Loe raamatut: «Увлекательная таблица Менделеева»

Художник-оформитель обложки Дмитрий Владимирович Чаринцев

© Игорь Семенов, 2024

ISBN 978-5-0062-7738-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

УВЛЕКАТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА МЕНДЕЛЕЕВА
О книге

Автор книги со школы полюбил химию и увлекался ей в студенческие годы. В зрелом возрасте решил написать книгу, посвященную таблице Менделеева в увлекательной форме. Из произведения вы узнаете о всех химических элементах и их свойствах в интересном изложении и краткую историю открытия элементов. Книга написана легко и просто для широкого круга читателей. Детям и подросткам она будет особа интересна и познавательна.

Как рождалась таблица Менделеева

В середине 1700-х химики начали активно идентифицировать элементы, которые представляют собой вещества, состоящие всего из одного вида атомов. Но столетие спустя они все еще использовали множество символов и сокращений для обозначения различных материалов – просто не было общей лексики. В 1869 году русский химик Дмитрий Менделеев получил известность благодаря своей табличной схеме известных элементов. Этот список основных ингредиентов, из которых состоит все вещество, стал известен как периодическая таблица. Вот что особенно удивительно: в таблице Менделеева отведены места для элементов, которые еще не были открыты. Для некоторых из этих недостающих частей он предсказал, какими будут их атомные массы и другие химические свойства. Позже, когда ученые открыли элементы, которые ожидал увидеть Менделеев, мир получил представление о великолепии периодической системы.

Менделеев родился в 1834 году на крайнем западе Российской Сибири, младшим из дюжины детей. Его семья сталкивалась с одним кризисом за другим. Когда Дмитрий был маленьким, его отец, учитель, ослеп, а мать пошла работать. Она стала менеджером успешного стекольного завода. Трагедия повторилась в 1848 году, когда фабрика сгорела дотла, и семья оказалась в бедности. Мать Менделеева была полна решимости дать ему образование и для этого проехала с ним большое расстояние – в Москву, а затем в Санкт-Петербург. Через десять дней после того, как он поступил в школу, его мать умерла от туберкулеза, болезни, которая также унесла его отца, по крайней мере, одного из его братьев и сестер, и с которой сам Менделеев боролся в юности.

В 1861 году Менделеев вернулся в Россию после исследований в Европе, а позже преподавал в Техническом институте в Санкт-Петербурге. Он обнаружил, что лишь немногие из новых разработок в области химии добрались до его родины – то, что он был полон решимости изменить, с энтузиазмом читая лекции о последних достижениях. Ему было всего 27 лет, но он культивировал образ эксцентрика, с развевающейся бородой и длинными растрепанными волосами, которые, как было известно, он подстригал только раз в год. Тем не менее, он был популярным профессором.

Менделеев признал, что современного учебника по современной органической химии (посвященного соединениям углерода, включая живые организмы) не существует, поэтому он написал один. Его Органическая химия (1861) считалась самой авторитетной книгой своего времени по этому предмету. Но профессор с болью осознавал, что многие из его студентов «не могли следовать» за ним, как заметил один студент. Менделеев знал, что критической причиной трудностей понимания химии людьми было отсутствие какой-либо четкой системы классификации известных элементов. Без нее он мог бы предложить только сведения о конкретных строительных блоках материи, но не структуру, которая объясняла бы взаимосвязи между различными веществами.

В 1867 году, когда Менделеев начал писать «Принципы химии», он задался целью упорядочить и объяснить элементы. Он начал с того, что назвал «типичными» элементами: водородом, кислородом, азотом и углеродом. Эти вещества демонстрировали естественный порядок для самих себя. Затем он включил галогены, которые имели низкий атомный вес, легко реагировали с другими элементами и были легко доступны в природе. Он начал с использования атомных весов как принципа организации, но сами по себе они не представляли четкой системы.

В то время элементы обычно группировались двумя способами: либо по их атомному весу, либо по их общим свойствам, например, были ли они металлами или газами. Прорыв Менделеева заключался в том, что он увидел, что эти два понятия можно объединить в единой структуре.

Говорят, что Менделеева вдохновила карточная игра, известная в Северной Америке как пасьянс, а в других странах – как «терпение». В игре карты расположены как по масти по горизонтали, так и по номеру по вертикали. Чтобы навести некоторый порядок в своем изучении химических элементов, Менделеев составил набор карточек, по одной для каждого из 63 известных на то время элементов. Менделеев записал атомный вес и свойства каждого элемента на карточке.

Он брал карты с собой повсюду, куда бы ни пошел. 17 февраля 1869 года, сразу после завтрака, чтобы успеть на поезд позже тем же утром, Менделеев приступил к упорядочиванию элементов с помощью своих карт. Он продолжал в течение трех дней и ночей, забыв о поезде и постоянно расставляя карточки в различных последовательностях, пока не заметил некоторые пробелы в порядке указания атомной массы.

