The father of the periodic table — ABC Chemicals

Майк Саттон смотрит на то, как терпение Менделеева показало периодичность в стихиях

Стремление обнаружить закономерности в нашем окружении является фундаментальной чертой человека. Тысячи лет назад наши далекие предки построили массивные каменные памятники, которые были точно выровнены по значительным точкам годового солнечного цикла. А в 19 веке вдумчивые химики заметили семейные сходства среди элементов и попытались включить их в объяснительную парадигму.

Полтора века назад Дмитрий Менделеев сделал решающий шаг в поисках порядка среди элементов, опубликовав первый проект своей периодической таблицы. В 2019 году всемирное сообщество химиков отмечает этот юбилей, и это правильно. Как и Стоунхендж, таблица отражает закономерности в природе, которые были вызваны причинами, которые оставались загадочными, когда он был изначально построен. Но как Менделеев пришел построить свой памятник?

Ранние года

The father of the periodic table - ABC Chemicals

Дмитрий вырос в Сибири, на краю западной цивилизации. Его дом, Тобольск, находится на 1000 км ближе к Пекину, чем к Парижу, и его путь оттуда до научного положения был трудным. Он был самым младшим из более чем десятка братьев и сестер Менделеева, и вскоре после его рождения в 1834 году из-за плохого состояния здоровья его отец Иван, учитель средней школы, вышел на пенсию. Неадекватность пенсии Ивана заставила его жену Марию взять на себя управление полупустынным стекольным заводом, которым ранее управлял ее брат.

Это предприятие поддерживало семью до 1848 года, когда оно сгорело. Затем Иван умер, и в 1849 году Мария привела двух своих младших детей в Москву, надеясь, что ее брат поможет Дмитрию поступить в университет. Когда этот план потерпел неудачу, они переехали в Санкт-Петербург, и в 1850 году Дмитрий был (неохотно) принят в колледж, где его отец учил учителя. Преподаватель там — Александр Воскресенский, который учился в Германии у Юстуса Либиха — поощрял интерес Дмитрия к химии.

Он закончил в 1855 году, и его диссертация — об изоморфизме и других отношениях между физической формой и химическим составом — была опубликована в горном журнале. Последовали статьи для научно-технической периодики, но ему не хватало надежного дохода. К тому времени его мать и сестра умерли, и он сам страдал от того, что казалось туберкулезом. Однако год обучения в более благоприятном климате Крыма значительно улучшил его здоровье, и новый врач уверенно отклонил предыдущий диагноз.

Осенью 1856 года Менделеев успешно защитил кандидатскую диссертацию о взаимосвязи между конкретными объемами веществ и их кристаллографическими и химическими свойствами. Вскоре после этого Санкт-Петербургский университет лицензировал его в качестве преподавателя химии, что позволило ему получить доступ к своей лаборатории. В 1859 году он получил государственное финансирование для двухлетнего обучения за рубежом.

Создание карьеры

В Гейдельбергском университете в Гемани Менделеев проводил исследования по нескольким темам, включая поверхностное натяжение, капиллярность и испарение, и он сохранял интерес к межмолекулярным силам на протяжении всей своей карьеры. В 1860 году он принял участие в конференции в Карлсруэ, где итальянский химик Станислав Канниццаро выступил с новаторской статьей об атомных весах (теперь называемых относительными атомными массами). Это был решающий шаг на пути к периодической системе, так как ранее существовал значительный спор о присвоении атомных весов элементам.

Некоторые химики утверждали, что эти веса не имеют значения, или отрицали физическое существование атомов в целом. Другие предпочитали систему, основанную на атомном весе восемь для кислорода, предполагая, что формула воды была НО, а не Н2О. Но в Карлсруэ Канниццаро возродил идеи своего земляка Амадео Авогадро, чтобы поддержать Н2O формула воды и атомный вес 16 для кислорода. В 1860-е годы мнение изменилось в его пользу — к счастью для Менделеева, поскольку закономерности, которые указывали ему на периодическую таблицу, были бы менее заметны в старой системе.

Вернувшись в Санкт-Петербург в 1861 году, Менделеев возобновил преподавание в университете, а также читал лекции в Городском технологическом институте. Кроме того, он опубликовал учебник по органической химии и несколько статей для технической энциклопедии, а также много путешествовал в поисках возможностей применения научных открытий для экономического развития России. Например, посещение бакинских нефтяных месторождений в 1863 году положило начало его долгосрочной приверженности формирующейся нефтехимической промышленности.

