История открытия периодического закона Д. Значение открытия периодического закона

ОТКРЫТИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

Периодический закон был открыт Д. И. Менделеевым в ходе работы над текстом учебника «Основы химии», когда он столкнулся с трудностями систематизации фактического материала. К середине февраля 1869 г., обдумывая структуру учебника, учёный постепенно пришёл к выводу, что свойства простых веществ и атомные массы элементов связывает некая закономерность.

Открытие периодической таблицы элементов было совершено не случайно, это был результат огромного труда, длительной и кропотливой работы, которая была затрачена и самим Дмитрием Ивановичем, и множеством химиков из числа его предшественников и современников. «Когда я стал окончательно оформлять мою классификацию элементов, я написал на отдельных карточках каждый элемент и его соединения, и затем, расположив их в порядке групп и рядов, получил первую наглядную таблицу периодического закона. Но это был лишь заключительный аккорд, итог всего предыдущего труда…» - говорил учёный. Менделеев подчёркивал, что его открытие было итогом, завершившим собой двадцатилетнее размышление о связях между элементами, обдумывание со всех сторон взаимоотношений элементов.

17 февраля (1 марта) рукопись статьи, содержащая таблицу под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», была закончена и сдана в печать с пометками для наборщиков и с датой «17 февраля 1869 г.». Сообщение об открытии Менделеева было сделано редактором «Русского химического общества» профессором Н. А. Меншуткиным на заседании общества 22 февраля (6 марта) 1869 г. Сам Менделеев на заседании не присутствовал, так как в это время по заданию Вольного экономического общества обследовал сыроварни Тверской и Новгородской губерний.

В первом варианте системы элементы были расставлены учёным по девятнадцати горизонтальным рядам и по шести вертикальным столбцам. 17 февраля (1 марта) открытие периодического закона отнюдь не завершилось, а только началось. Его разработку и углубление Дмитрий Иванович продолжал еще в течение почти трёх лет. В 1870 г. Менделеев в «Основах химии» опубликовал второй вариант системы («Естественную систему элементов»): горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп; шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинавшиеся щелочным металлом и заканчивающиеся галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две - атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеев исправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими, оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы.

В 1871 г. на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.

Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований. В то время, когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Менделеев был не только убеждён, что должны существовать неизвестные еще элементы, которые заполнят эти места, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их положении среди других элементов периодической системы. В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились; все три ожидаемых элемента были открыты (Ga, Sc, Ge), что было величайшим триумфом периодического закона.

Д.И. Менделеевым сдана в набор рукопись «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» // Президентская библиотека // День в истории http://www.prlib.ru/History/Pages/Item.aspx?itemid=1006

РУССКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО

Русское химическое общество – научная организация, основанная при Санкт-Петербургском университете в 1868 г. и представлявшая собой добровольное объединение российских химиков.

О необходимости создания Общества было заявлено на 1-м Съезде русских естествоиспытателей и врачей, состоявшемся в Санкт-Петербурге в конце декабря 1867 – начале января 1868 г. На Съезде было оглашено решение участников Химической секции:

«Химическая секция заявила единодушное желание соединиться в Химическое общество для общения уже сложившихся сил русских химиков. Секция полагает, что это общество будет иметь членов во всех городах России, и что его издание будет включать труды всех русских химиков, печатаемые на русском языке».

К этому времени уже были учреждены химические общества в нескольких европейских странах: Лондонское химическое общество (1841), Химическое общество Франции (1857), Немецкое химическое общество (1867); Американское химическое общество было основано в 1876 г.

Устав Русского химического общества, составленный в основном Д. И. Менделеевым, был утверждён Министерством народного просвещения 26 октября 1868 г., а первое заседание Общества состоялось 6 ноября 1868 г. Первоначально в его состав вошли 35 химиков из Петербурга, Казани, Москвы, Варшавы, Киева, Харькова и Одессы. Первым Президентом РХО стал Н. Н. Зинин, секретарём – Н. А. Меншуткин. Члены общества платили членские взносы (10 руб. в год), приём новых членов осуществлялся только по рекомендации трёх действующих. В первый год своего существования РХО выросло с 35 до 60 членов и продолжало плавно расти в последующие годы (129 – в 1879 г., 237 – в 1889 г., 293 – в 1899 г., 364 – в 1909 г., 565 – в 1917 г.).

В 1869 г. у РХО появился собственный печатный орган – «Журнал Русского химического общества» (ЖРХО); журнал выходил 9 раз в год (ежемесячно, кроме летних месяцев). Редактором ЖРХО с 1869 по 1900 был Н. А. Меншуткин, а с 1901 по 1930 – А. Е. Фаворский.

В 1878 г. РХО объединилось с Русским физическим обществом (основано в 1872 г.) в Русское физико-химическое общество. Первыми Президентами РФХО были А. М. Бутлеров (в 1878–1882 гг.) и Д. И. Менделеев (в 1883–1887 гг.). В связи с объединением с 1879 г. (с 11-го тома) «Журнал Русского химического общества» был переименован в «Журнал Русского физико-химического общества». Периодичность издания составляла 10 номеров в год; журнал состоял из двух частей – химической (ЖРХО) и физической (ЖРФО).

На страницах ЖРХО впервые были напечатаны многие труды классиков русской химии. Можно особо отметить работы Д. И. Менделеева по созданию и развитию периодической системы элементов и А. М. Бутлерова, связанные с разработкой его теории строения органических соединений; исследования Н. А. Меншуткина, Д. П. Коновалова, Н. С. Курнакова, Л. А. Чугаева в области неорганической и физической химии; В. В. Марковникова, Е. Е. Вагнера, А. М. Зайцева, С. Н. Реформатского, А. Е. Фаворского, Н. Д. Зелинского, С. В. Лебедева и А. Е. Арбузова в области органической химии. За период с 1869 по 1930 г. в ЖРХО было опубликовано 5067 оригинальных химических исследований, печатались также рефераты и обзорные статьи по отдельным вопросам химии, переводы наиболее интересных работ из иностранных журналов.

