Что способствовало подготовке открытия? Мы начинаем с анализа великого менделеевского открытия, поскольку оно было детально и всесторонне изучено нами в течение многих лет по архивным материалам. Но сначала необходимо сказать несколько слов о его предыстории.

В ходе познания химических элементов можно четко выделить три последовательные ступени, о которых говорилось во введении. Начиная с глубокой древности и вплоть до середины XVIII века элементы открывались и изучались человеком порознь, как нечто единичное. С середины XVIII века начался постепенный переход к открытию и изучению их целыми группами, или семействами, хотя одиночные открытия элементов продолжались и позднее. Групповое их открытие и изучение основывалось на том, что у некоторых из них обнаруживались общие физические или химические свойства, равно как и совместное присутствие ряда элементов в природе.

Так, во второй половине XVIII века в связи с возникновением пневматической (газовой) химии были открыты легкие неметаллы, которые в обычных условиях находятся в газообразном состоянии. Это были водород, азот, кислород и хлор. В тот же период были открыты кобальт и никель в качестве природных спутников железа.

А уже с первых лет XIX века открытие элементов стало происходить целыми группами, члены которых обладали общими химическими свойствами. Так, посредством электролиза были открыты первые щелочные металлы - натрий и калий, а затем щелочноземельные - кальций, стронций и барий. Позднее, в 60-х годах, с помощью спектрального анализа были открыты тяжелые щелочные металлы - рубидий и цезий, а также более тяжелые металлы будущей третьей группы - индий и таллий. Эти открытия основывались на близости химических свойств членов открываемых групп, а потому эти их члены связывались между собою уже в самом процессе их открытия.

В начале того же XIX века было открыто семейство платиновых металлов (кроме рутения, открытого позднее) в качестве природных спутников платины. В течение всего XIX века открывались редкоземельные металлы как члены единого семейства.

Вполне естественно, что первые классификации элементов строились на основе общности их химических свойств. Так, еще в конце XVIII века А. Лавуазье разделил все элементы на металлы и неметаллы. Такого деления придерживался и И. Берцелиус в первой половине XIX века. Тогда же стали выделяться первые естественные группы и семейства элементов. И. Деберейнер, например, выделил так называемые «триады» (скажем, литий, натрий, калий - «триада» щелочных металлов и т. д.). К числу «триад» относились такие, как хлор, бром, йод или сера, селен, теллур. При этом вскрывались такие закономерности, что значения физических свойств среднего члена «триады» (его удельный и атомный веса) оказывались средними по отношению к крайним членам. Что же касается галоидов (галогенов), то агрегатное состояние среднего члена (жидкий бром) было промежуточным по отношению к крайним членам - газообразному хлору и кристаллическому йоду. Позднее число включаемых в одну группу элементов стало увеличиваться до четырех и даже пяти.

Вся эта классификация строилась на основе учета лишь сходства элементов внутри одной естественной группы. Такой подход давал возможность образовывать все новые подобные группы и раскрывать взаимоотношения элементов внутри них. Этим готовилась вероятность последующего создания общей системы, охватывающей все элементы путем объединения уже найденных их групп в одно целое.

Что препятствовало переходу от особенного ко всеобщему? Примерно к началу 60-х годов XIX века ступень особенности в познании элементов практически была уже исчерпана. Возникла необходимость перехода на ступень всеобщности в их познании. Такой переход мог быть осуществлен путем взаимного связывания различных групп элементов и создания их единой общей системы. Подобного рода попытки все чаще стали предприниматься в течение 60-х годов в различных странах Европы - Германии, Англии, Франции. Некоторые из этих попыток содержали в себе уже явные намеки на периодический закон. Таков был, например, «закон октав» Ньюлендса. Однако, когда Дж. Ньюлендс доложил о своем открытии на заседании Лондонского химического общества, ему был задан ехидный вопрос: а не пытался ли автор открыть какой-либо закон, располагая элементы в алфавитном порядке их названий?

Это показывает, насколько чужда была химикам того времени сама идея выйти за пределы групп элементов (особенного) и искать пути раскрытия общего закона, охватывающего их (всеобщего). В самом деле, чтобы составить общую систему элементов, надо было сближать и сопоставлять между собой не только сходные элементы, как это делалось до тех пор внутри групп, но все вообще элементы, в том числе и несходные между собою. Однако в сознании химиков прочно засела мысль, что сближать между собою можно только одни сходные элементы. Эта мысль настолько глубоко укоренилась, что химики не только не ставили перед собой задачи перейти от особенного ко всеобщему, но полностью игнорировали и даже не замечали первых отдельных попыток осуществить такой переход.

В итоге сложилось серьезное препятствие, вставшее на пути открытия периодического закона и создания общей естественной системы всех элементов на его основе. Существование подобного препятствия неоднократно подчеркивал сам Д. Менделеев. Так, в конце своей первой статьи о сделанном им великом открытии он писал: «Цель моей статьи была бы совершенно достигнута, если бы мне удалось обратить внимание исследователей на те отношения в величине атомного веса несходных элементов, на которые, сколько то мне известно, до сих пор не обращалось почти никакого внимания».

Спустя два с лишним года, подводя итог разработке своего открытия, Д. Менделеев вновь подчеркнул, что «между несходными элементами и не искали даже каких-либо точных и простых соотношений в атомных весах, а только этим путем и можно было узнать правильное соотношение между изменением атомных весов и других свойств элементов».

Спустя двадцать лет после открытия в своем Фараде- евском чтении Д. Менделеев вновь вспоминал о препятствии, стоявшем на пути к этому открытию. Он привел первые выкладки на этот счет, в которых «видны действительные задатки и вызов периодической законности». И если последняя «высказана с определенностью лишь к концу 60-х годов, то этому причину... должно искать в том, что сравнению подвергали только элементы, сходственные между собой. Однако мысль сличить

вее элемента по величине их атомного веса... была чужда общему сознанию...». А потому, отмечает далее Д. Менделеев, попытки, подобные «закону октав» Дж. Ньюлендса, «не могли обратить на себя чьего-либо внимания», хотя в этих попытках «видно... приближение к периодическому закону и даже его зародыш».

Эти свидетельства самого Д. Менделеева для нас исключительно важны. Их глубокий смысл заключается в признании того, что основным препятствием на пути открытия периодического закона, то есть на пути перехода ко всеобщему в познании элементов, лежала привычка химиков, ставшая традицией, мыслить элементы в жестких рамках особенного (их сходства внутри групп). Такая привычка в мышлении не давала им возможности выйти за рамки особенного и перейти на ступень всеобщего в познании элементов. В результате открытие общего закона задержалось почти на 10 лет, когда, по свидетельству Д. Менделеева, ступень особенного была уже в основном исчерпана.

ППБ и его функция. Подобное препятствие, которое носит одновременно и психологический и логический (познавательный) характер, мы и называем познавательно-психологическим барьером (ППБ). Такой барьер необходим для развития научной мысли и выступает в качестве ее формы, удерживая ее достаточно долгое время на достигнутой ступени (в данном случае на ступени особенности) с тем, чтобы она (научная мысль) могла полностью исчерпать эту ступень и тем самым подготовить переход на следующую, более высокую ступень всеобщности.

Сейчас мы не можем рассматривать механизм возникновения подобного барьера и ограничимся лишь указанием на то, что он возникает автоматически. Однако после выполнения им своей познавательной функции он продолжает действовать и не снимается столь же автоматически, а как бы закрепляется, окостеневает и из формы развития научной мысли превращается в ее оковы. В таком случае научное окрытие происходит не само собой, легко и просто, но как преодоление стоявшего на пути познания препятствия,ППБ.

Сказанное мы относим пока что к данному разбираемому нами историко-научному событию и не ставим еще задачи выяснить, насколько часто подобная ситуация наблюдается. При этом мы идем не путем индуктивных обобщений, основанных на рассмотрении множества различных открытий а путем теоретического анализа пока только одного открытия, а именно - периодического закона. В дальнейшем нас будет интересовать, каким конкретным способом Д. Менделеев преодолел барьер, стоявший на пути процесса открытия, то есть на пути перехода со ступени особенного на ступень всеобщего в познании химических элементов.

Преодоление ППБ Д. Менделеевым. Периодической закон был открыт Д. Менделеевым 17 февраля (1 марта) 1869 года. (Очень подробно об открытии периодического закона рассказано в книгах Б. М. Кедрова «День одного великого открытия» и «Микроанатомия великого открытия». - Ред.) На обороте только что полученного им письма он стал делать выкладки, положившие начало открытию. Первой такой выкладкой была формула хлорида калия КС1. Что она означала?