Докторская диссертация Менделеева (по теории решений) была принята в 1865 году, а в 1867 году университет назначил его профессором общей химии. Он был обязан читать лекции по неорганической химии, и поскольку не было удовлетворительного русского учебника, он начал писать один. Это сосредоточило его внимание на проблеме упорядочения химических элементов в упорядоченном порядке. Несколько других, в том числе Леопольд Гмелин в Германии, Жан Батист Дюма во Франции и Джон Ньюландс в Англии, попытались сделать это с ограниченным успехом. Менделеев знал о некоторых из этих усилий, но его собственный подход был отличительным в важных отношениях.

Положив свои карты на стол

Прорыв произошел в начале 1869 года, когда Менделеев готовился к очередному индустриальному туру — на этот раз, чтобы исследовать и усовершенствовать методы производства сыра. Тем временем, закончив первый том своего учебника, он изо всех сил пытался создать основу для второго. Позже он вспомнил процесс следующим образом:

«Поэтому я начал искать и записывать элементы с их атомными весами и типичными свойствами, аналогичными элементами и подобными атомными весами на отдельных карточках, и это вскоре убедило меня в том, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов…»

Д. Менделеев, Основы химии1905 (выделение добавлено)

The father of the periodic table - ABC Chemicals

Менделеев разложил свои карты в столбцы и ряды, как будто в игре пасьянс или терпение — его любимое занятие во время железнодорожных поездок. В вертикальных столбцах перечислены известные элементы в порядке увеличения атомного веса, при этом новый столбец запускается всякий раз, когда это позволяет ему размещать элементы с аналогичными характеристиками в одном горизонтальном ряду.

Как отмечали другие химики, несколько групп элементов — в частности, щелочные металлы и галогены — явно принадлежали друг другу. Но многие другие — особенно редкоземельные элементы (лантаноиды) — представляли проблемы, какими бы они ни были организованы. В этот момент Менделеев, в отличие от большинства своих предшественников, отказался бросить борьбу.

Если положение элемента в его таблице казалось аномальным, он был готов отрегулировать его атомный вес, чтобы дать ему более совместимых спутников. Например, он предположил, что формула для оксида бериллия была BeO, а не принятым Be2О3, Это снизило атомный вес бериллия, что позволило ему определять его с помощью магния, а не алюминия.

6 марта 1869 года первый черновой набросок его таблицы был представлен Русскому химическому обществу (организация, которую он помог основать несколькими месяцами ранее). Позже в том же году журнал общества опубликовал более продуманную версию, краткое изложение которой появилось в немецком переводе. Это привлекло мало внимания за пределами России, но Менделеев выстоял, продолжая раскладывать больше карт на своем столе.

Следите за пробелами

Пересмотренная схема Менделеева, опубликованная в 1871 году, выглядит более привычной для современных глаз. Чтобы скомпилировать его, он сделал дальнейшие предположения. Например, он снизил атомный вес теллура, сделав его соседа йодом тяжелее обоих. Это позволило ему поместить йод с галогенами, а теллур с серой и селеном. Такие корректировки, вероятно, находились в пределах диапазона экспериментальной ошибки в то время. Но Менделеев не мог предвидеть, что атомный номер, а не атомный вес позже станет принципом упорядочения таблицы или что идентификация изотопов с помощью масс-спектрометрии в конечном итоге объяснит эти и другие аномалии.

The father of the periodic table - ABC Chemicals

С такой же смелостью Менделеев улучшил согласованность своей таблицы, оставив пробелы для пока еще не обнаруженных элементов, чтобы завершить шаблон, который он задумал. Помимо предсказания их химического характера, он также назначил им условные значения физических свойств, таких как удельный вес и температура плавления.

Первый — галлий — был спектроскопически идентифицирован французским химиком Полом Лекоком де Буасбаудраном в 1875 году. Когда его стало достаточно для тестирования, все свойства галлия совпали с предсказаниями Менделеева — кроме его удельного веса, который, по-видимому, составлял 4,7. Однако после того, как Менделеев порекомендовал новые измерения, оно оказалось равным 5,9 — практически идентично его прогнозируемой величине.

