Γενικά

Πώς να δημιουργήσετε έναν περιοδικό πίνακα στοιχείων του Mendeleev

Κάθε πεδίο της επιστήμης έχει την αγαπημένη της επέτειο. Για τους φυσικούς, αυτές είναι οι Αρχές του Νεύτωνα, ένα βιβλίο από το 1687, το οποίο εισήγαγε τους νόμους της κίνησης και της βαρύτητας. Οι βιολόγοι γιορτάζουν τη δαρβινική προέλευση των ειδών (1859) και τα γενέθλιά του (1809). Οι αστρονόμοι γιορτάζουν το έτος 1543, γιατί τότε ο Κοπέρνικος έβαλε τον ήλιο στο κέντρο του ηλιακού συστήματος. Όσον αφορά τη χημεία, κανένας λόγος για τον εορτασμό δεν ξεπερνά την εμφάνιση του περιοδικού πίνακα των στοιχείων που δημιουργήθηκαν πριν από 150 χρόνια τον Μάρτιο από τον ρωσικό χημικό Dmitry Ivanovich Mendeleev.

Ο περιοδικός πίνακας έχει γίνει ο ίδιος γιαφοιτητές χημικών, όπως υπολογιστές για λογιστές. Περιέχει όλη την επιστήμη σε λίγο πάνω από εκατό τετράγωνα που περιέχουν σύμβολα και αριθμούς. Περιέχει τα στοιχεία που απαρτίζουν όλες τις χερσαίες ουσίες, ομαδοποιημένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δυνατός ο προσδιορισμός των μοτίβων στις ιδιότητές τους, ο προσδιορισμός του σκοπού της χημικής έρευνας, τόσο στη θεωρία όσο και στην πράξη.

Ο περιοδικός πίνακας είναι αναμφίβολα η πιο σημαντική έννοια της χημείας.

Ο περιοδικός πίνακας έμοιαζε με ένα ειδικότο τραπέζι, αλλά ο ίδιος ήθελε να αντικατοπτρίζει τη βαθιά επιστημονική αλήθεια που ανακάλυψε: τον περιοδικό νόμο. Ο νόμος του αποκάλυψε βαθιές οικογενειακές σχέσεις ανάμεσα σε γνωστά χημικά στοιχεία - παρουσιάζουν παρόμοιες ιδιότητες σε τακτά χρονικά διαστήματα (ή σε περιόδους), εφόσον έχουν ταξινομηθεί σε ατομική σειρά βάρους - και επέτρεψαν στον Mendeleev να προβλέψει την ύπαρξη στοιχείων που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.

"Πριν από τη δημοσίευση αυτού του νόμου, χημικότα στοιχεία ήταν απλά αποσπασματικά, τυχαία γεγονότα στη Φύση », δήλωσε ο Μεντέλεεφ. "Για πρώτη φορά, ο νόμος της περιοδικότητας μας επέτρεψε να δούμε αδιάκλαστα στοιχεία σε απόσταση που προηγουμένως ήταν απρόσιτη για το χημικό όραμα".

Ο περιοδικός πίνακας δεν προβλεπόταν μόνοτην ύπαρξη νέων στοιχείων. Επιβεβαίωσε έπειτα ακόμα αμφιλεγόμενη πίστη στην πραγματικότητα των ατόμων. Μίλησε για την ύπαρξη μιας υποατομικής δομής και προέβλεψε τη μαθηματική συσκευή στην οποία βασίζονται οι κανόνες που διέπουν την ύλη, οι οποίοι τελικά εκδηλώθηκαν στην κβαντική θεωρία. Το τραπέζι του ολοκλήρωσε τη μεταμόρφωση της χημικής επιστήμης από το μεσαιωνικό μαγικό μυστικισμό της αλχημείας σε ένα πεδίο σύγχρονης επιστημονικής αυστηρότητας. Ο περιοδικός πίνακας συμβολίζει όχι τόσο τα συστατικά μιας ουσίας όσο η λογική συνοχή και η θεμελιώδης λογική της επιστήμης στο σύνολό της.