РФХО стало учредителем Менделеевских съездов по общей и прикладной химии; три первых съезда прошли в С.-Петербурге в 1907, 1911 и 1922 гг. В 1919 г. издание ЖРФХО было приостановлено и возобновлено лишь в 1924 г.

Периодический закон сформулирован Д. И. Менделеевым в \(1869\) году. К этому времени было известно \(63\) химических элемента. В качестве основного свойства элементов Менделеев выбрал относительную атомную массу . Учитывал также состав, физические и химические свойства образованных элементом простых и сложных веществ.

Расположив все известные химические элементы в порядке возрастания атомных масс, Менделеев обнаружил, что свойства повторяются через определённое число элементов.

Повторим действия Менделеева с учётом того факта, что благородные газы в его время ещё не были известны. Расположим элементы по возрастанию атомной массы (вторая строчка таблицы), укажем металлические и неметаллические свойства, формулы и свойства высших оксидов и гидроксидов, а также формулы газообразных водородных соединений.

Если внимательно проанализировать полученные последовательности, то можно увидеть повторяемость металлических и неметаллических свойств, состава и свойств соединений. Через семь элементов от щелочного металла лития в ряду располагается щелочной металл натрий, а через семь элементов от галогена фтора - галоген хлор. Через семь элементов появляются одинаковые формулы оксидов и водородных соединений, так как повторяются значения валентностей в соединениях с кислородом и водородом. Можем составить их общие формулы.

Формулы высших оксидов: R 2 O , RO , R 2 O 3 , R O 2 , R 2 O 5 , R O 3 , R 2 O 7 .

Летучие водородные соединения (для неметаллов): R H 4 , R H 3 , R H 2 , RH .

Таким образом Менделеев установил периодичность изменения свойств с возрастанием атомной массы. В статье «Периодическая закономерность химических элементов» Д. И. Менделеев дал следующую формулировку периодического закона:

В переводе на современный научный язык это звучит так:

«Свойства простых веществ, а также состав и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс».

Все элементы Менделеев разделил на периоды.

Период - ряд элементов, расположенных в порядке возрастания относительной атомной массы, начинающийся щелочным металлом и заканчивающийся галогеном и инертным газом.

В периоде:

• постепенно ослабляются металлические свойства простых веществ и усиливаются неметаллические;
• высшая валентность элементов по кислороду возрастает от I (у щелочных металлов) до VII (у галогенов);
• валентность элементов неметаллов в летучих водородных соединениях уменьшается от IV до I (у галогенов);
• свойства высших оксидов и гидроксидов постепенно изменяются от основных через амфотерные до кислотных.

Периодический закон получил дальнейшее развитие после изучения физиками строения атома. Оказалось, что главной характеристикой химического элемента является не относительная атомная масса, а заряд ядра атома. Современная формулировка периодического закона несколько изменена:

«Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер».

Что способствовало подготовке открытия? Мы начинаем с анализа великого менделеевского открытия, поскольку оно было детально и всесторонне изучено нами в течение многих лет по архивным материалам. Но сначала необходимо сказать несколько слов о его предыстории.

В ходе познания химических элементов можно четко выделить три последовательные ступени, о которых говорилось во введении. Начиная с глубокой древности и вплоть до середины XVIII века элементы открывались и изучались человеком порознь, как нечто единичное. С середины XVIII века начался постепенный переход к открытию и изучению их целыми группами, или семействами, хотя одиночные открытия элементов продолжались и позднее. Групповое их открытие и изучение основывалось на том, что у некоторых из них обнаруживались общие физические или химические свойства, равно как и совместное присутствие ряда элементов в природе.

Так, во второй половине XVIII века в связи с возникновением пневматической (газовой) химии были открыты легкие неметаллы, которые в обычных условиях находятся в газообразном состоянии. Это были водород, азот, кислород и хлор. В тот же период были открыты кобальт и никель в качестве природных спутников железа.

А уже с первых лет XIX века открытие элементов стало происходить целыми группами, члены которых обладали общими химическими свойствами. Так, посредством электролиза были открыты первые щелочные металлы - натрий и калий, а затем щелочноземельные - кальций, стронций и барий. Позднее, в 60-х годах, с помощью спектрального анализа были открыты тяжелые щелочные металлы - рубидий и цезий, а также более тяжелые металлы будущей третьей группы - индий и таллий. Эти открытия основывались на близости химических свойств членов открываемых групп, а потому эти их члены связывались между собою уже в самом процессе их открытия.

В начале того же XIX века было открыто семейство платиновых металлов (кроме рутения, открытого позднее) в качестве природных спутников платины. В течение всего XIX века открывались редкоземельные металлы как члены единого семейства.

Вполне естественно, что первые классификации элементов строились на основе общности их химических свойств. Так, еще в конце XVIII века А. Лавуазье разделил все элементы на металлы и неметаллы. Такого деления придерживался и И. Берцелиус в первой половине XIX века. Тогда же стали выделяться первые естественные группы и семейства элементов. И. Деберейнер, например, выделил так называемые «триады» (скажем, литий, натрий, калий - «триада» щелочных металлов и т. д.). К числу «триад» относились такие, как хлор, бром, йод или сера, селен, теллур. При этом вскрывались такие закономерности, что значения физических свойств среднего члена «триады» (его удельный и атомный веса) оказывались средними по отношению к крайним членам. Что же касается галоидов (галогенов), то агрегатное состояние среднего члена (жидкий бром) было промежуточным по отношению к крайним членам - газообразному хлору и кристаллическому йоду. Позднее число включаемых в одну группу элементов стало увеличиваться до четырех и даже пяти.

