כיצד ליצור טבלה מחזורית של אלמנטים של מנדלייב

לכל תחום מדע יש יום השנה החביב עליו. עבור פיסיקאים, זהו עקרונות ניוטון, ספר משנת 1687, אשר הציג את חוקי התנועה וכוח הכבידה. ביולוגים חוגגים את מוצא המינים הדרוויניסטי (1859) ואת יום הולדתו (1809). האסטרונומים חוגגים את שנת 1543, כי אז קופרניקוס הציב את השמש במרכז מערכת השמש. באשר לכימיה, לא סיבה אחת לחגיגה עולה על המראה של הטבלה המחזורית של אלמנטים שנוצרו לפני 150 שנה במרס על ידי הכימאי הרוסי דמיטרי איבנוביץ 'מנדלב.

הטבלה המחזורית הפכה זהה עבורסטודנטים כימיים כמו מחשבונים לרואי חשבון. הוא מכיל את כל המדע בתוך קצת יותר ממאה ריבועים המכילים סמלים ומספרים. הוא מפרט את האלמנטים המרכיבים את כל החומרים הארציים, מקובצים בצורה כזו שאפשר היה לזהות דפוסים במאפיינים שלהם, כדי לקבוע את מטרת המחקר הכימי, הן מבחינה תיאורטית והן בפועל.

הטבלה המחזורית היא ללא ספק התפיסה החשובה ביותר בכימיה.

השולחן התקופתי נראה כמו מיוחדאת השולחן, אבל הוא עצמו רצה שזה ישקף את האמת המדעית העמוקה שהוא גילה: חוק תקופתי. חוקיו גילו יחסי משפחה עמוקים בין אלמנטים כימיים ידועים - הם מראים מאפיינים דומים במרווחי זמן קבועים (או תקופות), אם מסודרים בסדר משקל אטומי - ומאפשר למנדליב לחזות את קיומו של אלמנטים שטרם התגלו.

"לפני פרסום חוק זה, כימיהיסודות היו רק עובדות מקוטעות, אקראיות בטבע, "אמר מנדלב. "בפעם הראשונה, חוק המחזוריות אפשר לנו לראות אלמנטים לא ידועים מרחוק שלא היה נגיש בעבר לראייה כימית."

לוח תקופתי לא רק חזהקיומו של אלמנטים חדשים. היא אישרה אז עדיין אמונה שנוי במחלוקת במציאות האטומים. היא רמזה על קיומו של מבנה תת-אטומי וחזה את המנגנון המתמטי העומד מאחורי הכללים החלים על העניין, שבסופו של דבר התבטא בתיאוריית הקוואנטים. השולחן שלו השלים את התמורה של המדע הכימי מן המיסטיקה הקסומה מימי הביניים של אלכימיה לשדה של קפדנות מדעית מודרנית. הטבלה המחזורית מסמלת לא כל כך את המרכיבים של חומר כמו עקביות לוגית ורציונליות בסיסית של המדע בכללותו.

כיצד נוצר הטבלה המחזורית

האגדה יש ​​את זה מנדלייב הרהר ויצרשולחן אחד ביום אחד: 17 בפברואר 1869, על פי לוח השנה הרוסי (עבור רוב העולם, זה 1 במרץ). אבל זו כנראה הגזמה. מנדלייב חשב על קיבוץ של גורמים במשך השנים, וכימאים אחרים חשבו כמה פעמים על הקשרים בין אלמנטים בעשורים קודמים.

למעשה, הפיזיקאי הגרמני יוהן וולפגנגDobereiner הבחין התכונות של אלמנטים קיבוץ בחזרה בשנת 1817. בימים ההם, כימאים עדיין לא הבינו את מהות האטומים, כפי שתיארה תיאוריית האטום של ג'ון דלטון ב -1808. ב"מערכת החדשה של הפילוסופיה הכימית ", הסביר דלטון תגובות כימיות, מה שמרמז שכל חומר אלמנטרי מורכב מאטום מסוג מסוים.

דלטון הציע לתגובות כימיותהפיק חומרים חדשים כאשר האטומים מופרדים או הצטרפו. הוא האמין כי כל מרכיב מורכב אך ורק מסוג אחד של אטום, אשר שונה מן האחרים במשקל. אטומי חמצן שקלו פי שמונה מאטומי המימן. דלתון האמין כי אטומי פחמן גבוהים פי שישה ממימן. כאשר אלמנטים משולבים כדי ליצור חומרים חדשים, כמות המגיבים ניתן לחשב לקחת בחשבון את המשקולות האטומיים.

