История открытия
Периодического закона
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 были изложены особенности
предлагемой таблицы химических
элементов и сделан вывод: "Элементы,
расположенные по величине их
атомного веса, представляют
явственную периодичность свойств".
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.
см. также