Вся эта классификация строилась на основе учета лишь сходства элементов внутри одной естественной группы. Такой подход давал возможность образовывать все новые подобные группы и раскрывать взаимоотношения элементов внутри них. Этим готовилась вероятность последующего создания общей системы, охватывающей все элементы путем объединения уже найденных их групп в одно целое.

Что препятствовало переходу от особенного ко всеобщему? Примерно к началу 60-х годов XIX века ступень особенности в познании элементов практически была уже исчерпана. Возникла необходимость перехода на ступень всеобщности в их познании. Такой переход мог быть осуществлен путем взаимного связывания различных групп элементов и создания их единой общей системы. Подобного рода попытки все чаще стали предприниматься в течение 60-х годов в различных странах Европы - Германии, Англии, Франции. Некоторые из этих попыток содержали в себе уже явные намеки на периодический закон. Таков был, например, «закон октав» Ньюлендса. Однако, когда Дж. Ньюлендс доложил о своем открытии на заседании Лондонского химического общества, ему был задан ехидный вопрос: а не пытался ли автор открыть какой-либо закон, располагая элементы в алфавитном порядке их названий?

Это показывает, насколько чужда была химикам того времени сама идея выйти за пределы групп элементов (особенного) и искать пути раскрытия общего закона, охватывающего их (всеобщего). В самом деле, чтобы составить общую систему элементов, надо было сближать и сопоставлять между собой не только сходные элементы, как это делалось до тех пор внутри групп, но все вообще элементы, в том числе и несходные между собою. Однако в сознании химиков прочно засела мысль, что сближать между собою можно только одни сходные элементы. Эта мысль настолько глубоко укоренилась, что химики не только не ставили перед собой задачи перейти от особенного ко всеобщему, но полностью игнорировали и даже не замечали первых отдельных попыток осуществить такой переход.

В итоге сложилось серьезное препятствие, вставшее на пути открытия периодического закона и создания общей естественной системы всех элементов на его основе. Существование подобного препятствия неоднократно подчеркивал сам Д. Менделеев. Так, в конце своей первой статьи о сделанном им великом открытии он писал: «Цель моей статьи была бы совершенно достигнута, если бы мне удалось обратить внимание исследователей на те отношения в величине атомного веса несходных элементов, на которые, сколько то мне известно, до сих пор не обращалось почти никакого внимания».

Спустя два с лишним года, подводя итог разработке своего открытия, Д. Менделеев вновь подчеркнул, что «между несходными элементами и не искали даже каких-либо точных и простых соотношений в атомных весах, а только этим путем и можно было узнать правильное соотношение между изменением атомных весов и других свойств элементов».

Спустя двадцать лет после открытия в своем Фараде- евском чтении Д. Менделеев вновь вспоминал о препятствии, стоявшем на пути к этому открытию. Он привел первые выкладки на этот счет, в которых «видны действительные задатки и вызов периодической законности». И если последняя «высказана с определенностью лишь к концу 60-х годов, то этому причину... должно искать в том, что сравнению подвергали только элементы, сходственные между собой. Однако мысль сличить

вее элемента по величине их атомного веса... была чужда общему сознанию...». А потому, отмечает далее Д. Менделеев, попытки, подобные «закону октав» Дж. Ньюлендса, «не могли обратить на себя чьего-либо внимания», хотя в этих попытках «видно... приближение к периодическому закону и даже его зародыш».

Эти свидетельства самого Д. Менделеева для нас исключительно важны. Их глубокий смысл заключается в признании того, что основным препятствием на пути открытия периодического закона, то есть на пути перехода ко всеобщему в познании элементов, лежала привычка химиков, ставшая традицией, мыслить элементы в жестких рамках особенного (их сходства внутри групп). Такая привычка в мышлении не давала им возможности выйти за рамки особенного и перейти на ступень всеобщего в познании элементов. В результате открытие общего закона задержалось почти на 10 лет, когда, по свидетельству Д. Менделеева, ступень особенного была уже в основном исчерпана.

ППБ и его функция. Подобное препятствие, которое носит одновременно и психологический и логический (познавательный) характер, мы и называем познавательно-психологическим барьером (ППБ). Такой барьер необходим для развития научной мысли и выступает в качестве ее формы, удерживая ее достаточно долгое время на достигнутой ступени (в данном случае на ступени особенности) с тем, чтобы она (научная мысль) могла полностью исчерпать эту ступень и тем самым подготовить переход на следующую, более высокую ступень всеобщности.

Сейчас мы не можем рассматривать механизм возникновения подобного барьера и ограничимся лишь указанием на то, что он возникает автоматически. Однако после выполнения им своей познавательной функции он продолжает действовать и не снимается столь же автоматически, а как бы закрепляется, окостеневает и из формы развития научной мысли превращается в ее оковы. В таком случае научное окрытие происходит не само собой, легко и просто, но как преодоление стоявшего на пути познания препятствия,ППБ.

Сказанное мы относим пока что к данному разбираемому нами историко-научному событию и не ставим еще задачи выяснить, насколько часто подобная ситуация наблюдается. При этом мы идем не путем индуктивных обобщений, основанных на рассмотрении множества различных открытий а путем теоретического анализа пока только одного открытия, а именно - периодического закона. В дальнейшем нас будет интересовать, каким конкретным способом Д. Менделеев преодолел барьер, стоявший на пути процесса открытия, то есть на пути перехода со ступени особенного на ступень всеобщего в познании химических элементов.

Преодоление ППБ Д. Менделеевым. Периодической закон был открыт Д. Менделеевым 17 февраля (1 марта) 1869 года. (Очень подробно об открытии периодического закона рассказано в книгах Б. М. Кедрова «День одного великого открытия» и «Микроанатомия великого открытия». - Ред.) На обороте только что полученного им письма он стал делать выкладки, положившие начало открытию. Первой такой выкладкой была формула хлорида калия КС1. Что она означала?