דלתון טעה בכמה מסות - חמצןלמעשה, 16 פעמים כבד יותר מאשר מימן, ופחמן 12 פעמים כבד יותר מימן. אבל התיאוריה שלו הפכה את הרעיון של אטומים שימושי, מעורר השראה מהפכה בכימיה. מדידה מדויקת של המסה האטומית הפכה לבעיה מרכזית עבור כימאים בעשורים הבאים.

בהתייחסו לסולמות אלה, ציין דובריינרקבוצות מסוימות של שלושה אלמנטים (הוא קרא להם טריאדות) מראה קשר מעניין. ברום, למשל, היה בעל מסה אטומית אי שם בין המוני כלור ויוד, וכל שלושת היסודות הראו התנהגות כימית דומה. ליתיום, נתרן ואשלגן היו גם הם משולשים.

כימאים אחרים הבחינו בקשר בין האטוםאך רק בשנות ה -60 של המאה ה -19 ההמונים האטומיים נהיו מובנים דיים ומדויקים כדי לפתח הבנה מעמיקה יותר. הכימאי האנגלי ג'ון ניולנדס ציין כי סידור של אלמנטים ידועים כדי להגדיל את המסה האטומית הוביל לחזרה על התכונות הכימיות של כל אלמנט שמיני. הוא קרא מודל זה "חוק אוקטבה" ב 1865 המאמר. אבל המודל של ניולנדס לא עמד בקצב טוב אחרי שני האוקטבים הראשונים, מה שגרם למבקרים לטעון שהוא יסדר את האלמנטים בסדר אלפביתי. וכפי שמנדלב הבין עד מהרה, היחסים בין תכונות היסודות לבין ההמונים האטומיים היו קצת יותר מסובכים.

ארגון אלמנטים

מנדלב נולד בטובולסק שבסיביר בשנת 1834היה הילד השבע-עשרה של הוריו. הוא חי חיים תוססים, רודף אחר תחומי עניין ונוסע לאורך הדרך לאנשים מצטיינים. בעת שקיבל השכלה גבוהה במכון הפדגוגי בסנט פטרבורג, כמעט מת ממחלה קשה. לאחר סיום הלימודים, הוא לימד בבתי ספר תיכוניים (היה צורך לקבל משכורת במכון), תוך כדי לימוד מתמטיקה ומדעים כדי לקבל תואר שני.

אחר כך עבד כמורה ומרצה (וכתב מאמרים מדעיים) עד שקיבל מלגה לסיור לימודי ממושך במעבדות הכימיות הטובות באירופה.

בחזרה לסנט פטרסבורג, הוא היה בליעבודה, ולכן, כתב מדריך מצוין בכימיה אורגנית בתקווה לזכות בפרס כספי גדול. בשנת 1862 הוא זכה בפרס דמידוב. הוא עבד גם כעורך, מתרגם ויועץ בתחומים כימיים שונים. בשנת 1865, הוא חזר למחקר, קיבל דוקטורט והפך פרופסור באוניברסיטת סנט פטרסבורג.

זמן קצר לאחר מכן החל מנדלייב ללמדכימיה אנאורגנית. הוא התכונן להשתלט על השדה החדש (עבורו), אבל הוא לא היה מרוצה מספרי הלימוד הקיימים. לכן החלטתי לכתוב בעצמי. ארגון הטקסט דרש את ארגון היסודות, כך ששאלת מיקומם הטוב ביותר היתה תמיד על דעתו.

בתחילת 1869 הגיע מנדלייב למספיקהתקדמות כדי להבין כי כמה קבוצות של אלמנטים דומים הראו גידול קבוע בהמונים האטומיים; אלמנטים אחרים עם כ מאותם מסה אטומית דומה היו בעלי מאפיינים דומים. התברר כי הזמנת גורמים על פי משקלם האטומי היא המפתח לסיווגם.

על פי דבריו של מנדלייב עצמו, הואמובנית החשיבה שלו על ידי כתיבת כל אחד 63 אלמנטים ידועים מכן על כרטיס נפרד. ואז, דרך סוג של משחק סוליטר כימי, הוא מצא את הדפוס שהוא מחפש. מיצוב הקלפים בעמודים אנכיים עם מסה אטומית מהנמוך לגבוה, הוא הניח אלמנטים בעלי מאפיינים דומים בכל שורה אופקית. הטבלה המחזורית של מנדלייב נולדה. הוא רשם נוסח טיוטה ב- 1 במרס, שלח אותו להדפסה וכלל אותו בספר הלימוד שלו, שעוד מעט יצא לאור. הוא גם הכין במהירות נייר להצגת החברה הרוסית לכימיה.

