Як створювалася Періодична таблиця Менделєєва

Як створювалася Періодична таблиця Менделєєва



Хімія – це наука про речовини, одна з основоположних в природознавстві. Знання з цього предмету, отримані в школі, деякі вже забули, а ось періодичну таблицю Менделєєва запам’ятав кожен, хоча у багатьох в пам’яті вона так і залишилася таблицею з різнокольоровими квадратами і вписаними в них буквами.

Напевно кожній творчо мислячій людині буде цікаво дізнатися, як створювалася таблиця Менделєєва.

Менделеєв - портрет
Менделеєв

Необхідність систематизації елементів

Століттями людина прагнула розкрити таємницю складу частинок, але її методи, як і саме уявлення про будову речовини, були занадто заплутані. Початком вивчення хімічних елементів можна вважати 1668 рік, коли Ірландський хімік Роберт Бойль у своїй книзі описав 15 таких частинок і припустив, що їх може бути набагато більше.

Через сто років французький хімік Антуа Лавуазьє склав новий список, що складався з 35 елементів. 23 з них пізніше визнали нерозкладними.

Основа для розуміння була закладена тільки на початку XIX століття, коли атоми були визнані базовими будівельними цеглинками природи. Елемент – це речовина, що складається з одного виду атомів. Атоми різних частинок відрізняються один від одного вагою.

До середини XIX століття вчені відкрили 63 хімічних елементів. Багато дослідників намагалися визначити хоч якусь закономірність в цьому підборі. Закономірністю займалися:

  • у 1829 році німецький хімік Йоганн Деберейнер;
  • у 1862 році французький геолог і хімік Олександр Еміль Шанкуртуа;
  • у 1866 році англійський хімік Джон Олександр Ньюлендс.

За допомогою ваг хіміки визначали співвідношення ваги у різних атомів, але результати не збігалися. У 1860 році був скликаний Конгрес хіміків в Карлсруе (Німеччина), щоб покласти край неналежній ситуації з визначенням атомних і молекулярних ваг.

Цей конгрес намітив шлях до більш комплексної систематизації складу речовин. Два учасники конгресу — Дмитро Менделєєв з Росії і Лотар Мейер з Німеччини розуміли, що атомні ваги — ключ класифікації елементів. Менделєєв першим припустив, то між атомною масою елементів і їх розташуванням в системі може існувати взаємозв’язок.

Оригінальний вигляд періодичної системи елементів за Менделеєвим, 1869 рік
Оригінальний вигляд періодичної системи елементів за Менделеєвим, 1869 рік

Як заповнювалася Періодична таблиця

У 1867 році Менделєєв став професором хімії Санкт-Петербурзького університету. У навколишніх кар’єрах він шукав мінерали, щоб показати студентам, в якій формі елементи можуть зустрічатися в природі. Менделєєв, як викладач, написав класичний підручник “Основи хімії”. При його написанні він заглибився у відносини між властивостями частинок, намагаючись створити систему для їх класифікації.

У 1869 році члени Російського хімічного товариства прослухали доповідь Менделєєва, яка підбиває підсумки його досліджень. Йому вдалося розробити струнку систему хімічних елементів. Але як він прийшов до цієї системи?

“Шукати що-небудь, хоча б гриби або будь-яку залежність не можна інакше, як спостерігаючи і пробуючи», — писав він.

Менделєєв став підбирати речовини, записуючи в окремих картках їх атомну вагу і характерні властивості. Схожі частинки і близькі атомні ваги дозволили йому зробити висновок, що властивості елементів складаються в періодичній залежності від їх атомної ваги.

Графічне представлення Періодичної таблиці хімічних елементів Менделєєва
Графічне представлення Періодичної таблиці хімічних елементів Менделєєва

Менделєєв заповнив прогалини в таблиці картками ще не відкритих хімічних речовин. Він навіть передбачив їх властивості. Багато колег вирішили, що його висновки неспроможні.

Проте, Менделєєв прагнув якомога швидше заповнити порожні клітини ще невідомими науці хімічними речовинами, властивості і атомні маси яких він зумів обчислити. І процес почався. Один за одним стали відкриватися нові елементи. Першим відкрили галій в 1875 році, потім стали відкриватися і інші:

  • скандій у 1879 році;
  • германій у 1885 році;
  • полоній — 1898 рік;
  • реній — 1925 рік;
  • технецій — 1937 рік;
  • францій — 1939 рік;
  • астат в 1942-1943 роках.

Періодична система, яку сьогодні знає кожен школяр, складається з колонок і рядів. У рядах елементи розміщені по збільшенню числа атомів. Вони приблизно пропорційні їх атомній вазі. Колонки містять хімічні речовини з подібними властивостями, які варіюють при переході від одного стовпця до іншого.

Лотар Юліус Маєр
Лотар Юліус Маєр

Вплив вивчення будови атома

У 1886 році Клеменс Вінклер, німецький хімік-технолог, заповнив одну з прогалин, залишену Менделєєвим – він відкрив елемент германій. Його хімічні властивості збіглися з прогнозами Менделєєва.

