CC BY
60
УДК 541.9
йй! 10.24147/1812-3996.2019.24(4).40-44
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ СОЗДАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ
И. М. Зырянова, А. Н. Тарасов, А. Н. Тарасов
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия
Информация о статье
Дата поступления 06.07.2019
Дата принятия в печать 08.10.2019
Аннотация. Представлен краткий исторический обзор основных этапов систематизации элементов. Проводится сравнительный анализ результатов деятельности различных ученых по систематизации элементов, выявлению общих закономерностей. Рассматривается особенность подхода и значимая роль Д.И. Менделеева. Отмечается, что с развитием науки меняется уровень рассмотрения общей систематизации элементов.
Дата онлайн-размещения 25.12.2019
Ключевые слова
Периодическая система, создание, Д.И. Менделеев, этапы, перспективы
HISTORICAL REVIEW OF THE MAIN STAGES OF CREATION PERIODIC SYSTEM OF ELEMENTS
I. M. Zyryanova, A. N. Tarasov, A. N. Tarasov
Omsk State Transport University, Omsk, Russia
Article info
Received 06.07.2019
Accepted 08.10.2019
Abstract. The article is a brief historical overview of the main stages of the systematization of elements. A comparative analysis of the results of the activities of various scientists on the systematization of elements, identifying common patterns. The features of the approach and the significant role of D.I. Mendeleev. It is noted that with the development of science, the level of consideration of the general systematization of elements is changing.
Available online 25.12.2019
Keywords
Periodic system, creation,
D.I. Mendeleev, stages, prospects
В 2019 г. исполнилось 150 лет со дня создания первой таблицы элементов, которую Д.И. Менделеев назвал «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». Проведение Международного года Периодической таблицы химических элементов имеет существенное значение для России, поскольку до сих пор приоритет Д.И. Менделеева продолжает замалчиваться или оспариваться зарубежными авторами учебных и научных публикаций, в которых первенство отдается ученым других стран, также занимавшихся систематизацией элементов. Поэтому восстановление хроно-
логии и рассмотрение значимости проведенных Д.И. Менделеевым работ в области систематизации химических элементов, доведение данной информации до студентов является на сегодняшний день важной задачей.
Периодический закон Д.И. Менделеева является наиболее важным законом естествознания, а опирающаяся на него периодическая система элементов представляет собой компактно предоставленную разнообразную информацию по химическим элементам.
Периодический закон и его графическое отображение в виде таблицы используется учеными-естественниками, инженерными работниками, однако до сих пор рассмотрение вопросов, связанных с этой темой в школе и вузе, у учащихся вызывает не интерес, а затруднения. В частности, студенты-первокурсники имеют поверхностное представление об электронных формулах, плохо ориентируются в таблице, не умеют прогнозировать свойства элементов, не могут сформулировать закон и пояснить его на примерах. Проведенное тестирование по данной теме среди студентов первого курса Омского государственного университета путей сообщения показало, что успешность изучения этой темы составляет всего (в разных группах) 30-45 %, в том числе студенты практически не владеют информацией об истории открытия тех или иных элементов, не знают хронологической последовательности и логики систематизации элементов.
Следовательно, наблюдается противоречие между необходимостью усвоения современного закона естествознания, его использованием и слабой школьной подготовкой, низкой учебной мотивацией студентов инженерного вуза, отсутствием интереса к изучению химии.
Данное противоречие определило выбор темы нашего исследования. Цель работы заключается в структурировании и систематизации исторического материала по теме «Основные этапы создания периодической системы (таблицы) элементов».
Отмечается, что открытию Периодического закона предшествовало следующее:
- установление атомных весов известных элементов (64 элемента);
- разработка основных положений теории валентности;
- выявление сходства кристаллических форм элементов;
- разработка и усовершенствование атомно-молекулярного учения [1-3].
