Реферат: «Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, история её открытия и экспериментальное подтверждение» –

Петрянов И. В., Трифонов Д. Н. «Великий закон»

Москва, «Педагогика», 1984 г.

2. Кедров Б. М. «Прогнозы Д. И. Менделеева в атомистике»

Москва, «Атомиздат», 1977 г.

3. Агафошин Н. П. «Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева» Москва, «Просвещение», 1973 г.

4. «Д. И. Менделеев в воспоминаниях современников» Москва, «Атомиздат», 1973 г.

5. Волков В. А. биографический справочник «Выдающиеся химики мира» Москва, «Высшая школа», 1991 г.

6. Боголюбова Л. Н. «Биографии великих химиков» Москва, «Просвещение», 1997 г.

7. Иванова Л. Ф., Егорова Э. Н. настольная энциклопедия «Всё обо всём» Москва, «Мнемозина», 2001 г.

8. Сумм Л. Б. детская энциклопедия «Я познаю мир. Химия» Москва, «Олимп», 1998 г.

Реферат: периодический закон и периодическая система химических элементов –

Ученик 10 а класса

победитель районных олимпиад по

химии и экологии в 2005-06 уч. г.

(I место), участник Республиканской олимпиады по химии

Проверила:
Волкова Т. Н.

2006 год

Содержание.

РЕФЕРАТ… 1

Введение. 4

Глава I. Личная жизнь и деятельность Д. И. Менделеева. 5

1. Семья Соколовых. Как в ней появилась фамилия Менделеев. 5

2. Отношения Менделеевых с декабристами. 6

3. Учёба будущего учёного. 6

4. Характер Д. И. Менделеева. Его самобытность. 7

5. Педагогическая деятельность Д. И. Менделеева. 8

6. «Основы химии Д. Менделеева». 9

7. Химический съезд в г. Карлсруэ и его воздействие на мысли учёного. 10

Глава II. Как был открыт Великий закон. 10

§ 1. Что было накануне открытия?. 10

§ 2. Попытки учёных классифицировать известные элементы. 11

1. Триады Дёберейнера. 11

2. Классификация элементов Гесса. 12

3. «Теллуровый винт» де Шанкуртуа. 13

4. График Мейера. 13

5. «Закон октав» Ньюландса. 14

§ 3. Творческий процесс работы Д. И. Менделеева над составлением периодической таблицы. 15

Глава 3. Трудный путь периодического закона. 21

§ 1. Пробелы и предсказания Д. И. Менделеева. 21

§ 2. Теория строения атома. 27

1. Незнание причин периодичности. 27

2. Планетарная модель атома. 28

3. Модель атома Бора. 29

4. Четыре буквы атомного алфавита. 33

5. Архитектура периодической системы. 35

6. Атом квантовомеханический. 36

§ 3. Искусственные элементы. 37

1. Синтез элементов. 37

2. Искусственные элементы в пределах периодической системы. 38

3. Трансурановые элементы. 41

Заключение. Значение периодического закона. 47

Используемая литература. 50

Рис. 1. Рамка с фотографиями химиков Л. Нильсона, Л. де Буабодрана, Б. Браунера и К. Винклера.

Пожалуй, химия как ни одна другая наука приобрела за последние столетия вес и значимость. Этому в немалой степени способствовал химик Д. И. Менделеев. Использование на практике результатов проведённых им исследований глубоко затронуло жизнь людей. С этим связан в наши дни интерес к истории химии, а также к жизни и творчеству великого химика.

Сегодня мы вправе утверждать, что создание основ современной неорганической химии принадлежат русским учёным, в первую очередь наиболее гениальному корифею науки и великому патриоту своей Родины Д. И. Менделееву. Он выступает на арену научной общественной деятельности в период промышленного подъёма, с одной стороны, и освободительного движения в России, с другой.

Развитие капиталистического хозяйства в России требовало значительного роста научно-технических кадров, а также привлекало внимание работников науки к разрешению народно-хозяйственных задач. Именно в это время Д, И, Менделеев разрабатывает план освоения нефти.

Подводя итоги своей научной деятельности, он в одном из писем указывал, что «первая моя служба – Родине, вторая – просвещению, третья – промышленности», а ведя борьбу за приоритет открытого им периодического закона, говорил, что он защищает честь этого закона «не ради себя, а ради русского имени».

Д. И. Менделеев принадлежал к поколению деятелей передовой русской науки и культуры второй половины Х1Х века, к поколению, которое выросло под идейным влиянием русских революционных демократов. Это был период борьбы активных передовых людей общества за развитие национальной науки.

Дмитрий Иванович Менделеев (27.01 [8.02] 1834 – 20.01 [2.02] 1907) – великий русский ученый; открыл периодический закон химических элементов, являющийся естественно-научной основой современного учения о веществе.

Рис. 2. Отец Д. И. М6енделеева – Иван Павлович.

Его отец Иван Павлович был директором гимназии. Дед Менделеева Дмитрия Ивановича Менделеева, Павел Максимович Соколов, в конце ХVШ – начале Х1Х в. был священником в Тверской губернии. Здесь у Павла Максимовича и его жены Степаниды Евдокимовны родились дети:

Наталья, Татьяна, Прасковья, Тимофей, Василий, Александр, Иван. Приход был бедным, и родители, стремясь дать сыновьям образование, определили их в Тверскую духовную семинарию, где дети священников могли учиться бесплатно. В семинарии существовал обычай – присваивать ученикам новые фамилии.

