18 марта исполнилось 150 лет докладу Дмитрия Ивановича Менделеева, в котором он объявил об открытии периодического закона – фундаментального закона природы, на котором строится чуть ли не вся химическая теория. Периодический закон и периодическая таблица химических элементов – это как теория эволюции в биологии, три закона Ньютона в физике или законы Аристотеля в логике. Давайте разбираться, в чём смысл этого закона.
Для начала нужно всё-таки упомянуть, что «таблица Менделеева» не могла привидеться во сне учёному. Эта история, которая давным-давно ходит в народе, является легендой, и никто её ещё не смог подтвердить. До Менделеева было огромное количество попыток систематизировать известные на тот момент химические элементы, а сам Дмитрий Иванович потратил почти десять лет на поиски закономерностей в свойствах элементов. Возможно, во сне к нему пришёл последний «винтик» этого закона, который был последней деталью, но точно не весь закон.
Кстати говоря, Д.И. Менделееву приписывают и создание водки, а именно, 40%-го раствора этилового спирта в воде. Действительно, его докторская диссертация посвящена исследованию растворов спирта с водой, но только Менделеева интересовали растворы с высоким содержанием спирта — от 50 градусов. Поэтому к водке он никакого отношения не имеет, она существовала задолго до него.
Вернёмся к Периодическому закону. Его формулировку озвучил сам Менделеев:
Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса.
Это значит, что свойства всех химических элементов зависят от атомного веса элемента (на тот момент было известно примерно о 50 элементах), причём зависимость эта строго определена природой: у некоторых элементов повторяются свойства через 7, у некоторых через 17 элементов. Менделеев выявил эту закономерность, ничего не зная о строении атома. Он присвоил каждому элементу свой порядковый номер и определённое место в таблице.
Сейчас Периодический закон упакован в компактную таблицу Менделеева, которая является путеводителем для любого химика мира. Никогда не видев какой-либо химический элемент, любой химик может по таблице определить его свойства, с чем будет реагировать этот элемент, а с чем нет. По таблице можно предсказать температуру плавления и кипения этого элемента (будет ли он газом или жидкостью при комнатной температуре), какая плотность будет у элемента и даже какая цена за грамм будет у металла. Также по сопоставимости свойств элементов в одном столбце можно предположить, где искать этот элемент в природе.
Первым элементом, который был открыт при помощи таблицы, стал галий. Сам Дмитрий Иванович после открытия Периодического закона точно указал химические и физические свойства экаалюминия. Он назвал его так, потому что под алюминием в таблице оставалась вакантная ячейка. После обнаружения нового элемента его первооткрыватель опубликовал его плотность. Менделеев направил письмо о неверном определении плотности и посоветовал пересмотреть данные. Оказалось, Менделеев по таблице определил плотность металла точнее, чем учёный, открывший этот элемент.
Вы сами можете легко предсказать свойства любого химического элемента по таблице Менделеева. Возьмём какую-нибудь простую физическую характеристику, например, температуру плавления металлов первого столбца (группы). Натрий, калий, рубидий, цезий. Предположим, что мы не знаем температуру плавления рубидия, но знаем её у остальных металлов:
Гений Менделеева заключался ещё и в том, что у него было очень ограниченное количество информации (на тот момент было много незаполненных ячеек). Только спустя 50 лет человечество поняло истинный смысл этого закона.Если построить график зависимости температуры плавления от атомного номера и найти на этой почти прямой точку, соответствующую рубидию, то получим температуру для рубидия 48 градусов. На самом деле она равна 39. Для элемента, который мы никогда не видели, очень здорово определить температуру плавления с точностью до 10 градусов, не правда ли?
Атом (мельчайшая частица вещества) состоит из атомного ядра и электронной оболочки. Атом представляет собой маленькую копию Солнечной системы. Посередине находится ядро (Солнце). Оно сосредотачивает в себе почти всю массу атома, но при этом имеет очень маленький размер. Вокруг ядер — пустота, но изредка встречаются очень лёгкие частицы, электроны (планеты), которые кружат где-то около ядра. Электроны удерживаются ядром кулоновскими силами, т.к. ядро имеет положительный заряд, а электронная оболочка — отрицательный. Так же Солнце удерживает планеты вокруг себя гравитационными силами.
Но само по себе ядро атома тоже не очень простое. Оно состоит из нейтронов и протонов. Это частицы ещё меньшего размера, но очень тяжелые. Они отличаются друг от друга только наличием заряда – протоны имеют заряд +1 у.е., а нейтроны его не имеют. Заряд всего ядра определяется общим количеством протонов в нём.
Возвращаемся к современной формулировке Периодического закона:
Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от заряда их ядер.
Это не сильно, но меняет дело. Менделеев никак не мог знать про заряд ядер, так как в атом начали «проникать» только через несколько десятков лет после открытия Периодического закона. Но его гений состоит в том, что он сформулировал неверный закон, а сделал из него верные выводы. Например, аргон имеет атомную массу 40, а калий 39. При этом Менделеев расположил в таблице аргон раньше (дав ему порядковый номер 18, а калию 19), потому что он обладал похожими свойствами с неоном, находящимся в таблице ровно над ним. Таким образом учёный вступил в противоречие со своим же собственным законом, но сделал это абсолютно верно.
Похожая ситуация произошла десятью годами ранее. Чарльз Дарвин опубликовал свою книгу «Происхождение видов», где подробно описал механизм эволюции. Изменение видов происходит из-за изменчивости, при этом большую роль в изменчивости он отводил мутациям, хотя и не мог объяснить их происхождение. Через 50 лет стало известно о существовании генов, и теория Дарвина восторжествовала.
Менделееву в какой-то степени повезло. Как правило, количество протонов и нейтронов в ядре примерно равны между собой. Поэтому заряд ядра (количество протонов) обычно в два раза меньше, чем весь атомный вес. И для большинства атомов можно применять и формулировку Менделеева. Но, по всей видимости, учёный предполагал, что есть какая-то другая характеристика атомов элемента, от которой действительно зависят свойства атомов, а через 50 лет стало известно, что это заряд ядра. И это ещё сильнее возвеличивает нашего учёного.
Марсель Гумеров