Πώς δημιουργήθηκε ο περιοδικός πίνακας

Ο μύθος το έχει ο Mendeleev συλληφθεί και δημιούργησετο δικό του τραπέζι σε μια μέρα: 17 Φεβρουαρίου 1869, σύμφωνα με το ρωσικό ημερολόγιο (για τον μεγαλύτερο μέρος του κόσμου, αυτή είναι η 1η Μαρτίου). Αλλά αυτό είναι πιθανότατα υπερβολή. Ο Mendeleev σκεφτόταν την ομαδοποίηση στοιχείων με την πάροδο των χρόνων και άλλοι χημικοί πολλές φορές εξέτασαν την έννοια των συνδέσεων μεταξύ των στοιχείων των προηγούμενων δεκαετιών.

Στην πραγματικότητα, ο Γερμανός φυσικός Johann WolfgangΟ Dobereiner παρατήρησε τα χαρακτηριστικά των στοιχείων ομαδοποίησης το 1817. Εκείνες τις μέρες, οι χημικοί δεν είχαν καταλάβει πλήρως τη φύση των ατόμων, όπως περιγράφεται από την ατομική θεωρία του John Dalton το 1808. Στο "νέο σύστημα χημικής φιλοσοφίας" του, ο Dalton εξήγησε τις χημικές αντιδράσεις, υποδηλώνοντας ότι κάθε στοιχειακή ουσία αποτελείται από ένα άτομο συγκεκριμένου τύπου.

Ο Dalton πρότεινε χημικές αντιδράσειςπαράγονται νέες ουσίες όταν τα άτομα διαχωρίζονται ή ενώνονται. Πιστεύει ότι οποιοδήποτε στοιχείο αποτελείται αποκλειστικά από ένα είδος ατόμου, το οποίο διαφέρει από το άλλο σε βάρος. Τα άτομα οξυγόνου ζύγιζαν οκτώ φορές περισσότερα από τα άτομα υδρογόνου. Ο Dalton πίστευε ότι τα άτομα άνθρακα είναι έξι φορές βαρύτερα από το υδρογόνο. Όταν συνδυάζονται στοιχεία για τη δημιουργία νέων ουσιών, η ποσότητα των αντιδραστηρίων μπορεί να υπολογιστεί βάσει αυτών των ατομικών βαρών.

Ο Ντάλτον έκανε λάθος για μερικές μάζες - οξυγόνοστην πραγματικότητα, 16 φορές βαρύτερο από το υδρογόνο και άνθρακας 12 φορές βαρύτερο από το υδρογόνο. Αλλά η θεωρία του έκανε την ιδέα των ατόμων χρήσιμη, εμπνέοντας μια επανάσταση στη χημεία. Η ακριβής μέτρηση της ατομικής μάζας έχει γίνει ένα σημαντικό πρόβλημα για τους χημικούς κατά τις επόμενες δεκαετίες.

Αντικατοπτρίζοντας σε αυτές τις κλίμακες, ο Dobereiner το σημείωσεορισμένα σύνολα τριών στοιχείων (τα αποκαλούσαν τριάδες) δείχνουν μια ενδιαφέρουσα σύνδεση. Το βρώμιο, για παράδειγμα, είχε μια ατομική μάζα κάπου μεταξύ των μαζών του χλωρίου και του ιωδίου και τα τρία στοιχεία έδειξαν παρόμοια χημική συμπεριφορά. Το λίθιο, το νάτριο και το κάλιο ήταν επίσης μια τριάδα.

Άλλοι χημικοί έχουν παρατηρήσει τις συνδέσεις μεταξύ ατομικώνμάζες και χημικές ιδιότητες, αλλά μόνο στη δεκαετία του 1860 οι ατομικές μάζες γίνονταν αρκετά καλά κατανοητές και μετρήθηκαν για να αναπτύξουν μια βαθύτερη κατανόηση. Ο αγγλικός χημικός John Newlands σημείωσε ότι η διάταξη γνωστών στοιχείων με τη σειρά της αυξανόμενης ατομικής μάζας οδήγησε σε επανάληψη των χημικών ιδιοτήτων κάθε ογδόου στοιχείου. Κάλεσε αυτό το μοντέλο τον «νόμο οκτάβας» στο άρθρο του 1865. Αλλά το μοντέλο των Newlands δεν κράτησε καλά μετά τις δύο πρώτες οκτάβες, γεγονός που έκανε τους επικριτές να υποδείξουν ότι οργάνωσε τα στοιχεία με αλφαβητική σειρά. Και όπως συνειδητοποίησε σύντομα ο Mendeleev, η σχέση μεταξύ των ιδιοτήτων των στοιχείων και των ατομικών μαζών ήταν λίγο πιο περίπλοκη.

