общ

Как да създадем периодична таблица на елементите на Менделеев

Всяка област на науката има своя любима годишнина. За физиците това са принципите на Нютон, книга от 1687 г., която въвежда законите на движението и гравитацията. Биолозите празнуват Дарвинския произход на видовете (1859) и рождения му ден (1809 г.). Астрономите празнуват 1543 година, защото именно тогава Коперник поставя Слънцето в центъра на Слънчевата система. Що се отнася до химията, нито една причина за празника не надминава появата на периодичната система от елементи, създадени преди 150 години през март от руския химик Дмитрий Иванович Менделеев.

Периодичната таблица е станала застуденти по химикали като калкулатори за счетоводители. Той съдържа цялата наука в малко над сто квадрата, съдържащи символи и числа. В него са изброени елементите, които съставляват всички сухоземни вещества, групирани по такъв начин, че е възможно да се идентифицират моделите в техните свойства, да се определи целта на химическите изследвания, както на теория, така и на практика.

Периодичната таблица несъмнено е най-важната концепция в химията.

Периодичната маса изглеждаше като специалнана масата, но той самият искаше да отразява дълбоката научна истина, която той откри: периодичния закон. Неговият закон разкрива дълбоки семейни връзки между известните химични елементи - те показват сходни свойства на равни интервали (или периоди), ако са подредени в атомно тегло - и позволяват на Менделеев да предвиди съществуването на елементи, които все още не са открити.

"Преди обнародването на този закон, химическиелементите бяха само фрагментарни, случайни факти в Природата ”, заяви Менделеев. "За първи път законът за периодичността ни позволи да видим неоткрити елементи на разстояние, което преди това е било недостъпно за химическа визия."

Периодичната таблица не само е предсказанасъществуването на нови елементи. Тогава тя потвърди все още спорна вяра в реалността на атомите. Тя намекна за съществуването на субатомна структура и предвижда математическия апарат, който стои в основата на правилата, регулиращи материята, които в крайна сметка се проявяват в квантовата теория. Неговата маса завърши превръщането на химическата наука от средновековната магическа мистика на алхимията в поле на съвременна научна строгост. Периодичната таблица символизира не толкова съставните части на дадено вещество, колкото логическата последователност и фундаменталната рационалност на науката като цяло.

Как е създадена периодичната таблица

Легендата разказва, че Менделеев замисля и създавасобствена маса в един ден: 17 февруари 1869 г., според руския календар (за по-голямата част от света, това е 1 март). Но това най-вероятно е преувеличение. Менделеев мислеше за групирането на елементи през годините, а други химици няколко пъти разглеждаха концепцията за връзките между елементите в предишните десетилетия.

В действителност, немският физик Йохан ВолфгангДобрейнер забеляза чертите на групиране на елементи още през 1817 година. В онези дни химиците все още не са разбрали напълно естеството на атомите, както е описано от атомната теория на Джон Далтън през 1808 година. В своята „нова система на химическата философия” Далтън обяснява химичните реакции, като предполага, че всяко елементарно вещество се състои от атом от определен тип.

Далтън предложи химически реакциипроизведени нови вещества, когато атомите са разделени или свързани. Той вярвал, че всеки елемент се състои единствено от един тип атом, който се различава от другите по тегло. Кислородните атоми тежат осем пъти повече от водородните атоми. Далтън смята, че въглеродните атоми са шест пъти по-тежки от водорода. Когато се комбинират елементи за създаване на нови вещества, количеството реагенти може да се изчисли, като се вземат предвид тези атомни тегла.

Далтън не беше прав за някои маси - кислородв действителност, 16 пъти по-тежък от водород, и въглерод 12 пъти по-тежък от водород. Но неговата теория направи идеята за атомите полезна, вдъхновявайки революция в химията. Точното измерване на атомната маса се превърна в основен проблем за химиците през следващите десетилетия.

Размишлявайки върху тези скали, Доберинер отбеляза тованякои групи от три елемента (наричали ги триади) показват интересна връзка. Бромът например има атомна маса някъде между масите на хлора и йода и всичките три елемента показват сходно химично поведение. Литий, натрий и калий също са триада.

Други химици са забелязали връзки между атомамасите и химичните свойства, но само през 1860-те години атомните маси стават достатъчно добре разбрани и измерени, за да развият по-дълбоко разбиране. Английският химик Джон Нюландс отбелязва, че подреждането на известни елементи в реда на увеличаване на атомната маса води до повторение на химичните свойства на всеки осми елемент. Той нарича този модел „октавния закон“ в статията от 1865 година. Но моделът на Нюландс не се запази след първите две октави, което накара критиците да подредят елементите по азбучен ред. И тъй като скоро разбираше Менделеев, връзката между свойствата на елементите и атомните маси беше малко по-сложна.

Организация на елементите

Менделеев е роден в Тоболск, в Сибир, през 1834 годинабеше седемнадесетото дете на родителите му. Живееше с жив живот, преследвайки различни интереси и пътувайки по пътя към изключителни хора. Докато получава висше образование в Педагогическия институт в Санкт Петербург, той почти умира от сериозно заболяване. След дипломирането си той преподава в средните училища (това е било необходимо, за да получи заплата в института), като в същото време учи математика и естествени науки, за да получи магистърска степен.

След това работи като учител и преподавател (и пише научни статии), докато получи стипендия за разширено изследователско пътуване в най-добрите химически лаборатории в Европа.

В Санкт Петербург беше без негоработата, следователно, написа отлично ръководство за органичната химия в надеждата да спечели голяма парична награда. През 1862 г. печели наградата на Демидов. Работил е и като редактор, преводач и консултант в различни области на химията. През 1865 г. той се връща към научните изследвания, получава докторска степен и става професор в Санкт Петербургския университет.

Скоро след това Менделеев започна да преподаванеорганична химия. Подготвяйки се да овладее тази нова (за него) област, той остава недоволен от наличните учебници. Затова реших да напиша своя. Организацията на текста изискваше организирането на елементите, така че въпросът за тяхното най-добро местоположение винаги беше в съзнанието му.

В началото на 1869 г. Менделеев е постигнал достатъчнонапредък, за да разберат, че някои групи от подобни елементи показват редовно увеличение на атомните маси; други елементи с приблизително еднакви атомни маси имат подобни свойства. Оказа се, че подреждането на елементите според атомното им тегло е ключът към тяхната класификация.

Според думите на Менделеев, тойструктурира мисленето си като пише всеки от 63-те известни елемента на отделна карта. След това, чрез един вид игра на химически пасианс, той намери модела, който търсеше. Поставяйки картите във вертикални колони с атомни маси от ниско към по-високо, той поставя елементи с подобни свойства във всеки хоризонтален ред. Родена е Периодичната система на Менделеев. На 1 март той скицира проект, който го изпрати за печат и го включи в учебника си, който скоро ще бъде публикуван. Той също така бързо подготви хартия за представяне пред Руското химическо общество.

- Елементи, подредени по атомния им размермаси, показват ясни периодични свойства “, пише Менделеев в работата си. "Всички сравнения, които направих, ме накараха да стигна до заключението, че размерът на атомната маса определя естеството на елементите."

Междувременно немският химик Лотар Майер същоработи по организацията на елементите. Той подготви маса, подобна на тази на Менделеев, може би дори по-рано от Менделеев. Но Менделеев публикува първия си.

Въпреки това, много по-важно от победатанад Майер, как Менделеев използваше масата си, за да направи смели предсказания за неоткритите предмети. При подготовката на електронната си таблица Менделеев забеляза, че някои от картите липсват. Трябваше да остави празни пространства, за да могат известните елементи да се подравнят правилно. По време на неговия живот три празни места бяха изпълнени с неизвестни преди това елементи: галий, скандий и германий.

Менделеев не само е предвидил съществуването имелементи, но също така подробно описани правилно техните свойства. Галий, например, открит през 1875 г., има атомна маса от 69.9 и шест пъти по-голяма плътност от вода. Менделеев предсказва този елемент (наричаше го алуминий), само с тази плътност и атомна маса от 68. Предсказанията му за екакариума съответстваха на Германия (открита през 1886 г.) с атомна маса (72 предсказани, 72,3) и плътност. Той също така правилно е предвидил плътността на германиевите съединения с кислород и хлор.

Периодичната таблица стана пророческа. Изглеждаше, че в края на тази игра този елементарен пасианс ще разкрие тайните на вселената. В същото време самият Менделеев беше майстор в използването на собствената си маса.

Успешните предсказания на Менделеев го доведохалегендарния статут на майстор на химическата магия. Но днес историците твърдят, че откриването на предсказаните елементи е консолидирало приемането на неговия периодичен закон. Приемането на закона би могло да се свърже повече с неговата способност да обяснява установените химически връзки. Във всеки случай, предсказващата точност на Менделеев, разбира се, обърна внимание на достойнствата на неговата маса.

През 1890 г. химиците широко признават неговия закон.като крайъгълен камък в химическото познание. През 1900 г. бъдещият Нобелов лауреат по химия Уилям Рамзи нарече го "най-голямата генерализация, извършена някога в химията". И Менделеев го направи, без да знае как.

Математическа карта

В много случаи в историята на науката са големиПрогнозите, основани на нови уравнения, се оказаха верни. Някак си математиката разкрива някои естествени тайни, преди експериментаторите да ги открият. Един пример е антиматерията, а другата е разширяването на Вселената. В случая с Менделеев, предсказанията за нови елементи са възникнали без никаква творческа математика. Но в действителност Менделеев открива дълбока математическа карта на природата, тъй като таблицата му отразява значението на квантовата механика, математическите правила, управляващи атомната архитектура.

В книгата си Менделеев отбеляза, че „вътрешноразличията на материята, които съставляват атоми, могат да бъдат отговорни за периодично повтарящи се свойства на елементите Но той не се придържаше към тази линия на мислене. Всъщност в продължение на много години той мислеше колко важна е атомната теория за неговата маса.

Но други успяха да прочетат вътрешното послание.таблица. През 1888 г. немският химик Йоханес Вислицен заявява, че периодичността на свойствата на елементите, подредени по маса, показва, че атомите се състоят от редовни групи по-малки частици. Така, в известен смисъл, периодичната таблица наистина предвиждаше (и предоставяше доказателства) сложната вътрешна структура на атомите, докато никой нямаше представа как атомът наистина изглеждаше или имаше някаква вътрешна структура.

По времето, когато Менделеев почина през 1907 г., ученитезнаеше, че атомите са разделени на части: електрони, които носят отрицателен електрически заряд, плюс някои положително заредени компоненти, които правят атомите електрически неутрални. Ключът към това, как тези части се издигат, е откриването на 1911 г., когато физикът Ернест Ръдърфорд, който работи в Манчестърския университет в Англия, откри атомното ядро. Скоро след това, Хенри Мозли, който работи с Ръдърфорд, демонстрира, че количеството на положителния заряд в ядрото (броят на протоните, които той съдържа, или „атомният му номер“) определя правилния ред на елементите в периодичната таблица.

Атомната маса беше тясно свързана с атомния номерМозли е достатъчно близо, така че подреждането на елементи по маса само на няколко места се различава от подреждането по брой. Менделеев настоя, че тези маси са погрешни и трябва да бъдат преоценявани, а в някои случаи се оказа, че са прави. Остават само няколко несъответствия, но атомният номер на Мозли перфектно лежи в таблицата.

Почти по същото време датският физик Нилс Бор осъзнава, че квантовата теория определя разположението на електроните около ядрото и че най-отдалечените електрони определят химичните свойства на елемента.

Подобни подредби на външни електрони ще бъдатПовтаряйте периодично, обяснявайки моделите, които Периодичната таблица първоначално е разкрила. Бор създава своя собствена версия на таблицата през 1922 г., базирана на експериментални измервания на енергията на електрони (заедно с някои съвети от периодичния закон).

Добавените елементи от таблицата на Бор са отворени от 1869 годинагодини, но това е един и същ периодичен ред, отворен Менделеев. Без да има представа за квантовата теория, Менделеев създава таблица, отразяваща атомната архитектура, продиктувана от квантовата физика.

Новата маса на Бора не беше нито първата, нито първатапоследната версия на първоначалния дизайн на Менделеев. Оттогава са разработени и публикувани стотици версии на периодичната таблица. Съвременната форма - в хоризонтален дизайн, за разлика от оригиналната вертикална версия на Менделеев - стана широко популярна едва след Втората световна война, благодарение до голяма степен на работата на американския химик Глен Сиборг.

Сиборг и колегите му създадоха няколко новиелементи синтетично, с атомни номера след уран, последният естествен елемент в таблицата. Сиборг видя, че тези елементи, трансуранови (плюс трите елемента, предшестващи урана), изискват нов ред в таблицата, който Менделеев не е предвидил. Таблицата на Сиборг добави ред за тези елементи под подобна поредица от редкоземни елементи, които също нямаха място в таблицата.

Приносът на Сиборг в химията му донесъл честта да носи имесобствен елемент - siborgiy с номер 106. Това е един от няколкоте елемента, наречени на известни учени. И в този списък, разбира се, има елемент 101, открит от Сиборг и неговите колеги през 1955 г. и наречен Менделеви - в чест на химика, който преди всичко заслужаваше място в периодичната таблица.

Елате в новините ни, ако искате още подобни истории.