Величайшая веха в развитии химии

Человек рождается на свет, И решать все трудные задачи

Чтоб творить, дерзать – и не иначе, Человек рождается на свет

Чтоб оставить в жизни добрый след Для чего? Ищите свой ответ!

Л. Чугаев

История человечества знало немало подвигов, совершенных в области науки. Но очень немногие из них можно сопоставить с тем, что было сделано Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Величие научного подвига не только не стирается во времени, но и продолжает расти. Память о Д. И. Менделееве как первооткрывателе периодического закона навсегда сохранится в истории науки. Открытие закона периодичности стало величайшей вехой в развитии химии. Благодаря этому закону многие ученые предсказывали и описывали неизвестные химические элементы и их свойства. Менделеев указал путь направленного поиска в химии будущего. Много книг, статей посвящено этому гениальному открытию. Вся школьная программа химии основана на периодическом законе Менделеева.

И, тем не менее, накануне юбилейной даты дня рождения величайшего ученого хочется еще раз перелистнуть страницы истории жизни и деятельности Д. И. Менделеева.

Изучая жизненный путь Д. И. Менделеева, его исследования в области химии, связанные с величайшим открытием – периодической системой, решил провести экспериментальную работу и самостоятельно убедиться в справедливости отдельных положений периодического закона.

Жизненный путь Д. И. Менделеева

Работа над темой невозможна, на мой взгляд, без рассмотрения жизненного пути ученого. Поэтому на данном этапе коротко освещу основные моменты жизни Д. И. Менделеева. Почему это так важно для меня? Ну, во-первых, потому, что большую часть своей жизни я прожил в Западной Сибири и поэтому очень горжусь тем, что являюсь земляком этого необыкновенного человека. А, во-вторых, свою дальнейшую профессию я планирую связать с химией, и поэтому мне очень важно все, что связано с историей этой науки.

Менделеев Дмитрий Иванович родился 8 февраля (27 января ст. ст. ) 1834 года в сибирском городе Тобольске.

В семье он был последним, семнадцатым ребенком.

Младшенький, Митя, отличался впечатлительностью, хорошей памятью и способностью к счету. Он выходил победителем в играх, где требовалась смекалка, но больше всего любил играть в учителя, причем в роли учителя он обычно предпочитал оставаться на долго и в течение всей игры строго наказывал своих «учеников».

В 15 лет Д. И. Менделеев закончил Тобольскую гимназию.

Охотно он занимался математикой и физикой, историей и географией. В выпускном аттестате были только две удовлетворительные оценки: по закону божьему и русской словесности. В 16 лет Менделеев стал студентом физико-математического факультета Главного педагогического института Петербурга. Для шестнадцатилетнего юноши началась новая жизнь, полная впечатлений, трудностей, испытаний.

Окончив институт с золотой медалью, и, получив звание старшего учителя, Д. И. Менделеев выезжает в Одессу. Там, в Ришельевском лицее, Менделеев преподает математику, физику, биологию и одновременно работает над диссертацией «Удельные объемы».

После успешной защиты диссертации в Петербурге Дмитрий Иванович, в 23 лет от роду, назначен приват-доцентом Петербургского университета, где читает сначала теоретическую, потом органическую химию.

В 1865г. Он защитил диссертацию «О соединениях спирта с водой» на степень доктора химии, а в 1867г. получил в университете кафедру общей химии, которую занимал 23 года.

Получив должность профессора химии Петербургского университета, Менделеев стал главой университетских химиков в России и инициатором создания Русского химического общества.

Менделеев в широкой мере обладал присущей истинному гению способностью объединять различные стороны научного и духовного творчества и потому охотно работал в пограничных областях между химией и физикой, между физикой и метеорологией, от химии и физики переходил в область гидродинамики, астрономии, геологии.

Всякое дело, за какое бы ни брался Менделеев, каким бы узко специальным оно ни было, он захватывал широко и стремился глубоко проникнуть в сущность поставленного вопроса. Всюду он умел быть оригинальным, или, как он сам говорил, «своеобычным».

Беспримерные заслуги Менделеева перед наукой получили признание со стороны всего ученого мира. Он был членом почти всех академий и почетным членом многих ученых обществ. Наша Академия наук, к сожалению, предпочла ему в 1880г. Ф. Ф. Бейльштейна, автора обширного справочника по органической химии – факт, вызвавший негодование в широких кругах русского общества. Несколько лет спустя, когда Дмитрию Ивановичу вновь предложили баллотироваться в Академию, он снял свою кандидатуру.

Отмечая заслуги ученого, газета «Правда» писала: «Нашей стране нужны свои Менделеевы – великие и гениальные революционеры и новаторы науки, способные двинуть ее вперед такими же гигантскими шагами, как это сделал в свое время Менделеев».

Отдавая должное великому таланту Менделеева как ученого, нельзя не отметить тот факт, что Дмитрий Иванович был незаурядной личностью, ярко выраженной Индивидуальностью.

Это был постоянный поток мыслей, чувств, побуждений, который крушил на своем пути все препятствия. Если он бодрствовал, он горел. Это была натура живая, увлекающаяся.

Приобретенные уже в студенческие годы навыки интеллектуального труда позволили ему сделать так много, что его уже при жизни иногда называли гением. На что он отвечал, отшучиваясь: «Гений? Какой гений?! Работал всю жизнь – вот вам и гений!»

А. Блок, зять Д. И. Менделеева, дал один из лучших портретов ученого в слове. В 1903 году в письме к своей жене Любе Менделеевой, он писал: «Твой папа, вот какой: он давно все знает, что бывает на свете. Во все проник. Не укрывается от него ничего. Его знание самое полное. Оно происходит от гениальности, у простых людей такого не бывает. У него нет никаких «убеждений» (консерватизм, либерализм и т. п. ). У него есть все. Такое впечатление он и производит. При нем вовсе не страшно, но всегда - не спокойно. Это оттого, что он все давно знает, без рассказов, без намеков, даже не видя и не слыша. Твой папа, как всегда, решает все совершенно необыкновенно, своеобычно и гениально». Эти слова, на мой взгляд, как нельзя лучше характеризуют величие и гениальность удивительного человека.

Краткий экскурс в историю открытия периодического закона

В данной главе более подробно остановлюсь на великом открытии Д. И. Менделеева – периодическом законе, т. к. вся моя экспериментальная работа строится на его основных закономерностях.

Историки науки выделяют два периода в развитии химии: до периодического закона и после закона. Попробую разобраться, что же было накануне открытия?

До Д. И. Менделеева было уже известно 63 химических элемента и сделано много попыток их систематизации. Сказать, что попытки ученых были бесполезными, нельзя: какие-то крупицы истины они содержали. Не буду подробно рассказывать обо всех попытках систематизации. Назову только фамилии великих ученых, которые занимались этой проблемой: А. Лавуазье, И. Доберейнер, Г. И. Гесс, Г. Гинрихс, А. Е. Бегье-де-Шанкуртуа Л. Мейер Дж. Ньюлендс.

Однако следует подчеркнуть, что предшественники Менделеева, подметившие частные проявления великой закономерности в мире химических элементов, по разным причинам не смогли подняться до великого обобщения и осознать существование в мире фундаментального закона.

Первые варианты системы элементов Д. И. Менделеева

1 марта 1869г. тридцатилетний профессор Санкт-Петербургского университета завершил разработку таблицы «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» Этот небольшой листок обычной писчей бумаги относится к числу наиболее ценных документов в истории человечества. Именно эту дату принято считать днем рождения периодического закона Д. И. Менделеева.

Но ни о какой формулировке закона 1 марта 1869г. не было и речи. Как всякий великий ученый, Менделеев был скромен и осторожен в конечных выводах. Чтобы обнаруженная закономерность могла называться законом и была признана другими учеными как закон, для этого надо было еще много работать. «Опыт системы» - ещё прообраз будущей естественной системы элементов.

Первое сообщение об открытии было сделано 6 марта 1869 года на заседании Русского химического общества. В своем докладе Менделеев делает вывод: "Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств".

Однако Д. И. Менделеев не успокаивается на достигнутом. Он работает над вторым вариантом системы. Дмитрий Иванович счел необходимым изменить неправильно определенные атомные веса индия, церия, иттрия и урана. В связи с этим он изменил размещение этих элементов в системе.

В декабре Менделеев закончил статью «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств некоторых элементов», где он впервые назвал свою систему «естественной» и впервые употребил понятие «закон периодичности».

