Все мы со школьных лет знаем о таблице Менделеева. Для одних это рабочий инструмент, для других — смутные воспоминания из детства. Для последних и написана данная статья, чтобы не только напомнить об одном из величайших открытий в химии, но и показать, что периодический закон — это не скучно. Химические элементы играют важнейшую роль в нашей повседневной жизни и имеют огромное значение для науки, промышленности, человечества и планеты в целом.
Закон, сформулированный Дмитрием Ивановичем Менделеевым, установил периодическую зависимость свойств химических элементов от веса атома (в современной формулировке — от заряда ядра). Это открытие внесло огромный вклад в науку, определив взаимосвязи свойств различных элементов. Периодический закон дал ученым ключ к разгадке принципов строения вещества, что привело к бурному развитию химии и других наук.
Менделеев записал свойства элементов на карточках, и по легенде, раскладывая химический «пасьянс», внезапно понял, что когда элементы расположены в порядке возрастания атомного веса, то определенные их типы встречаются периодично. К 1860 году было открыто всего лишь 60 элементов, и, более того, некоторые сведения о части элементов являлись неверными, что усложняло задачу. Менделеев будто собирал пазл, в котором не хватало половины деталей, а часть из имеющихся оказались погнуты.
Менделеев сформулировал идею о том, что свойства различных химических элементов повторяются через определенные периоды в феврале 1869 года. Через месяц в Русском химическом обществе был сделан доклад о зависимости свойств от атомных масс элементов, содержащий следующие основные положения:
-
Элементы, если их расположить в соответствии с атомной массой, имеют очевидную периодичность свойств.
-
Элементы, сходные по своим химическим свойствам, либо имеют близкие атомные массы (например, иридий, платина, осмий), либо их массы закономерно возрастают (например, калий, рубидий, цезий).
Периодическая таблица представляет собой схему, на которой изображены элементы в особом расположении, выражающим периодический закон. Однако следует подчеркнуть, что периодический «закон» не является физическим законом или принципом в прямом смысле. Эти термины имеют точные значения и четко очерченные границы применимости. Например, законы движения Ньютона работают исключительно хорошо, если только скорость не слишком велика (т.е. не приближается к скорости света) или гравитационный потенциал не слишком высок. Ньютоновский анализ позволяет доставить космический корабль на Марс, но не объясняет существование черных дыр. Периодичность — это эмпирическое правило, прагматичный набор тенденций со многими исключениями. Периодичность хорошо — но не идеально — работает с s- и p-элементами главной группы, но существенно хуже — с тяжелыми d- и f-элементами.
Гениальность Менделеева проявилась в том, что он не только оставил места для еще не открытых элементов, но и предсказал свойства пяти недостающих элементов и их соединений. Три из них были открыты другими исследователями в течение 15 лет, т.е. еще при жизни ученого. «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только развитие и надстройки обещаются» — сказал Менделеев в 1905 году, и не ошибся.
На 2023 год в Периодической таблице насчитывается 118 химических элементов, каждый из которых имеет свою историю. Углерод, например, открыт в глубокой древности, когда после сжигания древесины образовался состоящий из него древесный уголь. Позже ученые выяснили, что углерод входит в состав всех живых организмов на Земле. Однако у углерода есть и темная сторона: в форме углекислого газа, он угрожает самому существованию жизни, накапливаясь в атмосфере и ускоряя изменение климата. За последние 300 лет люди открыли 105 элементов. Быстро ознакомиться с хронологией открытий новых элементов можно в полутораминутном видео по ссылке.
Периодическая таблица — это отражение периодического закона, одно из самых значительных достижений науки, позволяющее ученым предсказывать появление и свойства материи на Земле и во Вселенной. Постоянный поиск элементов привел к созданию мощных методов для квантовых расчетов, которые не только приводят к появлению новых материалов, но и открывают новые химические явления, расширяя границы познаваемого мира.
Знаковая периодическая таблица элементов — Периодическая система элементов Менделеева — за прошедшие с момента появления ее первых вариантов, превратилась в двумерный массив химических элементов, упорядоченных по атомному номеру и обычно расположенных в 18 столбцах. Она представляет собой схему закономерностей и тенденций, позволяющую ученым предсказывать свойства элементов, их реакционную способность и даже появление новых элементов. Ее называют «картой химика» и «самым компактным и содержательным сборником знаний, который когда-либо был создан». И действительно, химик, глядя на таблицу, ориентируется в ней как по карте. Если представить себе карту России и ткнуть пальцем, например, в Воронеж, то любой человек скажет, что в Воронеже теплее, чем в Москве, но холоднее и суше, чем в черноморском курорте Сочи. Когда химик видит, что элемент находится в определенном месте таблицы, он сможет рассказать о нем многое — является ли элемент металлом или нет, распространен ли на Земле, на сколько реакционноспособен или инертен и т.д. — не читая специальную литературу о рассматриваемом элементе, а просто отметив его местоположение в Периодической таблице.
Источник: Википедия (стрелки показывают направление возрастания количественных характеристик)
Первоначально периодичность таблицы и ее удивительная предсказательная сила казались загадкой. В XX веке периодичность удалось объяснить с помощью квантовой физики — в частности, физики и строения атома, того, каков заряд ядра и как электроны распределяются вокруг него. Например, литий, натрий и калий, которые расположены в первой вертикальной колонке таблицы, т.е. первой группе щелочных металлов, а также рубидий, цезий и франций — все имеют по одному электрону во внешней электронной оболочке. При этом при переходе из одного ряда в другой, которые называются периодами, растет радиус атома и, как следствие, внешний электрон легче оторвать от атома — это требует меньше энергии. Напротив, при движении по периоду от лития к фтору растет заряд ядра и электроотрицательность — чем она больше, тем сложнее «забрать» у атома внешние электроны. Так, фтор — самый электроотрицательный элемент — «обворовать» химическими способами не получится вовсе. Напротив, он способен окислить любой другой элемент, даже кислород и инертные газы. Последние элементы стоят немного особняком, их внешний электронный уровень заполнен, что и придает особую стабильность. Однако они не так инертны, как можно подумать: в особых условиях из них тоже получаются производные молекулы, особенно с реакционными фтором или кислородом.
Такие разные таблицы…
Привычная нам таблица элементов служит химии уже более 150 лет. Но она не является единственным вариантом. Попытки систематизировать известные химические элементы предпринимались задолго до прорывной работы Менделеева. Сэр Исаак Ньютон в одном из разделов работы «Оптика», написанной в 1717 году, перечислил и расположил химические соединения в соответствии с их реакционной способностью. В 1718 году французский химик Этьен Франсуа Жоффруа составил первую «таблицу сродства», в которой в графической форме приводились данные о реакционной способности материалов. Исследователи наблюдали за природой и отмечали, что некоторые химические элементы, такие как литий, натрий и калий, известные сегодня как щелочные металлы, отличаются мягкостью и плавают в воде. Однако такие качественные характеристики давали очень ненадежную основу для классификации.
Прорыв наметился только в 1860 году, когда итальянский химик Станислао Канниццаро обосновал рациональную систему атомных весов и обособил ключевые понятия современной химии, такие как «атом», «молекула», «эквивалент». В то время существовали противоречивые списки атомных весов и различные предположения о том, что такое атом и молекула. Канниццаро составил список атомных весов известных элементов с обоснованием их значений, и распространил его в виде брошюры на Международном конгрессе химиков, проходившем в Карлсруэ (Германия). Это сделало возможным открытие шести новых элементов в течение примерно семи лет, кульминацией чего стал периодический закон Менделеев.
В 1862 г. французский геолог Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа создал трехмерную таблицу, написав символы элементов на поверхности металлического цилиндра так, что их свойства менялись по спирали. Джон Александр Ньюлендс, химик из Лондона, расположил элементы в порядке возрастания атомного веса, группами по восемь, в соответствии с «законом октав». Британский химик Уильям Одлинг открыл «периодический закон» — свойства семейства элементов, которые повторяются примерно через равные промежутки времени. Густав Хинрихс, США, предложил радиальный порядок в форме велосипедных колес. Лотар Мейер, немецкий химик, в 1864 году создал неполную периодическую таблицу, а в 1869 году дополнил ее. Структуры таблиц Мейера и Менделеева похожи. Оба химика построили множество таблиц в течение многих лет, корректируя их в соответствии с новыми открытиями и более точными данными. В конце концов, победил Менделеев: преимуществом его открытия была предсказательная направленность, позволившая целенаправленно искать новые элементы. Ученый точно предсказал существование трех элементов — галлия, германия и скандия.
С 1869 г. несколько поколений химиков предлагали свои варианты формата таблицы, чтобы улучшить ее, сделать более понятной, практичной или просто интересной. Сейчас онлайн база данных периодических таблиц содержит более 1100 вариантов, включая таблицу дефицита элементов, таблицы в форме кексов, часов, Лего, хайку, а также некоторые еще более странные вариации. Хотя многие люди считают, что существует только одна «настоящая Периодическая таблица», но все ее типы одинаково хороши; их полезность зависит от того, что именно хотел подчеркнуть составитель.