"אלמנטים מסודרים לפי גודל האטום שלהםהמונים, מראים מאפיינים תקופתיים ברורים, "כתב מנדלייב בעבודתו. "כל ההשוואות שעשיתי הובילו אותי למסקנה שגודלו של המסה האטומית קובע את מהות האלמנטים".

בינתיים, גם הכימאי הגרמני לותר מאיירעבד על ארגון האלמנטים. הוא הכין שולחן דומה לזה של מנדלייב, אולי אפילו מוקדם יותר ממנדלייב. אבל מנדלייב פירסם את הראשון שלו.

עם זאת, הרבה יותר חשוב מאשר המנצחעל פני מאייר, השתמש מנדלייב בשולחן שלו כדי לערוך תחזיות נועזות על חפצים שלא נחשפו. בהכנת הגיליון האלקטרוני שלו הבחין מנדליב שכמה מן הקלפים חסרים. הוא נאלץ להשאיר רווחים ריקים, כך שניתן יהיה לכוונן את היסודות הידועים. במהלך חייו, שלושה מקומות ריקים היו מלאים אלמנטים לא ידועים בעבר: גליום, סקנדיום וגרמניום.

מנדלב לא רק ניבא את קיומם של אלהאלמנטים, אבל גם תיאר נכונה את המאפיינים שלהם בפירוט. גליום, למשל, התגלה בשנת 1875, היה מסה אטומית של 69.9 ו צפיפות שש פעמים של מים. מנדלייב ניבא את האלמנט הזה (הוא כינה אותו באלומיניום), רק על ידי צפיפות זו ומסה אטומית של 68. תחזיותיו לאקריום תואמות את גרמניה (שנתגלה ב- 1886) על ידי מסת האטום (72 חזוי, 72.3 למעשה) וצפיפות. הוא גם ניבא נכונה את הצפיפות של תרכובות גרניום עם חמצן וכלור.

הטבלה המחזורית נעשתה נבואית. נראה כי בסוף המשחק הזה סוליטר של אלמנטים יגלה את סודות היקום. עם זאת, מנדלייב עצמו היה אמן בשימוש בטבלה שלו.

התחזיות המוצלחות של מנדלייב הביאו אותוהמעמד האגדי של מאסטר של קסם כימי. אולם כיום טוענים ההיסטוריונים האם הגילוי של הגורמים החזויים איחד את אימוץ חוק תקופתי. אימוץ החוק יכול להיות קשור יותר ליכולתה להסביר את הקשרים הכימיים הקיימים. מכל מקום, הדיוק החזוי של מנדלייב, כמובן, הפנה את תשומת לבו לגופו של השולחן.

על ידי 1890s, הכימאים זיהו את החוק שלו.כאבן דרך בידע כימי. בשנת 1900, חתן פרס נובל לכימיה, ויליאם רמזי, כינה זאת "ההכללה הגדולה ביותר שבוצעה בכימיה". ומנדלייב עשה זאת בלי להבין איך.

כרטיס מתמטי

במקרים רבים בהיסטוריה של המדע הם גדוליםתחזיות המבוססות על משוואות חדשות שהתגלו כנכונות. איכשהו, מתמטיקה מגלה כמה סודות טבעיים לפני הניסויים לגלות אותם. דוגמה אחת היא antimatter, השני הוא הרחבת היקום. במקרה של מנדלייב, התחזיות של אלמנטים חדשים התעוררו ללא כל מתמטיקה יצירתית. אבל למעשה, מנדלייב גילה מפה מתמטית עמוקה של הטבע, שכן הטבלה שלו שיקפה את המשמעות של מכניקת הקוונטים, את הכללים המתמטיים השולטים בארכיטקטורה האטומית.

בספרו, מנדלייב ציין כי "פנימיאת ההבדלים בחומר אשר האטומים לפצות יכול להיות אחראי על תכונות חוזרות ונשנות של אלמנטים. אבל הוא לא דבק בקו מחשבה זה. למעשה, במשך שנים רבות הוא חשב על כמה חשובה התיאוריה האטומית לשולחן שלו.