Открытие скандия в 1879 году и германия в 1885 году — оба демонстрировали свойства, предсказанные для них Менделеевым, — убедило больше химиков, что его таблица, несмотря на оставшиеся аномалии, была слишком полезной, чтобы ее игнорировать. Между тем, другие исследователи (особенно Лотар Мейер в Германии) также выделили периодические изменения в физических свойствах элементов. Менделеев позже заметил: «Хотя у меня были сомнения относительно некоторых неясных моментов, я ни разу не усомнился в универсальности этого закона, потому что он не мог быть результатом случайности». [Менделеев, op cit]

Хотя он был прав в отношении всеобъемлющего принципа периодичности, Менделеев не был непогрешимым как пророк. Он предсказал несколько других элементов, которые никогда не были найдены. И он до конца своей жизни утверждал, что эфир — существенный, но не обнаруживаемый компонент в тогда принятых теориях света и электромагнетизма — был действительно химическим элементом, хотя он не смог изолировать его в лаборатории. Он предположил, что это может быть самый легкий из благородных газов с атомным весом 0,17.

Более поздние годы

В своей личной жизни Менделеев был вызывающе нетрадиционен. Он подстригал волосы и бороду только один раз в год, отказываясь изменять этот обычай даже для аудиенции у царя. Кроме того, его внутренние меры были несколько нерегулярными. В 1862 году он женился на Феосве Лещевой, управляемой в ее направлении старшей сестрой из лучших побуждений, которая подумала, что пора ему успокоиться. У пары было двое детей, но после периода растущего взаимного несчастья они согласились расстаться, поочередно занимая дом Дмитрия и его загородный приют.

Через несколько лет Дмитрий влюбился в Анну Попову, 17-летнюю студентку. Когда родители Анны отправили ее учиться в Рим, Дмитрий последовал за ней, и в 1881 году 47-летний мужчина предложил брак. Анна согласилась, но даже после того, как Дмитрий и Феосва развелись, оставалось еще одно препятствие. Русская Православная Церковь признала гражданские разводы, но требовала семилетнего перерыва перед последующим браком. Тем не менее, в 1882 году Дмитрий нашел священника, желающего (за значительную плату) провести церемонию преждевременно, и, несмотря на их неоднозначную и технически грандиозную ситуацию, пара жила счастливо вместе и вырастила четверых детей.

В политике Менделеев был также индивидуалистом — откровенным либералом, который оставил свою профессорскую должность в 1890 году, чтобы отмежеваться от резкого подавления правительством студенческих протестов. Этот жест аплодировали его ученики, но вызвали враждебность в официальных кругах. Тем не менее, Сергий Витте, министр финансов России с 1892 года, оценил вклад Менделеева и в 1893 году назначил его главой правительственного бюро мер и весов. На этой базе он продолжал применять научные знания для содействия экономическому развитию России.

The father of the periodic table - ABC Chemicals

Слава и влияние Менделеева не ослабли за прошедшие 150 лет

В 1905 году Лондонское королевское общество удостоило Менделеева медалью Копли, получив в 1882 году медаль «Дэви». В 1906 году он был номинирован на Нобелевскую премию, но хотя комиссия по химии поддержала его кандидатуру, комитет по наградам постановил, что его открытие было не достаточно недавним подготовить его к рассмотрению. На решение, вероятно, повлиял шведский физик-химик Сванте Аррениус, который в прошлом конфликтовал с Менделеевым.

Спустя почти полвека после своей смерти в 1907 году Менделеев вступил в еще более эксклюзивный клуб. В 1955 году физики в кампусе Университета Калифорнии в Беркли засыпали элемент 99 (einsteinium) альфа-частицами, чтобы получить следы элемента 101. Официально подтвержденный как «менделевий», этот новый элемент вписал свое имя в созданную им икону. К тому времени расположение таблицы стало объяснимым с точки зрения субатомных структур и квантовых обменов энергией, на уровне детализации, которого Менделеев никогда не мог предвидеть. Однако это никоим образом не снижает авторитет его достижения.

Другие до него предположили, что список известных элементов может быть организован в значимом порядке. Они отметили существенные соответствия, но не нашли окончательной картины. Менделеев, однако, был убежден, что химические элементы должны рассматриваться как коллективный объект. Вооружившись этим убеждением, он придал своей таблице согласованность, смело пересматривая позиции некоторых известных элементов и оставляя пробелы для других, которые еще не были обнаружены. Хотя некоторые из его предсказаний были неверны, он набрал достаточно хитов, чтобы установить свою таблицу в качестве основы для нашего понимания элементов и подтвердить свой статус одного из основателей современной химии.

Майк Саттон — историк науки из Ньюкасла, Великобритания.

дальнейшее чтение

WH Brock, Фонтана История химииФонтана Пресс, 1993

М Фонтани, М Коста и М. В. Орна, Потерянные элементы: теневая сторона периодической таблицы, Издательство Оксфордского университета, 2015

ER Scerri, Периодическая таблица: ее история и ее значениеИздательство Оксфордского университета, 2006

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *