Великие открытия в химии. Периодическая система элементов

7 Авг
2016

Продолжение статьи Великие открытия в химии. Становление химии как науки.

В 1869 году на русского химика снизошло величайшее откровение. Он пытался постичь загадку, не дававшую покоя поколениям ученых. И впервые он смог расположить строительные блоки природы — химические элементы — в их природном порядке. Его звали Дмитрий Иванович Менделеев. Он оказался на пороге одного из величайших открытий человечества, лежащего сейчас в основании наших знаний об окружающем нас мире — периодической системе элементов.

Это история химических элементов, из которых состоит наша Вселенная. Удивительная история их открытий и того, как они соединяются друг с другом, позволит нам понять, как же устроен окружающий мир.

Наша планета и все живое на ней построено из 92 элементов: земля, по которой мы ходим, воздух, которым мы дышим, восхитительное звездное небо и даже мы… Наши тела также состоят из химических элементов.

Сейчас мы знаем названия и порядковые номера всех встречающихся в природе элементов. Но 200 лет назад природа только начинала раскрывать любопытным свои секреты.

В начале 19 столетия было известно только лишь 55 элементов, таких как жидкая ртуть, ослепительный магний или летучий йод. Ученые не знали, существуют ли еще элементы, и если да, то сколько их вообще может быть. Но более всего умы ученых занимало то, существуют какие-либо логика и порядок во всем этом разнообразии элементов.

Ответ на этот вопрос оказался чрезвычайно сложным. Первый прорыв был сделан там, где этого меньше всего можно было ожидать.

 

Уникальный атомный вес

Джон Дальтон было человеком умным, весьма скромным и, как истинный англичанин, любил погоду туманного Альбиона. Он родился в городе Иглсфилд в 1766 году. С детства Дальтон проявлял незаурядные способности и в возрасте 12 лет уже помогал учить других детей в местной школе.

Идя домой или просто прогуливаясь, он любил наблюдать, как в горах меняется погода. Он был столько увлечен метеорологией, что каждый день в течение 57 лет, будь то солнце или дождь, записывал свои подробные наблюдения, оставив после себя более 200 тысяч заметок.

Дальтон был спокойным, склонным к уединению человеком. Он всю жизнь оставался холостяком, избегая светской жизни. Его единственным отдыхом была игра в шары каждый четверг. Он определенно был человеком привычки и мог показаться довольно скучным.

Однако на самом деле Дальтон был заядлым читателем и весьма глубоким мыслителем. И хотя со стороны он действительно казался довольно тихим человеком, в науке Дальтон был настоящим бунтарем.

Сегодня ученые твердо знают одну важную вещь относительно того, как химические элементы образуют соединения: они всегда соединяются в одной и той же пропорции. Дальтон знал, что обычная поваренная соль — хлорид натрия — всегда состоит из одной части хлора и одной части натрия, будь то соль, привезенная из Сибири или из Солт-Лейк-Сити, пропорция всегда будет одна и та же. Он предположил, что это общее свойство всех химических соединений, которые, в свою очередь, состоят из уникальных строительных частиц. Это было потрясающим озарением! Дальтон полагал, что все в мире состоит из бесконечно малых частиц.

Сама идея атомов возникла в Древней Греции за 2 тысячи лет до этого. Но затем она была забыта. Дальтон принял у них эстафету, предложив собственную теорию. Для его времени это было революционным, он заложил основы теории атомов, предвосхитив открытия, сделанные через век после него.

Дальтон предположил, что каждому элементу в природе соответствует свой тип атомов, и каждый атом имеет свой уникальный вес в независимости от того, твердое это вещество, жидкость или газ.

Три воздушных шарика наполнены тремя разными газами. Они имеют примерно одинаковый объем, а значит, в каждом из них содержится примерно равное число атомов. Дальтон полагал, что поскольку разные атомы весят по-разному, то и три шарика должны весить по-разному.

Красный шарик наполнен гелием. Стоит его отпустить, как он взмоет в небо: гелий очень легкий. Синий шарик наполнен аргоном. Если его отпустить, он плавно опустится на землю: аргон тяжелее гелия. Желтый шарик наполнен тяжелым криптоном. Он падает очень быстро.

Таким образом, Дальтон рассуждал в правильном направлении: атомы разных элементов обладают разной массой. Основываясь на своей теории и работая в одиночку, Дальтон совершил первую попытку упорядочить казавшийся хаотическим мир элементов.

Несмотря на то, что многие из определенных Дальтонов атомных весов оказались неверны, переоценить важность сделанных им теоретических открытий невозможно.

 

Поиск порядка

Идея о том, что разные элементы имеют различный атомный вес, была отвергнута большинством ученых того времени. Одним из немногих, кто осознал всю важность открытия Дальтона, был шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.

Берцелиус проникся идеей о существовании порядка в мире элементов  еще до знакомства с идеями Дальтона. Он был убежден, что за весом каждого из элементов скрыто гораздо больше, чем можно было подумать. Поэтому, когда Берцелиус узнал о теории Дальтона, в его голове созрел амбициозный план. Это была огромная работа, казавшаяся просто невыполнимой: он решил максимально точно определить атомный вес абсолютно всех элементов. И это в то время, когда даже не было доказательств самого существования атомов!

С невероятным усердием он методично исследовал более 2 тысяч химических соединений. Он кропотливо взвешивал, измерял, проверяя мельчайшие детали, пока ему не удалось определить относительный вес 45 различных элементов. Некоторые из его результатов потрясающе точны для того времени. Например, масса хлора была определена им с точностью до 5% от современного значения.

К тому времени, когда Берцелиус опубликовал свои результаты, многие другие ученые также вплотную занялись измерениями атомных весов. Однако получавшиеся у них результаты весьма сильно расходились друг с другом, что только отдаляло их от понимания проблемы.

Поиск Берцелиусом порядка оказался заразительным: ученые начали искать закономерности везде.

 

Триады

Одним из таких искателей был немецкий химик Йоганн Вольфганг Деберейнер. Он был убежден, что ответы нужно искать не в атомном весе элементов, а в их химических свойствах.

Деберейнер обнаружил, что известные в то время элементы можно объединить в группы по три, он так и назвал их — триады, на основании похожих химических свойств. Рассмотрим, к примеру, щелочные металлы. Литий, натрий и калий: все они с шипением растворяются в воде, образуя щелочь, при этом выделяется водород. И если литий реагирует относительно спокойно, но натрий — очень активно, калий же вспыхивает моментально.

Деберейнер осознал, что эти элементы должны быть каким-то образом родственны друг другу, поскольку они ведут себя одинаково. Проблема заключалась в том, что лишь некоторые элементы могли быть объединены в семейство, так что этот подход дал ученым немного больше, чем сортировка атомных весов.

 

Д.И. Менделеев. Начало пути

Однако за всем этим еще нельзя было разглядеть стройную картину универсального порядка химических элементов. Для этого потребовался гений одного из величайших умов 19 столетия.

В 1848 году страшный пожар уничтожил стекольный завод в Западной Сибири. Управляющая заводом вдова Мария Дмитриевна Менделеева, мать нескольких детей, осталась без средств к существованию. Тем не менее, она фактически пожертвовала собой, чтобы ее не по годам развитый сын 14-летний Дмитрий Менделеев смог получить свою путевку в жизнь.

Способности мальчика проявились еще в раннем детстве, и Мария Дмитриевна сделала все возможное, чтобы Дмитрий получил хорошее образование. Сейчас это кажется невероятным, но значительную часть 2000-километрового пути до Санкт-Петербурга они проделали пешком.

Это было долгое и утомительное путешествие, которое окончательно подорвало здоровье Марии Дмитриевны. Достигнув своей цели, она скончалась через 2,5 месяца после прибытия в Санкт-Петербург.

История рассказывает, что ее последними словами, обращенными к сыну, были «остерегайся иллюзий и ищи божественную и научную истину». И Менделеев выполнил наказ матери. Он усиленно изучал различные науки и довольно быстро проявил себя одним из наиболее одаренных студентов-химиков своего поколения.

Химия прошла долгий путь от четырех элементов древних греков — земли, воздуха, воды и огня, но по-прежнему среди 63 открытых к тому времени элементов не было и намека на какой-либо порядок. Идея неведомого порядка захватила лучшие ученые умы эпохи, но никто не знал, как его обнаружить.