Д. Менделеев писал тогда свои «Основы химии». Он только что закончил первую часть и приступил ко второй. Первая часть завершилась главами о галоидах (галогенах), в число которых входил хлор (С1), а вторая начиналась главами о щелочных металлах, к которым относился и калий (К). Это были две крайние, диаметрально противоположные в химическом отношении группы элементов. Однако они сближены в самой природе путем образования, например, хлористых солей соответствующих металлов, скажем, поваренной соли.

Создавая «Основы химии», Д. Менделеев обратил на это внимание и стал искать объяснение этому в близости атомных весов. У обоих элементов - калия и хлора: К = 39,1, 01 = 34,5. Значения обоих атомных весов примыкали непосредственно одно к другому, между ними не было других промежуточных значений, атомных весов других элементов. Два с лишним года спустя после открытия, подводя итоги разработки, Дмитрий Иванович отмечает, что ключом к периодическому закону явилась идея сближения между собой по близости количественной характеристики (атомного веса) элементов, качественно совершенно несходных между собой. Он писал: «Переход от С1 к К и т. п. также во многих отношениях будет соответствовать некоторому между ними сходству, хотя и нет в природе других столь близких по величине атома элементов, которые были бы между собой столь различны».

Как видим, здесь Д. Менделеев обнажил скрытый смысл своей первой записи «КС1», с которой начался процесс открытия. Оговоримся, что нам неизвестно, что натолкнуло его на мысль о сближении калия и хлора по величине их атомного веса. Возможно, он вспомнил в этот момент, что писал о хлористом калии в конце первой или в начале второй части «Основ химии». Но возможно, и какое-либо иное обстоятельство навело его на мысль о сближении калия и хлора по атомному весу. Мы могли зафиксировать лишь ту запись на бумаге, которая появилась из-под пера Д. Менделеева, но не то, что предшествовало ей в его голове. Как увидим ниже, история науки и техники знает немало случаев, когда известен не только первый шаг к открытию, но и мысль, мелькнувшая в голове его авт

Добавим, что теперь мы можем более конкретно разъяснить, в чем состоял переход Д. Менделеева от особенного ко всеобщему в познании элементов. Под их несходством он фактически понимал их химические различия, а сближение несходного по их атомному весу достигалось на основании присущего им общего физического свойства - их массы. Таким образом, переход от особенного ко всеобщему соответствовал переходу от рассмотрения их с химической стороны к рассмотрению с физической стороны.

Ниже мы еще не раз вернемся к подобному же варианту. Однако этот случай нельзя трактовать как переход от учета одних лишь качественных различий элементов к учету количественного их сходства. Количественная характеристика элементов учитывалась уже на ступени особенного, как мы видели на примере «триад» и теории атомности.

Итог преодоления ППБ. Итак, отмеченный Д. Менделеевым барьер был успешно преодолен, и познание элементов в результате этого вышло за пределы ступени особенности и поднялось на ступень всеобщности. Заметим, что до этого момента сам ученый не видел, в чем именно заключается препятствие, стоявшее на пути к открытию периодического закона. В его подготовительных работах, в частности в планах «Основ химии», составленных до 17 февраля (1 марта) 1869 года, нет даже намека на то, что надо сближать друг с другом несходные элементы. Только после того, как он догадался, ^то ключ к решению всей задачи лежит в этом сближении, он понял, в чем заключалось и препятствие, лежавшее на пути к открытию, то есть, говоря нашим языком, что за барьер стоял на этом пути.

Переступив ППБ в первый раз, Д. Менделеев тут же начал в деталях осуществлять переход от особенного к только еще открываемому всеобщему (закону). При этом он показывал, как надлежит включать в строящуюся общую систему элементов одну их группу за другой, то есть сближать несходные между собой элементы по величине их атомных весов. Другими словами, все построение общей системы элементов совершалось в процессе последовательного включения особенного (групп) во всеобщее (в будущую периодическую систему).

«В этих трех группах видна сущность дела. Галоиды обладают меньшими атомными весами, чем щелочные металлы, а эти последние -меньшими, чем щелочноземельные».

Так, осуществляя переход от ступени особенного на ступень всеобщего в познании элементов, Д. Менделеев довел до завершения свой замысел, включив в общую систему не только все уже известные тогда группы элементов, но и отдельные элементы, стоявшие до тех пор вне групп.

Замечу, что некоторые химики и историки химии пытались представить дело так, будто Дмитрий Иванович в своем открытии шел не от групп элементов (особенного), сопоставляя их одну с другой, а непосредственно от отдельных элементов (единичного), образуя из них последовательный ряд в порядке возрастания их атомных весов. Анализ многочисленных черновых записей Д. Менделеева полностью отвергает эту версию и неоспоримо доказывает, что открытие периодического закона было совершено в порядке четко выраженного перехода от особенного к всеобщему. Тем самым подтверждается, что барьер здесь возник именно как познавательно- психологическое препятствие, мешавшее выходу научной мысли химиков за пределы ступени особенного.

Обратим теперь внимание, что в итоговой периодиче-j ской системе элементов представлены в единстве обе ис-^ ходные йроТйвоположности - сходство й несходство (химические) элементов. Это можно показать уже на приведенной выше неполной табличке из трех групп. В ней по горизонтали располагаются химически сходные элементы (то есть группы), а по вертикали - химически несходные, но с близкими атомными весами (образующие периоды).

Так представление о ППБ и о его преодолении позволяет понять механизм и ход сделанного Д. Менделеевым великого открытия.

Конкретнее это открытие можно представить как преодоление барьера, разрывавшего до тех пор элементы на такие противоположные классы, как металлы и неметаллы. Так, уже первая менделеевская запись «КСЬ

свидетельствовала о том, что здесь сближены между собою не вообще несходные элементы, а элементы двух противоположных классов - сильный металл с сильным неметаллом. В итоговой развернутой системе элементов сильные металлы заняли левый нижний угол таблицы, а сильные неметаллы - правый верхний угол. В промежутке же между ними расположились элементы переходного характера, так что открытие Д. Менделеева и в этом отношении преодолевало барьер, мешавший выработать единую систему элементов.

Преодоление еще одного барьера. До сих пор мы говорили о барьере, стоявшем на пути познания от особенного ко всеобщему. Условно такой путь можно сравнить с индуктивным. Однако после открытия закона и даже в самом процессе его открытия возможен был обратный путь - от общего к особенному и единичному, который мы столь же условно можем сравнить с дедуктивным. Так, до открытия периодического закона атомный вес какого-либо элемента устанавливался как нечто сугубо единичное, как отдельный факт, могущий быть проверенным лишь опытным способом. Периодический же закон давал возможность проверять, уточнять и даже исправлять полученные эмпирически значения атомного веса в соответствии с местом, которое должен занять данный элемент в общей системе всех элементов. Например, подавляющее большинство химиков вслед за И. Берцелиусом считало бериллий полным аналогом алюминия и приписывало ему атомный вес Be = 14. Но место, соответствующее этому значению атомного веса в строящейся системе, было прочно занято азотом: N=14. Пустовало же другое место - между литием (Li=7) и бором (В=11) в группе магния. Тогда Д. Менделеев исправил формулу окисла бериллия с глиноземной на магнезиальную, в соответствии с чем получил вместо Ве= = 14 новый атомный вес - Be=9,4, то есть значение, лежащее между 7 и И. Тем самым он показал, что всеобщее (закон) позволяет устанавливать единичное - свойство отдельного элемента, которое подчинено этому закону, причем устанавливать без нового обращения к опытному исследованию,

По этому поводу сам ученый писал через 20 лет после открытия своего закона: «Веса атомов элементов, до периодического закона, представляли числа чисто эмпирического свойства до того, что... могли подлежать критике лишь по методам их определения, а не по их величине, то есть в этой области приходилось идти ощупью, покоряться акту, а не обладать им...»

Можно сказать, что сугубый эмпиризм, или «покорение фактам», исключал возможность определять величину атомного веса, исходя из теоретических соображений, и требовал идти только опытным путем. Соответственно сказанному выше такое препятствие назовем тоже своеобразным барьером, который заставлял химиков быть рабами фактов, подчиняться им, но не владеть ими. Д. Менделеев в ходе построения своей системы преодолел этот барьер, показав, что всеобщее (закон) может служить критерием правильности установленного факта.

При этом и в данном случае мы видим, что на ступени эмпирического познания подобный барьер играет положительную роль (пока эта ступень не исчерпана), препятствуя неоправданному выходу научной мысли за пределы фактов, в область умозрительных натурфилософских построений. Когда же ступень односторонне проводимых эмпирических исследований исчерпана, названный барьер становится препятствием для дальнейшего прогресса научной мысли и должен быть преодолен. Это мы покажем ниже еще на одном примере, который продемонстрировало все то же открытие Д. Менделеева.