Рис. 3. Вид города Тобольска.

Семья Менделеевых жила в доме на крутом высоком берегу реки Тобол в г. Тобольске, здесь и родился будущий ученый. В то время в Тобольске отбывали ссылку многие декабристы: Анненков, Барятинский, Вольф, Кюхельбекер, Фонвизен и др… Они заражали своим мужеством, трудолюбием окружающих.

Их не сломили не тюрьмы, ни каторга, ни ссылка. Таких людей видел Митя Менделеев. В общении с ними формировалась его любовь к Родине, ответственность за ее будущее. Семья Менделеевых была в дружеских и родственных отношениях с декабристами. Д. И. Менделеев писал: «… тут жили почтенные и всеми уважаемые декабристы:

Фонвизен, Анненков, Муравьев, близкие к нашей семье, особенно после того, как один из декабристов, Николай Васильевич Басаргин, женился на моей сестре Ольге Ивановне… Семьи декабристов, в те времена придавали тобольской жизни особый отпечаток, наделяли ее светским воспитанием. Предание о них до сих пор живет в Тобольске».

В 15 лет Дмитрий Иванович окончил гимназию. Его мать Мария Дмитриевна приложила немало усилий, чтобы юноша продолжил образование.

Рис. 4. Мать Д. И. Менделеева – Мария Дмитриевна.

Менделеев пытался поступить в Медико-хирургическую академию в Петербурге. Однако анатомия оказалась не под силу впечатлительному юноше, поэтому Менделееву пришлось сменить медицину на педагогику. В 1850 г. он поступает в Главный педагогический институт, где когда-то учился его отец. Только здесь Менделеев почувствовал вкус к учебе и скоро стал одним из лучших.

В возрасте 21 года Менделеев блестяще выдержал вступительные экзамены. Учеба Дмитрия Менделеева в Петербурге в педагогическом институте вначале давалась нелегко. На первом курсе он умудрился по всем предметам, кроме математики, получить неудовлетворительные оценки.

Его дипломная работа о явлении изоморфизма была признана кандидатской диссертацией. Талантливого студента в 1855г. назначили учителем Ришельевской гимназии в Одессе. Здесь он подготовил вторую научную работу – «Удельные объемы». Этот труд был представлен в качестве магистерской диссертации. В 1857г. после ее защиты Менделеев получил звание магистра химии, стал приват-доцентом Петербургского университета, где читал лекции по органической химии. В 1859 г. был командирован за границу.

Два года Менделеев провел в различных университетах Франции и Германии, но наиболее результативной была его диссертационная работа в Гейдельберге у крупнейших ученых того времени Бунзена и Кирхгоффа.

Несомненно, на жизнь ученого сильно повлиял характер среды, в которой прошло его детство. Смолоду и до старости он делал все и всегда по-своему. Начиная с обыденных мелочей и продолжая в существенном. Племянница Дмитрия Ивановича, Н. Я. Капустина-Губкина вспоминала:

«У него были свои излюбленные кушанья, им самим для себя придуманные… Он всегда носил широкую суконную куртку без пояса самим им придуманного фасона… Курил крученые папиросы, свертывая их сам…». Создал образцовое имение – и тут же его забросил. Провел замечательные эксперименты по сцеплению жидкостей, и тут же навсегда оставил эту область науки.

А какие скандалы он начальству закатывал! Еще в юности, неоперившимся выпускником Педагогического института, накричал на директора департамента, за что был призван к самому министру Аврааму Сергеевичу Нороватову. Впрочем, что ему директор департамента – он и с синодом не посчитался.

Когда тот наложил на него семилетнюю епитимью по случаю развода с Феозой Никитишной, так и не примирившейся со своеобразностью его интересов, Дмитрий Иванович за шесть лет до положенного срока уговорил священника в Кронштадте снова обвенчать его. А чего стоила история его полета на воздушном шаре, когда он силой захватил аэростат, принадлежащий военному ведомству, выгнав из корзины генерала Кованько, опытного воздухоплавателя… Скромностью Дмитрий Иванович не страдал, напротив – «Скромность – мать всех пороков», – утверждал Менделеев.

Самобытность личности Дмитрия Ивановича наблюдалась не только в поведении ученого, но и во всем его облике. Его племянница Н. Я. Капустина-Губкина нарисовала следующий словесный портрет ученого: «Грива длинных пушистых волос вокруг высокого белого лба, очень выразительного и очень подвижного… Ясные синие, проникновенные глаза… В нем многие находили сходство с Гарибальди… При разговоре он всегда жестикулировал.

Широкие, быстрые, нервные движения рук отвечали всегда его настроению… Тембр голоса у него был низкий, но звучный и внятный, но тон его очень менялся и часто переходил с низких нот на высокие, почти теноровые… Когда он говорил про то, чего не любил, то морщился, нагибался, охал, пищал…».