Οργάνωση στοιχείων

Ο Mendeleev γεννήθηκε στο Tobolsk, στη Σιβηρία, το 1834ήταν το δέκατο έβδομο παιδί των γονέων του. Έζησε μια ζωντανή ζωή, επιδιώκοντας διαφορετικά ενδιαφέροντα και ταξιδεύοντας στο δρόμο σε εξαιρετικούς ανθρώπους. Κατά τη διάρκεια της τριτοβάθμιας εκπαίδευσης στο Παιδαγωγικό Ινστιτούτο της Αγίας Πετρούπολης, σχεδόν πέθανε από σοβαρή ασθένεια. Μετά την αποφοίτησή του, διδάσκει στα σχολεία δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης (αυτό ήταν απαραίτητο για να λάβει μισθό στο ινστιτούτο), ενώ παράλληλα σπουδάζει τα μαθηματικά και τις φυσικές επιστήμες για να αποκτήσει μεταπτυχιακό δίπλωμα.

Στη συνέχεια εργάστηκε ως δάσκαλος και λέκτορας (και έγραψε επιστημονικές εισηγήσεις) έως ότου έλαβε υποτροφία για εκτεταμένη ερευνητική περιοδεία στα καλύτερα χημικά εργαστήρια της Ευρώπης.

Πίσω στην Αγία Πετρούπολη, ήταν χωρίςσυνεπώς, έγραψε έναν εξαιρετικό οδηγό για την οργανική χημεία με την ελπίδα να κερδίσει ένα μεγάλο χρηματικό έπαθλο. Το 1862 κέρδισε το βραβείο Demidov. Εργάστηκε επίσης ως εκδότης, μεταφραστής και σύμβουλος σε διάφορους τομείς χημικών. Το 1865 επέστρεψε στην έρευνα, έλαβε διδακτορικό και έγινε καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Αγίας Πετρούπολης.

Λίγο αργότερα, ο Mendeleev άρχισε να διδάσκειανόργανης χημείας. Προετοιμασία για να κυριαρχήσει αυτό το νέο (για αυτόν) πεδίο, παρέμεινε δυσαρεστημένος με τα διαθέσιμα βιβλία. Ως εκ τούτου, αποφάσισα να γράψω τη δική μου. Η οργάνωση του κειμένου απαιτούσε την οργάνωση των στοιχείων, οπότε το ζήτημα της καλύτερης θέσης τους ήταν πάντα στο μυαλό του.

Στις αρχές του 1869, ο Mendeleev είχε επιτύχει επαρκείςνα σημειωθεί πρόοδος ώστε να κατανοήσουμε ότι ορισμένες ομάδες παρόμοιων στοιχείων παρουσίασαν μια τακτική αύξηση των ατομικών μαζών. άλλα στοιχεία με περίπου τις ίδιες ατομικές μάζες είχαν παρόμοιες ιδιότητες. Αποδείχθηκε ότι η παραγγελία στοιχείων σύμφωνα με το ατομικό βάρος τους ήταν το κλειδί για την ταξινόμησή τους.