Еще о переходе от всеобщего к единичному и особенному. Речь идет о возможности наперед предсказывать не открытые еще элементы с их свойствами на основании пустых мест в только что построенной периодической системе. Уже в день открытия периодического закона Д. Менделеев предсказал три таких неизвестных еще металла; среди них - аналог алюминия с предположительным атомным весом?=68. Вскоре после этого он вычислил теоретически, опираясь на открытый им закон (всеобщее), многие другие свойства этого металла, назвав его условно экаалюминием, в том числе его удельный вес, равный 5,9 - 6, летучесть его соединений (откуда заключил, что он будет открыт с помощью спектроскопа). Именно так и открыл новый металл (галлий) П. Лекок де Буабодран в 1875 году.

Однако удельный вес галлия ой нашел значительно меньшим по сравнению с предсказанным. Поэтому заключил, что галлий - это вовсе не экаалюминий, предвиденный автором закона, а какой-то совершенно другой металл. В результате менделеевское предсказание объявлялось не подтвержденным. Но это не обескуражило Д. Менделеева. Он сразу догадался, что галлий восстанавливался fi помощью металлического натрия, у которого удельный вес очень мал, меньше, чем у воды. Легко было допустить, что первые порции восстановленного галлия были недостаточно хорошо очищены от примесей натрия, который и снизил полученное в опыте значение удельного веса найденного металла. Когда же П. Лекок де Буабодран, следуя совету Дмитрия Ивановича, очистил свой галлий от примесей, то найденное новое значение его удельного веса в точности совпало с предсказанным и оказалось равным 5,95.

Получилось так, что Д. Менделеев своим теоретическим взором видел новый элемент лучше, нежели 11. Лекок де Буабодран, державший этот элемент в руках. Таким образом, и здесь барьер, выступающий как слепое, некритическое отношение к любым полученным на опыте данным, был преодолен, а периодический закон выступил как критерий проверки правильности данных опыта.

Иногда дело представляется так, что сначала Д. Менделеев шел в своем открытии путем индукции (от частного к общему), а потом - путем дедукции (от общего к частному). В действительности же уже в ходе самого открытия нового закона он все время проверял правильность еще только строящейся общей системы элементов посредством дедуктивных умозаключений, как это мы видели на примере бериллия и будущего экаалюминия. Это значит, что индукция и дедукция у Д. Менделеева как логические приемы не были разорваны между собою, а функционировали в полном согласии и единстве, органически дополняя друг друга.

Можно сказать, что до Д. Менделеева в сознании химиков утвердился своего рода барьер, который исключал возможность какого-либо предвидения новых элементов и целенаправленного их поиска. Такой барьер тоже был разрушен сделанным открытием. «До периодического закона, - писал ученый, - простые тела представляли лишь отрывочные, случайные явления природы, не было поводов ждать каких-либо новых, а вновь находимые в своих свойствах были полной неожиданной новинкой. Периодическая законность первая дала возможность видеть неоткрытые еще элементы в такой дали, до которой не вооруженное этой закономерностью химическое зрение до тех лор не достигало и при этом новые элементы, еще не открытые, рисовались с целой массой свойств».

Итак, из анализа истории великого открытия мы уже можем сделать определенные выводы, ответить на вопросы, которые мы поставили в конце нашего методологического введения:

1. ППБ действительно существуют.

2. Они возникают и действуют, не допуская преждевременного выхода за рамки данной ступени развития, пока она себя не исчерпала (ступени особенности).

3. Поскольку, однако, эта функция ППБ выполнена, сами ППБ становятся тормозом для дальнейшего прогресса науки (для перехода ко всеобщему), а потому они преодолеваются, что и составляет самую суть научных открытий.

Но, разумеется, мы отлично понимаем, что нельзя ограничиться разбором одного только открытия, хотя бы и великого, для подтверждения выдвинутого положения о ППБ как общего. Для этого нужно, конечно, рассмотреть другие открытия, причем в достаточно большом числе. Этим мы и займемся в следующих главах, причем начнем издалека.

Открытие периодического закона

В основу своей работы по классификации химических элементов Д.И. Менделеев положил два их основных и постоянных признака: величину атомной массы и свойства. Он выписал на карточки все известные сведения об открытых и изученных в то время химических элементах и их соединениях. Сопоставляя эти сведения, ученый составил естественные группы сходных по свойствам элементов, сравнение которых между собой показало, что даже элементы несходных групп имеют объединяющие их признаки. Например, близки по значениям атомные массы фтора и натрия, хлора и калия (инертные газы еще не были известны), следовательно, щелочные металлы и галогены можно поставить рядом, выстраивая химические элементы в порядке возрастания атомных масс. Так Д.И. Менделеев объединил естественные группы химических элементов в единую систему. При этом он обнаружил, что свойства элементов изменяются в пределах определенных их совокупностей линейно (монотонно возрастают или убывают), а затем повторяются периодически, то есть через определенное число элементов встречаются сходные. Ученый выделил периоды, в которых свойства химических элементов и образованных ими веществ закономерно изменяются.

На основании этих наблюдений Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон, который в соответствии с принятой в настоящее время терминологией звучит так: «Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс».

Периодический закон и Периодическая система богаты периодическими закономерностями: кроме упоминаемой горизонтальной (по периодам) периодичности есть также периодичность вертикальная (по группам) и диагональная. Именно учет всех видов периодичности позволил Д.И. Менделееву не только предсказать, описать свойства веществ, образованных еще не открытыми химическими элементами, но и указать путь их открытия, природные источники (руды и соединения), из которых могли быть получены соответствующие простые вещества.

Периодический закон Д. И. Mенделеева. Взаимосвязь элементов.

Понятие об элементах как о первичных веществах пришло из глубокой древности и, постепенно видоизменяясь а уточняясь, дошло до нашего времени. Основоположникам научных воззрений на химические элементы являются Р. Бойль (VII в.), М. В. Ломоносов (XVIII в.) и Дальтон (XIX в.).
К началу XIX в. было известно около 30 элементов, к середине XIX в.- около 60. По море накопления числа элементов возникла задача их систематизации. Таких попыток до Д.И. Менделеева было не меньше пятидесяти; за основу систематизации принимались: и атомный вес (ныне называемый атомной массой), и химический эквивалент, и валентность. Подходя к классификации химических элементов метафизически, пытаясь систематизировать только известные в то время элементы, ни один из предшественников Д. И. Менделеева не мог открыть всеобщую взаимосвязь элементов, создать единую стройную систему, отражающую закон развития материи. Эта важная, для науки задача была блестяще разрешена в 1869 г. великим русским ученым Д. И. Менделеевым, открывшим периодический закон.
За основу систематизации Менделеевым были взяты: а) атомный вес и б) химическое сходство между элементами. Наиболее ярким, выразителем сходства свойств элементов является их одинаковая высшая валентность. Как атомный вес (атомная масса), так и высшая валентность элемента представляют собой количественные, числовые константы, удобные для систематизации.
Расположив все известный в то время 63 элемента в ряд по возрастанию атомных масс, Менделеев заметил периодическую повторяемость свойств элементов через неодинаковые промежутки. В результате Менделеевым был создан первый вариант периодической системы.
Закономерный характер изменения атомных масс элементов по вертикалям и горизонталям таблицы, а также образовавшиеся в ней пустые мecта позволили Менделееву смело предсказать наличие n природе ряда элементов, еще не известных в то время науке и даже наметить их атомные массы и основные свойства, исходя из предполагаемого положения элементов в таблице. Это можно било сделать лишь на основе системы, объективно отражающей закон развития материи. Сущность периодического закона Д. И. Менделеев сформулировал в 1869 г.: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов (масс) элементов".

Периодическая система элементов.
В 1871 году Д. И. Менделеев дает второй вариант периодической системы (так называемую короткую форму таблицы), в которой он выявляет различные степени родства между элементами. Этот вариант системы дал возможность Менделееву предсказать существование 12 элементов и свойства трех из них описать с очень большой точностью. В период с 1875 по 1886 гг. эти три элемента были открыты и выявилось полное совпадение их свойств с теми, которые были предсказаны великим русским ученым. Эти элементы получили следующие названия: скандий, галлий, германий. После этого периодический закон полечил всеобщее признание как объективный закон природы и ныне является фундаментом химии, физики и других естественных наук.

Реферат

«История открытия и подтверждения периодического закона Д.И. Менделеева»

Санкт-Петербург 2007

Введение

Периодический закон Д.И. Менделеева – это фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д.И. Менделеевым в феврале 1869 г. При сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных масс (весов). Термин «периодический закон» Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку Периодического закона: «…свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая система элементов.

1. Попытки других ученых вывести периодический закон

Периодическая система, или периодическая классификация, элементов имела огромное значение для развития неорганической химии во второй половине XIX в. Это значение в настоящее время колоссально, потому что сама система в результате изучения проблем строения вещества постепенно приобрела ту степень рациональности, которой невозможно было достичь, зная только атомные веса. Переход от эмпирической закономерности к закону составляет конечную цель всякой научной теории.

Поиски основы естественной классификации химических элементов и их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона. Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми работали в этой области, были вызваны недостаточностью экспериментальных данных: в начале XIX в. число известных химических элементов было ещё слишком невелико, а принятые значения атомных масс многих элементов неточны.

Не считая попыток Лавуазье и его школы дать классификацию элементов на основе критерия аналогии в химическом поведении, первая попытка периодической классификации элементов принадлежит Дёберейнеру.

Триады Дёберейнера и первые системы элементов

В 1829 г. немецкий химик И. Дёберейнер предпринял попытку систематизации элементов. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы, которые он назвал триадами: Li–Na–K; Ca–Sr–Ba; S–Se–Te; P–As–Sb; Cl–Br–I.

Сущность предложенного закона триад Дёберейнера состояла в том, что атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов триады. Хотя разбить все известные элементы на триады Дёберейнеру, естественно, не удалось, закон триад явно указывал на наличие взаимосвязи между атомной массой и свойствами элементов и их соединений. Все дальнейшие попытки систематизации основывались на размещении элементов в соответствии с их атомными массами.

Идеи Дёберейнера были развиты Л. Гмелиным, который показал, что взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами значительно сложнее, нежели триады. В 1843 г. Гмелин 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 изменялись сверху вниз.

В 1850-х гг. М. фон Петтенкофер и Ж. Дюма предложили т.н. дифференциальные системы, направленные на выявление общих закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые детально разработали немецкие химики А. Штреккер и Г. Чермак.

В начале 60-х годов XIX в. появилось сразу несколько работ, которые непосредственно предшествовали Периодическому закону.

Спираль де Шанкуртуа

А. де Шанкуртуа располагал все известные в то время химические элементы в единой последовательности возрастания их атомных масс и полученный ряд наносил на поверхность цилиндра по линии, исходящей из его основания под углом 45° к плоскости основания (т.н. земная спираль ). При развертывании поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находились химические элементы со сходными свойствами. Так, на одну вертикаль попадали литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т.д. Недостатком спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал марганец, в группу кислорода и серы – ничего общего с ними не имеющий титан.

Таблица Ньюлендса

Английский учёный Дж. Ньюлендс в 1864 г. опубликовал таблицу элементов, отражающую предложенный им закон октав . Ньюлендс показал, что в ряду элементов, размещённых в порядке возрастания атомных весов, свойства восьмого элемента сходны со свойствами первого. Ньюлендс пытался придать этой зависимости, действительно имеющей место для лёгких элементов, всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные элементы, однако в том же ряду часто оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных мест; в итоге закон октав был принят чрезвычайно скептически.

Таблицы Одлинга и Мейера

В том же 1864 г. появилась первая таблица немецкого химика Л. Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов.

В 1870 г. вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под названием «Природа элементов как функция их атомного веса», состоявшая из девяти вертикальных столбцов. Сходные элементы располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид, прекрасно иллюстрирующий термин «периодичность», уже предложенный к тому времени Менделеевым.

2. Что было сделано до дня великого открытия

Предпосылки открытия периодического закона следует искать в книге Д.И. Менделеева (далее Д.И.) «Основы химии». Первые главы 2-й части этой книги Д.И. написал в начале 1869 г. 1-я глава была посвящена натрию, 2-я – его аналогам, 3-я – теплоемкости, 4-я – щелочноземельным металлам. Ко дню открытия периодического закона (17 февраля 1869 г.) он, вероятно, уже успел изложить вопрос о соотношении таких полярно-противоположных элементов, как щелочные металлы и галоиды, которые были сближены между собой по величине их атомности (валентности), а также вопрос о соотношении самих щелочных металлов по величине их атомных весов. Он вплотную подошел и к вопросу о сближении и сопоставлении двух групп полярно-противоположных элементов по величине атомных весов их членов, что фактически уже означало отказ от принципа распределения элементов по их атомности и переход к принципу их распределения по атомным весам. Этот переход представлял собой не подготовку к открытию периодического закона, а уже начало самого открытия

К началу 1869 г. Значительная часть элементов была объединена в отдельные естественные группы и семейства по признаку общности химических свойств; наряду с этим другая часть их представлял собой разрозненные, стоявшие особняком отдельные элементы, которые не были объединены в особые группы. Твердо установленными считались следующие:

– группа щелочных металлов – литий, натрий, калий, рубидий и цезий;

– группа щелочноземельных металлов – кальций, стронций и барий;

– группа кислорода – кислород, сера, селен и теллур;

– группа азота – азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Кроме того, сюда часто присоединяли висмут, а в качестве неполного аналога азота и мышьяка рассматривали ванадий;

– группа углерода – углерод, кремний и олово, причем в качестве неполных аналогов кремния и олова рассматривали титан и цирконий;

– группа галогенов (галоидов) – фтор, хлор, бром и йод;

– группа меди – медь и серебро;

– группа цинка – цинк и кадмий

– семейство железа – железо, кобальт, никель, марганец и хром;

– семейство платиновых металлов – платина, осмий, иридий, палладий, рутений и родий.

Сложнее дело обстояло с такими элементами, которые могли быть отнесены к разным группам или семействам:

– свинец, ртуть, магний, золото, бор, водород, алюминий, таллий, молибден, вольфрам.

Кроме того был известен ряд элементов, свойства которых были еще недостаточно изучены:

– семейство редкоземельных элементов – иттрий, «эрбий», церий, лантан и «дидим»;

– ниобий и тантал;

– бериллий;

3. День великого открытия

Д.И. был весьма разносторонним ученым. Он давно и очень сильно интересовался вопросами сельского хозяйства. Он принимал самое близкое участие в деятельности Вольного экономического общества в Петербурге (ВЭО), членом которого он состоял. ВЭО организовало в ряде северных губерний артельное сыроварение. Одним из инициаторов этого начинания был Н.В. Верещагин. В конце 1868 г., т.е. в то время как Д.И. заканчивал вып. 2 своей книги, Верещагин обратился в ВЭО с просьбой прислать кого-нибудь из членов Общества для того, чтобы на месте обследовать работу артельных сыроварен. Согласие на такого рода поездку выразил Д.И. В декабре 1868 г. он обследовал ряд артельных сыроварен в Тверской губернии. Для завершения обследования нужна было дополнительная командировка. Как раз на 17 февраля 1869 г. и был назначен отъезд.

Если бы Д.И. мог наперед знать, что именно 17 февраля он займется новым химическим исследованием и что последующая обработка результатов займет у него столько времени, то вряд ли за 2 дня до открытия он взял бы из университета, где работал, отпускное свидетельство для поездки в ряд губерний, начиная с 17 февраля 1869 г.

Рассмотрим, как прошел день 17 февраля и какие события в жизни и творчестве его наполнили. В связи с этими событиями Д.И, не смог в намеченный срок выехать на сыроварни и был вынужден задержаться в Петербурге до начала марта. Все это время он был занят совершением и обработкой периодического закона и его первичной публикацией в виде таблицы элементов.

Чтобы лучше рассмотреть, как протекало открытие, выделим несколько стадий, которые оно прошло в течение этого одного дня:

1) начальная стадия, когда Д.И. нащупал новый принцип распределения элементов, делая выкладки на только что полученном письме от Ходнева;

2) стадия составления первых двух неполных набросков основной части будущей системы элементов;

3) стадия составления карточек элементов для «химического пасьянса»;

4) решающая стадия – составление полного чернового варианта всей системы;

5) заключительная стадия – переписывание набело только что открытой системы элементов для опубликования ее в печати.

В день отъезда Д.И. получил письмо за подписью секретаря ВЭО А.И. Ходнева. Д.И., по свидетельствам современников часто использовал обратную сторону писем для своих научных изысканий. А поскольку его неотступно преследовала мысль о нахождении общей закономерности свойств элементов, то, неудивительно, что, получив письмо, он стал делать на нем наброски будущей системы элементов.

Д.И. сопоставлял не отдельные элементы, а группы элементов, имеющих сходные свойства. Начал он с сопоставления группы щелочных металлов и галоидов. Затем долго искал переход от щелочных к щелочноземельным металлам. Он предполагал, что между ними должны находится т. наз. «переходные» металлы (Cu, Ag, Hg), а затем все же поставил щелочноземельные металлы после щелочных, минуя переходные.

Далее последовали две неполные таблички элементов, составленные на одном листе бумаги, в которых Д.И. продолжал составлять из групп элементов и отдельных элементов, не вошедших в группы, варианты будущей таблицы.

Решающим шагом к открытию периодического закона стало то, что Д.И. попытался сопоставить по величине атомных весов группы несходных элементов. Изначально Д.И. предполагал строить свою систему на основе принципа атомности (валентности) элементов. Однако затем он перешел к принципу распределения на основе величины атомной массы элементов. Тем не менее, принцип атомности не был отброшен, он применялся вкупе с новым принципом. Так, Менделеев выстраивал свои групп на основе не только общности химических свойств элементов, но и на основе их одинаковой валентности. А при составлении будущих периодов таблицы, он отмечал закономерное изменение валентности от1 до 4 при переходе от Li к C, а затем вновь до 1 при переходе к F.

При составлении нижней неполной таблички элементов для Д.И. становилось ясно, что решена была только первая, далеко не самая сложная задача – размещение уже довольно изученных элементов в центральной части будущей таблицы. Предстояла же самая сложная и трудная часть задачи с размещением элементов на периферии формирующейся системы.

В результате составления набросков двух неполных табличек элементов на отдельном листке бумаги выявилось несовершенство метода, примененного для выработки полной таблицы элементов, которая должна была охватить собой все элементы. При неясности положения того или иного элемента, этот элемент приходилось бы передвигать не один раз с места на место; тогда табличка заполнялась бы вычеркиваниями и поправками, что не дало бы возможности быстро ориентироваться при размещении новых элементов. Нужно было найти какой-то более гибкий, более подвижный способ, который позволял бы в любой момент видеть картину распределения элементов как бы в чистом виде, не заслоненную предшествующими переносами, исправлениями и зачеркиваниями. Такой прием Д.И, нашел в карточках с написанными на них элементами. Такие карточки легко можно было переставлять, имея перед глазами всю картину распределения элементов, достигнутого в данный момент. Вместе с тем можно было в любой момент обозревать карточки тех элементов, которые еще не попали в таблицу. Так возник прием, который А.Е. Ферсман очень удачно назвал «пасьянсом».

Все 63 карточки Д.И. разделил на четыре категории по признаку их распространенности и изученности. В 1-ю категорию попало 14 элементов, которые распространены повсеместно и составляют главный материал видимых тел: Al, C, Ca, Cl, Fe, H, K, Mg, N, Na, O, P, S, Si. В силу своей распространенности, эти элементы должны были входить в число хорошо исследованных. Во 2-ю категорию попали такие элементы (21), которые встречаются в свободном виде или в виде соединений, хотя и не распространены повсюду или встречаются в малых количествах: Ag, As, Au, B, Ba, Bi, Br, Co, Cr, Cu, F, Hg, I, Mn, Ni, Pb, Pt, Sb, Sn, Sr, Zn. Эти элементы также должны были входить в число хорошо изученных. В 3-ю категорию вошло 18 элементов редких, но хорошо исследованных: Be, Ce, Cd, Cs, In, Ir, Li, Mo, Os, Pd, Rb, Se, Te, Tl, Ur, Wo, Y. В 4-ю категорию вошло 10 элементов редких и мало исследованных: Di, Er, La, Nb, Rh, Ru, Ta, Th, Va, Zr. В дальнейшем Д.И. мог сделать некоторые перестановки элементов между первыми тремя категориями и последней категорией. Когда карточки всех 63 элементов были готовы, Д.И. не прибегая еще к «химическому пасьянсу», установил порядок включения в свою готовящуюся систему отдельных категорий элементов. Но так как все элементы были изображены теперь на карточках, то можно предположить, что разбивка их на различные категории выражалась в разбивке карточек на несколько кучек. Вероятно, в первую очередь в таблицу должны были войти наиболее изученные элементы, причем те, связи между которыми были бесспорно выяснены на предшествующей стадии открытия периодического закона. При определении порядка включения элементов в таблицу признак распространенности не имел существенного значения, тогда как решающее значение приобретал атомный вес. Сначала вносились в таблицу более легкие, а затем – более тяжелые элементы. Первая кучка – наиболее изученные элементы; следующие за ней две кучки – менее изученные элементы; из них вторая – «легкие», третья – «тяжелые» элементы; четвертая – слабо изученные элементы. Разбив карточки всех элементов на кучки, Д.И. определил этим общую последовательность составления таблицы элементов.

К моменту раскладывания «пасьянса» открытие периодического закона вступило в свою решающую фазу. Определяющая роль атомного веса при сопоставлении групп несходных элементов выяснилась в полной мере. Центральная часть будущей системы элементов сформировалась в своей основе. Осталось «только» одно: доказать всеобщий характер того принципа, который уже был доказан в его применении к центральной части таблицы. Но это «только» составляло главную, непреодолимую еще трудность при создании периодической системы элементов.

При доведении до конца построения своей таблицы элементов Д.И. продолжил применять тот же прием сопоставления групп несходных элементов, с помощью которого он начал строить эту таблицу в первых записях, сделанных на письме Ходнева, и в обеих неполных табличках. Так, путем преставления карточек элементов на основе имеющихся уже сведений, и был открыт периодический закон.

Когда периодический закон был открыт, и была составлена система элементов в первом ее варианте, оставалось оформить достигнутый результат в виде чистой таблицы, по которой другие ученые могли бы ознакомиться с открытием, сделанным Д.И. При переписывании таблицы набело Д.И. внес следующие изменения: элементы в ней располагались не в порядке убывания, а в порядке возрастания атомных весов, т.е. более тяжелые элементы подписывались под более легкими, а на тех местах, где были пропуски и где можно было предполагать не известные еще элементы, Д.И. поставил знак вопроса и предположительно вычислил атомные веса.

Отдав в типографию для набора рукопись «Опыта системы элементов», Д.И. не мог уехать из Петербурга на сыроварни до тех пор, пока не пришла корректура. Для набора требовалось время, и это время Д.И. использовал для того, чтобы обобщить и обработать сделанное им открытие в виде статьи, изложив в ней то, что было заключено в «Опыте системы элементов». К моменту написания статьи Д.И. составил уже много различных вариантов системы элементов, основанной на их атомном весе. Свою статью он озаглавил «Соотношение свойств с атомным весом элементов»

В своей статье Д.И. писал: «Убедясь предыдущею таблицею в том, что атомный вес элементов может служить опорою их системы, я первоначально расположил элементы в непрерывном порядке по величине атомного веса и тотчас заметил, что существуют некоторые перерывы в ряду таким образом поставленных элементов». Анализируя это и другие высказывания Д.И., можно сделать вывод о том, что Д.И. сначала составил свой «Опыт системы элементов» (путем сопоставления групп элементов), а затем убедился, что атомный вес может являться основой системы элементов. После этого Д.И. приступил к дальнейшему исследованию открытой им закономерности, и это свое дальнейшее исследование начал с того, что расположил все элементы в непрерывный ряд по возрастанию их атомных весов. Это опровергает мнение некоторых химиков, будто сначала Д.И. составил общий ряд элементов по величине их атомного веса, и только после этого он заметил периодичность в изменении свойств; затем он разделил общий ряд на периоды и составил из этих отрезков свой «Опыт системы элементов». Все содержание статьи неоспоримо свидетельствует о том, что в этой статье Д.И. отразил, обобщил и подытожил тот путь, каким он шел в день 17 февраля 1869 г. При создании периодической системы элементов.

4. После дня великого открытия

В марте 1869 г., тут же после окончания статьи «Соотношение свойств с атомным весом элементов» Д.И. поехал на артельные сыроварни. Накануне отъезда, 1 марта 1869 г. Он разослал многим химикам отпечатанный листок с «Опытом системы элементов». 6 марта состоялся доклад о системе элементов в заседании русского химического общества.

По причине отсутствия Д.И. в Петербурге, доклад о его открытии сделал профессор Н.А. Меншуткин. В связи с этим позднее возникли различные легенды по этому поводу. Наиболее распространенной стала легенда о мнимой болезни Д.И., которую распространил Б.Н. Меншуткин (сын Н.А. Меншуткина). А М.Н. Младенцев предложил совсем уж невероятное объяснение: «Первое сообщение было сделано 6 марта 1869 г. В заседании Химического общества проф. Н.А. Меншуткиным, так как сам Д.И., видимо, волновался и не решался выступить, хотя ему и ясно было все великое значение настоящего открытия». Все эти легенды ни в коей мере не соответствуют действительности. Причина выступления Меншуткина вместо Менделеева была совсем в другом.