Многие ученые так или иначе вносили свой вклад в структурирование системы элементов [1; 4]. В частности, в 1668 г. ирландским химиком Р. Бой-лем была опубликована книга, в которой разрушались мифы об алхимии и обсуждалась необходимость выявления неразложимых химических элементов. Учёный привёл список, состоящий из пятнадцати таких элементов, но предполагал, что их может быть больше. А. Лавуазье в своем учебнике «Элементарный курс химии» в 1789 г. привел четыре группы простых веществ: простые вещества,
представленные во всех трех царствах природы, которые можно рассматривать как элементы тел; простые неметаллические вещества, окисляющиеся; простые металлические вещества, окисляемые и дающие кислоты; простые вещества, солеобразующие и землистые. В 1814 г. Й.Я. Берцелиус опубликовал таблицу атомных масс сорок одного простого вещества, выбрав в качестве единицы сравнения кислород, атомную массу которого он принял за 100. Это стало началом систематизации элементов.
В 1827 г. немецкий химик И.В. Дёберейнер, группируя элементы по группам (триады) на основе сопоставления химических свойств (11 — N8 — К; Б — Бе — Те; С1 — Вг — I; Р — Дб — БЬ; Са — Бг — Ва), отметил, что если расположить три сходных по химическим свойствам элемента в порядке возрастания их атомных весов, то атомный вес второго (среднего) элемента будет равен среднему арифметическому атомных весов первого и третьего, например: атомный вес (N8) = 0,94(11) + 39,1(К) /2 = 23.
Поиски триад, подчиняющихся правилу Дебе-рейнера, были предприняты и другими исследователями (Л. Гмелин, М. Петенкофер). В частности, Л. Гмелин показал, что взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами значительно сложнее, чем триады. В 1843 г. он опубликовал таблицу, в которой химически сходные элементы были расставлены по группам в порядке возрастания соединительных (эквивалентных) весов. Элементы составляли триады, а также тетрады и пентады (группы из четырёх и пяти элементов), причём электроотрицательность элементов в таблице плавно изменялась сверху вниз. В 1957 г. Е. Ленсен располагает известные шестьдесят элементов в двадцать триад. Ученые понимали, что элементы связаны неким внутренним сходством, но причина этого авторами указанных таблиц не выявлялась. В начале 60-х гг. XIX в. появилось сразу несколько работ, которые непосредственно предшествовали созданию периодической таблицы [2; 5]. В 1863 г. А. де Шанкуртуа расположил 50 элементов в порядке возрастания их атомных весов, затем полученный ряд он наносил на поверхность цилиндра по линии под углом 45° к плоскости основания («спираль Шанкуртуа»). При развертывании поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях находились элементы со сходными физическими и химическими свойствами (рис. 1).
Публикуя свое сообщение, А. Шанкуртуа не сопроводил его построенным графиком, поэтому его работа не вызвала интереса и осталась незамеченной.
Рис. 1. Спираль Шанкуртуа
В 1864 г. было известно уже 62 элемента. Д. Ньюлендс пытался скоординировать известные в тот момент характеристики (атомные и эквивалентные веса). В 1865 г. он создал таблицу, в которой элементы были расположены в порядке возрастания их атомного веса (рис. 2).
Рис. 2. Таблица Д. Ньюлендса
В таблице каждый вертикальный ряд начинается с восьмого элемента. В этом случае в горизонтальных рядах располагаются сходные по свойствам элементы, т. е. Na повторяет свойства К, Ca повторяет свойства Mg. Эту закономерность назвали законом октав. Однако наблюдается нарушение этой закономерности, например в случае С1 и Рd, S и Fe. Д. Ньюлендс первым заметил, что повторяемость свойств начинается с восьмого элемента. В 1870 г. Л. Мейер предложил таблицу «Природа элементов как функция их атомного веса» из 44 химических элементов, расположенных по возрастанию атомных весов. В таблице располагаются шесть вертикальных столбцов, сходных по валентности элементов по водороду. Мейер отмечал, что столбец составляет некие целые числа (16, 16, 45, 45, 90), но объяснений
этому не предложил, что не позволило ему сформулировать вывод о существовании неизвестных на тот момент элементов. Тем не менее получившаяся волнообразная кривая указывала на периодичность свойств химических элементов.
Итак, рассмотренные попытки систематизации не привели к появлению единой системы классификации элементов, поскольку все эти системы рассматривали сходство только между родственными элементами.
В марте 1869 г. русский химик Д.И. Менделеев1 представил Русскому химическому обществу сообщение об открытии им Периодического закона химических элементов и предложил свою первую таблицу «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». В основе его классификации лежали два принципа: сравнение элементов по их свойствам (рассматривалось отношение элементов к водороду и кислороду, соотносились свойства элементов и их соединений), а также изучение сходства и различия количественных характеристик сопоставляемых элементов. В частности, он обратил внимание на некую периодическую зависимость свойств элементов от атомных весов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений Д.И. Менделеев исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа). В 1870 г. вышло второе издание менделеевского учебника «Основы химии», в котором была приведена его обновленная периодическая таблица, состоящая из групп и рядов (рис. 3).
Рис. 3. Периодическая таблица Д.И. Менделеева
Таким образом, особенность подхода Д.И. Менделеева к систематизации элементов заключалась в выборе двух составляющих: сравнение элементов по их свойствам и изучение сходства и различия количественных характеристик, с одной стороны. С другой стороны, Д.И. Менделеев предвидел существование неизвестных элементов, которые позднее были найдены. В частности, были открыты следующие элементы: «экаалюминий» (Ga) Л. де Буабодраном в 1875 г., «экабор» (Sc) Л. Нильсоном в 1879 г. и «экаси-лиций» (Ge) К. Винклером в 1886 г.
Такой подход позволил Д.И. Менделееву увидеть закономерность в изменении свойств в зависимости от атомного веса элемента и сформулировать закон: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов» [2; 3; 5].
В 1906 г. И.Р. Ридберг предложил таблицу, в которой все элементы имели порядковые номера. В 1913 г. А. Ван ден Брук предположил, что порядковый номер элемента равен заряду ядра атома элемента. В этом же году Г. Мозли подтвердил это экспериментально [5]. Согласно современной теории строения атома именно заряд ядра определяет количество электронов в электронной оболочке атома и, следовательно, свойства элемента и его положение в периодической системе [6]. Таким образом, было установлено, что периодичность свойств элементов обусловлена не атомным весом элемента, а зарядом ядра этого элемента.
Синтез трансурановых элементов, исследование их свойств - важнейший вклад в учение о периодичности. В настоящее время возникает вопрос о границе системы элементов (современная таблица содержит 118 элементов). Расчеты показывают, что элементы с порядковыми номерами n = 120, 126, 164 могут быть получены вследствие своей относительной стабильности [7; 8]. «Предсказанные островки стабильности наводят на мысль о
новой загадке периодического закона: его строгость заметно коррелирует с устойчивостью атомных ядер» [9, с. 10]. Известно, что некоторые свойства ядер атомов (энергия связи, энергия отрыва последнего нуклона, форма ядер и т. д.) имеют некую периодичность, а минимумы и максимумы определяются магическими числами [2; 8; 10]. Ядерные свойства элемента зависят от количества протонов и нейтронов, которые содержатся в данных атомах.
Таким образом, периодическая система элементов в своем становлении и развитии прошла несколько этапов: химический этап (рассматривалась зависимость свойств элементов от их положения в периодической системе); электронный этап (рассматривалась зависимость свойств элементов от электронного строения атома). В настоящее время наступил ядерный этап, когда изучается зависимость свойств элементов от состава и строения ядер, взаимосвязи строения ядра и электронной оболочки. В этом случае Периодический закон может иметь следующую современную формулировку: с увеличением числа нуклонов в ядре и электронов в оболочке периодически повторяются особенности в свойствах атомов, простых тел, сложных соединений, а также ядер элементов.
Итак, Периодический закон имеет огромные перспективы для своего дальнейшего развития и использования в разных областях естествознания: «По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает» (Д.И. Менделеев, 1905 год).
Д.И. Менделеев считал, что изучение исторических фактов науки, перспектив развития основных законов мироздания, выявления роли личности в истории химии необходимо для пробуждения активного интереса. В значительной степени это достигается тогда, когда у человека появляется масштаб для их разносторонней оценки [11; 12].
ПРИМЕЧАНИЕ
1Именем Д.И. Менделеева назван элемент с порядковым номером 101 (Менделеевий).
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Зефирова О. Н. Краткий курс истории и методологии химии. М. : Анабасис, 2007. 140 с.
2. Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева. М. : Просвещение, 1982. 192 с.
3. Рабинович Е., Тило Е. Периодическая система элементов. История и теория. М. ; Л. : Гос. технико-теоретич. изд-во, 1933. Т. 47, кн. 4. 423 с.
- 43
Herald of Omsk University 2019, vol. 24, no. 4, pp. 40-44
Вестник Омского университета 2019. Т. 24, № 4. С. 40-44
-ISSN 1812-3996
4. Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г. И. Выдающиеся химики мира. М. : Высшая школа, 1991. 656 с.
5. Трифонов Д. Н. Периодическая система элементов. История в таблицах. М. : Московское правление ВХО им. Д.И. Менделеева, 1992. 49 с.
6. Гладышев В. П. Современное состояние и методологическое значение периодической системы химических элементов // Вестник ТГПУ. 2000. Вып. 2 (серия 18). С. 28-32.
7. Грайнер В., Загребаев В. И. Расширение Периодической системы элементов: сверхтяжелые - супернейтронные // Успехи химии. 2009. № 78 (12). С. 1177-1199.
8. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М. : Мир, 1979. 735 с.
9. КульшаА. В. Есть ли границы у таблицы Д.И. Менделеева? // Удивительный мир веществ и их превращений: сборник статей. Минск : Нац. Ин-т образования (НИО), 2011. С. 5-19.
10. Мухин В. А., Зырянова И. М. Периодический закон и его следствия. Омск : ОмГУ, 2001. Ч. 1. 99 с.
11. Раджабов Х.М. О реализации исторического материала в процессе преподавания химии // Проблемы современного образования. 2016. № 5. С. 127-133.
12. Менделеев Д.И. Предисловие // Мейер Э. История химии от древнейших времен до настоящих дней. СПб., 1899. С. 3.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Зырянова Ирина Михайловна - кандидат педагогических наук, доцент, кафедра физики и химии, Омский государственный университет путей сообщения, 644046, г. Омск, пр. Макса, 35; e-mail: zyrianovaim2@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Zyryanova Irina Mikhailovna - Candidate of Pedagogical Sciences, Docent, Department of Physics and Chemistry, Omsk State Transport University, 35, pr. Marksa, Omsk, 644046, Russia; e-mail: zyrianovaim2@mail.ru.
Тарасов Александр Николаевич - студент, Омский государственный университет путей сообщения, 644046, г. Омск, пр. Макса, 35; e-mail: andr-kz@mail.ru.
Tarasov Alexander Nikolaevich - Student, Omsk State Transport University, 35, pr. Marksa, Omsk, 644046, Russia; e-mail: andr-kz@mail.ru.
Тарасов Андрей Николаевич - студент, Омский государственный университет путей сообщения, 644046, г. Омск, пр. Макса, 35; e-mail: andr-kz@mail.ru.
Tarasov Andrei N. Nikolaevich - Student, Omsk State Transport University, 35, pr. Marksa, Omsk, 644046, Russia; e-mail andr-kz@mail.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Зырянова И. М., Тарасов А. Н., Тарасов А. Н. Исторический обзор основных этапов создания периодической системы элементов // Вестн. Ом. ун-та. 2019. Т. 24, № 4. С. 40-44. Р01: 10.24147/1812-3996.2019. 24(4).40-44.
FOR GTATIONS
Zyryanova I. M., Tarasov A. N., Tarasov A. N. Historical review of the main stages of creation periodic system of elements. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2019, vol. 24, no. 4, pp. 40-44. DOI: 10.24147/1812-3996.2019.24(4).40-44. (in Russ.).