Будучи еще студентом Менделеев посетил первую в истории человечества Международную химическую конференцию. Лучшие химики мира собрались для того, чтобы обсудить важнейший вопрос: расхождение в определении атомных весов.

Менделеев стал свидетелем того, как сицилийский химик Станислао Канниццаро затмил всех своим докладом. Канниццаро был убежден, что знание атомных весов является ключом для понимания природы химических элементов. Он изобрел замечательный новый метод их определения. Он знал, что равные объемы газов содержат равное число молекул, поэтому предложил для определения атомных весов измерять плотности газов и паров вместо изучения твердых тел и жидкостей.

Предложенный Канниццаро подход сразу же завоевал всеобщее доверие. И если методы, использовавшиеся Берцелиусом, вызывали сомнение, то подход Канниццаро довольно быстро стал своего рода золотым стандартом. Наконец-то у химиков появился весьма точный метод определения атомных весов. В тот момент казалось, что за определением точных атомных весов незамедлительно последует раскрытие тайны элементов.

Один из участников симпозиума вспоминал впоследствии: «Как-будто  пелена спала с моих глаз и на смену сомнениям пришла ясность. Аудитория была буквально наэлектризована предвкушением грядущего прорыва». Это ощущение передалось и Менделееву.

 

Закон октав

Но вскоре химики обнаружили, что и теперь, будучи расположенными в порядке возрастания атомных весов, химические элементы не образуют никакой системы. Однако в 1863 году английский химик Джон Ньюлендс обнаружил неожиданную закономерность. Он обратил внимание на то, что если расположить элементы по возрастанию веса, можно обнаружить интересную особенность. Представьте себе, что каждый элемент подобен клавише фортепиано. Если одна клавиша — углерод, то дальше по возрастанию веса будут кислород, азот, фтор, натрий, магий и, наконец, кремний. Размышляя об элементах подобным образом, Ньюлендс обнаружил, что свойства каждой октавы — каждой восьмой ноты — повторяются. Он назвал это законом октав. Это была первая настоящая попытка сформулировать закон природы, связывающий все элементы вместе.

Ньюлендс с гордостью представил свою идею химическому сообществу в 1866 году. Это мог быть день его триумфа. Но, пользуясь музыкальной терминологией, он не смог построить аккорд из нот своей гаммы. Собравшиеся участники сочли идеи Ньюлендса смешными. Ему было издевательски предложено расставлять элементы еще и по алфавиту, а также попробовать заставить сыграть при помощи своих элементов какую-нибудь простенькую мелодию. Это бы тяжелый удар по его самолюбию, от которого Ньюлендс так до конца и не оправился.

Но давайте посмотрим, вдруг за этой безумной идеей действительно что-то есть? Предположение Ньюлендса о том, что каждый восьмой элемент ведет себя одинаково, действительно необычно, поэтому неудивительно, что научное сообщество восприняло его как чудачество.

Поместим в колбы 8 элементов в порядке возрастания их веса. В первой колбе находится хлор. Это желтоватый газ, который чрезвычайно ядовит. Он имеет отчетливый запах отбеливателя. Во второй колбе находится натрий, и он совершенно не имеет запаха. Остальные элементы — кальций, галлий, германий, мышьяк, который в чистом виде совершенно не опасен, если его нюхать, и селен — все они не имеют никакого запаха. И, наконец, номер 8 — бром. Это газ, как и хром, только бурого цвета, и еще более ядовитый с более едким запахом. Так что закон октав Ньюлендса в данном случае работает, так как восьмой элемент бром ведет себя так же, как первый хром.

Сегодня закон октав Ньюлендса известен нам как периодический закон. Но тогда он вызывал лишь усмешку, и до конца жизни Ньюлендс страдал из-за пренебрежительного к себе отношения.

 

Д.И. Менделеев. Периодическая таблица элементов

Здесь-то и начинается самая интересная часть нашего повествования. В эти же годы к поискам приступил Дмитрий Иванович Менделеев.

В Санкт-Петербурге существует музей-кабинет, в котором сохранена обстановка последних лет жизни Менделеева. Кабинет, ставший местом рождения одного из величайших достижений человечества — периодического закона.

