Путь Д. И. Менделеева к открытию закона

Все мы связываем с химической наукой дальнейший прогресс в познании окружающего нас мира, новые методы его преобразования и усовершенствования. И не может быть в наши дни специалиста, который сумел бы обойтись без знаний химии.

Н. Н. Семенов

Периодический закон глубоко проник в разнообразные области науки, человеческой деятельности. Сбылось еще одно предвидение Д. И. Менделеева, отмеченное им в дневнике 10 июля 1905 года: "По видимости, периодическому закону - будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает. "

Периодический закон оказал огромное влияние на развитие многих фундаментальных наук, способствовал формированию новых отраслей химии.

В процессе работы над периодической системой Д. И. Менделеев предсказал существование одиннадцати новых элементов. Точность прогноза зависела прежде всего от степени изученности тех элементов, в окружении которых располагался неизвестный. Такой подход блестяще подтвердился с открытием галлия, скандия и германия.

Д. И. Менделеев почти за сто лет до открытия трансурановых элементов сумел предсказать их существование. Все последующее время после открытия закона явилось лишь практическим подтверждением гениального предвидения Д. И. Менделеева. История науки не знает аналогов подобного триумфа.

Мы заинтересовались периодическим законом, историей его открытия и поставили перед собой цель - выяснить, какую роль сыграли личностные качества Д. И. Менделеева в открытии периодического закона. Мог ли его открыть в 1869 году какой-нибудь другой химик?

Проблема исследования определила и наши задачи, мы решили выяснить:

1. Какие черты характера проявились у Д. И. Менделеева в детские и юношеские годы?

2. Каковы итоги обучения Д. И. Менделеева в Главном педагогическом институте Петербурга?

3. Какой путь к открытию периодического закона прошел Д. И. Менделеев в научной деятельности?

4. Какова история открытия периодического закона?

Ознакомившись с различной литературой о жизни и деятельности Д. И. Менделеева, об открытии периодического закона, проанализировав большое количество информации из сети Интернет, мы пришли к выводу, что у Д. И. Менделеева были предшественники, пытавшиеся создать классификацию химических элементов. Таковыми были: Берцелиус, Деберейнер, Шанкуртуа, Л. Мейер, Баумгауер, Ньюлендс, Уокер и др. Было предпринято около пятидесяти попыток классифицировать химические элементы. Но создать классификацию, включающую все известные в то время химические элементы, не удалось.

Анализ литературы

В. И. Семишин Периодическая система химических элементов

Д. И. Менделеева». – М. : издательство «Химия», 1972 г.

В книге освещены предыстория периодического закона и его развитие на протяжении более ста лет после его открытия. В ней отражены три основных этапа в эволюции периодического закона: периодический закон и элемент, периодический закон и строение атома, периодический закон и строение ядра атома.

Д. Н. Трифонов, В. Д. Трифонов. Как были открыты химические элементы. – М. : Просвещение, 1980 г.

В книге изложена история открытия химических элементов от древних времен до наших дней. Мы узнали о важнейших закономерностях открытых элементов, о роли различных методов исследования, о вкладе ученых разных стран в развитие периодического закона.

Н. Л. Глинка. Общая химия. - М. : издательство «Химия», 1982 г.

В книге собраны теоретические вопросы и обширный справочный материал курса неорганической химии. Большое внимание уделено Периодическому закону Д. И. Менделеева и истории его открытия.

В. А. Крицман. Книга для чтения по неорганической химии. – М. : Просвещение, 1983 г.

Книга содержит статьи, дополняющие и расширяющие знания по химии. Большое внимание уделено истории открытия периодического закона, жизни и деятельности выдающихся русских ученых.

В. В. Станцо, М. Б. Черненко. Популярная библиотека химических элементов. – М. : Наука, 1983 г.

Данная книга содержит сведения обо всех элементах известных человеку до 1 января 1983 года. Здесь мы нашли сведения об истории открытия химических элементов и экспериментальном подтверждении Периодического закона.