Самобытность Менделеева выделяла его из общей массы с юности… Учась в педагогическом институте, синеглазый сибиряк, не имевший ни гроша за душой, неожиданно для господ профессоров начал проявлять такую остроту ума, такое неистовство в труде, что оставил далеко позади всех своих сотоварищей.

Именно тогда его заметил и полюбил действительный статский советник, известный деятель народного просвещения, педагог, ученый, профессор химии Александр Абрамович Воскресенский. Поэтому в 1867 году на должность профессора общей и неорганической химии физико-математического факультета в Петербургском университете Александр Абрамович рекомендовал любимого своего ученика – тридцати трех летнего Дмитрия Ивановича Менделеева. В мае 1868 года у Менделеевых родилась любимая дочь Ольга…

Тридцать три – традиционный возраст подвига: в тридцать три, согласно былине слез с печи Илья Муромец. Но хотя в этом смысле жизнь Дмитрия Ивановича не составила исключения, сам он вряд ли мог ощутить, что происходит резкий поворот в его жизни. Вместо курсов технической, или органической, или аналитической химии, читанных им ранее, предстояло ему приступить к чтению нового курса, общей химии.

Конечно, по накатанному проще. Однако когда он приступал к прежним своим курсам, тоже было не просто. Русских пособий либо не существовало вовсе, либо существовали, но – устаревшие. Химия дело новое, молодое, а в молодости все устаревает быстро. Иностранные же учебники, самоновейшие, приходилось переводить самому.

Он и переводил – «Аналитическую химию» Жерара, «Химическую технологию» Вагнера. А по органической химии и в Европе ничего достойного не нашлось, хоть сам садись и пиши. И написал. За два месяца, совершенно новый, на новых принципах основанный курс, тридцать печатных листов.

Шестьдесят дней ежедневного запойного труда – по двенадцать готовых страниц в сутки. Именно в сутки – он не желал ставить свой распорядок в зависимости от такой безделицы, как вращение земного шара вокруг своей оси, не вставал из-за стола и по тридцать часов, и по сорок.

Дмитрий Иванович мог не только запойно трудиться, но и так же запойно спать. Нервная система у Менделеева была чрезвычайно чувствительна, чувства обострены – почти все мемуаристы, не сговариваясь, сообщают, что он необычайно легко, постоянно срывался на крик, хотя, по существу был человеком добрым.

Не исключено, что врожденные особенности личности Дмитрия Ивановича объяснялись его поздним появлением в семье – он был «последышем», семнадцатым по счету ребенком. А согласно нынешним представлениям, возможности мутаций у потомства возрастают с увеличением возраста родителей.

Первую свою лекцию по общей химии он начал так:

«Всё замечаемое нами мы ясно различаем как вещество, или как явление. Вещество занимает пространство и имеет вес, а явление есть то, что происходит во времени. Каждое вещество оказывает разнообразные явления, и нет ни одного явления, совершающегося без вещества.

Открывать законность, то есть простоту, и правильность… Вещество имеет вес… Вещество… Вес… Вещество… Вес…

Он думал об этом беспрестанно, чем бы ни занимался. А чем он только не занимался! У Дмитрия Ивановича времени хватало на все. Казалось бы, получил, наконец, лучшую химическую кафедру России, квартиру казенную, возможность безбедно, без беготни за приработком существовать, – так сосредоточься на главном, а все остальное по боку… Купил именьице в 400 десятин земли и уже через год заложил в имении опытные пол, на которых изучал возможность повернуть вспять истощение земли с помощью химии. Одни из первых в России.

Прошло полтора года как одно мгновение, а настоящей системы в общей химии все еще не было. Это не означает, что свой курс Менделеев читал совсем уж бессистемно. Он начал с того, что знакомо каждому, – с воды, с воздуха, с угля, с солей. С элементов, которые в них содержатся. С главных законов, в соответствии с которыми вещества между собой взаимодействуют.

Затем рассказал о химических родственниках хлора – фторе, броме, йоде. Это была последняя лекция, стенограмму которой он ещё успел заслать в типографию, где набирался второй выпуск затеянной им новой книги.

Первый выпуск – карманного формата, был отпечатан в январе 1869 года. На титульном листе значилось: «Основы химии Д. Менделеева»
. Ни предисловий. Первый, уже вышедший выпуск, и второй, находившийся в типографии, должны были составить, по замыслу Дмитрия Ивановича, первую часть курса, а еще два выпуска – вторую часть.

В январе и первой половине февраля Менделеев прочитал лекции о натрии и других щелочных металлах, написал соответствующую главу второй части «Основ химии»
– и застрял.

В 1826 году Йенс Якоб Берцелиус закончил исследование 2000 веществ и на этой основе определение атомного веса трёх десятков химических элементов. У пяти из них атомный вес был определён не верно – у натрия, калия, серебра, бора и кремния. Берцелиус ошибся, потому что применил два неверных допущения: что в молекуле оксида может быть только один атом металла и что в равном объеме газов содержится равное число атомов.

Вплоть до 1858 года, когда итальянец Станислао Канницаро, восстановив в правах закон своего соотечественника Авогадро, исправил атомные веса нескольких элементов, в деле с атомными весами царила неразбериха.

