итоге объяснит эти и другие аномалии.
С такой же смелостью Менделеев усилил согласованность своей таблицы, оставив зазоры для еще не обнаруженных элементов, чтобы завершить задуманную им схему.Помимо предсказания их химического характера, он также присвоил им условные значения физических свойств, таких как удельный вес и температура плавления.
Первый — галлий — был идентифицирован спектроскопически французским химиком Полем Лекоком де Буабодраном в 1875 году. Когда его стало достаточно для испытаний, все свойства галлия совпали с предсказаниями Менделеева, за исключением его удельного веса, который оказался равным 4,7. Однако после того, как Менделеев рекомендовал новые измерения, оказалось, что оно равно 5.9 — практически совпадает с его предсказанной фигурой.
Открытие скандия в 1879 году и германия в 1885 году — оба проявляли свойства, предсказанные для них Менделеевым, — убедило большее количество химиков в том, что его таблица, несмотря на оставшиеся аномалии, слишком полезна, чтобы ее игнорировать. Между тем, другие исследователи (особенно Лотар Мейер из Германии) также выявили периодические изменения физических свойств элементов. Менделеев позже заметил: «Хотя у меня были сомнения по поводу некоторых неясных моментов, я ни разу не усомнился в универсальности этого закона, потому что он не может быть результатом случайности.’[Менделеев, op cit ]
Менделеев, хотя и был прав в отношении всеобъемлющего принципа периодичности, не был непогрешимым пророком. Он предсказал несколько других элементов, которые так и не были обнаружены. И до конца своей жизни он утверждал, что эфир — существенный, но необнаруживаемый компонент в тогда принятых теориях света и электромагнетизма — на самом деле был химическим элементом, хотя ему не удалось выделить его в лаборатории. Он предположил, что это может быть самый легкий из благородных газов с атомным весом 0.17.
Более поздние годы
В личной жизни Менделеев был вызывающе нестандартен. Он стригся и стриг бороду только один раз в год, отказавшись изменить этот обычай даже для аудиенции у царя. Кроме того, его домашние распорядки были несколько необычными. В 1862 году он женился на Феосве Лещевой, которую вела в ее сторону старшая сестра из лучших побуждений, которая подумала, что ему пора остепениться. У пары было двое детей, но после периода растущего взаимного недовольства они согласились расстаться, попеременно занимая городской дом Дмитрия и его загородный дом.
Спустя несколько лет Дмитрий влюбился в Анну Попову, 17-летнюю студентку художественного факультета. Когда родители Анны отправили ее продолжать учебу в Рим, Дмитрий последовал за ней, и в 1881 году 47-летний мужчина сделал предложение о замужестве. Анна согласилась, но даже после развода Дмитрия и Феосвы оставалось еще одно препятствие. Русская православная церковь признала гражданский развод, но потребовала семилетнего перерыва перед последующим браком. Тем не менее, в 1882 году Дмитрий нашел священника, готового (за существенную плату) провести обряд преждевременно, и, несмотря на их неоднозначное и технически двоеженское положение, пара счастливо жила вместе и вырастила четверых детей.
В политике Менделеев также был индивидуалистом — откровенным либералом, который оставил свою профессуру в 1890 году, чтобы отмежеваться от жесткого подавления правительством студенческих протестов. Этот жест приветствовали его ученики, но вызвал неприязнь в официальных кругах. Тем не менее Сергий Витте, министр финансов России с 1892 г., оценил вклад Менделеева и в 1893 г. назначил его главой правительственного бюро мер и весов. Исходя из этого, он продолжал применять научные знания для содействия экономическому развитию России.
В 1905 году Лондонское Королевское общество удостоило Менделеева медали Копли, уже получив медаль Дэви в 1882 году. В 1906 году он был номинирован на Нобелевскую премию, но, хотя комиссия по химии поддержала его кандидатуру, комитет по наградам постановил, что его открытие было не недавним. достаточно, чтобы квалифицировать его для рассмотрения. На это решение, вероятно, повлиял шведский физико-химик Сванте Аррениус, который в прошлом конфликтовал с Менделеевым.
Спустя почти полвека после своей смерти в 1907 году Менделеев вступил в еще более эксклюзивный клуб.В 1955 году физики в кампусе Калифорнийского университета в Беркли засыпали элемент 99 (эйнштейний) альфа-частицами, чтобы получить следы элемента 101. Официально подтвержденный как «менделевий», этот новый элемент включил свое имя в созданную им иконку. К тому времени расположение стола стало объяснимым с точки зрения субатомных структур и квантового обмена энергией на уровне деталей, который Менделеев никогда не мог предвидеть. Однако это никоим образом не умаляет значимости его достижения.
Другие до него предположили, что список известных элементов может быть упорядочен по осмысленному образцу. Они отметили важные соответствия, но не нашли окончательной картины. Менделеев, однако, был убежден, что химические элементы следует рассматривать как коллективное целое. Вооруженный этой убежденностью, он придал своей таблице согласованность, смело пересматривая позиции некоторых известных элементов и оставляя пробелы для других, еще не обнаруженных. Хотя некоторые из его предсказаний были неверными, он набрал достаточно очков, чтобы сделать свою таблицу основой для нашего понимания элементов и подтвердить свой статус одного из основателей современной химии.
Майк Саттон, историк науки из Ньюкасла, Великобритания
Дополнительная литература
WH Brock, The Fontana History of Chemistry , Fontana Press, 1993
M Fontani, M Costa and MV Orna, The Lost Elements: The Periodic Table’s Shadow Side, Oxford University Press, 2015
ER Scerri, The Periodic Таблица: история и значение , Oxford University Press, 2006.