Д. Менделеев писал тогда свои «Основы химии». Он только что закончил первую часть и приступил ко второй. Первая часть завершилась главами о галоидах (галогенах), в число которых входил хлор (С1), а вторая начиналась главами о щелочных металлах, к которым относился и калий (К). Это были две крайние, диаметрально противоположные в химическом отношении группы элементов. Однако они сближены в самой природе путем образования, например, хлористых солей соответствующих металлов, скажем, поваренной соли.

Создавая «Основы химии», Д. Менделеев обратил на это внимание и стал искать объяснение этому в близости атомных весов. У обоих элементов - калия и хлора: К = 39,1, 01 = 34,5. Значения обоих атомных весов примыкали непосредственно одно к другому, между ними не было других промежуточных значений, атомных весов других элементов. Два с лишним года спустя после открытия, подводя итоги разработки, Дмитрий Иванович отмечает, что ключом к периодическому закону явилась идея сближения между собой по близости количественной характеристики (атомного веса) элементов, качественно совершенно несходных между собой. Он писал: «Переход от С1 к К и т. п. также во многих отношениях будет соответствовать некоторому между ними сходству, хотя и нет в природе других столь близких по величине атома элементов, которые были бы между собой столь различны».

Как видим, здесь Д. Менделеев обнажил скрытый смысл своей первой записи «КС1», с которой начался процесс открытия. Оговоримся, что нам неизвестно, что натолкнуло его на мысль о сближении калия и хлора по величине их атомного веса. Возможно, он вспомнил в этот момент, что писал о хлористом калии в конце первой или в начале второй части «Основ химии». Но возможно, и какое-либо иное обстоятельство навело его на мысль о сближении калия и хлора по атомному весу. Мы могли зафиксировать лишь ту запись на бумаге, которая появилась из-под пера Д. Менделеева, но не то, что предшествовало ей в его голове. Как увидим ниже, история науки и техники знает немало случаев, когда известен не только первый шаг к открытию, но и мысль, мелькнувшая в голове его авт

Добавим, что теперь мы можем более конкретно разъяснить, в чем состоял переход Д. Менделеева от особенного ко всеобщему в познании элементов. Под их несходством он фактически понимал их химические различия, а сближение несходного по их атомному весу достигалось на основании присущего им общего физического свойства - их массы. Таким образом, переход от особенного ко всеобщему соответствовал переходу от рассмотрения их с химической стороны к рассмотрению с физической стороны.

Ниже мы еще не раз вернемся к подобному же варианту. Однако этот случай нельзя трактовать как переход от учета одних лишь качественных различий элементов к учету количественного их сходства. Количественная характеристика элементов учитывалась уже на ступени особенного, как мы видели на примере «триад» и теории атомности.

Итог преодоления ППБ. Итак, отмеченный Д. Менделеевым барьер был успешно преодолен, и познание элементов в результате этого вышло за пределы ступени особенности и поднялось на ступень всеобщности. Заметим, что до этого момента сам ученый не видел, в чем именно заключается препятствие, стоявшее на пути к открытию периодического закона. В его подготовительных работах, в частности в планах «Основ химии», составленных до 17 февраля (1 марта) 1869 года, нет даже намека на то, что надо сближать друг с другом несходные элементы. Только после того, как он догадался, ^то ключ к решению всей задачи лежит в этом сближении, он понял, в чем заключалось и препятствие, лежавшее на пути к открытию, то есть, говоря нашим языком, что за барьер стоял на этом пути.

Переступив ППБ в первый раз, Д. Менделеев тут же начал в деталях осуществлять переход от особенного к только еще открываемому всеобщему (закону). При этом он показывал, как надлежит включать в строящуюся общую систему элементов одну их группу за другой, то есть сближать несходные между собой элементы по величине их атомных весов. Другими словами, все построение общей системы элементов совершалось в процессе последовательного включения особенного (групп) во всеобщее (в будущую периодическую систему).

«В этих трех группах видна сущность дела. Галоиды обладают меньшими атомными весами, чем щелочные металлы, а эти последние -меньшими, чем щелочноземельные».

Так, осуществляя переход от ступени особенного на ступень всеобщего в познании элементов, Д. Менделеев довел до завершения свой замысел, включив в общую систему не только все уже известные тогда группы элементов, но и отдельные элементы, стоявшие до тех пор вне групп.

Замечу, что некоторые химики и историки химии пытались представить дело так, будто Дмитрий Иванович в своем открытии шел не от групп элементов (особенного), сопоставляя их одну с другой, а непосредственно от отдельных элементов (единичного), образуя из них последовательный ряд в порядке возрастания их атомных весов. Анализ многочисленных черновых записей Д. Менделеева полностью отвергает эту версию и неоспоримо доказывает, что открытие периодического закона было совершено в порядке четко выраженного перехода от особенного к всеобщему. Тем самым подтверждается, что барьер здесь возник именно как познавательно- психологическое препятствие, мешавшее выходу научной мысли химиков за пределы ступени особенного.

Обратим теперь внимание, что в итоговой периодиче-j ской системе элементов представлены в единстве обе ис-^ ходные йроТйвоположности - сходство й несходство (химические) элементов. Это можно показать уже на приведенной выше неполной табличке из трех групп. В ней по горизонтали располагаются химически сходные элементы (то есть группы), а по вертикали - химически несходные, но с близкими атомными весами (образующие периоды).

Так представление о ППБ и о его преодолении позволяет понять механизм и ход сделанного Д. Менделеевым великого открытия.

Конкретнее это открытие можно представить как преодоление барьера, разрывавшего до тех пор элементы на такие противоположные классы, как металлы и неметаллы. Так, уже первая менделеевская запись «КСЬ

свидетельствовала о том, что здесь сближены между собою не вообще несходные элементы, а элементы двух противоположных классов - сильный металл с сильным неметаллом. В итоговой развернутой системе элементов сильные металлы заняли левый нижний угол таблицы, а сильные неметаллы - правый верхний угол. В промежутке же между ними расположились элементы переходного характера, так что открытие Д. Менделеева и в этом отношении преодолевало барьер, мешавший выработать единую систему элементов.

Преодоление еще одного барьера. До сих пор мы говорили о барьере, стоявшем на пути познания от особенного ко всеобщему. Условно такой путь можно сравнить с индуктивным. Однако после открытия закона и даже в самом процессе его открытия возможен был обратный путь - от общего к особенному и единичному, который мы столь же условно можем сравнить с дедуктивным. Так, до открытия периодического закона атомный вес какого-либо элемента устанавливался как нечто сугубо единичное, как отдельный факт, могущий быть проверенным лишь опытным способом. Периодический же закон давал возможность проверять, уточнять и даже исправлять полученные эмпирически значения атомного веса в соответствии с местом, которое должен занять данный элемент в общей системе всех элементов. Например, подавляющее большинство химиков вслед за И. Берцелиусом считало бериллий полным аналогом алюминия и приписывало ему атомный вес Be = 14. Но место, соответствующее этому значению атомного веса в строящейся системе, было прочно занято азотом: N=14. Пустовало же другое место - между литием (Li=7) и бором (В=11) в группе магния. Тогда Д. Менделеев исправил формулу окисла бериллия с глиноземной на магнезиальную, в соответствии с чем получил вместо Ве= = 14 новый атомный вес - Be=9,4, то есть значение, лежащее между 7 и И. Тем самым он показал, что всеобщее (закон) позволяет устанавливать единичное - свойство отдельного элемента, которое подчинено этому закону, причем устанавливать без нового обращения к опытному исследованию,

По этому поводу сам ученый писал через 20 лет после открытия своего закона: «Веса атомов элементов, до периодического закона, представляли числа чисто эмпирического свойства до того, что... могли подлежать критике лишь по методам их определения, а не по их величине, то есть в этой области приходилось идти ощупью, покоряться акту, а не обладать им...»

Можно сказать, что сугубый эмпиризм, или «покорение фактам», исключал возможность определять величину атомного веса, исходя из теоретических соображений, и требовал идти только опытным путем. Соответственно сказанному выше такое препятствие назовем тоже своеобразным барьером, который заставлял химиков быть рабами фактов, подчиняться им, но не владеть ими. Д. Менделеев в ходе построения своей системы преодолел этот барьер, показав, что всеобщее (закон) может служить критерием правильности установленного факта.

При этом и в данном случае мы видим, что на ступени эмпирического познания подобный барьер играет положительную роль (пока эта ступень не исчерпана), препятствуя неоправданному выходу научной мысли за пределы фактов, в область умозрительных натурфилософских построений. Когда же ступень односторонне проводимых эмпирических исследований исчерпана, названный барьер становится препятствием для дальнейшего прогресса научной мысли и должен быть преодолен. Это мы покажем ниже еще на одном примере, который продемонстрировало все то же открытие Д. Менделеева.

Еще о переходе от всеобщего к единичному и особенному. Речь идет о возможности наперед предсказывать не открытые еще элементы с их свойствами на основании пустых мест в только что построенной периодической системе. Уже в день открытия периодического закона Д. Менделеев предсказал три таких неизвестных еще металла; среди них - аналог алюминия с предположительным атомным весом?=68. Вскоре после этого он вычислил теоретически, опираясь на открытый им закон (всеобщее), многие другие свойства этого металла, назвав его условно экаалюминием, в том числе его удельный вес, равный 5,9 - 6, летучесть его соединений (откуда заключил, что он будет открыт с помощью спектроскопа). Именно так и открыл новый металл (галлий) П. Лекок де Буабодран в 1875 году.

Однако удельный вес галлия ой нашел значительно меньшим по сравнению с предсказанным. Поэтому заключил, что галлий - это вовсе не экаалюминий, предвиденный автором закона, а какой-то совершенно другой металл. В результате менделеевское предсказание объявлялось не подтвержденным. Но это не обескуражило Д. Менделеева. Он сразу догадался, что галлий восстанавливался fi помощью металлического натрия, у которого удельный вес очень мал, меньше, чем у воды. Легко было допустить, что первые порции восстановленного галлия были недостаточно хорошо очищены от примесей натрия, который и снизил полученное в опыте значение удельного веса найденного металла. Когда же П. Лекок де Буабодран, следуя совету Дмитрия Ивановича, очистил свой галлий от примесей, то найденное новое значение его удельного веса в точности совпало с предсказанным и оказалось равным 5,95.

Получилось так, что Д. Менделеев своим теоретическим взором видел новый элемент лучше, нежели 11. Лекок де Буабодран, державший этот элемент в руках. Таким образом, и здесь барьер, выступающий как слепое, некритическое отношение к любым полученным на опыте данным, был преодолен, а периодический закон выступил как критерий проверки правильности данных опыта.

Иногда дело представляется так, что сначала Д. Менделеев шел в своем открытии путем индукции (от частного к общему), а потом - путем дедукции (от общего к частному). В действительности же уже в ходе самого открытия нового закона он все время проверял правильность еще только строящейся общей системы элементов посредством дедуктивных умозаключений, как это мы видели на примере бериллия и будущего экаалюминия. Это значит, что индукция и дедукция у Д. Менделеева как логические приемы не были разорваны между собою, а функционировали в полном согласии и единстве, органически дополняя друг друга.

Можно сказать, что до Д. Менделеева в сознании химиков утвердился своего рода барьер, который исключал возможность какого-либо предвидения новых элементов и целенаправленного их поиска. Такой барьер тоже был разрушен сделанным открытием. «До периодического закона, - писал ученый, - простые тела представляли лишь отрывочные, случайные явления природы, не было поводов ждать каких-либо новых, а вновь находимые в своих свойствах были полной неожиданной новинкой. Периодическая законность первая дала возможность видеть неоткрытые еще элементы в такой дали, до которой не вооруженное этой закономерностью химическое зрение до тех лор не достигало и при этом новые элементы, еще не открытые, рисовались с целой массой свойств».