Кроме того, Периодическая таблица позволила химии окончательно избавиться от суеверий и заблуждений алхимии. Своеобразная, но строго научная «алхимия» творится в тех зонах Периодической таблицы, где физики-ядерщики и радиохимики расширяют границы познания, создавая новые элементы. Пожалуй, самым тяжелым элементом, встречающимся на Земле в сколько-нибудь значительных количествах, является уран с атомным номером 92 (в его ядре 92 протона), тогда как нептуний (атомный номер 93) и плутоний (номер 94) обнаружены в незначительных количествах. Но в Периодической таблице есть и другие элементы: самый тяжелый на сегодняшний день — сверхтяжелый элемент оганессон, со 118 протонами и периодом полураспада в полмиллисекунды. Впервые этот элемент был синтезирован в 2002 году Юрием Оганесяном и межконтинентальной российско-американской командой в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубна Московской области. С 2020 года ученые попытаются синтезировать элементы 119 и 120, используя новейшее экспериментальное оборудование. Они надеются достичь «острова стабильности» — легендарной области Периодической таблицы, населенной сверхтяжелыми элементами с большим периодом полураспада. Открытие сверхтяжелых элементов ставит непростые вопросы. Будут ли эти элементы вести себя так, как предсказывает Периодический закон? Предполагается, что по мере увеличения атомных номеров отклонения будут накапливаться и могут поставить под сомнение целостность Периодической таблицы.
Выдержит ли Периодическая таблица открытие новых сверхтяжелых элементов или «прогнется» под их весом? Доктор Пекка Пююккё, химик из Университета Хельсинки считает, что да, но с некоторыми изменениями. Доктор Пююккё сформулировал периодическую таблицу, в которой химически классифицируются элементы вплоть до атомного номера 172.
Источник: Википедия
При этом доктор Пююккё отметил, что вероятность найти самый тяжелый из сверхтяжелых элементов меньше, чем попасть по мячу для гольфа в Токио и сделать лунку на вершине горы Фудзи. Если ученым повезет, то полученные суперсверхтяжелые элементы, содержащие «магическое число» протонов или нейтронов, могут даже иметь ядра экзотической формы, например, в виде пончика. Это звучит необычно, но теоретически возможно. Так что история развития таблицы Менделеева еще не завершена, а нам остается ждать, какие еще сюрпризы она может преподнести.
Таблица Менделеева и искусство
Международный год Периодической таблицы химических элементов 2019 (МГПТ-2019) был провозглашен Генеральной Ассамблеей ООН в ознаменование 150-летия создания Периодической таблицы химических элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым. В рамках МГПТ-2019 прошли тысячи мероприятий в более чем 130 странах мира. Юбилей отмечался не только научным конференциями. Представители разных стран творчески отнеслись к событию. Так, например, выпущены тематические почтовые марки, показанные ниже. Все приведенные далее иллюстрации взяты из отчета о юбилейных мероприятиях.
Кроме того, создана «Таблица Менделеева» в стиле лоскутного шитья, в едином полотне размером 3×5 м. Над его созданием трудились около 100 мастеров, возраста от 12 до 65 лет, из разных регионов России — от Владивостока до Калининграда, Белоруссии и Казахстана. Каждый элемент «Народной таблицы», а их всего 118, является маленьким произведением искусства. В квадратах 25×25 см соединились лоскутное шитье, коллажи, вышивка, графика и фантазия автора. Каждый элемент уникален, а вся таблица представляет собой удивительный арт-объект.
Вышла серия образовательных плакатов «ЭЛЕМЕНТАРНО!». Стиль плакатов напоминает знаменитые в России в 1919–1921 годов «Окна РОСТА», в создании которых участвовал Владимир Маяковский. Кроме того, каждый плакат — это еще и реплика известного произведения изобразительного искусства конца XIX — начала XX века.
В прошлом веке математик и музыкант Том Лерер положил таблицу Менделеева на музыку (The Elements, 1959 г.), а итальянский химик и писатель Примо Леви, переживший Холокост, использовал ее в качестве основы для своеобразных мемуаров в виде коротких рассказав, объединенных под названием «Периодическая таблица» (1975 г.).
Так Периодическая система влияет не только на науку, но и служит источником вдохновения для творческих людей.
Илья Чикунов