5. Применение Д.И. Менделеевым методов научного познания

Научное открытие такого масштаба, как открытие периодического закона, не могло бы совершиться в столь краткий срок, если бы его автор не владел в совершенстве подлинно научным методом познания, методом научного исследования явлений природы.

1) Метод восхождения.

Метод восхождения отвечает движению познания от непосредственно данного, исходного, к раскрываемому лишь опосредованно, при помощи абстрактного мышления. Следовательно, метод восхождения в самой общей форме выражает то обстоятельство, что развитие мысли в ходе научного познания, как и всякое развитие совершается не хаотически, а в определенном направлении, строго последовательно. Сам Д.И. писал: «Познание и полное обладание предметами состоит из трех степеней: 1) наблюдение, констатирование факта, я вижу, но не знаю, как сделать, отчего и пр. Ему соответствует описание, изучение факта. 2) Соотношение факта с некоторыми другими – закон, этому соответствует измерение. 3) Теория – связь внутренняя с цельным миросозерцанием… начинается гипотезою, кончается теоретическим открытием новых явлений, выводом всего из одного положения. Этому соответствует предсказание явления в совершенной его точности, открытие новых явлений».

Таким образом, становится понятно, что, вопреки существующим в нашей литературе мнениям, Д.И. не был приверженцем только индуктивного метода. Индукцию в ее правильном понимании Д.И. не противопоставляет дедукции, а фактически рассматривает в единстве с ней.

При таком методе познания происходит переход от простейших «клеточек», как их назвал сам Д.И. к более общим законам. Такой «клеточкой» стало рассмотрение в 1-ой части «Основ химии» поваренной соли NaCl. Можно сказать, что, выбрав NaCl в качестве исходного вещества при изложении систематической части химии, Д.И. выбрал нечто простое, обычное, множество раз встречающееся в практике человека. Именно такой и должна быть «клеточка» науки, с которой следует начинать изложение этой науки. Дело в том, что в этом соединении уже были даны в их естественной связи (химической) представители двух наиболее характерных, причем полярно противоположных, химических элементов – Na и Cl отправляясь от соотношения обоих этих элементов, существующего в самой природе, Д.И. нашел сразу ключ к дальнейшему развитию своей творческой мысли. Именно отсюда вытекала необходимость сопоставить две группы наиболее несходных между собой элементов – галогенов и щелочных металлов.

Следует еще отметить, что на всем протяжении совершаемого открытия Д.И. строго придерживался выработавшейся последовательности – переходить от известного к неизвестному и от более известного к менее известному.

Всякий закон в науке устанавливается в итоге обобщения. Тем самым рассмотрение метода восхождения непосредственно приводит к рассмотрению другого, связанного с ним метода, который можно назвать методом обобщения.

2) Метод обобщения. Переход от особенного ко всеобщему.

Путь познания любого закона природы исторически, вполне закономерно проходит отдельные ступени. В общем случае таких ступеней можно выделить три:

а) Исходным является собирание или накопление отдельных, единичных фактов, относящихся к изучаемому кругу явлений. Регистрируя каждый такой отдельный факт, мы высказываем полученный нами результат в форме единичности .

б) По мере накопления отдельных фактов во избежание того, чтобы не образовался неразличимый хаос данных, мы группируем или классифицируем собранный материал. Мы соединяем все сходное в одну особую группу, отличая ее от столь же особых категорий или групп. Соответственно этому мы выражаем достигнутый теперь результат в форме особенности .

в) Разбивка известных фактов на разобщенные между собой особые группы по признаку их особых свойств и на основе учета сходства, противопоставленного различию, лежит в основе искусственных или формальных классификаций. Естественная же классификация предполагает прежде всего нахождение общего признака или общей основы, лежащей в фундаменте всего данного круга явлений, и объединяющей собой все разобщенные группы. В соответствии с этим за ступенью особенности всегда следует та высшая ступень познания, на которой открывается закон природы. Открывая закон природы, мы выражаем достигнутый результат в форме всеобщности .

Таким образом, путь познания закона – это путь движения научной мысли от единичности (свойства отдельных элементов) к особенности (группы сходных по свойствам элементов) и от особенности к всеобщности (периодический закон).

Развитие научного познания, идущего от единичного через особенное ко всеобщему, может быть охарактеризовано в соответствии с тем, как логически соотносятся между собой различные звенья в общей цепи поступательного движения научной мысли. Если совокупность всех взаимосвязанных элементов принять за целое, то разбивку элементов на различные обособленные между собой группы мы можем рассматривать как деление целого на части. В таком случае переход от отдельных, обособленных групп к общей системе выступит как переход от анализа к синтезу. Напротив, вычленение или выделение из общей системы отдельных групп элементов будет означать обратное движение от синтетического подхода к аналитическому. По сути дела вся стадия разбивки элементов на их естественные группы представляет собой стадию анализа, если ее рассматривать по отношению ко всей совокупности химических элементов. Но вместе с тем, если ее брать по отношению к отдельным элементам, она выступает уже как подготовка перехода к синтезу через объединение элементов в некоторые новые единицы – группы, из которых, как из строительных кирпичиков можно будет построить здание целостной, охватывающей все элементы системы, т.е. осуществить теоретический синтез. В ходе открытия периодического закона и создания системы элементов выпукло проявилась взаимосвязь между синтезом и анализом в познавательном процессе – подготовительная функция анализа и заключительная синтеза.

3) Сравнительный метод

Суть метода, который Д.И. называл сравнительным, состоит в том, что элементы рассматриваются не изолированно, не сами по себе, а в их общей взаимной связи и в их взаимных отношениях. Уже на первых порах его применения сравнительный метод дал громадный выигрыш, так как позволял не только сопоставлять разные группы элементов между собой, но и проверять, насколько их сопоставление проведено правильно, а в связи с этим, насколько правильно составлены и сами группы.

Будучи исходным пунктом для разработки и применения сравнительного метода, сличение атомных весов подводило непосредственно к формулировке самого периодического закона, основанной на признании, что «величина атомного веса определяет характер элемента…».

Развитие Д.И. сравнительного подхода к изучению элементов вылилось 17 февраля 1869 г. В конкретную задачу: составить общую систему и найти в ней естественное место для каждой группы, а тем самым для каждого отдельного элемента.

С одной стороны, периодический закон был открыт при помощи сравнительного метода, а с другой – его открытие явилось мощным стимулом к дальнейшему совершенствованию этого метода.

Заключение

периодический менделеев познание научный

В отличие от своих предшественников, Менделеев не только составил таблицу и указал на наличие несомненных закономерностей в численных величинах атомных весов, но и решился назвать эти закономерности общим законом природы. Он взял на себя смелость на основании предположения, что атомная масса предопределяет свойства элемента, изменить принятые атомные веса некоторых элементов и подробно описать свойства неоткрытых ещё элементов.

Д.И. Менделеев на протяжении многих лет боролся за признание Периодического закона; его идеи получили признание только после того, как были открыты предсказанные Менделеевым элементы: галлий (П. Лекок де Буабодран, 1875), скандий (Л. Нильсен, 1879) и германий (К. Винклер1886) – соответственно экаалюминий, экабор и экасилиций. С середины 1880-х годов Периодический закон был окончательно признан в качестве одной из теоретических основ химии.

Хотя классификация Менделеева и имела значительные достоинства, которые способствовали ее быстрому распространению и превращению в руководящий критерий для исследований в области неорганической химии, она не была полностью лишена недостатков. Первый недостаток таблицы заключался в том, что водород, как одновалентный элемент был помещен в начале I группы. Помещение элементов меди, серебра и золота в I группе вместе со щелочными металлами и в VIII группе вместе с металлами группы железа и группы платины явно непоследовательно. Другие отклонения замечаются в VI, VII, и VIII группах.

Для того, чтобы периодическая система приобрела еще большую предсказательную силу и могла быть усовершенствована, имели значение работы по неорганической химии, проведенные в последние десятилетия XIX века. Толчком к пересмотру классификации послужили исследования редких земель, которые привели к выделению многих элементов, не поддававшихся обычному способу классификации, и к открытию благородных газов Рамзаем и Рэлеем

В начале XX века Периодическая система элементов неоднократно видоизменялась для приведения в соответствие с новейшими научными данными. Д.И. Менделеев и У. Рамзай пришли к выводу о необходимости образования в таблице нулевой группы элементов, в которую вошли инертные газы. Инертные газы явились, таким образом, элементами, переходными между галогенами и щелочными металлами. Б. Браунер нашёл решение проблемы размещения в таблице редкоземельных элементов, предложив в 1902 г. помещать все РЗЭ в одну ячейку; в предложенном им длинном варианте таблицы шестой период таблицы был длиннее, чем четвёртый и пятый, которые в свою очередь длиннее, чем второй и третий периоды.