Итак, из анализа истории великого открытия мы уже можем сделать определенные выводы, ответить на вопросы, которые мы поставили в конце нашего методологического введения:

1. ППБ действительно существуют.

2. Они возникают и действуют, не допуская преждевременного выхода за рамки данной ступени развития, пока она себя не исчерпала (ступени особенности).

3. Поскольку, однако, эта функция ППБ выполнена, сами ППБ становятся тормозом для дальнейшего прогресса науки (для перехода ко всеобщему), а потому они преодолеваются, что и составляет самую суть научных открытий.

Но, разумеется, мы отлично понимаем, что нельзя ограничиться разбором одного только открытия, хотя бы и великого, для подтверждения выдвинутого положения о ППБ как общего. Для этого нужно, конечно, рассмотреть другие открытия, причем в достаточно большом числе. Этим мы и займемся в следующих главах, причем начнем издалека.

В книге видного советского историка химии Н.Ф.Фигуровского "Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии" (М., Наука, 1979). приведены основные периоды открытия 63 химических элементов с древнейших времен до 1869 г. - года установления Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) Периодического закона:

1. Древнейший период (от V тысячелетия до н.э. и до 1200 г. н.э.).

К этому длительному периоду относится знакомство человека с 7 металлами древности - золотом, серебром, медью, свинцом, оловом, железом и ртутью. Кроме этих элементарных веществ в древности были известны сера и углерод, встречающиеся в природе в свободном состоянии.

2. Алхимический период.

В этот период (от 1200 до 1600 г.) было установлено существование нескольких элементов, выделенных либо в процессе алхимических поисков путей трансмутации металлов, либо в процессах производства металлов и переработки различных руд ремесленниками-металлургами. Сюда относятся мышьяк, сурьма, висмут, цинк, фосфор.

3. Период возникновения и развития технической химии (конец XVII в.-1751 г.).

В это время в результате практического изучения особенностей различных металлических руд и преодоления трудностей, возникавщих при выделении металлов, а также открытий в процессе минералогических экспедиций было установлено существование платины, кобальта, никеля.

4. Первый этап химико-аналитического периода в развитии химии (1760-1805 гг.). В этот период с помощью качественного и весового количественного анализов был открыт ряд элементов, причем часть из них лишь в виде "земель": магний, кальций (установление различия извести и магнезии), марганец, барий (барит), молибден, вольфрам, теллур, уран (окисел), цирконий (земля), стронций (земля), титан (окисел), хром, бериллий (окисел), иттрий (земля), тантал (земля), церий (земля), фтор (плавиковая кислота), палладий, родий, осмий и иридий.

5. Этап пневматической химии. В это время (1760-1780 гг.) были открыты газообразные элементы - водород, азот, кислород и хлор (последний считался сложным веществом - окисленной соляной кислотой до 1809 г.).

6. Этап получения элементов в свободном состоянии путем электролиза (Г.Дэви, 1807-1808 гг.) и химическим путем: калий, натрий, кальций, стронций, барий и магний. Все они, впрочем, и ранее были известны в виде "огнепостоянных" (едких) щелочей и щелочных земель, или мягких щелочей.

7. Второй этап химико-аналитического периода в развитии химии (1805-1850 гг.). В это время в результате усовершенствования методов количественного анализа и разработки систематического хода качественного анализа были открыты бор, литий, кадмий, селен, кремний, бром, алюминий, иод, торий, ванадий, лантан (земля), эрбий (земля), тербий (земля), рутений, ниобий.

8. Период открытия элементов с помощью спектрального анализа, непосредственно вслед за разработкой и введением этого метода в практику (1860-1863 гг.): цезий, рубидий, таллий и индий."

Как известно, первая в истории химии "Таблица простых тел" была составлена А.Лавуазье в 1787 г. Все простые вещества были разделены на четыре группы: "I. Простые вещества, представленные во всех трех царствах природы, которые можно рассматривать как элементы тел: 1) свет, 2) теплород, 3) кислород, 4) азот, 5) водород. II. Простые неметаллические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) фосфор, 3) уголь, 4) радикал муриевой кислоты, 5) радикал плавиковой кислоты, 6) радикал борной кислоты. III. Простые металлические вещества, окисляемые и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) серебро, 3) мышьяк, 4) висмут, 5) кобальт, 6) медь, 7) олово, 8) железо, 9) марганец, 10) ртуть, 11) молибден, 12) никель, 13) золото, 14) платина, 15) свинец, 16) вольфрам, 17) цинк. IV. Простые вещества, солеобразующие и землистые: 1) известь (известковая земля), 2) магнезия (основание сульфата магния), 3) барит (тяжелая земля), 4) глинозем (глина, квасцовая земля), 5) кремнезем (кремнистая земля)".

Эта таблица легла в основу химической номенклатуры, разработанной Лавуазье. Д.Дальтон ввел в науку важнейшую количественную характеристику атомов химических элементов - относительный вес атомов или атомный вес.

При отыскании закономерностей в свойствах атомов химических элементов ученые прежде всего обратили внимание на характер изменения атомных весов. В 1815-1816 гг. английский химик У.Праут (1785-1850) опубликовал в "Анналах философии" две анонимные статьи, в которых была высказана и обоснована идея, что атомные веса всех химических элементов являются целочисленными (т.е. кратными атомному весу водорода, который принимался тогда равным единице): "Если взгляды, которые мы решились высказать, правильны, то мы почти можем считать, что первоматерия древних воплощена в водороде...". Гипотеза Праута была очень заманчивой и вызвала постановку многих экспериментальных исследований с целью возможно более точного определения атомных весов химических элементов.