Второй вариант системы, Д. И. Менделеев помещает в учебном пособии «Основы химии». В апреле 1871 года Менделеев впервые назвал систему периодической.

По своей форме второй вариант значительно отличается от первого:

• Горизонтальные ряды элементов-аналогов первого варианта превратились здесь в вертикальные.

• Образовалось восемь групп элементов.

• Шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились здесь в периоды, более близкие к современным, разбившись на двенадцать рядов.

В периодической системе было еще очень много пустых мест. Эти места, по мнению Менделеева, должны были занять еще неоткрытые элементы, свойства которых он смог предсказать.

Твердо убежденный в естественности своей системы, в ее научной правдивости, Д. И. Менделеев в виде примера, из числа предсказанных им элементов, описывает свойства элемента экасилиция и свойства его соединений

Позднее элемент с такими свойствами открыл Винклер и назвал его германием.

Немецкий ученый К. Винклер, убедившись по блестящему совпадению свойств, что открытый им элемент не что иное, как предсказанный элемент экасилиций писал: «Вряд ли может существовать более яркое доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем открытие до сих пор гипотетического экасилиция; оно составляет, конечно, более чем простое подтверждение смелой теории, - оно знаменует собою выдающееся расширение химического поля зрения, гигантский шаг в области познания». Великое открытие получило всеобщее признание.

Трудный путь периодического закона

Но слишком много загадок, слишком много непонятного и неясного хранила в себе эта система. Сколько всего элементов должна содержать периодическая система? Существуют ли элементы легче водорода и тяжелее урана, элементы между водородом и литием? Почему все еще есть свободные клетки? Ответов на эти вопросы не было, потому что оставалось неясным главное: в чем состоит глубокая физическая причина периодического изменения свойств элементов?

Серьезное испытание периодической системы было связано с неожиданным открытием инертных газов. Открытие этой группы элементов справедливо относят к числу крупнейших достижений науки XIX столетия. Ничего подобного в ней не было ни до, ни после.

На момент открытия этих элементов, периодический закон уже в достаточной степени упрочнился. Поэтому, были проблемы с их размещением в периодической системе. Зная относительные атомные массы гелия и аргона У. Рамзай и датский физико-химик Ю. Томсен в 1895г. предложили расположить эти элементы в VIII группе, между галогенами и щелочными металлами. Но в 1900г. после длительных дискуссий Менделеев и Рамзай пришли к выводу, что инертным газам, благодаря их безразличию в химическом отношении к другим веществам и элементам, надо отвести отдельную, так называемую, нулевую группу. Эта идея просуществовала более 60 лет.

В 1962 году в химических журналах появились статьи с описанием свойств полученных, наконец, соединений ксенона. С тех пор получено более 150 химических соединений ксенона, криптона и радона.

Представление о химической исключительности инертных благородных газов ушло в прошлое, и «неприступные» до этого времени газы были с веским основанием оставлены в главной подгруппе VIII группы таблицы Менделеева. Такое положение существует и в настоящее время.

Периодический закон получил физическое обоснование на новом, более высоком уровне знаний тогда, когда изучили строение атома.

В 1913 году мало кому известный голландский ученый А. Ван ден Брук предположил: заряд ядра атома любого элемента численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. Во всей истории периодического закона эта интуитивная догадка была одной из самых гениальных и одной из самых важных для последующего его развития.

Много времени прошло с тех пор. Но принципиальных изменений таблица Менделеева не претерпела. Пробовали подсчитать, сколько вариантов графического изображения периодической системы предлагалось разными учеными. Оказалось, больше 500. Причем 4/5 – это таблицы, а остальное – геометрические фигуры, математические кривые и т. п. Во многих случаях авторами двигало стремление внести некоторое усовершенствование в систему, но нередко новаторство ни к чему не приводило.

В итоге практическое применение нашли 4 вида таблицы: короткая; полудлинная; длинная, лестничная (пирамидальная). Каждая имеет свои достоинства, и едва ли следует обсуждать, какая из них предпочтительней. В 1989 году ИЮПАК отменил короткую форму таблицы. Однако в школе и по сей день, мы чаще всего пользуемся короткой формой.