Дальнейшее развитие Периодического закона в было связано с успехами физики: установление делимости атома на основании открытия электрона и радиоактивности в конце концов позволило понять причины периодичности свойств химических элементов и создать теорию Периодической системы.

Мощный толчок для новых исследований внутренней природы элементов был дан открытием в 1898 г. супругами Кюри радия и тем комплексом явлений, которые известны под названием радиоактивности.

Для химии серьёзную проблему составляла необходимость размещения в Периодической таблице многочисленных продуктов радиоактивного распада, имеющих близкие атомные массы, но значительно отличающиеся периоды полураспада. Т. Сведберг в 1909 г. доказал, что свинец и неон, полученные в результате радиоактивного распада и отличающиеся по величине атомных масс от «обычных» элементов, химически им полностью тождественны. В 1911 г. Ф. Содди предложил размещать химически неразличимые элементы, имеющие различные атомные массы (изотопы) в одной ячейке таблицы.

В 1913 г. английский физик Г. Мозли установил, что корень из характеристической частоты рентгеновского излучения элемента (н) линейно зависит от целочисленной величины – атомного номера (Z), который совпадает с номером элемента в Периодической таблице:

где А и b – константы

Закон Мозли дал возможность экспериментально определить положение элементов в Периодической таблице. Атомный номер, совпадающий, как предположил в 1911 г. голландский физик А. Ван Ден Брук, с величиной положительного заряда ядра атома, стал основой классификации химических элементов. В 1920 г. английский физик Дж. Чедвик экспериментально подтвердил гипотезу Ван ден Брука; тем самым был раскрыт физический смысл порядкового номера элемента в Периодической системе. Периодический закон получил современную формулировку: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов элементов».

В 1921–1923 гг., основываясь на модели атома Бора-Зоммерфельда, представляющей собой компромисс между классическими и квантовыми представлениями, Н. Бор заложил основы формальной теории Периодической системы. Причина периодичности свойств элементов, как показал Бор, заключалась в периодическом повторении строения внешнего электронного уровня атома.

Список использованных источников

1. Кедров Б.М. День одного великого открытия. – М.: Эдиториал УРСС, 2001. – 640 с.

2. Ахметов Н.С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. – М.: Просвещение, 1991. – 224 с.

3. Корольков Д.В. Основы неорганической химии. – М.: Просвещение, 1982. – 271 с.

4. Джуа М. История химии. – М.: Мир, 1975. – 480 с.

Всё материальное, что нас окружает в природе, будь то космические объекты, обычные земные предметы или живые организмы, состоит из веществ. Разновидностей их существует много. Ещё в древности люди заметили, что они способны не только изменять своё физическое состояние, но и превращаться в другие вещества, наделённые иными свойствами по сравнению с первоначальными. Но вот законы, согласно которым происходят подобные преобразования материи, человек понял не сразу. Для того чтобы сделать это, необходимо было правильно выявить основу вещества и классифицировать существующие в природе элементы. Подобное стало возможным лишь только в середине XIX века с открытием периодического закона. Истории его создания Д.И. Менделеевым предшествовали долгие годы работы, а формированию данного рода знаний способствовал многовековой опыт всего человечества.

Когда были заложены основы химии?

Умельцы античных времён достаточно преуспели в литье и плавке различных металлов, зная множество секретов их трансмутации. Они передали свои знания и опыт потомкам, которые использовали их вплоть до времён Средневековья. Считалось, что неблагородные металлы вполне возможно превратить в ценные, что, собственно, и было основной задачей химиков вплоть до 16-го столетия. В сущности, в подобной идее были заложены ещё философско-мистические представления древнегреческих учёных о том, что вся материя строится из неких «первоэлементов», способных перевоплощаться один в другой. Несмотря на видимую примитивность такого подхода, он сыграл свою роль в истории открытия Периодического закона.

Панацея и белая тинктура

Занимаясь поиском первоосновы, алхимики свято верили в существование двух фантастических веществ. Одним из них был прославленный в легендах философский камень, именуемый также жизненным эликсиром или панацеей. Считалось, что подобное средство не только было безотказным способом превращения в золото ртути, свинца, серебра и прочих веществ, но также служило чудодейственным универсальным лекарством, исцеляющим любые человеческие недуги. Другой элемент, носивший название белой тинктуры, не относился к разряду столь эффективных, но наделялся способностью превращать в серебро остальные вещества.

Рассказывая предысторию открытия периодического закона, невозможно не упомянуть о знаниях, накопленных алхимиками. Они олицетворяли собой образец символического мышления. Представители этой полумистической науки создали некую химическую модель мира и процессов, происходящих в нём на космическом уровне. Стремясь понять суть всех вещей, они подробнейшим образом записывали лабораторные приёмы, оборудование и сведения о химической посуде, с большой скрупулёзностью и старательностью относясь к передаче своего опыта коллегам и потомкам.

Потребность в классификации

Значительных по объёму сведений о самых разных химических элементах к XIX веку накоплено было достаточно, что породило естественную необходимость и желание учёных их систематизировать. Но для проведения подобной классификации требовались дополнительные экспериментальные данные, а также не мистические, а реальные знания о строении веществ и сути основы устройства материи, которых пока не было. К тому же имеющиеся сведения о значении атомных масс известных в те времена химических элементов, на основе которых производилась систематизация, не отличались особой точностью.

Но попытки классификации в среде естествоиспытателей неоднократно предпринимались ещё задолго до осознания истинной сути вещей, составляющей ныне основу современной науки. А в указанном направлении работали многие учёные. Рассказывая кратко о предпосылках открытия периодического закона Менделеева, следует упомянуть о примерах подобных объединений элементов.

Триады

Учёные тех времён чувствовали, что свойства, проявляемые самыми разнообразными веществами, находятся в несомненной зависимости от величин их атомных масс. Понимая это, химик из Германии Иоганн Дёберейнер предложил свою систему классификации элементов, составляющих основу материи. Случилось это в 1829 году. И событие это было достаточно серьёзным продвижением в науке для того периода её развития, а также важным этапом в истории открытия периодического закона. Дёберейнер объединил известные элементы в сообщества, дав им наименование «триады». По существующей системе при этом масса крайних элементов оказывалась равна среднему от суммы атомных масс того члена группы, который находился между ними.

Попытки расширить границы триад

Недостатков в упомянутой системе Дёберейнера было достаточно. К примеру, в цепочке бария, стронция, кальция отсутствовал сходный с ними по строению и свойствам магний. А в сообществе теллура, селена, серы не хватало кислорода. Многие другие похожие вещества также не удалось классифицировать согласно системе триад.

Указанные идеи пытались развивать многие другие химики. В частности немецкий учёный Леопольд Гмелин стремился раздвинуть "тесные" рамки, расширив группы классифицируемых элементов, распределив их в порядке эквивалентных весов и электроотрицательности элементов. Его структуры образовывали не только триады, но и тетрады, пентады, но немецкому химику так и не удалось уловить суть периодического закона.

Спираль де Шанкуртуа

Ещё более сложную схему построения элементов придумал Александр де Шанкуртуа. Он расположил их на плоскости, свёрнутой в цилиндр, распределив по вертикалям с наклоном в 45° в порядке возрастаниях атомных масс. Как предполагалось, по линиям, параллельным оси данной объёмной геометрической фигуры, должны были располагаться вещества со сходными свойствами.

Но на деле идеальной классификации не получилось, так как на одну вертикаль иногда попадали отнюдь не родственные элементы. К примеру, рядом с щелочными металлами оказался совсем другого химического поведения марганец. И в одну "компанию" попали сера, кислород и совсем с ними не сходный элемент титан. Однако подобная схема тоже внесла свою лепту, заняв своё место в истории открытия периодического закона.

Другие попытки создания классификаций

Следом за описанными свою систему классификации предложил Джон Ньюлендс, заметив, что сходство в свойствах элементов, расставленных в соответствии с увеличением атомной массы, проявляет каждый восьмой член из получившегося ряда. Найденную закономерность учёному пришло в голову сравнить со структурой расположения музыкальных октав. При этом он присваивал каждому из элементов свой порядковый номер, располагая их горизонтальными рядами. Но подобная схема опять не получилась идеальной и была оценена весьма скептически в научных кругах.

