Général

Comment créer un tableau périodique des éléments de Mendeleev

Chaque domaine de la science a son anniversaire préféré. Pour les physiciens, il s'agit du livre Newton's Principles, un livre de 1687 qui introduisait les lois du mouvement et de la gravité. Les biologistes célèbrent l’origine des espèces darwiniennes (1859) et son anniversaire (1809). Les astronomes célèbrent l'année 1543, car c'est alors que Copernic a placé le soleil au centre du système solaire. En ce qui concerne la chimie, pas une seule raison de la célébration ne dépasse l’apparition du tableau périodique des éléments créé il ya 150 ans en mars par le chimiste russe Dmitry Ivanovich Mendeleev.

Le tableau périodique est devenu le même pourles étudiants en chimie aiment les calculatrices pour les comptables. Il contient toute la science dans un peu plus d'une centaine de carrés contenant des symboles et des nombres. Il énumère les éléments qui composent toutes les substances terrestres, regroupés de manière à ce qu’il soit possible d’identifier les caractéristiques de leurs propriétés, afin de déterminer l’objectif de la recherche chimique, tant théoriquement que concrètement.

Le tableau périodique est sans aucun doute le concept le plus important en chimie.

Tableau périodique ressemblait à une spécialela table, mais il voulait lui-même qu'elle reflète la vérité scientifique profonde qu'il a découverte: la loi périodique. Sa loi révélait de profondes relations familiales entre des éléments chimiques connus - ils présentaient des propriétés similaires à intervalles réguliers (ou périodes), s'ils étaient classés par ordre de poids atomique - et permettaient à Mendeleev de prédire l'existence d'éléments n'ayant pas encore été découverts.

"Avant la promulgation de cette loi, les produits chimiquesles éléments n'étaient que des faits fragmentaires et aléatoires dans la nature », a déclaré Mendeleev. "Pour la première fois, la loi de périodicité nous a permis de voir des éléments non découverts à une distance auparavant inaccessible à la vision chimique."

Tableau périodique non seulement préditl'existence de nouveaux éléments. Elle confirma alors encore la croyance controversée en la réalité des atomes. Elle a fait allusion à l'existence d'une structure subatomique et a prévu l'appareil mathématique sous-jacent aux règles régissant la matière, qui se sont finalement manifestées dans la théorie quantique. Sa table complétait la transformation de la science chimique du mysticisme magique médiéval de l'alchimie en un champ de rigueur scientifique moderne. Le tableau périodique symbolise moins les constituants d'une substance que la cohérence logique et la rationalité fondamentale de la science dans son ensemble.

Comment le tableau périodique a été créé

La légende raconte que Mendeleev a conçu et crééPropre table en un jour: 17 février 1869, selon le calendrier russe (pour la plupart des pays, il s’agit du 1 er mars). Mais c'est probablement une exagération. Mendeleev a réfléchi au regroupement des éléments au fil des ans et d'autres chimistes ont à plusieurs reprises examiné le concept de connexions entre les éléments au cours des décennies précédentes.

En fait, le physicien allemand Johann WolfgangDobereiner a remarqué les caractéristiques du groupement d'éléments en 1817. À cette époque, les chimistes n’avaient pas encore bien compris la nature des atomes, comme le décrit la théorie atomique de John Dalton en 1808. Dans son «nouveau système de philosophie chimique», Dalton a expliqué les réactions chimiques, suggérant que chaque substance élémentale consiste en un atome d'un certain type.

Dalton a suggéré que les réactions chimiquesproduit de nouvelles substances lorsque les atomes sont séparés ou joints. Il croyait que tout élément consiste uniquement en un type d'atome, qui diffère des autres en poids. Les atomes d'oxygène pesaient huit fois plus que les atomes d'hydrogène. Dalton croyait que les atomes de carbone sont six fois plus lourds que l'hydrogène. Lorsque des éléments sont combinés pour créer de nouvelles substances, la quantité de réactifs peut être calculée en tenant compte de ces poids atomiques.