Σύμφωνα με τα λόγια του Mendeleev, αυτόςδομημένη τη σκέψη του, γράφοντας καθένα από τα 63 τότε γνωστά στοιχεία σε ξεχωριστή κάρτα. Στη συνέχεια, μέσω ενός χημικού παιχνιδιού πασιέντζα, βρήκε το μοτίβο που αναζητούσε. Η τοποθέτηση των καρτών σε κάθετες στήλες με ατομικές μάζες από χαμηλά σε υψηλότερα, τοποθετούσε στοιχεία με παρόμοιες ιδιότητες σε κάθε οριζόντια σειρά. Ο περιοδικός πίνακας του Mendeleev γεννήθηκε. Σχεδίασε ένα σχέδιο έκδοσης την 1η Μαρτίου, το έστειλε να το εκτυπώσει και το περιέλαβε στο βιβλίο του, το οποίο σύντομα θα δημοσιευόταν. Επίσης σύντομα προετοίμασε ένα έγγραφο για παρουσίαση στη Ρωσική Εταιρεία Χημικών Προϊόντων.

"Στοιχεία που διατάσσονται από το ατομικό τους μέγεθοςμάζες, δείχνουν σαφείς περιοδικές ιδιότητες », έγραψε ο Mendeleev στο έργο του. «Όλες οι συγκρίσεις που έκανα με οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι το μέγεθος της ατομικής μάζας καθορίζει τη φύση των στοιχείων».

Εν τω μεταξύ, ο Γερμανός χημικός Lothar Meyer επίσηςεργάστηκε για την οργάνωση των στοιχείων. Προετοιμάζει ένα τραπέζι παρόμοιο με το Mendeleev, ίσως και νωρίτερα από τον Mendeleev. Αλλά ο Mendeleev δημοσίευσε την πρώτη του.

Ωστόσο, πολύ πιο σημαντικό από τη νίκηπάνω από τον Meyer, ήταν ο τρόπος με τον οποίο ο Mendeleev χρησιμοποίησε το τραπέζι του για να κάνει τολμηρές προβλέψεις για τα αντικείμενα που δεν έχουν ανακαλυφθεί. Κατά την προετοιμασία του υπολογιστικού φύλλου, ο Mendeleev παρατήρησε ότι λείπουν μερικές από τις κάρτες. Έπρεπε να αφήσει άδειους χώρους έτσι ώστε τα γνωστά στοιχεία να μπορούν να ευθυγραμμιστούν σωστά. Κατά τη διάρκεια της ζωής του, τρεις κενές θέσεις ήταν γεμάτες με στοιχεία που δεν ήταν γνωστά στο παρελθόν: το γάλλιο, το σκάνδιο και το γερμάνιο.

Ο Mendeleev όχι μόνο προέβλεψε την ύπαρξη αυτώναλλά και περιγράφει σωστά τις ιδιότητές τους λεπτομερώς. Το Γάλλιο, για παράδειγμα, που ανακαλύφθηκε το 1875, είχε ατομική μάζα 69,9 και πυκνότητα έξι φορές μεγαλύτερη από εκείνη του νερού. Ο Mendeleev προέβλεψε αυτό το στοιχείο (το ονόμασε αλουμίνιο), μόνο από αυτή την πυκνότητα και την ατομική μάζα των 68. Οι προβλέψεις του για ecacarium αντιστοιχούσαν στενά με τη Γερμανία (που ανακαλύφθηκε το 1886) με ατομική μάζα (72 προβλέψεις, 72,3 στην πραγματικότητα) και πυκνότητα. Επίσης, προέβλεψε σωστά την πυκνότητα των ενώσεων γερμαίου με οξυγόνο και χλώριο.

Ο περιοδικός πίνακας έγινε προφητικός. Φαινόταν ότι στο τέλος αυτού του παιχνιδιού, αυτή η στοιχειώδης πασιέντζα θα αποκάλυπτε τα μυστικά του σύμπαντος. Την ίδια στιγμή, ο ίδιος ο Μεντελλέεφ ήταν πλοίαρχος στη χρήση του δικού του τραπέζι.

Οι επιτυχημένες προβλέψεις του Mendeleev τον έφεραντο θρυλικό καθεστώς του πλοίαρχου της χημικής μαγείας. Αλλά σήμερα οι ιστορικοί υποστηρίζουν ότι η ανακάλυψη των προβλεπόμενων στοιχείων έχει εδραιώσει την υιοθέτηση του περιοδικού νόμου. Η υιοθέτηση του νόμου μπορεί να σχετίζεται περισσότερο με την ικανότητά του να εξηγεί τους καθιερωμένους χημικούς δεσμούς. Σε κάθε περίπτωση, η προφητική ακρίβεια του Mendeleev, φυσικά, επέστησε την προσοχή στα πλεονεκτήματα του τραπεζιού του.

Μέχρι τη δεκαετία του 1890, οι χημικοί αναγνώρισαν ευρέως τον νόμο του.ως ορόσημο στη χημική γνώση. Το 1900, ο μελλοντικός βραβευμένος με το Νόμπελ Χημείας, William Ramsay, το ονόμασε "η μεγαλύτερη γενίκευση που έγινε ποτέ στη χημεία". Και ο Mendeleev το έκανε χωρίς να ξέρει πώς.

Μαθηματική κάρτα

Σε πολλές περιπτώσεις στην ιστορία της επιστήμης είναι μεγάληοι προβλέψεις με βάση τις νέες εξισώσεις αποδείχθηκαν αληθινές. Με κάποιο τρόπο, τα μαθηματικά αποκαλύπτουν μερικά φυσικά μυστικά πριν τα βρουν οι πειραματιστές. Ένα παράδειγμα είναι η αντιύλη, η άλλη είναι η επέκταση του σύμπαντος. Στην περίπτωση του Mendeleev, οι προβλέψεις νέων στοιχείων προέκυψαν χωρίς δημιουργικά μαθηματικά. Αλλά στην πραγματικότητα, ο Mendeleev ανακάλυψε έναν βαθύ μαθηματικό χάρτη της φύσης, αφού το τραπέζι του αντικατόπτριζε την έννοια της κβαντικής μηχανικής, τους μαθηματικούς κανόνες που διέπουν την ατομική αρχιτεκτονική.

Στο βιβλίο του, ο Μεντελλέεφ σημείωσε ότι «εσωτερικάοι διαφορές της ύλης που συνιστά τα άτομα μπορεί να είναι υπεύθυνες για περιοδικά επαναλαμβανόμενες ιδιότητες των στοιχείων. Αλλά δεν τήρησε αυτή τη γραμμή σκέψης. Στην πραγματικότητα, για πολλά χρόνια σκέφτηκε πόσο σημαντική είναι η ατομική θεωρία για το τραπέζι του.

Αλλά άλλοι κατάφεραν να διαβάσουν το εσωτερικό μήνυμα.πίνακες. Το 1888, ο γερμανός χημικός Johannes Wislitzen δήλωσε ότι η περιοδικότητα των ιδιοτήτων των στοιχείων, που ταξινομούνται κατά μάζα, δείχνει ότι τα άτομα αποτελούνται από κανονικές ομάδες μικρότερων σωματιδίων. Έτσι, κατά κάποιον τρόπο, ο περιοδικός πίνακας όντως προέβλεπε (και παρείχε στοιχεία) τη σύνθετη εσωτερική δομή των ατόμων, ενώ κανείς δεν είχε ιδέα για το πώς πραγματικά φάνηκε το άτομο ή αν είχε κάποια εσωτερική δομή.

Μέχρι τη στιγμή που ο Mendeleev πέθανε το 1907, επιστήμονεςγνώριζαν ότι τα άτομα χωρίζονται σε μέρη: τα ηλεκτρόνια που φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, συν κάποια θετικά φορτισμένα συστατικά που καθιστούν τα άτομα ηλεκτρικά ουδέτερα. Το κλειδί για τον τρόπο με τον οποίο τα εν λόγω τμήματα ευθυγραμμίζονται ήταν η ανακάλυψη του 1911, όταν ο φυσικός Ernest Rutherford, ο οποίος εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στην Αγγλία, ανακάλυψε τον ατομικό πυρήνα. Λίγο αργότερα, ο Henry Mosley, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Rutherford, έδειξε ότι η ποσότητα θετικού φορτίου στον πυρήνα (ο αριθμός των πρωτονίων που περιέχει ή ο «ατομικός αριθμός») καθορίζει τη σωστή σειρά των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα.