Если посмотреть на библиотеку Менделеева, то только около 10% всех книг посвящены химии и физике, а в основном это экономика, техника, география. Он был очень разносторонним человеком. Из-за широчайшего круга научных интересов он получил прозвище русского Леонардо да Винчи.

Часы в кабинете-музее были остановлены в момент его смерти в 1907 году. Они показывают 18:20.

Но вернемся к повествованию. К 1869 году Менделеев пытался  обнаружить закономерности между элементами уже более 10 лет. Какие бы варианты не предлагались им и другими учеными, все равно находились элементы, не вписывающиеся в общую канву. Единая теория казалась недоступной.

В очередной попытке понять связь между элементами он сделал колоду карт, где каждая карта обозначала свой элемент. Это может оказаться глупым, но так началась самая памятная карточная игра в истории науки. Он назвал это химическим пасьянсом и начал раскладывать карты, пытаясь увидеть какие-нибудь закономерности. Раньше химики пытались группировать элементы только лишь одним способом: либо по их свойствам, например, как они реагируют с водой,  либо по атомному весу, как это делали Берцелиус и Канниццаро. Величайшей же догадкой Менделеева явилось то, чтобы соединить эти два подхода вместе.

Шансов на успех у него было немного. В то время было открыто чуть более половины элементов, известных нам сегодня, поэтому Менделеев пытался сложить пасьянс с неполной колодой карт.

В течение трех дней и трех бессонных ночей пытался он сложить свой пасьянс. На 4-й день раздумий 17 февраля 1869 года разразилась снежная буря, и Менделеев решил остаться дома. Он был чрезвычайно утомлен и в конце концов задремал. Легенда гласит, что во сне Менделеев увидел практически все 63 известных ему элемента, объединенных в огромную таблицу.

Это был невероятный прорыв! Как многие другие первооткрыватели, он прошел по пути упорства и разочарования, надежды и отчаяния, чтобы в конце концов ему явилось откровение. Менделеев открыл глубочайшую закономерность природы вещей, математическую связь между элементами материи.

Даже сейчас, когда мы все знакомы с периодической таблицей Менделеев, когда она висит на стене любого кабинета химии в школах по всему миру, она по-прежнему вызывает благоговейный трепет.

Что примечательно в ней, так это то, что она раскрывает нам закономерности в отношениях всех элементов. Менделееву удалось замечательным образом объединить атомный вес элементов и их свойства в одну универсальную систему, описывающую все элементы.

Если читать таблицу слева направо, то мы видим увеличение атомных весов от элемента к элементу, но когда мы читаем ее сверху вниз, то оказывается, что элементы объединены в группы по похожим свойствам. Так, слева располагаются реакционно активные щелочные металлы от лития до цезия, а справа — ядовитые галогены: хлор, бром и йод. Между ними располагаются менее активные химически, но не менее важные для жизни углерод, азот и кислород, которые являются неметаллами. Чуть ниже находится большая группа металлов, которых в 4 раза больше, чем неметаллов. Все упорядочено. Это химический ландшафт, превосходная карта для изучения географии элементов.

Естественно, периодическая таблица не всегда выглядела так, какой мы знаем ее сегодня. Менделееву потребовалось около 2 лет, что привести таблицу к ее современному виду.

Конечно, первый вариант таблицы не был идеальным. Для того, чтобы открытие предстало во всей своей силе, Менделееву предстояло сделать кое-что поразительное: ему пришлось оставить пустые места для еще неоткрытых элементов. Он был настолько убежден в правильности своей гипотезы, что не стал подгонять под нее данные, а просто оставил места для еще не открытых элементов там, где это было необходимо с точки зрения периодического закона. Так, например, он предсказал существование металла чуть тяжелее соседнего с ним калия, а также еще двух металлов, один из которых должен быть коричневого цвета, а второй — иметь низкую точку плавления.

Будучи настоящим ученым, Менделеев имел храбрость делать предсказания, надеясь, что они будут подтверждены в будущем. Менделеев был в некотором смысле химическим пророком, предсказывавшим будущее, интерпретируя законы природы.

 

Спектроскоп

Однако перед тем, как к Менделееву пришло всеобщее признание, предстояло объяснить наличие пустых мест в таблице. К счастью, уже в 1859 году Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном был изобретен новый чувствительный метод обнаружения даже следовых количеств элементов.