В 1829 г. немецкий химик И.Деберейнер (1780-1849) сопоставлял атомные веса у сходных химических элементов: Литий, Кальций, Хлор, Сера, Марганец, Натрий, Стронций,Бром, Селен, Хром,Калий, Барий, Иод,Теллур, Железо и нашел, что атомный вес среднего элемента равен полусумме атомных весов крайних элементов. Поиски новых триад привели Л.Гмелина (1788-1853) - автора всемирно известного справочного руководства по химии - к установлению многочисленных групп сходных элементов и к созданию их своеобразной классификации.

В 60-х гг. XIX века ученые перешли к сопоставлению между собой уже самих групп химически сходных элементов. Так, профессор Парижской горной школы А.Шанкуртуа (1820-1886) расположил все химические элементы на поверхности цилиндра в порядке возрастания их атомных весов так, чтобы получилась "винтовая линия". При таком расположении сходные элементы часто попадали на одну и ту же вертикальную линию. В 1865 г. английским химиком Д.Ньюлендсом (1838-1898) была опубликована таблица, которая включала в себя 62 химических элемента. Элементы были расположены и пронумерованы в порядке возрастания атомных весов.

Ньюлендс использовал нумерацию, чтобы подчеркнуть, что через каждые семь элементов свойства химических элементов повторяются. При обсуждении в Лондонском химическом обществе в 1866 г. новой статьи Ньюлендса (ее к публикации не рекомендовали) профессор Дж.Фостер с сарказмом спросил: "Не пробовали ли Вы расположить элементы в алфавитном порядке их названий и не заметили ли при таком расположении каких-либо новых закономерностей?"

В 1868 г. английский химик У.Олдинг (1829-1921) предложил таблицу, которая, по мнению автора, демонстрировала закономерную взаимосвязь между всеми элементами.

В 1864 г. немецкий профессор Л.Майер (1830-1895) составил таблицу из 44 химических элементов (из 63 известных).

Оценивая этот период, Д.И.Менделеев писал "Нет ни одного сколько-нибудь общего закона природы, который бы основался сразу, всегда его утверждению предшествует много предчувствий, а признание закона наступает не тогда, когда он вполне осознан во всем его значении, а лишь по утверждении его следствий опытами, которые естествоиспытатели должны признавать высшею инстанциею своих соображений и мнений".

В 1868 г. Д.И.Менделеев начал работать над курсом "Основы химии". Для наиболее логичного расположения материала необходимо было как-то расклассифицировать 63 химических элемента. Первый вариат Периодической системы химических элементов был предложен Д.И.Менделеевым в марте 1869 г.

Через две недели на заседании Русского химического общества был зачитан доклад Менделеева "Соотношение свойств с атомным весом элементов", в котором обсуждались возможные принципы классификации химических элементов:

1) по их отношению к водороду (формулы гидридов); 2) по их отношению к кислороду (формулы высших кислородных окислов); 3) по валентности; 4) по величине атомного веса.

Далее в течение следующих лет (1869-1871 гг.) Менделеев изучал и перепроверял те закономерности и "несообразности", которые были замечены в первом варианте "Системы элементов". Подводя итог этой работы, Д.И.Менделеев писал: "По мере возрастания атомного веса элементы сперва имеют все новые и новые изменчивые свойства, а потом эти свойства вновь повторяются в новом порядке, в новой строке и в ряде элементов и в той же последовательности, как и в предшествовавшем ряде. А потому Закон периодичности можно сформулировать следующим образом: "Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости (т.е. правильно повторяются) от их атомного веса". Законы природы исключений не терпят... Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и неожидаемых, и оправдания тех следствий и опытной проверке. Поэтому-то увидев периодический закон, я со своей стороны (1869-1871) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать, верен он или нет. К числу их относится предсказание свойств неоткрытых элементов и исправление атомных весов многих, мало в то время обследованных элементов... Надобно что-либо одно - или считать периодический закон верным до конца и составляющим новое орудие химических знаний, или его отвергнуть".

В течение 1872-1874 гг. Менделеев стал заниматься другими проблемами, а в химической литературе о Периодическом законе почти не упоминалось.

В 1875 г. французский химик Л.де Буабодран сообщил, что при исследовании цинковой обманки он спектроскопически обнаружил в ней новый элемент. Он получил соли этого элемента и определил его свойства. В честь Франции он назвал новый элемент галлием (так Францию называли древние римляне). Сравним, что предсказывал Д.И.Менделеев и что было найдено Л.де Буабодраном:

В первом сообщении Л. де Буабодрана удельный вес галлия был найден равным 4.7. Д.И.Менделеев указал ему на его ошибку. При более тщательном измерении удельный вес галлия оказался равен 5.96.

В 1879 г. появилось сообщение шведского химика Л.Нильсона (1840-1899) об открытии им нового химического элемента - скандия. Л.Нильсон отнес скандий к редкоземельным элементам. П.Т.Клеве указал Л.Нильсону на то, что соли скандия бесцветны, его окись нерастворима в щелочах и что скандий представляет собой предсказанный Д.И.Менделеевым экабор. Сравним их свойства.

Анализируя новый минерал в феврале 1886 г. немецкий профессор К.Винклер (1838-1904) открыл новый элемент и считал его аналогом сурьмы и мышьяка. Возникла дискуссия. К.Винклер согласился, что открытый им элемент - это предсказанный Д.И.Менделеевым экасилиций. К.Винклер назвал этот элемент германием.

Итак, ученые-химики трижды подтвердили существование предсказанных Менделеевым химических элементов. Более того, именно предсказанные Менделеевым свойства этих элементов и их положение в Периодической системе позволили исправить ошибки, которые невольно допускали экспериментаторы. Дальнейшее развитие химии происходило на прочной основе Периодического закона, который в 80-х годах XIX в. был признан всеми учеными как один из важнейших законов природы. Таким образом, важнейшей характеристикой любого химического элемента является его место в Периодической системе Д.И.Менделеева .

Предпосылки открытия периодического закона и создания периодической системы Д.И.Менделеева

Попытки классификации химических элементов до Д.И.Менделœеева

История открытия периодического закона. Основные этапы развития учения о периодичности

Лекция № 7

1. Попытки классификации химических элементов до Д.И.Менделœеева.

2. Предпосылки открытия периодического закона и создания периодической системы Д.И.Менделœеева.

3. Открытие Д.И.Менделœеевым периодического закона и периодической системы.

4. Триумф периодического закона.

По мере возрастания числа открытых химических элементов возникла крайне важно сть их классификации и систематизации. Первую попытку сделал еще в конце XVIII века А.Лавуазье, выделив 4 класса: газы и флюиды (свет и тепло), металлы, неметаллы, ʼʼземлиʼʼ (оказавшиеся оксидами). Эта классификация положила начало многим другим попыткам.

В 1817 году немецкий ученый И.Доберейнер располагает всœе известные элементы отдельными триадами:1) Li, Na, K; 2)Ca, Sr, Ba; 3) P, As, Sb; 4) S, Se, Te; 5) Cl, Br, J; и обнаруживает интересную закономерность: масса атома среднего элемента равна среднеарифметическому из масс крайних элементов, к примеру:ArNa = (Ar Li + Ar K)/2 = (6, 94 + 39,1)/2 = 23.

Эта закономерность занимала умы многих химиков, и в 1857 году Ленсеен 60 известных к тому времени элементов располагает в 20 триад. Многие ученые понимали, что элементы связаны каким-то, пока неясным внутренним родством, однако причины открытых закономерностей не выявлялись.

Помимо таблиц с горизонтальным и вертикальным расположением элементов, были предложены и другие. Так, к примеру, французкий химик Шанкуртуа располагает 50 элементов по винтовой линии на поверхности цилиндра, помещая их на линии, в соответствии с атомным весом. Т.к. система заканчивалась теллуром, то эту систему назвали “теллуровый винт”. Многие сходные элементы на цилиндре оказались друг под другом по вертикалям. Это построение графически правильно выражало идею диалектического развития материи.

Интересно, что из его “винта” впервые выявилась аналогия, между водородом и галогенами, лишь недавно ставшая общепризнанной

Замеченная ученым периодическая повторяемость не нашла развития в нижней части цилиндра, где никакой аналогии по вертикали не наблюдалось.

В 1864-1865 годах появились две новые таблицы: английского ученого Дж.Ньюлендса и немецкого ученого Л.Мейера.

Ньюлендс исходил из идеалистических представлений о всœеобщей гармонии в природе, которая должна существовать и среди химических элементов.

Известные в то время 62 элемента он расположил в порядке возрастания их эквивалентов и подметил, что в данном ряду часто каждый 8-й как бы повторяет свойства каждого, условно считаемого за первый элемент.

H, Li, Be, B и т.д.; Na – девятый элемент повторяет свойства второго – Li, Ca – 17-ый повторяет свойства 10-го – Mg и т.д.

У него получилось 8 вертикальных столбцов – октав. Сходные элементы расположились на горизонталях. Выявленные закономерности он назвал ʼʼзаконом октавʼʼ. При этом, нарушений гармонии в таблице Ньюлендса было много: нет никакого сходства между Cl и Pt, S, Fe и Au.

И всœе же, заслуга Ньюленда несомненна: он первый подметил повторяемость свойств на 8-м элементе, привлек внимание к этому числу.

Таблица Лотара Мейера основана на сходстве элементов по их валентности по водороду.

К этому времени в химии было введено понятие валентность. С введением этого понятия химическое сходство приобрело количественное выражение. Так, к примеру, B и Si сходны по свойствам, но различны по валентности (B – 3, Si - 4). В таблице 6 вертикальных столбцов с 44 элементами. Мейер подмечает, что разность между относительными атомными массами сосœедних по каждому столбцу элементов отличается на закономерно возрастающие числа: 16, 16, 45, 45, 90. Он так же отмечает, что разность между Ar (Si) и Ar (Sn) ненормально велика (90 вместо 45). При этом, никаких выводов не сделал, а ведь таким выводом мог быть вывод о существовании в природе не известных тогда еще элементов.

Мейер, более чем кто - либо другой, был близок к открытию закона (он открыл периодическую зависимость атомных объёмов элементов), но не решился на смелые выводы.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, число попыток классификации элементов до Д.И.Менделœеева было около 50. Классифицировали химические элементы ученые из разных стран, и некоторые из них стояли на пороге открытия периодического закона Οʜᴎ искали сходство между явно сходными элементами, и не допускали наличия сходства между Na и Cl, к примеру, ᴛ.ᴇ. не допускали мысли, что всœе элементы – ступени развития единой материи, в связи с этим они не могли открыть всœеобщий закон природы и обнаружить единую систему элементов.

К концу 60-х годов XIX века выявились следующие предпосылки открытия периодического закона:

o установлены, близкие к современным, атомные массы элементов. (Дальтон, Берцелиус, Реньо, Канниццаро). В 1858 году, Канниццаро, используя метод определœения плотности газов для определœения их молекулярных масс, дал новую систему относительных атомных масс некоторых элементов. Таблица была далеко не полной, но атомные массы, за малым исключением, были точными;

o установлены “естественные группы” сходных элементов (Доберейнер, Петтенкофер, Дюма, Ленсеен, Штреккер, Одлинг, Ньюлендс, Мейер);

o развито учение о валентности химических элементов (Франкланд, Кекуле, Купер);

o открыто сходство кристаллических форм различных химических элементов (Гаюи, Митчерлих, Берцелиус, Розе, Раммельсберг).

Предпосылки открытия периодического закона и создания периодической системы Д.И.Менделеева - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Предпосылки открытия периодического закона и создания периодической системы Д.И.Менделеева" 2017, 2018.