Б. Н. Конарев. Любознательным о химии. –М. : издательство «Химия»,

1984 г.

Автор книги в популярной занимательной форме рассказывает об истории открытия Периодического закона. Книга построена в соответствии с программой по химии для средней школы и может представлять интерес как пособие для углубленного изучения неорганической химии.

В. А. Крицман, В. В. Станцо. Энциклопедический словарь юного химика. – М. : Педагогика, 1990 г.

Словарь раскрывает основные понятия химической науки, рассказывает об истории её развития на протяжении веков, о большом значении химии для современной деятельности человека.

Научный подвиг

Детские и юношеские годы Д. И. Менделеева

Д. И. Менделеев родился 27 января 1834 года в Тобольске. Его отец после окончания в Петербурге педагогического института преподавал словесность в гимназиях Пензы, Тамбова и Саратова. Переехав в Сибирь, он познакомился с дочерью некогда богатого купца Корнильева Марией Дмитриевной. Корнильевы играли важную роль в культурной жизни Сибири, основали типографию, издавали журналы. В их доме была одна из лучших библиотек того времени.

Тобольск был неофициальной столицей Сибирского края. Город в прошлом имел большое значение как торговый и культурный центр.

Из изученной литературы мы узнали, что в гимназии Д. И. Менделеев увлекался историей, географией, русской литературой, позже математикой и физикой. Дмитрий любил решать головоломки, задачи, а дома играл в «учителя», причем старшим братьям и сестрам нередко приходилось трудно, так как удовлетворить строгого экзаменатора могли только быстрота мышления, неизвестные ему факты или сказанные к месту афоризмы.

Вывод: изучив большое количество литературы, мы выяснили, что Д. И. Менделеев родился и вырос в культурной семье, где много читали и ценили последние достижения науки.

Рождение ученого

Мы узнали, что в 1850 году Д. И. Менделеев поступил в Петербурге в главный педагогический институт. Обучаясь в этом институте, Д. И. Менделеев избрал своей специальностью химию. Будущий учитель гимназии слушал лекции выдающихся ученых своего времени: физику читал академик Э. Х. Ленц, математику – академик М. В. Остроградский, зоологию – академик Ф. Ф. Бранд. Особенно заинтересовался Д. И. Менделеев химией, которую читал А. А. Воскресенский, и минералогией. Уже будучи студентом, Д. И. Менделеев осуществил анализ минералов пироксена и ортита, провел первым химические эксперименты в лабораториях института и Академии наук, просмотрел большое число научных статей и монографий, готовя «пробные лекции» по педагогике, химии и минералогии. Завершил Д. И. Менделеев свою учебу в институте подачей двух кандидатских диссертаций (так назывались тогда дипломные работы). Одна из них была посвящена изучению взаимосвязи кристаллических форм и соединений с их составом и некоторыми свойствами атомов, из которых построены эти соединения.

Д. И. Менделеев окончил институт с золотой медалью и получил звание старшего учителя, работал в гимназиях Симферополя и Одессы. В1857 году он защитил магистерскую диссертацию на тему «Изоморфизм» и был переведен на службу в Петербургский университет, а в 1859 году отправлен в заграничную командировку для «подготовки к профессорскому званию».

Вывод: в ходе исследования мы установили, что Д. И. Менделеев получил блестящее образование, обладал острым умом и удивительной тягой к знаниям и открытиям. Благодаря чему он стал профессором в 26 лет.

На пути к открытию периодического закона

Из прочитанных книг мы узнали, что в записке, посланной в 1860 году в университет, двадцатишестилетний ученый писал:

«Главный предмет моих занятий есть физическая химия. Еще Ньютон был убежден, что причина химических реакций лежит в простом молекулярном притяжении, обуславливающем сцепление и подобном явлениям механики» (3, с. 198).