Dalton avait tort à propos de certaines masses - oxygèneen fait, 16 fois plus lourd que l'hydrogène et le carbone 12 fois plus lourd que l'hydrogène. Mais sa théorie rendait l'idée des atomes utile, inspirant une révolution en chimie. La mesure précise de la masse atomique est devenue un problème majeur pour les chimistes au cours des prochaines décennies.

En réfléchissant sur ces échelles, Dobereiner a noté quecertains ensembles de trois éléments (il les a appelés triades) montrent une connexion intéressante. Le brome, par exemple, avait une masse atomique située quelque part entre les masses de chlore et d’iode, et ces trois éléments présentaient un comportement chimique similaire. Le lithium, le sodium et le potassium constituaient également une triade.

D’autres chimistes ont remarqué des liens entre des substances atomiquesmasses et propriétés chimiques, mais ce n’est que dans les années 1860 que les masses atomiques ont été suffisamment bien comprises et mesurées pour permettre une compréhension plus profonde. Le chimiste anglais John Newlands a noté que la disposition des éléments connus par ordre croissant de masse atomique entraînait la répétition des propriétés chimiques de chaque huitième élément. Il a appelé ce modèle «loi d'octave» dans l'article de 1865. Mais le modèle de Newlands ne s'est pas bien conservé après les deux premières octaves, ce qui a poussé les critiques à suggérer qu'il arrange les éléments dans l'ordre alphabétique. Et comme l'a bien compris Mendeleïev, la relation entre les propriétés des éléments et les masses atomiques était un peu plus compliquée.

Organisation des éléments

Mendeleev est né à Tobolsk, en Sibérie, en 1834était le dix-septième enfant de ses parents. Il a vécu une vie vibrante, poursuivant différents intérêts et voyageant le long de la route vers des personnes exceptionnelles. Après des études supérieures à l’Institut pédagogique de Saint-Pétersbourg, il est presque décédé des suites d’une grave maladie. Après avoir obtenu son diplôme, il a enseigné dans les écoles secondaires (il était nécessaire de recevoir un salaire à l'institut), tout en étudiant les mathématiques et les sciences naturelles pour obtenir une maîtrise.

Il a ensuite travaillé comme enseignant et conférencier (et écrit des articles scientifiques) jusqu'à ce qu'il reçoive une bourse pour une tournée de recherche prolongée dans les meilleurs laboratoires chimiques d'Europe.

De retour à Saint-Pétersbourg, il était sansLe travail a donc écrit un excellent guide sur la chimie organique dans l’espoir de remporter un grand prix en espèces. En 1862, il remporta le prix Demidov. Il a également travaillé comme éditeur, traducteur et consultant dans divers domaines de la chimie. En 1865, il retourne à la recherche, obtient un doctorat et devient professeur à l'Université de Saint-Pétersbourg.

Peu de temps après, Mendeleev a commencé à enseignerchimie inorganique. Préparant à maîtriser ce nouveau domaine (pour lui), il restait insatisfait des manuels disponibles. Par conséquent, j'ai décidé d'écrire le mien. L'organisation du texte nécessitait l'organisation des éléments, de sorte que la question de leur meilleur emplacement était toujours dans ses préoccupations.

Au début de 1869, Mendeleev avait atteint un nombre suffisant deprogrès réalisés pour comprendre que certains groupes d'éléments similaires présentaient une augmentation régulière des masses atomiques; d'autres éléments ayant approximativement les mêmes masses atomiques avaient des propriétés similaires. Il s'est avéré que la classification des éléments en fonction de leur poids atomique était la clé.

Selon les propres mots de Mendeleïev, ilstructuré sa pensée en écrivant chacun des 63 éléments alors connus sur une carte séparée. Puis, grâce à une sorte de jeu de solitaire chimique, il trouva le motif qu’il cherchait. Plaçant les cartes dans des colonnes verticales avec des masses atomiques de bas en haut, il a placé des éléments ayant des propriétés similaires dans chaque rangée horizontale. Le tableau périodique de Mendeleïev était né. Il a esquissé une version préliminaire le 1er mars, l’a envoyée à l’impression et l’a incluse dans son manuel, qui devait bientôt être publié. Il a également préparé rapidement un document à présenter à la Russian Chemical Society.

"Eléments classés par taille atomiquemasses, montrent des propriétés périodiques claires ", a écrit Mendeleev dans son travail. "Toutes les comparaisons que j'ai faites m'ont amené à la conclusion que la taille de la masse atomique détermine la nature des éléments."

Pendant ce temps, le chimiste allemand Lothar Meyer a égalementtravaillé sur l'organisation des éléments. Il prépara une table semblable à celle de Mendeleïev, peut-être même avant Mendeleïev Mais Mendeleev a publié son premier.

Cependant, beaucoup plus important que de gagnerMendeleev a utilisé sa table pour faire des prédictions audacieuses sur des objets non découverts. En préparant sa feuille de calcul, Mendeleev a remarqué que certaines des cartes étaient manquantes. Il devait laisser des espaces vides afin que les éléments connus puissent s'aligner correctement. Au cours de sa vie, trois lieux vides étaient remplis d'éléments jusque-là inconnus: le gallium, le scandium et le germanium.

Mendeleev a non seulement prédit l'existence de ceséléments, mais aussi correctement décrit leurs propriétés en détail. Gallium, par exemple, découvert en 1875, avait une masse atomique de 69,9 et une densité six fois supérieure à celle de l’eau. Mendeleev a prédit cet élément (il l'appelait aluminium) uniquement par cette densité et cette masse atomique de 68. Ses prévisions pour l'écacarium correspondaient étroitement à l'Allemagne (découverte en 1886) par la masse atomique (72 prédites, 72,3 en fait) et la densité. Il a également correctement prédit la densité de composés de germanium avec de l'oxygène et du chlore.

Le tableau périodique est devenu prophétique. Il semblait qu'à la fin de ce jeu, ce solitaire élémentaire dévoilerait les secrets de l'univers. En même temps, Mendeleev lui-même maîtrisait parfaitement l'utilisation de sa propre table.

Les prédictions réussies de Mendeleïev l'ont amenéle statut légendaire d'un maître de la magie chimique. Mais aujourd'hui, les historiens se demandent si la découverte des éléments prédits a consolidé l'adoption de son droit périodique. L'adoption de la loi pourrait être davantage liée à sa capacité à expliquer les liaisons chimiques établies. Quoi qu’il en soit, l’exactitude prédictive de Mendeleev a bien sûr attiré l’attention sur le bien-fondé de son tableau.

Dans les années 1890, les chimistes ont largement reconnu sa loi.comme une étape importante dans la connaissance de la chimie. En 1900, William Ramsay, futur lauréat du prix Nobel de chimie, l'appelait "la plus grande généralisation jamais réalisée en chimie". Et Mendeleev l'a fait sans savoir comment.

Carte mathématique

Dans de nombreux cas dans l'histoire de la science sont superles prédictions basées sur de nouvelles équations se sont avérées vraies. D'une manière ou d'une autre, les mathématiques révèlent certains secrets naturels avant que les expérimentateurs ne les découvrent. Un exemple est l'antimatière, l'autre est l'expansion de l'univers. Dans le cas de Mendeleev, les prédictions de nouveaux éléments sont apparues sans aucune mathématique créative. En fait, Mendeleïev a découvert une carte mathématique de la nature, car son tableau reflétait le sens de la mécanique quantique, les règles mathématiques régissant l’architecture atomique.

Dans son livre, Mendeleev a noté queles différences de matière constitutives d'atomes peuvent être responsables de propriétés récurrentes des éléments. Mais il n'a pas adhéré à cette ligne de pensée. En fait, pendant de nombreuses années, il a réfléchi à l’importance de la théorie atomique pour son tableau.

Mais d'autres ont pu lire le message intérieur.des tables. En 1888, le chimiste allemand Johannes Wislitzen a déclaré que la périodicité des propriétés des éléments, ordonnée par la masse, indique que les atomes sont constitués de groupes réguliers de particules plus petites. Ainsi, dans un sens, le tableau périodique a effectivement prévu (et fourni des éléments de preuve) la structure interne complexe des atomes, alors que personne n’avait la moindre idée de ce à quoi ressemblait réellement l’atome ou de sa structure interne.

À la mort de Mendeleïev en 1907, des scientifiquessavait que les atomes sont divisés en parties: des électrons qui portent une charge électrique négative, plus un composant chargé positivement qui rend les atomes électriquement neutres. La découverte de 1911 a été déterminante pour le physicien Ernest Rutherford, qui travaille à l’Université de Manchester en Angleterre, a découvert le noyau atomique. Peu de temps après, Henry Mosley, qui a travaillé avec Rutherford, a démontré que la quantité de charge positive dans le noyau (le nombre de protons qu’il contient ou son «numéro atomique») détermine le bon ordre des éléments dans le tableau périodique.

La masse atomique était étroitement liée au numéro atomiqueMosley est suffisamment proche pour que le classement des éléments en masse dans quelques endroits seulement diffère du classement en nombre. Mendeleev a insisté sur le fait que ces masses avaient tort et qu'il fallait mesurer de nouveau, et dans certains cas s'est avéré juste. Il ne reste que quelques écarts, mais le numéro atomique de Mozley est parfaitement indiqué dans le tableau.

À peu près au même moment, le physicien danois Niels Bohr s'est rendu compte que la théorie quantique détermine l'arrangement des électrons entourant le noyau et que les électrons les plus éloignés déterminent les propriétés chimiques d'un élément.

Des arrangements similaires d'électrons externes serontRépétez périodiquement, en expliquant les schémas révélés à l'origine par le tableau périodique. Bohr a créé sa propre version du tableau en 1922, sur la base de mesures expérimentales de l'énergie des électrons (avec quelques astuces de lois périodiques).

Tableau Bohr ajouté des éléments ouverts depuis 1869années, mais c'était le même ordre périodique, ouvrez Mendeleev. N'ayant aucune idée de la théorie quantique, Mendeleev a créé un tableau reflétant l'architecture atomique dictée par la physique quantique.

La nouvelle table de Bora n’était ni la première ni la premièrela dernière version de la conception initiale du Mendeleev. Des centaines de versions du tableau périodique ont depuis été développées et publiées. La forme moderne - de conception horizontale, contrairement à la version verticale originale de Mendeleev - n'a connu une grande popularité qu'après la Seconde Guerre mondiale, en grande partie grâce aux travaux du chimiste américain Glenn Seaborg.

Seaborg et ses collègues ont créé plusieurs nouveauxéléments synthétiquement, avec des numéros atomiques après l'uranium, le dernier élément naturel du tableau. Seaborg a constaté que ces éléments, transuraniens (plus les trois éléments antérieurs à l’uranium), nécessitaient une nouvelle ligne dans le tableau que Mendeleev n’avait pas prévue. La table Seaborg a ajouté une rangée pour ces éléments sous une série similaire d’éléments de terres rares qui n’ont également pas leur place dans la table.

La contribution de Seaborg en chimie lui a valu l'honneur de nommerown element - siborgiy avec le numéro 106. Voici l'un des éléments nommés d'après des scientifiques célèbres. Et dans cette liste, bien sûr, il y a un élément 101, ouvert par Seaborg et ses collègues en 1955 et nommé Mendelevy - en l'honneur du chimiste, qui, par-dessus tout, méritait une place dans le tableau périodique.

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