Только в 1860 году на химическом съезде в Карлсруэ после горячих споров путаница была распутана, закон Авогадро окончательно восстановлен в своих правах и выяснены окончательно незыблемые основы для определения атомного веса любого химического элемента.

По счастливому стечению обстоятельств Менделеев в 1860 году как раз находился в заграничной командировке, присутствовал на этом съезде и получил ясное и четкое представление о том, что атомный вес стал отныне точным и надёжным численным выражением. Вернувшись в Россию, Менделеев приступил к изучению списка элементов, и обратил внимание на периодичность изменения валентности у элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов: валентность H – 1, Li – 1, Be – 2, B – 3, C – 4, Mg – 2, N – 2, S – 2, F – 1, Na – 1, Al – 3, Si – 4 и т. п.
Основываясь на увеличении и уменьшении валентности, Менделеев разбил элементы на периоды;

1-ый период включил только один водород, затем следует два периода по 7 элементов каждый, затем периоды, содержащие более 7-и элементов. Д, И, Менделеев воспользовался этими данными не только для того, чтобы построить график, как это сделал Мейер и Шанкуртуа, но и для того, чтобы построить таблицу подобную таблице Ньюлендса.

II. Как был открыт Великий закон.

«Решающим моментом моей мысли о периодическом законе я считаю 1860 г. – съезд химиков в Карлсруэ, в котором я участвовал… Идея возможности периодичности свойств элементов при возрастании атомного веса в сущности уже тогда мне представлялась внутренне»
,
– отмечал Д.И. Менделеев.

В 1865 году он купил имение Боблово недалеко от Клина и получил возможность заниматься агрохимией, которой тогда увлекался, и отдыхать там с семьей каждое лето.

«Днём рождения» системы Д.И.Менделеева обычно считают 18 февраля 1869 г., когда был составлен первый вариант таблицы.

Рис. 5. Фото Д. И. Менделеева в год открытия периодического закона.

Было известно 63 химических элемента. Далеко не все свойства этих элементов были достаточно хорошо изучены, даже атомные веса некоторых были определены неправильно или неточно. Много это или мало – 63 элемента? Если вспомнить, что сейчас мы знаем 109 элементов, то, конечно, маловато.

Но вполне достаточно, чтобы можно было подметить закономерность изменения их свойств. При 30 или 40 известных химических элементах едва ли бы удалось что-либо открыть. Нужен был определённый минимум открытых элементов. Вот почему можно охарактеризовать менделеевское открытие как своевременное.

До Менделеева учёные тоже пытались подчинить все известные элементы определённому порядку, классифицировать их, свести в систему.
Сказать, что их попытки были бесполезными, нельзя: какие-то крупицы истины они содержали.
Все они ограничивались тем, что объединяли в группы сходные по химическим свойствам элементы, но не находили внутренней связи между этими «естественными», как тогда говорили, их группами.

1829 г. немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер в 1820 году, изучая свойства брома – элемента, открытого тремя годами ранее по своим свойствам занимает промежуточное положение между хлором и йодом. В ряду Cl – Br – I наблюдалось не только постепенное изменение цвета и реакционной способности, но и постепенное изменение атомного веса.

Дёберейнер продолжил поиски и нашел ещё две группы из трёх элементов, у которых также наблюдалось постепенное изменение свойств. Этими группами были кальций, стронций, барий и сера, селен, теллур. Он назвал эти группы триадами. Позже совокупности таких элементов стали именовать естественными группами.

В обеих группах атомный вес среднего элемента примерно равен среднему атомных весов двух других элементов. Дёберейнер пытался найти другие такие триады, но безуспешно. Поскольку разбить пятьдесят шесть известных элементов на триады не удалось, химики пришли к выводу, что триады Дёберейнер – явление случайное.

Более того, соответствие в изменении атомных весов и химических свойств элементов в триадах Дёберейнера не произвело никакого впечатления на химиков. В первой половине XIX века химики вообще недооценивали значения атомных весов. Атомные веса удобно использовать при проведении разного рода расчётов, но ориентироваться на них, напр., при составлении списка элементов представлялось нерезонным.

Существовали сомнения относительно целесообразности использования атомных весов в проведении расчётов. Некоторые химики не проводили чёткого различия между атомным весом и молекулярным весом; некоторые путали понятия «атомный вес» и «эквивалентный вес».

Так, например, эквивалентный вес кислорода равен 8. атомный вес – 16, молекулярный вес – 32. При проведении расчётов удобнее всего пользоваться эквивалентным весом, который равен 8, почему же в таком случае для определения места кислорода в списке элементов следует использовать число 16?

Эта путаница с эквивалентным, атомным, молекулярным весом не только мешала решить вопрос о списке элементов, но и вообще отрицательно сказывалась на развитии химии.

Разногласие по поводу относительных атомных весов, приписываемых различным атомам, привели к разногласиям и в отношении числа атомов отдельных элементов, входящих в данную молекулу.

В 1849 г. классификацией элементов заинтересовался видный русский химик Г. И. Гесс. В учебнике «Основания чистой химии» он описывал четыре группы элементов-неметаллов с похожими химическими свойствами:

I Te C N

Br Se B P

Cl S Si As

Гесс писал: «Эта классификация ещё очень далека от того, чтобы быть естественной, но она всё-таки соединяет элементы и группы весьма сходные, и с расширением наших сведений она может усовершенствоваться».