Оказывается, уже первые серьезные экспериментальные исследования в этой области привели Д. И. Менделеева к крупному открытию. Изучая явления капиллярности, он обнаружил, что при определенных условиях любая жидкость переходит в пар. Это общее свойство жидкостей получило название Критической температуры. Вскоре Д. И. Менделеев изучил сжатие, которое происходит при образовании растворов жидкостей, изменения плотности спиртоводных растворов с изменением концентрации. Последняя работа стала его докторской диссертацией. Д. И. Менделеев стал автором оригинального учебника «Органическая химия». Еще в 1862 году Д. И. Менделеев в курсе теоретической химии пытался наметить систематику элементов, опираясь на анализ известных в то время их соединений с кислородом, фтором и хлором. Впервые прочитав в 1867-1868 гг. курс лекций по неорганической химии, Д. И. Менделеев увидел необходимость в создании отечественного учебника химии. В ходе исследования научной деятельности ученого мы установили, что именно во время работы над вторым выпуском «Основы химии» Дмитрий Иванович открыл закон химической периодичности. В лекциях, читавшихся в Петербургском университете, уделил значительное внимание сопоставлению атомных масс, рассмотрению типов аналогии между элементами, сравнению форм и классов соединений элементов естественных групп.

Большую роль в открытии периодического закона сыграли Химический конгресс в Карлсруэ (1860г. ) и особенно выступление итальянского химика Станислао Канницаро об определении атомных масс элементов. Важное значение Д. И. Менделеев придавал также работам французского химика Ж. Б. Дюма, который выдвинул идею о двух типах сходства между элементами (элемент-аналогия по горизонтальным и вертикальным столбцам системы), а также рассмотрел изменения атомных масс в естественных группах элементов.

Особое место в истории открытия периодического закона занимают также исследования английских ученых А. Франкланда (понятие о валентности), У. Одлинга (понятие о естественных группах) и Г. Роско (изучение сходства элементов, принадлежавших к разным естественным группам, например, сходства фосфора и ванадия, серы и хрома).

Все это, естественно, расширяло возможности классификации элементов и приводило к появлению новых гипотез и таблиц, более или менее спорных или уже приближающихся по форме к первоначальным вариантам периодической системы Д. И. Менделеева. Рассмотрим некоторые из предложенных теорий и таблиц предшественников Д. И. Менделеева.

Периодическая система химических элементов Баумгауера (спиральная форма)

Искусственность построения этой таблицы очевидна: число элементов на радиальных линиях колеблется от одного (линия 18) до шести (линия 6). Но к сожалению, а возможно и к счастью Менделеева, ни одна из предложенных новых геометрических форм построения таблицы не нашла столь широкого применения. Примером этого служит таблица Баумгауера.

Отмечая явный произвол расположения элементов в системе де Шанкуртуа, Л. А. Чугаев, современник Д. И. Менделеева, основатель отечественной школы по химии комплексных соединений, все же нашел, что «де Шанкуртуа сделал попытку построить систему, объединяющую все элементы и устанавливающую закономерную связь между их атомными весами в этой системе заключается уже зародыш периодического закона».

Таблица элементов, опубликованная немецким химиком Л. Мейером в книге «Новейшие теории в химии и их значение для химической статистики» (1864 г. )

Таблица элементов Л. Мейера

В вертикальных столбцах Мейер расположил элементы, которые он считал аналогами.

Спустя четыре года (1868 г. ) Л. Мейер опубликовал полудлинную форму таблицы, в которой впервые были указаны периоды.