Роберт Бунзен был удивительно смелым экспериментатором, о его приверженности науке может говорить хотя бы тот факт, что он потерял правый глаз при взрыве в лаборатории.

Итак, Бунзен знал, что разные элементы в пламени горелки светятся различными цветами. Он предположил, что каждый элемент имеет при нагревании свой уникальный цвет. Кирхгоф развил эту идею.

Кирхгоф знал, что белый свет при прохождении через стеклянную призму расщепляется на все цвета спектра: от красного и желтого к голубому и фиолетовому. Так был изобретен спектроскоп. Он состоит из призмы посередине и двух оптических каналов по одному с каждой стороны.

Вместе Бунзен и Кирхгоф проанализировали имевшиеся у них в наличии материалы. Так, например, если взять соединение, содержащее натрий, и нагреть его в пламени горелки, то испускаемый свет будет проходить по первой трубке и расщепляться в призме на набор характерных полос, получивших название спектральных линий. Эти полосы можно наблюдать в окуляре второй трубки. Например, две ярко желтые полосы являются характерными для спектра натрия. Никакой другой элемент не даст этих полос. Используя этот прибор, Бунзен и Кирхгоф открыли цезий и рубидий, названных так из-за наличия красных полос в спектре.

 

Галлий

Именно спектральный анализ позволил подтвердить догадку Менделеева о еще необнаруженных элементах.

В мельчайших подробностях Менделеев описал неизвестный элемент, который должен был бы находиться в том же периоде, что и алюминий. Он предсказал, что это будет серебристый металл с атомным весом около 68. И в 1875 году во Франции с использованием спектроскопа был открыт этом элемент, получивший название галлий.

Галлий — это красивый серебристый довольно пластичный металл. Хотя его существование и было предсказано Менделеевым, на практике его открыл парижский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран.

Галлий имеет довольно низкую температуру плавления и кипит при 2204 градусах Цельсия. Он находится в жидком состоянии в очень широком диапазоне температур, превосходящем все другие элементы. Галлий используется в производстве полупроводников, а также в светодиодах. Одно из химических соединений, содержащих галлий, оказалось довольно эффективным при лечении устойчивой к другим лекарствам малярии.

Открытие галлия явилось подтверждением гения Менделеева, а его периодическая таблица являет собой классический пример научного подхода в действии. Анализируя массив данных, Менделеев обнаружил закономерность. Это позволило ему сделать предсказания, которые затем были подтверждены экспериментально и доказали верность его теории.

Ко времени смерти в возрасте 72 лет от был героем России и супергероем мира науки. Его периодическая таблица увековечена в камне в центре Санкт-Петербурга. В его честь назван химический элемент менделевий, а также кратер на обратной стороне Луны. Почести, достойные выходца из глубин Сибири, ставшего величайшим картографом элементов.

 

Субатомный уровень

Периодическая таблица неожиданно просто создала порядок там, где царствовал хаос. Но по правде говоря, она не объясняет, почему элементы ведут себя так, а не иначе. Например, почему некоторые из них крайне реакционно способны, а другие совершенно инертны. Для этого понадобилось еще 40 лет, и ответ пришел из совсем другой области науки. В 1909 году Эрнест Резерфорд впервые смог заглянуть внутрь атома.

Резерфорд предположил, что атом является солнечной системой в миниатюре, где небольшие электроны вращаются вокруг большого положительно заряженного ядра.

Однако самый важный шаг предстояло сделать Нильсу Бору, вратарю сборной Дании по футболу и нобелевскому лауреату. Он предположил, что в атоме электроны существуют только лишь на стационарных электронных оболочках, способных вместить лишь ограниченное и строго определенное число электронов.

На ближайшей к ядру оболочки может находиться не более 2 электронов. На второй оболочке может находиться уже 8 электронов. Третья оболочка вмещает уже 18 электронов. Внешние оболочки могут вместить еще больше. Таким образом, электроны могут находиться на некоторых заданных оболочках и никогда между ними.

Теория Бора смогла объяснить, почему элементы ведут себя так, как они себя ведут, а не иначе. Все дело оказалось в количестве электроном на самом внешнем электронном уровне. Так, например, в соответствии с моделью Бора, в атоме натрия находятся 11 электронов:  2 на первой оболочке, 8 на второй, и 1 внешнем уровне. А у фтора 9 электронов: 2 на первом уровне и 7 на внешнем. Для того, чтобы существовать в стабильном состоянии, атомы стремятся иметь внешнюю оболочку, заполненную электронами. Таким образом, натрий теряет лишний электрон, фтор наоборот старается захватить электрон, чтобы заполнить свою внешнюю оболочку. Т.е. натрий может отдавать свой электрон атому фтора, в результате чего образуется фторид натрия.

Исследования Бора, а также многих других ученых начала 20 века, помогли объяснить строение и свойства каждого элемента и каждого соединения, почему некоторые элементы так охотно соединяются с одними элементами, но не реагируют с другими, почему они обладают такими свойствами, а не какими-то другими. Они позволили понять, почему периодическая таблица выглядит именно так.

Менделеев смог обнаружить универсальный закон, даже не имея ни малейшего представления о его причинах. Для объяснения этого закона физикам пришлось погрузиться на субатомный уровень, о существовании которого Менделеев вряд ли мог подумать. Это был безусловный триумф! Впечатленный Альберт Эйнштейн писал: «Это высшее проявление музыки в сфере человеческих мыслей».

 

Атомный номер

Однако оставался еще один важный вопрос: сколько же вообще может существовать элементов? Могло ли быть бесконечно много элементов? Тяжелее водорода, но легче самого тяжелого на тот момент урана…

В самом начале 20 века британский физик Генри Мозли предположил, что ответ должен заключаться в самом сердце атома — в его ядре.

Он разработал уникальный метод изучения атома, которым до сих пор пользуются ученые. Он изучал некоторые элементы, в том числе медь. Мозли знал, что ядро атома содержит положительно заряженные частицы, называемые протонами, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны. Итак, медь интенсивно облучается источником радиоактивного излучения, при этом из некоторых атомов выбиваются электроны. Это заставляет их выбрасывать энергию в виде рентгеновского излучения, которое Мозли научился регистрировать. Он обнаружил удивительную вещь. Оказалось, что атомы меди всегда излучают одно и то же количество энергии.

В дальнейшем Мозли исследовал и другие элементы. И каждый элемент имел свою уникальную идентификационную полосу.

Но еще более удивительным и важным для нас явился вывод, который смог сделать Мозли из результатов своих экспериментов: он впервые смог посчитать количество протонов в ядре — то, что сейчас нам известно как атомный номер.

Атомные номера — это целые числа. В отличие от атомных весов, здесь не бывает долей. Например, атомный вес хлора — 35,5, но его атомный номер 17. Таким образом, Мозли впервые понял, что атомный номер, а не атомный вес, определяет номер и порядок элемента в периодической системе. Отсюда следует важный вывод: поскольку атомный номер является целым числом, то от водорода до урана может быть только 92 элемента — ни больше и ни меньше, для других здесь просто нет места.

Работа Мозли позволила раз и навсегда доказать, что между водородом и ураном находится, включая их, только 92 элемента.

Мозли было всего 26 лет, когда он совершил свое открытие, но затем земной путь гения трагически прервался. Во время Первой Мировой войны он отправился на фронт добровольцем, хотя как ученый мог бы отказаться от участия в боевых действиях. Он погиб в возрасте 27 лет на турецком фронте, будучи застреленным снайпером. Его коллега так отозвался о его смерти: «Осознавая, сколько он мог еще сделать, его трагическая гибель является самой тяжелой потерей человечества в этой войне».

 

В периодической таблице удивительным образом объединены химия и физика. Химики в главе с Менделеевым пытались проникнуть в тайны элементов извне, изучая химические свойства, в то время как физики шли из глубины невидимого микромира атома, для того чтобы встретиться в одной точке.

Порядок, лежащий в основе нашего мира, наконец был объяснен красивой стройной теорией. Эра, начинавшаяся с робких попыток ученых наощупь подойти к пониманию основ мира, закончилась ошеломляющим успехом в понимании природы. Кирпичики, составляющие наш мир, были сложены в единую и окончательную систему.

Продолжение: Великие открытия в химии и физике. Ядерный век


 

Комментарии:

наверх