Η ατομική μάζα ήταν στενά συνδεδεμένη με τον ατομικό αριθμόΤο Mosley είναι αρκετά κοντά, έτσι ώστε η παραγγελία στοιχείων μαζικά σε λίγα μόνο σημεία να διαφέρει από την παραγγελία σε αριθμό. Ο Μεντέλεεφ επέμεινε ότι αυτές οι μάζες ήταν λάθος και έπρεπε να επαναμετρηθούν και σε μερικές περιπτώσεις αποδείχθηκαν σωστές. Μόνο μερικές αποκλίσεις παραμένουν, αλλά ο ατομικός αριθμός του Mozley τέλειωσε τέλεια στο τραπέζι.

Την ίδια περίπου εποχή, ο Δανός φυσικός Niels Bohr συνειδητοποίησε ότι η κβαντική θεωρία καθορίζει τη διάταξη των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τον πυρήνα και ότι τα πιο μακρινά ηλεκτρόνια καθορίζουν τις χημικές ιδιότητες ενός στοιχείου.

Παρόμοιες διατάξεις των εξωτερικών ηλεκτρονίων θα είναιΕπαναλάβετε περιοδικά, εξηγώντας τα μοτίβα που αποκαλύφθηκαν αρχικά στον Περιοδικό Πίνακα. Ο Bohr δημιούργησε τη δική του έκδοση του πίνακα το 1922, με βάση πειραματικές μετρήσεις της ενέργειας των ηλεκτρονίων (μαζί με μερικές συμβουλές από τον περιοδικό νόμο).

Ο πίνακας Bohr πρόσθεσε στοιχεία που άνοιξαν από το 1869χρόνια, αλλά ήταν η ίδια περιοδική τάξη, ανοίξτε τον Mendeleev. Δεν έχει ιδέα για την κβαντική θεωρία, ο Mendeleev δημιούργησε έναν πίνακα που αντικατοπτρίζει την ατομική αρχιτεκτονική που υπαγορεύεται από την κβαντική φυσική.

Ο νέος πίνακας του Bora δεν ήταν ούτε ο πρώτος ούτετην τελευταία έκδοση του αρχικού σχεδιασμού του Mendeleev. Από τότε έχουν αναπτυχθεί και δημοσιευτεί εκατοντάδες εκδόσεις του περιοδικού πίνακα. Η σύγχρονη μορφή - σε οριζόντιο σχεδιασμό, σε αντίθεση με την αρχική κάθετη έκδοση του Mendeleev - έγινε ευρέως δημοφιλής μόνο μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, χάρη σε μεγάλο βαθμό στο έργο του αμερικανικού χημικού Glenn Seaborg.

Ο Seaborg και οι συνεργάτες του δημιούργησαν πολλά νέαστοιχεία συνθετικά, με ατομικούς αριθμούς μετά το ουράνιο, το τελευταίο φυσικό στοιχείο του πίνακα. Ο Seaborg είδε ότι αυτά τα στοιχεία, transuranic (συν τα τρία στοιχεία που προηγήθηκαν του ουρανίου), απαιτούσαν μια νέα σειρά στον πίνακα που δεν είχε προβλέψει ο Mendeleev. Ο πίνακας Seaborg πρόσθεσε μια σειρά για τα στοιχεία αυτά κάτω από μια παρόμοια σειρά στοιχείων σπάνιων γαιών που επίσης δεν είχαν θέση στον πίνακα.

Η συμβολή του Seaborg στη χημεία του έφερε την τιμή να το ονομάσωτο δικό του στοιχείο - siborgiy με τον αριθμό 106. Αυτό είναι ένα από τα πολλά στοιχεία που ονομάζονται από διάσημους επιστήμονες. Και σε αυτόν τον κατάλογο, φυσικά, υπάρχει ένα στοιχείο 101, το οποίο ανοίχτηκε από τον Seaborg και τους συναδέλφους του το 1955 και ονομάστηκε Mendelevy - προς τιμή του χημίστρου, ο οποίος, πάνω από όλα, άξιζε μια θέση στο περιοδικό πίνακα.

Ελάτε στο news feed μας αν θέλετε περισσότερες παρόμοιες ιστορίες.