Полудлинная таблица химических элементов Л. Мейера

Систематикой химических элементов Д. И. Менделеев стал заниматься в самом начале своей научной деятельности. В 1855–1856 гг. он опубликовал две работы, посвященные исследованию изоморфизма и удельных объемов. В первой работе, рассматривая кристаллическую форму веществ в связи с их составом и свойствами, Менделеев разбил 50 элементов на 11 сходных групп, т. е. сделал попытку классификации элементов, хотя и довольно далекой от будущей периодической системы. Во второй работе (магистерская диссертация) он установил разнотипную зависимость между удельными объемами и свойствами элементов, мало отличающихся по свойствам и величинам атомных весов ( Fe, Co, Ni, Cu; Os, Ir, Pt), и возрастание их с увеличением атомного веса элементов, сходных по свойствам (щелочные, щелочноземельные металлы и др. ). Изучение кристаллической формы веществ в связи с учением об изоморфизме и принятие удельных объемов в качестве количественных критериев сходства и различия веществ представляют начальные этапы научного творчества Д. И. Менделеева на пути к открытию периодического закона. Касаясь истории периодического закона, он писал:

«Писать начал, когда стал после Воскресенского читать неорганическую химию и когда, перебрав все книги, не нашел, что следует рекомендовать студентам Тут много самостоятельного в мелочах, а главное периодичность элементов, найденная именно при обработке «Основ химии».

Изучение работ предшественников, материалов международного съезда химиков в Карлсруэ и подготовка к написанию учебника «Основы химии» явились решающими моментами на пути Д. И. Менделеева к открытию периодического закона. Менделеев сумел проанализировать, систематизировать и обобщить известные науке факты и явления. В своем дневнике он писал:

«Наука состоит в отыскании общего. В элементах есть общее Но признают чересчур многое индивидуальным Связать эти индивидуальности общею идеею – цель моей естественной системы».

Вывод: в ходе нашей исследовательской работы мы выяснили, что именно во время работы над вторым выпуском «Основ химии» Д. И. Менделеев открыл закон химической периодичности, что вся многоплановая научная деятельность Д. И. Менделеева, огромное трудолюбие и желание постичь законы природы привели его к этому величайшему открытию.

Открытие периодического закона

Приступая к систематике элементов, Д. И. Менделеев принял в качестве основного (точно измеримого и бесспорного) признака их свойство – атомные веса. Он писал:

«А между тем всякий из нас понимает, что при всей перемене в свойствах простых тем в свободном их состоянии нечто остается постоянным и при переходе элементов соединение это нечто – материальное и составляет характеристику соединений, заключающих данный элемент. В этом отношении поныне известно только одно числовое данное, это именно атомный вес, свойственный элементу. Вот по этой причине я и старался основать систему на величине атомного веса».

Задача, которую Д. И. Менделеев поставил перед собой, заключалась в том, чтобы найти функциональную зависимость между атомными весами элементов и их химическими свойствами, проявляющимися в способности элементов к образованию различных соединений, отвечающих по составу значениям атомности, или валентности элементов.

Для осуществления решающей фазы познания периодического закона Д. И. Менделеева предстояло изучить взаимосвязь между всеми группами элементов, т. е. раскрыть диалектику перехода от «особенного» (группа элементов) к «всеобщему» (система элементов). В первую очередь следовало сопоставить группы несходных элементов, резко отличающихся своими химическими свойствами, а именно – группы щелочных металлов и галогенов. Сопоставление этих групп в их «единстве противоположностей» обеспечило

Д. И. Менделееву успех в решении проблемы естественной систематики элементов.

Группируя рядом с этими двумя группами несходных элементов другие элементы в порядке закономерного изменения их химических свойств, Д. И. Менделеев приблизился к осуществлению первой и центральной задачи – составлению системы элементов.

6 марта на заседании Русского химического общества было заслушано сообщение ученого секретаря общества Н. А. Меншуткина о предложенной Д. И. Менделеевым системе классификации химических элементов.

Основными положениями его были следующие:

«1. Элементы, расположенные по величине их относительных атомных масс, представляют явственную периодичность свойств.