Безуспешные попытки построить систему химических элементов, исходя из их атомных весов, были предприняты ещё до съезда в Карлсруэ обе – англичанами: в 1853 году Глэдстоном, в 1857 году Одлингом.

Одну из попыток классификации сделал в 1862 г. француз Александр Эмиль Бегюйс де Шанкуртуа.
Систему элементов он представлял в виде спиральной линии на поверхности цилиндра. На каждом витке по 16 элементов. Сходные элементы располагались друг под другом на образующей цилиндра.

Рис. 6. «Теллуровый винт» де Шанкуртуа.

Более удачлив оказался немецкий химик Юлиус Лотар Мейер.
В 1864 г. он предложил таблицу, в которой все известные химические элементы были разбиты на шесть групп, согласно их валентности. По внешнему виду таблица Мейера была немного похожа на будущую менделеевскую.
Он рассматривал объёмы, занимаемые весовыми количествами элемента, численно равными их атомным весам.

При этом выяснилось, что в каждом таком весовом количестве любого элемента содержится одно и то же число атомов. Это означало, что отношение рассматриваемых объёмов различных атомов этих элементов. Поэтому указанная характеристика элемента получила названиеатомный объём.

Графически зависимость атомных объёмов элементов от их атомных весов выражается в виде ряда волн, поднимающихся острыми пиками в точках, соответствующих щелочным металлам (натрий, калий, цезий). Каждый спуск и подъём к пику соответствует периоду в таблице элементов.

Рис. 7. Зависимость атомных объёмов от атомных масс элементов, по

Л. Мейеру.

Водород – элемент с наименьшим атомным весом – стоял в списке элементов первым. В то время принято было считать, 101-ый период включает в себя один элемент. 2-ой и 3-ий периоды графика Мейера включали каждый по семь элементов. Эти периоды дублировали октавы Ньюландса.

Мейер опубликовал свою работу в 1870 г. Годом раньше русский химик Д И. Менделеев установил порядок изменения длины периодов элементов и наглядно продемонстрировал значение открытия.

После 1860 года первую попытку подобного рода предпринял еще один английский химик – Джон Александер Рейна Ньюландс. Одну за другой составлял он таблицы, в которых пытался воплотить свою идею. Последняя таблица датирована 1865 годом. Учёный считал, что всё в мире подчиняется общей гармонии.

И в химии и в музыке она должна быть единой. Построенные в порядке возрастания атомных весов элементов разделены в ней на октавы – на восемь вертикальных рядов, по семь элементов в каждом. Действительно, многие родственные по химическим свойствам элементы оказались при этом в одной горизонтальной шеренге: в первой – галогены, во второй щелочные металлы, и так далее.

Но, к сожалению, в шеренги затесалось и немало чужаков, и это портило всю картину. Среди галогенов, например, присутствовали кобальт с никелем и три платиноида. В шеренге щелочноземельных – ванадий и свинец. В семействе углерода – вольфрам и ртуть. Чтобы хоть как-то объединить родственные элементы, Ньюландсу пришлось в восьми случаях нарушить расстановку элементов по порядку атомных весов.

К тому же, чтобы составить восемь групп по семь элементов, нужно 56 элементов, а известно было 62, и он кое-где на место одного элемента поставил сразу два. Получился полный произвол. Когда Ньюландс доложил о свой «Закон октав»
на заседании
Лондонского химического общества, один из присутствующих ехидно заметил: а не пробовал ли почтенный докладчик располагать элементы просто по алфавиту и обнаружить при этом какую-нибудь закономерность?

Все эти классификации не содержали главного: они не отражали общей, фундаментальной закономерности изменения свойств элементов. Они создавали лишь видимость порядка в их мире.

Предшественники Менделеева, подметившие частные проявления великой закономерности в мире химических элементов, по разным причинам не смогли подняться до великого обобщения и осознать существования в мире фундаментального закона. Менделеев многого не знал о попытках его предшественников расположить химические элементы по возрастанию их атомных масс и о возникающих при этом казусах. Например, он не имел почти никакой информации о работах Шанкуртуа, Ньюлендса и Мейера.

В отличие от Ньюландса, Менделеев главным считал не столько атомные веса, сколько химические свойства, химическая индивидуальность. Об этом он думал постоянно. Вещество…Вес… Вещество… Вес… Решений всё не приходило.

А тут ещё попал Дмитрий Иванович в лютый цейтнот. И получилось совсем худо: не то чтобы «сейчас или никогда», но либо сегодня, либо дело снова откладывалось на несколько недель.

Давно уже дал он в Вольном экономическом обществе обещание съездить в феврале в Тверскую губернию, обследовать тамошние сыроварни и представить свои соображения о постановке этого дела на современный лад. На поездку было уже испрошено дозволение университетского начальства.

И «отпускное свидетельство» – тогдашнее командировочное удостоверение – было уже выправлено. И последняя напутственная записка секретаря Вольного экономического общества Ходнева получена. И ничего не оставалось, как отправляться в назначенный вояж. Поезд, на котором предстояло ему пропутешествовать до Твери, отходил от Московского вокзала 17 февраля, вечером.