Значение периодического закона и периодической системы элементов

Таким образом, рассмотрев историю возникновения периодического закона, логику построения этой системы, необходимо определиться, какое это имело значение для науки.

Периодическая система элементов, по мнению Н. П. Агафошина, автора книги «Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева», является основой основ всей химии; она краткий конспект химии; она справочник и путеводитель химика и физика. Недаром говорят: хотите знать химию – изучите периодическую систему элементов. Какое же значение имеет периодический закон и периодическая система?

– Периодическая система отражает собой изменение свойств и при переходе от одного вида атомов (элемента) к другому, и при переходе от одного простого вещества к другому, и при переходе от химического соединения одного элемента к однотипному химическому соединению другого.

– Она отражает собой и изменения в строении электронной оболочки, изменения в характере связи и в форме молекул; изменения в составе и строении ядер, в свойствах, присущих изотопам элементов.

– Созданием периодической системы открылась новая эра химии, биохимии, физики, геохимии, астрохимии и в целом ряде других наук. Это эра безграничного, ничем не сдерживаемого, все ускоряющегося движения этих наук вперед.

– Можно смело сказать, что в 1869г. закончилась предыстория химии и началась ее настоящая история.

– На основе периодической системы теперь изучают и объясняют те или иные аномалии в свойствах отдельных веществ; создаются новые вещества и сплавы с наперед заданными свойствами.

– На основе периодической системы становится во много раз яснее картина распределения элементов на земном шаре, во вселенной, в живых организмах.

Ученые разных стран восторженно оценивают труд Д. И. Менделеева. Так, русский химик А. М. Бутлеров писал про Д. И. Менделеева: «Подняться на подобную высоту научного синтеза, двинуть науку на такой исполинский шаг вперед – удел немногих!».

Английский ученый У. Рамзай называл периодическую систему «компасом для исследователя», а датский ученый Нильс Бор называл ее «путеводной звездой для исследований в области химии, физики, минералогии, техники».

Свою глубокую веру в незыблемость периодического закона сам Д. И. Менделеев выразил следующими словами: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются».

В подтверждение сказанных выше слов, хочу привести следующие данные: в течение последнего времени российские и американские ученые получили два сверхтяжелых элемента – 113 и 115, которые должны занять хоть и последние, но не менее достойные места в таблице Менделеева. Однако, для того, чтобы два элемента официально заняли 113-ю и 115-ю ячейки в таблице Менделеева, требуется, чтобы их получили другие лаборатории, а этот процесс может занять месяцы и даже годы.

Д. И. Менделеев утверждал, что, зная свойства близлежащих элементов можно предсказать свойства неизвестного элемента. Например, атомную массу можно найти как среднее арифметическое масс известных элементов. В подтверждение справедливости существующей закономерности, рассмотрел свойства одного из элементов. Предположил, что элемент № 12 еще не открыт. Зная строение атома, свойства соседних элементов, натрия и алюминия, можно предположить строение атома неизвестного элемента и свойства, которыми он обладает. Свои предположения сравнил с данными справочника Р. А. Лидина. Полученные результаты отражены в таблице.

Изучая, периодический закон и периодическую систему, мы не раз рассматривали закономерность изменения в группах и периодах: металлических и неметаллических свойств простых веществ, характер и силу гидроксидов. Убедимся в этом на практике.

Опыт 1. Взаимодействие Li, Na, K с водой

Взял 4 стакана. В каждый стакан налил по 25 мл воды и добавил по 1 капле индикатора фенолфталеина. Взвесил приблизительно по 0,03г. каждого металла. Поочередно бросал в стакан с водой металлы. При помощи секундомера определял, сколько секунд будет протекать каждая реакция.

Металл Время реакции (сек. ) Окраска раствора

Литий 75 малиновый Выделяется газ

Натрий 20 малиновый Выделяется газ

Калий 3 малиновый Выделяется газ

Кальций 120 малиновый (окраска менее яркая) Выделяется газ

Выводы:

1. Li (Z=3); Na (Z=11); K (Z=19), металлы I А группы. С увеличением порядкового номера в группе активность металла увеличивается

2. K (Z=19); Ca (Z=20) – металлы 4 периода. С увеличением порядкового номера в периоде активность металла уменьшается.

3. Растворы окрасились в малиновый цвет, следовательно, в каждом стакане образовался гидроксид металла (щелочь).

4. Согласно уравнениям реакций:

2Li + 2H2O = 2LiOH + H2 2 Na+ 2H2O = 2NaOH + H2

2K + 2H2O = 2KOH + H2 Са + 2H2O = Са(OH)2 + H2 , выделяется газ водород.

Опыт 2. Взаимодействие кислот с карбонатом кальция

Для того, чтобы проследить за изменением свойств гидроксидов провел следующий эксперимент. В 3 пробирки опустил кусочки яичной скорлупы, одинаковые по размеру. В 1-ю пробирку налил 0,5мл азотной кислоты, во 2-ю – 0,5мл фосфорной кислоты, в 3-ю – 0,5мл серной кислоты (кислоты одинаковой концентрации). В пробирки вставил газоотводные трубки, другие концы которых опустил во флакон с водой. По числу выделяющихся пузырьков установил, в которой из пробирок скорость реакция больше, следовательно, в ней более сильная кислота.

Выводы: 1. В пробирке с азотной кислотой реакция протекает быстрее, чем в пробирке с фосфорной кислотой. Следовательно, в пределах одной главной подгруппы с увеличением порядкового номера элемента кислотные свойства гидроксидов ослабевают.

2. В пробирке с фосфорной кислотой реакция протекает медленнее, чем в пробирке с серной кислотой. Следовательно, в периодах с увеличением порядкового номера элемента кислотные свойства гидроксидов усиливаются.

3. В пробирке с азотной кислотой реакция протекает быстрее, чем в пробирке с серной кислотой. Это, на мой взгляд, свидетельствует о том, что степень электролитической диссоциации азотной кислоты, больше, чем серной кислоты.

Опыт 3. Взаимодействие галогенов с солями

Налил в три пробирки растворы хлорида, бромида и иодида калия. В каждую из пробирок добавил 1-2мл бензола и несколько капель хлорной воды. Энергично встряхнул полученные смеси и дал им отстояться. Аналогичный эксперимент провел с бромной водой и йодом. Результаты эксперимента приведены в таблице.

Cl2 Br2 I2

KCl _ _ _

KBr Бензольное кольцо окрасилось в буро-желтый цвет (1) _ _

KI Бензольное кольцо окрасилось в красно-фиолетовый цветБензольное кольцо окрасилось в красно-фиолетовый цвет _

(2) (3)

1. 2KBr + Cl2 = 2KCl + Br2 3. 2KBr + Br2 = 2KBr + I2

2. 2KI + Cl2 = 2KCl + I2

Вывод: Хлор окисляет ионы брома и йода, а бром - лишь ионы йода. Таким образом, более активный галоген вытесняет из раствора менее активный. Выделившийся галоген концентрируется в бензольном кольце, так как он лучше растворяется в бензоле, чем в воде.

Главный вывод, какой был сделан в результате проведенной работы: изучать химию невозможно без периодического закона и периодической системы Д. И. Менделеева.

Однако периодическая система только тогда окажется богатейшим хранилищем информации о свойствах элементов и их соединений, когда мы поймем, как различные элементы связаны между собой и почему они так связаны. Если мы, только взглянув на место, занимаемое каким - либо элементом, можем рассказать о нем: металл это или неметалл; образует ли он соединения с водородом; какой высший оксид характерен для данного элемента; какие свойства проявляют его оксиды и гидроксиды; какие валентности он может проявлять, вступая в химические соединения – то это значит, что мы хорошо освоили периодическую систему.

Работая над темой исследования, попытался предположить строение атома и свойства одного из элементов и могу рассказать об элементе, исходя из положения его в периодической системе. Кроме того, на практике убедился в справедливости закономерностей, выдвинутых Менделеевым.

Долго можно перечислять те области человеческого знания и практики, где Великий закон и система элементов играют важную роль. Но мы и представить себе не можем всю масштабность менделеевского учения о периодичности. Величие научного подвига Менделеева не только не стирается временем, но продолжает расти. И никто не может сказать, будет ли когда-нибудь исчерпано до конца всё его содержание. Может еще не раз он блеснет перед учеными своими неожиданными гранями. Кто знает, может быть в будущем, кто-нибудь из нас откроет новый элемент.