2. Сходственные по химическим отправлениям элементы представляют или близкие относительные атомные массы (например, Pt, Ir, Os,) или последовательно и однообразно увеличивающиеся (например, K, Rb, Cs)

5. Величина относительной атомной массы определяет характер элемента

6. Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел, например, сходных с Al и Si

7. Величина относительной атомной массы элемента иногда может быть исправлена, если известны его аналоги

8. Некоторые аналоги элементов открываются по величине относительной атомной массы их атома».

Менделеев высказывает сомнение в правильности атомных весов тория, теллура и золота, ставя после них знак вопроса; он считает также спорными положения в таблице эрбия, иттрия и индия.

Большинство современников Д. И. Менделеева отнеслись к его открытию весьма сдержанно, особенно в первые десять лет.

Продолжая упорно работать над разрешением спорных вопросов, устранением противоречий и несоответствий в расположении элементов, Д. И. Менделеев составляет еще четыре наброска таблицы, приближающейся к естественной системе элементов.

В 1871 году Менделеев в статье «Периодическая законность химических элементов» опубликовал новый вариант таблицы, в которой нашли отражение найденные им закономерности. В той же статье Д. И. Менделеев приводит расширенную формулировку периодического закона:

«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Вывод: установление периодической зависимости между свойствами элементов и их атомными массами, предсказание свойств еще не открытых элементов на основе периодической системы стало научным подвигом Д. И. Менделеева. Он заложил основы учения о периодичности. На основе периодического закона Д. И. Менделеева была создана периодическая система химических элементов в форме таблицы, принципы построения которой сохранились до наших дней.

В ходе данного исследования мы установили, что Д. И. Менделеев вырос в семье, где ценили литературу, искусство, с большим уважением относились к достижения науки и техники. Менделеева-гимназиста отличали быстрота мышления и тяга ко всему неизвестному. Обучение в Главном педагогическом институте и получение блестящего образования стало для Д. И. Менделеева пропуском в большую науку. Именно здесь, как мы выяснили, он избрал темой своей диссертации «Изоморфизм», эта работа и явилась начальным этапом научного творчества. Огромное желание постичь неизведанное и работа над учебником «Основы химии» явились следующим шагом на пути Д. И. Менделеева к открытию периодического закона.

В результате проведенного исследования мы убедились, что

Д. И. Менделеев на основе тщательного критического анализа сумел систематизировать и обобщить факты и явления и нашел функциональную зависимость между атомными весами элементов и их химическими свойствами. В дальнейшем мы планируем рассмотреть прогностическую функцию периодического закона, позволившую описать свойства еще не открытых химических элементов, а также проследить историю развития периодического закона. Достоверные данные, подтверждающие сложность строения атома, появились только в прошлом столетии.

На основании результатов данного исследования мы пришли к выводу, что вся жизнь и научная деятельность Д. И. Менделеева подготовили его к открытию периодического закона. Но без личностных качеств великого химика вряд ли периодический закон был бы открыт в 1869 году. Если бы его открыл какой-нибудь другой химик, вероятно, это произошло бы гораздо позже. Менделеев писал: «Я вижу ныне ясно, что Штреккер, де Шанкуртуа и Ньюлендс стояли впереди на дороге к периодическому закону и им недоставало только решимости поставить дело на подобающую ему высоту, с которой видны рефлексы закона на факты».

Этой решимости хватило у Менделеева. Энциклопедичность знаний, научная интуиция, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого, дар научного предвидения Д. И. Менделеева сыграли большую роль в открытии периодического закона.

Английский ученый Т. Э. Торп говорил:

«Ни один русский не оказал более важного, более длительного влияния на развитие физических знаний, чем Менделеев. Способ работы и мышление у него настолько самобытны, его метод преподавания и чтения лекции так оригинален, а успех великого обобщения, с которым связано его имя и слава, так поразительно полон, что в глазах ученого мира Европы и Америки он стал для России тем же, чем был Берцелиус для Швеции, Либих для Германии, Дюма для Франции» (5, с. 41).