אבל אחרים הצליחו לקרוא את המסר הפנימי.טבלאות. בשנת 1888, כימאי גרמני יוהאנס ויסליצן הצהיר כי המחזוריות של המאפיינים של אלמנטים מסודרים על ידי מסה עולה כי אטומים מורכבים קבוצות קבועות של חלקיקים קטנים יותר. לכן, במובן מסוים, הטבלה המחזורית אכן חזה (וגם סיפק ראיות) את המבנה הפנימי המורכב של האטומים, בעוד שלאיש לא היה מושג כיצד נראה האטום למעשה, או שמא היה לו מבנה פנימי כלשהו.

כשמנדליב מת ב- 1907, מדעניםידעו כי האטומים מחולקים לחלקים: אלקטרונים הנושאים מטען חשמלי שלילי, בתוספת רכיב טעון חיובי שהופך את האטומים ניטרליים מבחינה חשמלית. המפתח לאופן שבו החלקים האלה עולים בקנה אחד עם התגלית של 1911, כאשר הפיזיקאי ארנסט רתרפורד, שעובד באוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה, גילה את הגרעין האטומי. זמן קצר לאחר מכן, הנרי מוסלי, שעבד עם רתרפורד, הראה כי כמות המטען החיובי בגרעין (מספר הפרוטונים שהוא מכיל, או "מספר האטום" שלו) קובע את הסדר הנכון של המרכיבים בטבלה המחזורית.

המסה האטומית היתה קשורה קשר הדוק למספר האטוםמוסלי הוא קרוב מספיק כדי סדר של אלמנטים על ידי מסה רק במקומות ספורים שונה סדר לפי מספר. מנדלייב עמד על כך שההמונים האלה טועים ויש צורך למדוד אותם מחדש, ובמקרים מסוימים התברר שהם צודקים. נותרו רק כמה סתירות, אבל המספר האטומי של מוזלי נשכב על השולחן.

בערך באותו זמן, הפיזיקאי הדני נילס בור הבין שתורת הקוונטים קובעת את סידור האלקטרונים המקיפים את הגרעין, וכי האלקטרונים המרוחקים ביותר קובעים את התכונות הכימיות של האלמנט.

הסדרים דומים של אלקטרונים חיצוניים יהיהחזרו שוב ושוב, והסבירו את הדפוסים שהטבלה התקופתית חשפה. בוהר יצר גרסה משלו של הטבלה בשנת 1922, בהתבסס על מדידות ניסיוניות של אנרגיה אלקטרונית (יחד עם כמה הנחיות מחוק תקופתי).

שולחן בוהר הוסיף פריטים שנפתחו מאז 1869שנים, אבל זה היה אותו סדר תקופתי, פתח את מנדלייב. מאחר שלא היה לו מושג על תיאוריית הקוונטים, יצר מנדלייב טבלה המשקפת את הארכיטקטורה האטומית המוכתבת על ידי הפיזיקה הקוונטית.

השולחן החדש של בורה לא היה הראשון ולאאת הגרסה האחרונה של העיצוב הראשוני של מנדלייב. מאות גרסאות של הטבלה המחזורית פותחו ופורסמו מאז. הצורה המודרנית - בתכנון אופקי, שלא כמו הגרסה האנכית המקורית של מנדלייב - הפכה פופולארית רק לאחר מלחמת העולם השנייה, הודות לחלק ניכר מעבודתו של הכימאי האמריקאי גלן סיבורג.

Seaborg ועמיתיו יצרו כמה חדשיםאלמנטים synthetically, עם מספרים אטומיים לאחר אורניום, האלמנט הטבעי האחרון בטבלה. סבורג ראה כי אלמנטים אלה, טרנסורניים (בתוספת שלושת היסודות שקדמו לאורניום), דרשו שורה חדשה בטבלה שמנדלייב לא צפה. הטבלה של סאבורג הוסיפה שורה לאותם אלמנטים תחת סדרה דומה של אלמנטים נדירים של כדור הארץ, שגם להם לא היה מקום.

תרומתו של סבורג בכימיה הביאה לו את הכבודאלמנט משלו - siborgiy עם מספר 106. זהו אחד מכמה אלמנטים על שמו של מדענים מפורסמים. וברשימה זו, כמובן, יש אלמנט 101, שנפתח על ידי סיבורג ועמיתיו ב- 1955 ונקרא מנדלבויום - לכבוד הכימאי, שמעל לכל, ראוי היה לו מקום בטבלה המחזורית.

בואו להאכיל את החדשות שלנו אם אתה רוצה סיפורים כאלה יותר.