С 1964 до 1970 гг. таблицы, упорядочивающие химические элементы, создавали также Одлинг и Мейер. Но подобные попытки снова имели свои недостатки. Всё это происходило уже накануне открытия Менделеевым периодического закона. А некоторые труды с несовершенными попытками классификации публиковались даже после того, как таблица, который мы пользуемся и по сей день, была представлена миру.

Биография Менделеева

Родился гениальный русский учёный в городе Тобольске в 1834 году в семье директора гимназии. В доме, кроме него, было ещё шестнадцать братьев и сестёр. Не обделённый вниманием, как самый младший из детей, Дмитрий Иванович с самого незначительного возраста поражал всех необыкновенными способностями. Родители, несмотря на трудности, стремились дать ему самое лучшее образование. Так, Менделеев окончил сначала гимназию в Тобольске, а затем Педагогический институт в столице, сохранив при этом в душе глубокий интерес к наукам. И не только к химии, но и к физике, метеорологии, геологии, технологии, приборостроению, воздухоплаванию и другим.

Вскоре Менделеев защитил диссертацию и стал доцентом Петербургского университета, где читал лекции по органической химии. В 1865 году он представил коллегам свою докторскую на тему «О соединении спирта с водой». Годом открытия периодического закона стал 1969 г. Но этому достижению предшествовало 14 лет напряжённой работы.

О великом открытии

Учитывая ошибки, неточности, а также позитивный опыт коллег, Дмитрий Иванович сумел систематизировать химические элементы самым удобным способом. Он также заметил периодическую зависимость свойств соединений и простых веществ, их формы от значения атомных масс, о чём и говорится в формулировке периодического закона, данного Менделеевым.

Но подобные прогрессивные идеи, к сожалению, далеко не сразу нашли отклик в сердцах даже русских учёных, которые приняли эту инновацию весьма настороженно. А в среде деятелей зарубежной науки, особенно в Англии и Германии, закон Менделеева и вовсе нашёл самых ярых противников. Но очень скоро положение изменилось. Что же послужило причиной? Гениальная смелость великого русского учёного спустя некоторое время явилась миру в доказательствах его блестящей способности научного предвидения.

Новые элементы в химии

Открытие периодического закона и структура периодической таблицы, созданной им, позволили не только осуществить систематизацию веществ, но и сделать ряд предсказаний о наличии в природе многих неизвестных в те времена элементов. Именно поэтому Менделееву удалось претворить на практике то, что до него не удавалось другим учёным.

Прошло всего пять лет, и догадки начали подтверждаться. Француз Лекок де Буабодран открыл новый металл, который назвал галлий. Его свойства оказались очень сходными с предсказанным Менделеевым в теории экаалюминием. Узнав об этом, представители учёного мира тех времён были ошеломлены. Но на этом удивительные факты совсем не закончились. Далее шведом Нильсоном был обнаружен скандий, гипотетическим аналогом которого оказался экабор. А близнецом экасилиция стал открытый Винклером германий. С тех самых пор закон Менделеева начал утверждаться и приобретать всё новых сторонников.

Новые факты гениального предвидения

Создатель настолько увлёкся красотой своей идеи, что взял на себя смелость сделать некоторые допущения, правомерность которых позднее самым блестящим образом подтвердилась практическими научными открытиями. К примеру, некоторые вещества Менделеев расположил в своей таблице вовсе не в соответствии с возрастанием атомных масс. Он предвидел, что периодичность в более глубоком смысле наблюдается всё-таки не только в связи с возрастанием атомного веса элементов, а ещё и по другой причине. Великий учёный догадался, что масса элемента зависит от количества в его строении каких-то более элементарных частиц.

Таким образом, периодического закона некоторым образом натолкнуло представителей науки на мысль о составляющих атома. А учёные вскоре наступившего 20-го столетия - века грандиозных открытий - многократно убедились, что свойства элементов зависят от величины зарядов атомных ядер и строения его электронной оболочки.

Периодический закон и современность

Таблица Менделеева, оставаясь неизменной в своей основе, впоследствии многократно дополнялась и переделывалась. В ней образовалась так называемая нулевая группа элементов, включающая в себя инертные газы. Успешно решена была также проблема размещения редкоземельных элементов. Но несмотря на дополнения, значение открытия периодического закона Менделеева в первоначальном варианте переоценить достаточно трудно.

Позднее, с и явления радиоактивности, были до конца поняты причины успеха подобной систематизации, а также периодичности свойств элементов различных веществ. Вскоре в указанной таблице нашли своё место также изотопы радиоактивных элементов. Основой классификации многочисленных членов ячеек стал атомный номер. А в середине XX века окончательно была обоснована последовательность расположения элементов в таблице, зависящая от заполнения орбиталей атомов передвигающимися с огромной скоростью вокруг ядра электронами.

Периодический закон Дмитрия Ивановича Менделеева — один из фундаментальных законов природы, который увязывает зависимость свойств химических элементов и простых веществ с их атомными массами. В настоящее время закон уточнен, и зависимость свойств объясняется зарядом ядра атома.

Закон был открыт русским ученым в 1869-м году. Менделеев представил его научному сообществу в докладе съезду Русского химического общества (доклад был сделан другим ученым, так как Менделеев был вынужден срочно выехать по заданию Вольного экономического общества Петербурга). В этом же году вышел учебник «Основы химии», написанный Дмитрием Ивановичем для студентов. В нем ученый описал свойства популярных соединений, а также постарался дать логическую систематизацию химических элементов. Также в нем впервые была представлена таблица с периодически расположенными элементами, как графическая интерпретация периодического закона. Всее последующие годы Менделеев совершенствовал свою таблицу, например, добавил столбец инертных газов, которые были открыты спустя 25 лет.

Научное сообщество далеко не сразу приняло идеи великого русского химика, даже в России. Но после того, как были открыты три новых элемента (галлий в 1875-м, скандий в 1879-м и германий в 1886-м годах), предсказанные и описанные Менделеевым в своем знаменитом докладе, периодический закон был признан.

• Является всеобщим законом природы.
• В таблицу, графически представляющую закон, включаются не только все известные элементы, но и те, которые открывают до сих пор.
• Все новые открытия не повлияли на актуальность закона и таблицы. Таблица совершенствуется и изменяется, но ее суть осталась неизменной.
• Позволил уточнить атомные веса и другие характеристики некоторых элементов, предсказать существование новых элементов.
• Химики получили надежную подсказку, как и где искать новые элементы. Кроме этого, закон позволяет с высокой долей вероятности заранее определять свойства еще неоткрытых элементов.
• Сыграл огромную роль в развитии неорганической химии в 19-м веке.

История открытия

Есть красивая легенда о том, что свою таблицу Менделеев увидел во сне, а утром проснулся и записал ее. На самом деле, это просто миф. Сам ученый много раз говорил, что созданию и совершенствованию периодической таблицы элементов он посвятил 20 лет своей жизни.

Все началось с того, что Дмитрий Иванович решил написать для студентов учебник по неорганической химии, в котором собирался систематизировать все известные на этот момент знания. И естественно, он опирался на достижения и открытия своих предшественников. Впервые внимание на взаимосвязь атомных весов и свойств элементов обратил немецкий химик Дёберейнер, который попытался разбить известные ему элементы на триады с похожими свойствами и весами, подчиняющимися определенному правилу. В каждой тройке средний элемент имел вес, близкий к среднему арифметическому двух крайних элементов. Ученый смог таким образом образовать пять групп, например, Li-Na-K; Cl-Br-I. Но это были далеко не все известные элементы. К тому же, тройка элементов явно не исчерпывала список элементов с похожими свойствами. Попытки найти общую закономерность позже предпринимали немцы Гмелин и фон Петтенкофер, французы Ж. Дюма и де Шанкуртуа, англичане Ньюлендс и Одлинг. Дальше всех продвинулся немецкий ученый Мейер, который в 1864-м году составил таблицу, очень похожую на таблицу Менделеева, но она содержала лишь 28 элементов, в то время как было известно уже 63.

В отличие от своих предшественников Менделееву удалось составить таблицу, в которую вошли все известные элементы, расположенные по определенной системе. При этом, некоторые клетки он оставил незаполненными, примерно вычислив атомные веса некоторых элементов и описав их свойства. Кроме этого, русскому ученому хватило смелости и дальновидности заявить, что открытый им закон является всеобщим законом природы и назвал его «периодическим законом». Сказав «а», он пошел дальше и исправил атомные веса элементов, которые не вписывались в таблицу. При более тщательной проверке, оказалось, что его исправления верны, а открытие описанных им гипотетических элементов стало окончательным подтверждением истинности нового закона: практика доказала справедливость теории.