История открытия Периодического закона и его методологическое значение

После утверждения атомно-молекулярной теории важнейшим событием в химии было открытие периодического закона. Это открытие, сделанное в 1869 году гениальным русским ученым Д.И.Менделеевым, создало новую эпоху в химии, определив пути ее развития на много десятков лет вперед. Опирающаяся на ПЗ классификация химических элементов, которую Менделеев выразил в форме таблицы – Периодической системы, сыграла очень важную роль в изучении свойств химических элементов и дальнейшем развитии учения о строении вещества.

Для того, чтобы осмыслить значение этого открытия и лучше понять саму суть его, очень важно познакомить учащихся с историей открытия ПЗ и создания ПС.

Д.И.Менделеев родился в Тобольске в 1834 г., окончил Главный педагогический институт в Петербурге, с 1865 по 1890 г.г. был профессором Петербургского университета. Это ученый–энциклопедист, интересовавшийся многими научными проблемами и направлениями – от химии до социологии, и внесший свой неоценимый вклад в каждую область, к которой прикасался.

Когда в 1869 году он начал читать курс неорганической химии, он столкнулся с необходимостью систематизации научных сведений, которые к этому моменту накопились в науке в достаточно большом количестве и нуждались в упорядочении. Как преподаватель, он понимал, что необходим новый, систематизированный учебник, нужна основа для классификации химических элементов и их соединений. Элементов к этому времени было уже известно 63, однако четкой научной классификации не существовало. Причем Менделееву было понятно, что основа классификации должна представлять собой нечто очень существенное для хим.элемента, какой-то базовый признак, как он говорил «коренное» свойство, и таким свойством являлся атомный вес элемента. К этому выводу Менделеев пришел, изучая труды своих предшественников и современников, среди которых многие были заняты этой же проблемой.

Кто же были эти предшественники и какими уже доказанными сведениями Менделеев располагал?

Еще А.Л.Лавуазье (1743-1794) предложил таблицу простых тел. В ней было 23 известных в то время элемента. Понятно, что она была очень искусственной, поскольку еще много элементов было не открыто. Однако ясно, что идея представить все многообразие химических элементов в виде стройной системы имеет далекие корни.

Шведский ученый химик Якоб Иенс Берцелиус (1779-1848) предложил классификацию химических элементов на металлы и неметаллы. То есть химические свойства веществ он ставил на первое место. Однако эта классификация очень общая: металлов и неметаллов много, и среди них есть большие отличия. Особенно важно подчеркнуть своим ученикам, что такого простого и резкого деления на «черное» и «белое» в природе просто не может быть. Самое яркое доказательство этой мысли – существование элементов, соединения которых обладают амфотерными свойствами!

В 1829 г. (за 40 лет до ПЗ) нем. Ученый И.Деберейнер установил, что элементы со сходными химическими свойствами образуют так называемые «триады» - литий, натрий, калий и хлор, бром, иод. В этих группах прослеживается интересная закономерность: атомный вес среднего равен среднему арифметическому из двух крайних. Например: 23 = (7+39)/2 и т.п.

Идея важности атомного веса – налицо!

Следующий шаг сделал фран. химик Бегье де Шанкуртуа. Систему элементов он представил в виде цилиндра, на который в виде спиральной линии поместил элементы, в каждо витке – их было 16. Сходные элементы располагались друг под другом. Но на эту работу тогда не обратили внимания.

В 1866 году англ. Химик Джон Ньюлендс предложил так называемый «закон октав» - свойства химических элементов должны были повторяться как ноты в музыке через 7 на восьмой.Он считал, что все в мире находится в гармонии, и в химии она должна быть такой же как в музыке!. Его сообщение на заседании Лондонского химического общества вызвало насмешки, и ему предложили расположить элементы по алфавиту! Но в работе Ньюлендса действительно были большие погрешности: элементы, не похожие друг на друга попадали в одну группу. Вспомним, что элементы были открыты далеко не все, и предугадать открытие новых Ньюлендс не смог.

Ближе других к истине оказался Немецкий химик Лотар Мейер. В 1868 году он предложил таблицу из 6 групп, в которых элементы были расположены в соответствии с их валентностью. Но никто из предшественников Менделеева не подозревал, что в их знаниях об элементах есть пустые места!

Как же работал Менделеев? Есть исторические научные легенды – о сне Менделеева, о так называемом Менделеевском пасьянсе…. Что за этим стоит? Есть определенный смысл в том, чтобы своим ученикам рассказать об этом, тем более, что работа самого Менделеева подсказывает нам прекрасный методический прием, который используют очень многие учителя!

Менделеев записал на отдельные карточки все известные ему элементы (63) с их важнейшими химическими и физическими свойствами. Сделал он примерно так (показываем карточки). Располагая их в различном порядке, бесконечно перекладывая и ища наиболее убедительный вариант, он как будто бы раскладывал пасьянс, при этом следуя одной закономерности – раскладывал в порядке возрастания атомного веса (массы) (далее рассуждаем по карточкам).

А что же за сон приснился Менделееву? Неужели он увидел таблицу во сне? Об этом много написано. Действительно Менделеев признавался сам, что во сне ему пришла идея, как расположить свои карточки, чтобы из них выстроилась таблица. (Рассказ об этом факте)

1 марта 1869 года Менделеев разослал своим коллегам в России и за рубежом листок, содержащий первый вариант ПС – «Опыт системы элементов». Менее двух недель продолжалась эта работа. За этот короткий период он сумел пройти путь от первой догадки о существовании закона природы до его четкой формулировки, до его доказательства и величайших в истории науки предсказаний!

Сегодня нам может показаться, что действия Менделеева просты и очевидны: расположить элементы по порядку возрастания атомной массы и увидеть закономерность! Но нужно представить себе, что более 30 элементов вообще не открыты, никто не догадывается об их существовании. Это первое. Второе – атомные веса многих элементов определены не точно, грубо, но приняты в науке! У бериллия, например, был определен атомный вес, равный 14! Как бы поступил ученый с карточками? Как же расположил карточки Менделеев? Здесь первое его смелое решение – допустить, что бериллий имеет другой атомный вес.

Далее, еще не открыты скандий, германий, галлий. Вместо них Менделеев оставляет пустые места! И в этом тоже проявилась его научная смелость и уверенность в правильности открытого им закона! Закона, который был понят и принят научным сообществом далеко не сразу.

У Менделеева не было сомнений, что оставленные им пустые места – это не пробелы в природе, а пробелы в нашем знании природы. Каждое место в таблице соответствует определенному химическому элементу, который должен обязательно существовать. Место в ПС для ученого было полно огромного смысла – оно определяет всю природу элемента, всю совокупность его свойств и свойств его соединений!

В 1871 году Менделеев публикует работу «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». Вряд ли в мировой научной литературе можно найти нечто похожее! Менделеев описывает три никем не открытые пока элементы, описывает их так подробно, как не смог бы это сделать ученый, державший эти вещества в руках.

Рассказ об этом не только знакомит нас с историей ПЗ, но и позволяет понять, как пользоваться ПС.

Пустое место экабора – между кальцием и титаном. След., атомный вес его должен быть средним: (40+48)/2 = 44. С кислородом он должен давать оксид, аналогичный оксидам бора и алюминия – Х₂О_3. Сам он должен быть легким металлом. Относительная плотность соседей позволяет определить и его отн.плотность – (1,6 + 5,2) /2 = 3,4.

У экабора должны быть бесцветные соли, а карбонат – нерастворим, потому что таковы свойства соседей и т.д.

По поводу экаалюминия Менделеев предположил даже способ, которым его должны открыть – спектральным анализом, поскольку так были открыты индий и титан.

Не прошло и 6 лет, как мир облетело известие: в 1875 г. франц. Ученый-спектроскопист Лекок де Буободран выделил из минерала новый элемент. В

честь своей родины он назвал элемент галлий. Он определил его плотность, температуру плавления, соли и оксид. Каково же было его удивление, когда он получил письмо из России, где указывалось на его ошибку в определении плотности. Неужели кто-то еще открыл галлий? Но оказалось, что автор письма – Менделеев, определивший плотность на основе ПС. Тогда Буободран лучше очистил галлий и убедился, что Менделеев прав!

В 1879 г. швед Нильсон открыл экабор – назвал его скандием, а в 1886 году нем. Химик Винклер открыл элемент, названный Менделеевым экасилицием. Этот элемент получил название германий.

Всего Менделеев предсказал более 20 элементов, и их поиски осуществлялись именно на основе информации, вытекающей из ПС.