«Утром, ещё в кровати, он неизменно выпил кружку тёплого молока… Встав и умывшись, он уходил сейчас же в свой кабинет и там пил одну – две, иногда три больших, в виде кружки, чашки крепкого не очень сладкого чаю»
(из воспоминаний его племянницы Н.Я. Капустиной-Губкиной).

След от чашки, сохранившейся на оборотной стороне записки Ходнева, датированной 17 февраля, свидетельствует, что она получена была рано утром, до завтрака, вероятно, принесена посыльным. А это в свою очередь свидетельствует о том, что мысль о системе элементов не покидала Дмитрия Ивановича ни днем, ни ночью: рядом с отпечатком чашки листок хранит зримые следы незримого мыслительного процесса, приведшего к великому научному открытию. В истории науки – случай редчайший, если не единственный.

Судя по вещественным доказательствам, дело происходило так. Допив свою кружку и поставив её на первое попавшееся место – на письмо Ходнева, он тут же схватился за перо и на первом попавшемся клочке бумаги, на том же письме Ходнева, записал мелькнувшую у него в голове мысль.

На листке появились, один под другим, символы хлора и калия… Далее натрия и бора, потом лития, бария, водорода…Перо блуждало, как и мысль. Наконец он взял нормальную осьмушку чистой бумаги – этот листок тоже сохранился – и набросал на нём одну под другой, в порядке уменьшения, шеренги символов и атомных весов: наверху щелочноземельные, под ними галогены, под ними группа кислорода, под нею азота, под нею группа углерода и т.д.

Было видно на глаз, как близки между собой разности атомных весов у элементов соседних шеренг. Менделеев тогда не мог знать, что “неопределенная зона” между явными неметаллами
и металлами
содержит элементы – благородные газы
, открытие которых в дальнейшем существенно видоизменит Периодическую систему.

Он торопился, поэтому то и дело ошибался, делал описки. Сере приписал атомный вес 36, вместо 32. Вычитая их 65 (атомный вес цинка) 39 (атомный вес калия), получил 27. Но не в мелочах дело! Его несла высокая волна интуиции.

В интуицию он верил. Вполне сознательно ею пользовался в самых разных случаях жизни. Анна Ивановна, жена Менделеева писала: «Если ему

предстояло решить какой-нибудь затруднительный, важный жизненный вопрос он быстро-быстро своей легкой походкой входил, говорил, в чем дело, и просил сказать по первому впечатлению моё мнение. «Только не думай, только не думай», – повторял он. Я говорила, и это было решением».

Однако ни чего не получалось. Исписанный лист вновь превратился в ребус. А время шло, вечером надо было отправляться на вокзал. Главное он уже нащупал, ощутил. Но этому ощущению надо было непременно придать ясную логическую форму. Можно представить себе как, он в отчаянии или ярости носился по кабинету, оглядывая всё, что в нём было, выискивая способ, как бы по быстрее сложить систему.

Наконец, он схватил стопку кар-точек, раскрыл на нужной странице – там, где был список простых тел – свои «Основы» и принялся изготавливать невиданную карточную колоду. Изготовив колоду химических карт, он стал раскладывать невиданный пасьянс. Пасьянс явно задавался! Первые шесть шеренг выстроились без всяких скандалов. Но дальше все стало расползаться.

Снова и снова хватался Дмитрий Иванович за перо и стремительным своим подчерком набрасывал на листе колонки чисел. И снова, с недоумением, бросал это занятие и принимался крутить цигарку и так пыхтеть ею, что в голове совсем уже мутнело. Наконец глаза у него начали слипаться, он бросился на диван и крепко заснул.

Такое для него не было в диковинку. На этот раз он спал не долго – может быть, несколько часов, но может быть и несколько минут. Точных сведений об этом не осталось. Он проснулся от того, что увидел во сне свой пасьянс, причём не в том виде, в котором он оставил его на конторке, а в другом, более стройном и логичном. И тут же вскочил на ноги и принялся составлять на листе бумаги новую таблицу.

Первым отличием её от предыдущего варианта было то, что элементы выстраивались теперь не в порядке уменьшения, а в порядке возрастания атомных весов. Вторым – то, что пустые места внутри таблицы были заполнены вопросительными знаками и атомными весами.

Рис. 8. Черновой набросок, составленный Д. И. Менделеевым ходе открытия периодического закона (в ходе раскладывания «химического пасьянса»). 17 февраля (1 марта) 1869 года.

Долгое время к рассказу Дмитрия Ивановича о том, что он увидел свою таблицу во сне, относились как к анекдоту. Находить что-либо рациональное в сновидениях считалось суеверием. Ныне наука уже не ставит глухого барьера между процессами, происходящими в сознании и подсознании.

Менделеев, убежденный в существовании объективного закона, которому подчиняются все многообразные по свойствам элементы, пошел принципиально отличным путём.

Будучи стихийным материалистом, он искал в качестве характеристики элементов нечто материальное, отражающее всё многообразие их свойств, взяв в качестве такой характеристики атомный вес элементов, Менделеев сопоставил известные в то время группы по величине атомного веса их членов.

Написав группу галогенов (F = 19, Сl = 35,5, Вг = 80, J = 127) под группой щелочных металлов (Li =7, Na = 23, К = 39, RЬ = 85, Cs = 133) и расположив под ними другие группы сходных элементов (в порядке возрастания величины их атомных весов), Менделеев установил, что члены этих естественных групп образуют общий закономерный ряд элементов; при этом химические свойства элементов, составляющих такой ряд, периодически повторяются.

Разместив по значению атомных весов все известные в то время 63 элемента в общую «периодическую систему»,
Менделеев обнаружил, что установленные ранее естественные группы органически вошли в эту систему, утратив прежнюю искусственную разобщённость.

Первый вариант таблицы химических элементов, выражавшей периодический закон, Менделеев опубликовал в виде отдельного листка под названием
«Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве»

и разослал этот листок в марте 1869г. многим русским и иностранным химикам.

Рис. 9. «Опыт системы элементов, основанный на их весе и химическом сходстве».

Первая таблица ещё очень несовершенна, она далека от современного вида периодической системы. Но эта таблица оказалась первой графической иллюстрацией открытой Менделеевым закономерности: «Элементы, расположенные по величинам их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств» («Соотношение свойств с атомным весом элементов» Менделеев).

Эта статья явилась итогом размышлений учёного в ходе работы над «Опытом системы…». Сообщение об открытом Менделеевым соотношении между свойствами элементов и их атомными весами было сделано 6(18) марта 1869 на заседании Русского химического общества.

Менделеева на этом заседании не было. Вместо отсутствовавшего автора его доклад прочитал химик Н. А. Меншуткин. В протоколах Русского химического общества появилась сухая запись о собрании 6 марта: «Н. Меншуткин сообщает от имени Д. Менделеева «опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве».

За отсутствием Д. Менделеева обсуждение этого вопроса отложено до следующего заседания». Выступление Н. Меншуткина опубликовано в «Журнале Русского химического общества» («Соотношение свойств с атомным весом элементов»). Летом 1871 Менделеев подытожил свои многочисленные исследования, связанные с установлением периодического закона, в труде «Периодическая законность для химических элементов»
.

При построении периодической системы элементов, Менделеев преодолел большие трудности, так как, многие элементы еще не были открыты, а из 63 известных к тому времени элементов у девяти были неправильно определены значения атомных весов. Создавая таблицу, Менделеев исправил атомный вес бериллия, поставив бериллий не в одной группе с алюминием, как это обычно делали химики, а в одной группе с магнием.

В 1870-71 Менделеев изменил значения атомных весов индия, урана, тория, церия и других элементов, руководствуясь их свойствами и уточнённым местом в периодической системе. На основании периодического закона он поместил теллур перед йодом и кобальт перед никелем, чтобы теллур попал в один столбец с элементами, валентность которых равен 2, а йод попал в один столбец с элементами, валентность которых равна 1, хотя величины атомных весов этих элементов требовали обратного расположения.

Менделеев видел три обстоятельства, которые, по его мнению, способствовали открытию периодического закона:

-во-первых, были более или менее точно определены величины атомных весов большинства химических элементов;

-во-вторых, появилось чёткое понятие о группах сходных по химическим свойствам элементов (естественных группах);

-в-третьих, к 1869 г. была изучена химия многих редких элементов, без знания которой трудно было бы прийти к какому-либо обобщению.

Наконец, решающий шаг к открытию закона заключался в том, что Менделеев сопоставил между собой все элементы по величине атомных весов. Предшественники же Менделеева сравнивали элементы, сходные между собой. Т. е. Элементы естественных групп. Эти группы оказывались не связанными. Менделеев логично объединил их в структуре своей таблицы.

Впрочем, даже после огромной и тщательной работы химиков по исправлению атомных весов, в четырех местах Периодической таблицы элементы “нарушают” строгий порядок расположения по возрастанию атомных весов. Это пары элементов:

18
Ar(39,948) – 19
K (39,098);27
Co(58,933) – 28
Ni(58,69);

52
Te(127,60) – 53
I(126,904) 90
Th(232,038) – 91
Pa(231,0359).

Во времена Д. И. Менделеева подобные отступления считались недостатками Периодической системы. Теория строения атома расставила все на свои места: элементы расположены совершенно правильно – в соответствии с зарядами их ядер. Как же тогда объяснить, что атомный вес аргона больше атомного веса калия?

Менделеев так охарактеризовал течение творческого процесса, который представляет собой открытие периодического закона: «…невольно зародилась мысль о том, что между массой и химическими свойствами необходимо должна быть связь. А так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, то надо искать функциональное соответствие между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами.

Искать же что-либо, хотя бы грибы или какую-нибудь зависимость, нельзя иначе, как смотря и пробуя. Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса, что быстро и привело к тому заключению , что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса , причём , сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить было невозможно».

Принципиальная важность и новизна Периодического закона заключалась в следующем:

1. Устанавливалась связь между НЕСХОДНЫМИ по своим свойствам элементами. Эта связь заключается в том, что свойства элементов плавно и примерно одинаково изменяются с возрастанием их атомного веса, а затем эти изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ.

2. В тех случаях, когда создавалось впечатление, что в последовательности изменения свойств элементов не хватает какого-нибудь звена, в Периодической таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ, которые надо было заполнить еще не открытыми элементами.

Рис. 10. Первые пять периодов Периодической таблицы Д. И. Менделеева. Инертные газы еще не были открыты, поэтому они в таблице не показаны. Еще 4 неизвестных к моменту создания таблицы элемента отмечены знаками вопроса. Свойства трех из них Д. И. Менделеев предсказал с высокой точностью (часть Периодической таблицы времен Д. И. Менделеева в более привычном для нас виде).

Принцип, которым пользовался Д. И. Менделеев для предсказания свойств еще не известных элементов изображен на рисунке 11.

Опираясь на закон периодичности и практически применяя закон диалектики о переходе количественных изменений в качественные, Менделеев указал уже в 1869 г., на существование четырёх ещё не открытых элементов. Впервые в истории химии было предсказано существование новых элементов и даже ориентировочно определены их атомные веса.

В конце 1870г. Менделеев, основываясь на своей системе, описал свойства еще неоткрытого элемента III группы, назвав его «экаалюминий». Ученый также высказал предположение, что новый элемент будет открыт с помощью спектрального анализа. И действительно, в 1875 г. французский химик П.Э.

Лекок де Буабодран, исследуя с помощью спектроскопа цинковую обманку, открыл в ней менделеевский экаалюминий. Точное совпадение предполагаемых свойств элемента с экспериментально определенными стало первым триумфом и блестящим подтверждением предсказательной силы периодического закона. Описания свойств «экаалюминия», предсказанного Менделеевым и свойства галлия, открытого Буабодраном даны в таблице 1.

Табл. 1

В 1879г. шведский химик Л. Нильсон нашел элемент скандий, полностью соответствующий описанному Менделеевым экабору; в 1886 немецкий химик К. Винклер открыл элемент германий, соответствующий экасилицию; в 1898 г. французские химики Пьер Кюри и Мария Склодовская Кюри открыли полоний и радий. Менделеев считал Винклера, Лекока де Буабодрана и Нильсона «укрепителями периодического закона».

Оправдались и сделанные предвидения Менделеев: открыты тримарганец – нынешний рений, двицезий – франций и др.

После этого ученым всего мира стало ясно, что Периодическая таблица Д. И. Менделеева не просто систематизирует элементы, а является графическим выражением фундаментального закона природы – Периодического закона.

Этот закон обладает предсказательной силой. Он позволил вести целенаправленный поиск новых, еще не открытых элементов. Атомные веса многих элементов, определенные до этого недостаточно точно, подверглись проверке и уточнению именно потому, что их ошибочные значения вступали в противоречие с Периодическим законом.

1870 г. писал: «Судить об элементах, стоящих внутри системы в тех пределах, для которых известны уже многие элементы, мы имеем полное право; но нельзя того же сказать об элементах, долженствующих помещаться в крайних частях системы».

«Крайними частями» оказываются не только области начала и конца периодической системы (её нижний и верхний края), но и такие области внутри системы, как семейство редкоземельных элементов или семейства VIII группы (правый край короткой таблицы элементов) и отчасти область системы, примыкающая слева к VIII группе.

Более того, крайними частями можно было бы считать и сами химические элементы, сами атомы, которые составляли в XIX в. (до 1895 г.)нижнюю границу наших знаний о строении материи, знание достигнутого тогда крайнего предела её делимости и разложимости.

Естественно, что возможность предвидения неизвестного за такого рода крайними областями системы и вообще возможность наших знаний о химических элементах были лишены той обоснованности и той определённости, какие были характерны для предвидения элементов в областях системы, окружённых со всех сторон известными уже элементами.

По этому поводу Менделеев заметил, что кроме «несомненно возможных и, вероятно, ещё только не открытых элементов, есть целый ряд других, самое существование которых до некоторой степени подвержено ещё сомнению…». Значит, здесь предугадывание возможно лишь в порядке смелых гипотез и догадок, причём степень уверенности зависит от степени наличного, хотя бы частичного, знания об элементах, стоящих на том или ином – внешнем или внутреннем – краю системы.

1902 г. Менделеев сформулировал суть двух существенно различных способов предугадывания чего-либо неизвестного на основании периодического закона: способ интерполирования (когда неизвестное находится между известными данными) и способ экстраполирования (когда оно находится за пределами известного) при условии, что известен общий закон, которому подчиняются все данные предметы вообще – как уже известные, так и ещё не известные.

Так, говоря о своих предсказаниях неизвестных ещё элементов, воплотившихся позднее в галлий, скандий и германий, Менделеев писал: «Предсказания эти были по существу тем, что называется в математике интерполированием, т. е. нахождением промежуточных точек на основании крайних, когда известен закон (или направление кривой, его выражающей), по которому точки следуют друг за другом.

Поэтому оправдание предсказанного есть не что иное, как способ утверждения законности… экстраполировать, т. е. находить точки вне пределов известного, нельзя было на основании ещё не упорядоченной законности. Но когда она утвердилась, можно было на это решиться…».