Германій належить до тієї ж групи елементів, що і вугілля, кремній, олово і свинець. Точність періодичної системи підтвердили відкриття шотландського хіміка Вільяма Рамзая. У період між 1894 і 1898 роками він відкрив кілька благородних газів — нову окрему групу елементів.

Рамзай відкрив благородні гази в атмосфері, де через хімічно інертну поведінку вони довго залишалися не виявленими. Ця група легко увійшла в таблицю. Але по-справжньому періодичну систему зрозуміли тільки тоді, коли з’ясувалося, що атом складається з ядра і електронів.

Електрони розташовані в оболонках атомів згідно з певними законами. Коли одна з оболонок заповнюється, створюється нова, тому хімічні властивості залежать, зокрема, від числа електронів у зовнішній оболонці. У кожній новій оболонці ці властивості повторюються, а в таблиці починається новий ряд.

Першим в таблиці стоїть водень, атом якого найлегший з усіх. Атоми азоту і кисню — двох головних складових атмосфери, у багато разів важче нього. Атомна вага водню приблизно дорівнює одиниці.

Атоми найважчої хімічної речовини, що зустрічається в природі – урану, більш ніж у 200 разів важче водню.

До сорокового року були виявлені всі дев’яносто два елементи – від водню до урану, за винятком прометію. В кінці тридцятих років групи вчених намагалися штучно отримати з урану важчі частинки. У 1938 році німецький хімік Отто Ган майже випадково відкрив ядерний поділ. Він разом з помічником Фріцем Штрассманом вивчав зразки урану, які бомбардував нейтронами.

Але замість нового важкого елемента Ган отримав тільки легші, утворені при розпаді ядра урану. Так Отто Ган вперше довів поділ ядра.

Через два роки, виконуючи схожі досліди, американські вчені створили першу штучну хімічну речовину – нептуній. Рік по тому до нього додався плутоній. Обидві ці частинки важче урану. Вони легко увійшли, в наявну таблицю хімічних елементів.

Довгий варіант Періодичної таблиці хімічних елементів Менделєєва
Довгий варіант Періодичної таблиці хімічних елементів Менделєєва

Роль плутонію в розширенні таблиці

Таким чином, 92 елементи періодичної таблиці Менледєєва зустрічаються в природі, а починаючи з 93-го елементи можуть бути створені лише в лабораторії і є штучними. Спочатку таблиця показувала лише порядок, що існує в природі, не пояснюючи чому має бути саме так. Лише поява квантової механіки розкрила істинний сенс порядку елементів в таблиці.

Практика показувала, що повинні бути й інші трансуранові елементи. Коли стало відомо, що ізотоп плутонію-239 легко ділиться, ним зацікавилися військові. Їх приваблювала величезна вибухова сила, яку він може створити.

Плутоній, що має атомне число 94, продовжив процес розширення таблиці Менделєєва. Він утворюється, коли природний уран бомбардують нейтронами в ядерному реакторі. Критична маса плутонію, яка потрібна для атомної бомби, – п’ять кілограмів.

До тих пір плутоній вдавалося створювати в таких малих кількостях, що зважувати його можна було тільки за допомогою тонкої скляної нитки.

Попри це, вчені все ж змогли визначити його фізичні та хімічні властивості. Війна з Німеччиною стала важливою передумовою для виробництва плутонію кілограмами. Його планували використовувати для створення надзброї проти гітлерівської Німеччини.

Працюючи над бомбою, вчені та інженери відкривали нові горизонти. Неможливе стало реальністю. Хоча бомбу так і не скинули на Німеччину, між двома наддержавами — США і СРСР почалися перегони, хто відкриє більше елементів, які можна виробляти штучно.

Приклад плутонію показав, що відкриття нових елементів може надати значну військову перевагу. Так холодна війна внесла внесок у Розширення таблиці Менделєєва.

Блокова діаграма періодичної таблиці
Блокова діаграма періодичної таблиці

Значення для світової науки

На початку вісімдесятих років з Німеччини надходили повідомлення про нові, штучно створені хімічні речовини. До 1996 року пів дюжини нових елементів були створені в інституті з дослідження важких іонів в німецькому місті Дармштадті.

Експерименти були складними і дорогими. Зразки тижнями бомбардували іонами. Таблиця постійно розширюється.

Останній елемент – теннессин, був відкритий у 2010 році, а всього відкрито 118 елементів.

Значення таблиці Д. Менделєєва для світової науки:

  • вона стала найбільш важливим етапом у розвитку атомно-молекулярного вчення;
  • з її допомогою стало можливим передбачення раніше невідомих хімічних елементів;
  • частинки, виявлені пізніше, точно стали на вільні місця таблиці, передбачені Менделєєвим;
  • таблиця допомогла скласти поняття про хімічний елемент в сучасному розумінні;
  • таблиця дала можливість систематизувати типи атомів для новостворених розділів фізики (атомної фізики і фізики ядра).

Спочатку періодичну систему поповнювали новими частинками хіміки, а зараз це завдання виконують вже фізики. Періодична система елементів, створена Дмитром Менделєєвим більше століття тому, виявилася настільки універсальною, що кожне нове відкриття тільки підтверджує її вірність.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *