<<
>>

Элементы в беспорядке

В истории развития органической и неорганической химии XIX столетия наблюдается любопытная параллель. В первые десятилетия число вновь открытых органических соединений, а также элементов увеличивалось ошеломляюще быстро.

В третьей четверти столетия органические соединения были в определенной степени систематизированы благодаря введению структурных формул. До некоторой степени упорядочены были и элементы; отчасти этому способствовали итоги Международного химического конгресса, который состоялся в начале сентября 1860 г. в г. Карлсруэ.

Однако начнем с беспорядка, царившего в начале столетия.

Античные ученые, как известно, описали десять элементов, средневековые алхимики — четыре (см. гл. 4). В XVIII столетии были открыты такие газообразные элементы, как азот, водород, кислород и хлор, и такие металлы, как кобальт, платина, никель, марганец, вольфрам, молибден, уран, титан и хром.

В первом десятилетии XIX в. к этому списку добавилось не менее четырнадцати новых элементов Так, только Дэви выделил с помощью электролиза ни мало, ни много шесть элементов (см. гл. 4), Гей-Люссак и Тенар выделили бор, Уолластон — палладий и родий, Берцелиус открыл церий.

Английский химик Смитсон Теннант (1761—1815), у которого Уолластон работал в качестве ассистента, открыл осмий и иридий. Другой английский химик Чарльз Хэтчетт (ок. 1765—1847) выделил колумбий (теперь официально называемый ниобием), а шведский химик Андерс Густаф Экеберг (1767—1813) открыл тантал.

Последующие десятилетия были не столь богаты открытиями, но тем не менее число элементов продолжало расти. Так, Берцелиус открыл еще четыре элемента: селен, кремний, цирконий и торий (рис. 12). Луи Никола Воклен в 1797 г. открыл бериллий.

К 1830 г. было открыто пятьдесят пять различных элементов. В теории алхимиков фигурировало всего лишь четыре элемента, и такое резкое увеличение списка элементов, которые, вдобавок, сильно отличались по свойствам, озадачило химиков.

Почему элементов столько? Сколько их еще осталось открыть? Десять? Сто? Тысячу? Бесконечное число?

Заманчиво было попытаться как-то упорядочить список уже известных элементов. Может быть, при этом удастся выявить число еще неоткрытых элементов и обнаружить какую-то закономерность в изменении свойств уже открытых?

АТОМНЫЕ ВЕСА Элемент Атомный вес Элемент Атомный Азот 14,008 Нстрий 22,991 Алюминий 26,98 Никель 58,71 Барий 137,36 Ниобий 92,91 Бериллий 9,013 Олово 118,70 Бор 10,82 Осмий 190,2 Бром 79,916 Палладий 106,4 Ванадий 50,95 Платина 195,09 Висмут 209,00 Родий 102,91 Водород 1,0080 Ртуть 200,61 Вольфрам 183,86 Свинец 207,21 Железо 55,85 Селен 78,96 Золото 197,0 Сера 32,066 Иридий 192,2 Серебро 107,88 Иттр ий 88,92 Стронций 87,63 Иод 126,91 Сурьма 121,76 Кадмий 112,41 Тантал 180,95 Калий 39,100 Теллур 127,61 Кальций 40,08 Титан 47,90 Кислород 16,0000 Торий 232,05 Кобальт 58,94 Углерод 12,011 Кремний 28,09 Уран 238,07 Литий 6,940 Фосфор 30,975 Магний 24,32 Хлор 35,457 Марганец 54,94 Хром 52,01 Медь 63,54 Церий 140,13 Молибден 95,95 Цинк 65,38 Мышьяк 74,91 Цирконий 91,22 Рис. 12. Пятьдесят четыре известных во времена Берцелиуса элемента, атомные веса которых вычислены исходя из атомного веса кислорода (16,0000) (из книги «Поиски элементов»).

Первым, кому удалось уловить некоторые проблески порядка, был немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780—1849). В 1829 г., изучая свойства брома — элемента, открытого тремя годами ранее французским химиком Антуаном Жеромом Баларом (1802—1876), Дёберейнер установил, что бром по своим свойствам занимает промежуточное положение между хлором и иодом. [Иод был открыт другим французским химиком Бернаром Курту а (1777— 1838) в 1811 г.1 В ряду хлор — бром — иод наблюдалось не только постепенное изменение цвета и реакционной способности, но и постепенное изменение атомного веса. Случайное совпадение? Дёберейнер продолжил поиски и нашел еще две группы из трех элементов (он назвал их триадами), у которых также наблюдалось постепенное изменение свойств.

Этими группами были кальций, стронций, барий и сера, селен, теллур. В обеих группах атомный вес среднего элемента примерно равен среднему атомных весов двух других элементов. Опять совпадение?

Дёберейнер пытался найти другие такие триады, но безуспешно. Поскольку разбить пятьдесят шесть известных элементов на триады не удалось, химики пришли к выводу, что триады Дёберейнера — явление случайное. Более того, соответствие в изменении атомных весов и химических свойств элементов в триадах Дёберейнера не произвело никакого впечатления на химиков. В первой половине XIX в. химики вообще недооценивали значение атомных весов. Атомные веса было удобно использовать при проведении разного рода расчетов, но ориентироваться на них, например, при составлении списка элементов представлялось нерезонным.

Существовали сомнения относительно целесообразности исполь-зования атомных весов в проведении расчетов. Некоторые химики не проводили четкого различия между атомным весом и молекулярным весом; некоторые путали понятия «атомный вес» и «эквивалентный вес». Так, например, эквивалентный вес кислорода равен 8 (см. гл. 5), атомный вес — 16, молекулярный вес — 32. При проведении расчетов удобнее всего пользоваться эквивалентным весом, который равен 8, почему же в таком случае для определения места кислорода в списке элементов следует использовать число 16?

Эта путаница с эквивалентным, атомным и молекулярным весами не только мешала решить вопрос о списке элементов, но и вообще отрицательно сказалась на развитии химии.

Разногласия по поводу относительных атомных весов, приписываемых различным атомам, привели к разногласиям и в отношении числа атомов отдельных элементов, входящих в данную молекулу,

Кекуле вскоре после опубликования своих предложений относительно структурных формул ясно понял, что его идея повиснет в воздухе, если химики не смогут прийти к согласию в вопросе об эмпирических формулах. Поэтому он предложил для обсуждения этого вопроса созвать конференцию ведущих химиков Европы.

В результате в 1860 г. в г. Карлсруэ в Германии впервые в истории состоялась международная научная встреча химиков, получившая название Первый международный химический конгресс.

На конгрессе присутствовало 140 делегатов, и среди них итальянский химик Станислао Канниццаро (1826—1910)2>. Двумя годами ранее Канниццаро случайно обнаружил работу своего соотечествен-ника Авогадро (см. гл. 5). Изучив эту работу, Канниццаро увидел, как с помощью гипотезы Авогадро можно разграничить понятия «атомный вес» и «молекулярный вес» для основных газообразных элементов и что, используя это различие, можно внести ясность в вопрос об атомных весах элементов вообще. Кроме того, он увидел, насколько важно четко отличать атомный вес от эквивалентного веса.

На конгрессе Канницнаро произнес яркую речь по этому вопросу, а затем распространил брошюру, в которой детально излагал свою точку зрения. Ему удалось убедить химиков в своей правоте, хотя произошло это не сразу и потребовало больших усилий. С этого времени в вопрос об атомных весах была внесена ясность и было по достоинству оценено значение таблицы атомных весов, составленной Берцелиусом (см. гл. 5).

Применительно к органической химии это означало, что теперь можно уже было договориться об эмпирических формулах соединений и продолжить изучение строения молекул, уточняя расположение атомов сначала плоскостное, а затем и пространственное.

В неорганической же химии теперь был принят рациональный порядок расположения элементов — в порядке увеличения их атомных весов. Как только такой список был составлен, химики смогли посмотреть на него под новым углом зрения.

Приведение элементов в порядок

В 1864 г. английский химик Джон Александер Рейна Ньюлендс (1837—1898) расположил известные элементы в порядке возрастания атомных весов. Составив такой список элементов, он обнаружил, что в полученном ряду можно выявить определенную закономерность в изменении свойств элементов (рис. 13). Когда Ныолендс

No.

Н 1 F

LI 2 Na

Ga 3 Mg

В 4 Al

С 5 Si

N б P

О 7 S

Рис.

13. «Закон No. No. No. Pd 36 I 42 Pt Ir J. 50 Ag 37 Cs 44 T1 53 Cd 38 Ba V }45 Pb 54 U 40 Ta 46 Th 56 Sn 39 W 47 Hg 52 Sb 41 Nb 48 Bi 55 Te. 43 Au 49 Cs 51 No. No. No. No. 8 а 15 Со | 22 Br 29 Ni 9 к 16 Си 23 Rb 30 10 Са 17 Zn 25 Sr 31 11 Сг 19 Y 24 Ce j- 33 La 12 Ті 18 In 26 Zr 32 13 Мп 20 As 27 Di Mo 14 Fe 21 Se 28 Ro }3, Ru октав» Ньюлендса (1864 г.). расположил элементы вертикальными столбцами по семь элементов в столбце, то выяснилось, что сходные элементы, как правило, попадают в одни и те же горизонтальные ряды. Так, калий располагается вслед за очень похожим на него натрием, селен располагается в одном ряду с похожей на него серой, кальций — рядом с похожим на него магнием и т. д. Действительно, в соответствующем ряду можно было найти каждую из трех триад Дёберейнера. н я с р Az1 f к Mgj

V / X St Р \ к / /

/ \ / К / / Са ч /

/ / /

/ / / \ / Т? \ / ( к t-

/ / -Рад / / > іЧ Г і € Lithium

Potassium Calcium

(SiO3) Silicium

Titane

Chrome

Nikel

2 4 8 10 12 14 1?

8 10 12 -14 16,

ZinoZ

Arsemc

Brome Selenium

Thallium Rhodium

Palladium Argent

Cadmium

(ThO) Thorium Uranium Antimoine

_ lode Ttellure

8 10 12 14 16

^'Slydrogfene (HOl'

(Zr'O*) . Zirconium

(GIO)

Glucinium Bore Carbone Azote Oxygene

"Fluor

Sodium Magnesium

Aluminium (SiO2) Silicium

Phosphore Soufre'

¦Rubidium Strontium (Zr04

Zirconium (LaO)

Lanthane

СЫог

J/ota.—On a entoure d'un cercle les pois correspondant aux caracteres numenques dits secondaiw.

Рис. 14. «Винтовой график» Бегуйе де Шанкуртуа (1862 г.) Расположив элементы в порядке возрастания их атомных весов, ученый соединил линиями элементы с похожими свойствами.

Ньюлендс назвал открытую иім закономерность законом октав, так как каждый восьмой элемент обладал свойствами, сходными с первым, девятый — со вторым и т. д.

(В музыкальной октаве семь нот, восьмая нота начинает новую октаву.) К сожалению, помимо рядов, содержащих сходные элементы, в таблице были ряды с совершенно непохожими элементами.

Поэтому другие химики сочли такое совпадение случайным и отнеслись к открытию Ньюлендса как к не заслуживающему внимания факту. Ньюлендсу не удалось даже опубликовать свою работу.

Двумя годами раньше французский геолог Александр Эмиль Бегюйе де Шанкуртуа (1820—1886) также расположил элементы в порядке возрастания атомных весов и отметил их на так называемом «винтовом» графике. И в этом случае наблюдалась та же тенденция: сходные элементы попадали в вертикальные столбцы. Публикуя свое сообщение, Шанкуртуа не сопроводил его построенным им графиком, и его работа также осталась незамеченной (рис. 14).

Более удачливым оказался немецкий химик Юлиус Лотар Мейер (1830—1895). Мейер рассматривал объемы, занимаемые весовыми количествами элемента, численно равными их атомным весам. При этом выяснилось, что в каждом таком весовом количестве любого элемента содержится одно и то же число атомов. Это означало, что отношение рассматриваемых объемов различных атомов равнялось отношению объемов отдельных атомов этих элементов . Поэтому указанная характеристика элемента получила название атомный объем.

Графически зависимость атомных объемов элементов от их атомных весов выражается в виде ряда волн, поднимающихся острыми пиками в точках, соответствующих щелочным металлам (натрию, калию, рубидию и цезию). Каждый спуск и подъем к пику соответствует периоду в таблице элементов. В каждом периоде значения некоторых физических характеристик, помимо атомного объема, также закономерно сначала уменьшаются, а затем возрастают (рис. 15).

Водород — элемент с наименьшим атомным весом — стоял в списке элементов первым. В то время принято было считать, что первый период включает лишь один элемент. (В современных таблицах первый период включает два элемента — водород и гелий.) Второй и третий периоды графика Мейера включали каждый по семь элементов, эти периоды дублировали октавы Ньюлендса. Однако в следующих двух периодах число элементов превышало семь. Таким образом Мейер показал, в чем ошибка Ньюлендса. Закон октав не мог строго выполняться для всего списка элементов, последние периоды должны были быть длиннее первых.

Рис, 15, Г рафик ліейера (кривая атомных объемов элементов).

Мейер опубликовал свою работу в 1870 г. Годом раньше русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) установил порядок изменения длины периодов элементов и наглядно продемонстрировал значение своего открытия 8).

Менделеев выполнял свою диссертационную работу в Германии, в Гейдельберге, как раз во время Международного химического конгресса в Карлсруэ. Он присутствовал на конгрессе и слышал речь Канниццаро, в которой тот четко изложил свою точку зрения на проблему атомного веса. Вернувшись в Россию, Менделеев приступил к изучению списка элементов и обратил внимание на периодичность изменения валентности у элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов: валентность водорода 1, лития 1, бериллия 2, бора 3, углерода 4, магния 2, азота 3, серы 2, фтора 1, натрия 1, алюминия 3, кремния 4, фосфора 3, кислорода 2, хлора 1 и т. д.

Основываясь на увеличении и уменьшении валентности, Менделеев разбил элементы на периоды; первый период включает только один водород, затем следуют два периода по семь элементов каждый, затем периоды, содержащие более семи элементов. Менделеев воспользовался этими данными не только для того, чтобы построить график, как это сделали Мейер и Бегюйе де Шанкуртуа, но и для того, чтобы построить таблицу, подобную таблице Ньюлендса.

Такая периодическая таблица элементов была яснее и нагляднее, чем график, и, кроме того, Менделеев сумел избежать ошибки Ньюлендса, настаивавшего на равенстве периодов.

Свою таблицу Менделеев опубликовал в 1869 г., т. е. раньше, чем была издана основная работа Мейера (рис. 16). Однако честь открытия Периодической системы элементов принадлежит Менде-лееву не из-за приоритета публикации, действительная причина состоит в том, как Менделеев построил свою таблицу.

Для того чтобы выполнялось требование, согласно которому в столбцах должны находиться элементы с одинаковой валентностью, Менделеев в одном или двух случаях был вынужден поместить элемент с несколько большим весом перед элементом с несколько меньшим весом. Так, теллур (атомный вес 127,6, валентность 2) пришлось поместить перед иодом (атомный вес 126,9, валентность 1), чтобы теллур попал в один столбец с элементами, валентность которых равна 2, а иод попал в один столбец с элементами, валентность которых равна 1 .

Поскольку этого оказалось недостаточно, Менделеев счел также необходимым оставить в своей таблице пустые места (пробелы). Причем наличие таких пробелов он объяснил не несовершенством таблицы, а тем, что соответствующие элементы пока еще не открыты.

В усовершенствованном варианте таблицы (1871 г.) существовало много пробелов, в частности не заполнены были клетки, отвечающие аналогам бора, алюминия и кремния. Менделеев был настолько уверен в своей правоте, что пришел к заключению о существовании соответствующих этим клеткам элементов и подробно описал их свойства. Он назвал их экабор, экаалюминий и экакремний («эка» на санскрите означает «одно и то же»). Таким образом Менделеев развил идею Дёберейнера о промежуточном значении атомного веса среднего элемента в триаде; однако никто из предшественников Мен-делеева не рискнул предугадывать существование и свойства неоткрытых элементов.

Тем не менее часть химиков была настроена скептически, и, возможно, их недоверие еще долго не удалось бы преодолеть, если бы смелые предсказания Менделеева не подтвердились столь блестяще. Это стало возможно прежде всего благодаря применению нового физического прибора — спектроскопа.

<< | >>
Источник: А. Азимов. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ХИМИИ. 1983

Еще по теме Элементы в беспорядке:

  1. Глава V«РУССКАЯ ИДЕЯ», ИЛИ СВЕРХЗАДАЧА СОВРЕМЕННОЙ РОССИИ (Вместо заключения)
  2. Энтропийный парадокс
  3. ФАУСТОВСКОЕ И АПОЛЛОНОВСКОЕ ПОЗНАНИЕ ПРИРОДЫ
  4. 2. На пути к новой русской литературе
  5. Выдержки из научных дневников (1965—1983)
  6.   § 22. Закон диалектического синтеза  
  7.   ЖИВОТН ЫЕ-БО Л ЬШЕЕ, ЧЕМ МАШИНЫ
  8. § 7. Система, элемент, структура. Принцип системности. Часть и целое
  9. космогония
  10. НАЧАЛО ФИЛОСОФИИ В КИТАЕ
  11. о поэзии СОЧИНЕНИЕ АРИСТОТЕЛЯ. ПЕРЕВЕЛ, ИЗЛОЖИЛ II ОБЪЯСНИЛ Б. ОРДЫНСКИЙ. МОСКВА. 1854
  12. III. Органы полицейской деятельности
  13. ИСТОРИОГРАФИЯ ВОПРОСА
  14. Глава 6. Главный социально-экономический феномен обеспечения рыночного реформирования России
  15. Жерар Нуарьель Национальная репрезентация и социальные категории: пример политических беженцев
  16. Элементы в беспорядке