Как гласит одна история, Менделеев, измученный трехдневными усилиями, заснул. Позже он вспоминал: Я видел во сне таблицу, где все элементы располагались по своим местам, как требовалось. Проснувшись, я сразу же записал это на листе бумаги. Он назвал свое открытие периодической таблицей элементов.

После своего сна Менделеев нарисовал таблицу, которую он себе представлял. Раскладывая эти таблицы с атомными данными, Менделеев открыл то, что называется периодическим законом. Когда Менделеев расположил элементы в порядке увеличения атомной массы, свойства повторились. Поскольку свойства регулярно или периодически повторялись на его таблице, система стала известна как периодическая таблица.

При составлении своей таблицы Менделеев не полностью придерживался порядка атомной массы. Он поменял местами некоторые элементы. (Теперь мы знаем, что не все элементы в периодической таблице расположены в порядке атомной массы.) Хотя он и не знал об этом, Менделеев на самом деле расположил элементы в порядке возрастания атомного номера, числа, представляющего количество положительно заряженных протонов в атоме (также количество отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг атома).

Менделеев пошел еще дальше. Он скорректировал известные атомные массы некоторых элементов и использовал закономерности в своей таблице, чтобы предсказать свойства элементов, которые, по его мнению, должны были существовать, но еще не были открыты. Он оставил пустые места в своей таблице в качестве заполнителей для обозначения этих неизвестных элементов. Когда промежуток находился в середине триады или трех элементов, обладающих схожими характеристиками, он угадывал атомную массу гипотетического элемента, атомный номер и другие свойства. Затем он назвал их с помощью приставки эка, что на санскрите означает «первый». Например, предсказанный элемент, обозначенный как «эка-алюминий», он располагался ниже известного элемента алюминия. Позже он был идентифицирован как галлий.

Галлий, германий и скандий были неизвестны в 1871 году, но Менделеев оставил пробелы для каждого из них и предсказал их атомные массы и другие химические свойства. В течение 15 лет были обнаружены «недостающие» элементы, соответствующие основным характеристикам, записанным Менделеевым. Точность этих предсказаний привела к принятию периодической таблицы.

Менделеев не разрабатывал периодическую таблицу полностью самостоятельно; он унаследовал и развил знания, которые были переданы многими химиками, посвятившими свою жизнь исследованию материи. В начале 1800-х годов было известно около 30 элементов, и хотя химики знали, что некоторые из этих элементов действуют сходным образом или имеют сходные характеристики, никто не нашел общей, общепринятой закономерности в их поведении.

В 1860 году ученые встретились на одной из первых международных химических конференций. Они решили, что водороду, самому легкому элементу, присвоить вес 1. Вес всех других элементов можно сравнить с весом атома водорода. Это означает, что если элемент в восемь раз тяжелее водорода, его вес равен 8. Концепция систематической меры атомного веса в значительной степени способствовала успеху периодической таблицы Менделеева.

В 1864 году, когда было известно около 50 элементов, британский химик Джон Ньюлендс заметил закономерность, когда он расположил элементы в порядке атомной массы, или веса. Он обнаружил, что свойства элементов, казалось, повторяют каждый восьмой элемент. Он назвал это Законом октав, сравнив его с музыкальными гаммами. Его идеи были отвергнуты, и его коллеги шутили, что с таким же успехом он мог расположить элементы в алфавитном порядке. После кальция (20 в сегодняшней периодической таблице) порядок Ньюлендса нарушился. Он сгруппировал очень нереактивный металл медь в ту же группу, что и высокореактивные элементы литий, натрий и калий. Далеко в России Менделеев не знал о Ньюлендсе.

Как это часто бывает в научных разработках, другой исследователь примерно в то же время пришел к той же теории, что и Менделеев. В 1870 году немецкий химик Юлиус Лотар Мейер опубликовал статью, описывающую ту же организацию элементов, что и у Менделеева. У обоих ученых было схожее образование: они учились в Гейдельберге, Германия, в лаборатории химика Роберта Бунзена. Оба присутствовали в сентябре 1860 года на первом международном химическом конгрессе в Карлсруэ, Германия. На конгрессе обсуждалась необходимость создания общей системы измерения веса различных элементов. И оба химика были преподавателями, работавшими над учебниками для своих студентов.

Справедливо ли было, что Менделеев получил все заслуги за периодическую таблицу, в то время как Мейер оставался неизвестным. Возможно, это произошло потому, что Менделеев, уверенный в своей теории, опубликовал свои открытия первым.

Как бы то ни было, периодическая таблица Менделеева с заполнителями, стратегически сохраненными для предстоящих открытий, обеспечила бесценную основу для классификации строительных блоков материи. Отведенные им места также отражали уверенность в постоянном поиске знаний.

Периодическая таблица не сразу оказала влияние на область химии, хотя ситуация изменилась с открытием первого недостающего элемента, галлия, в 1875 году. Все его качества соответствуют тем, которые Менделеев предвидел для элемента, который он назвал эка-алюминий.

Периодическая таблица Менделеева, каким бы бесценным справочным инструментом она ни была, оставляла много возможностей для открытий и усовершенствований. В 1890-х годах была обнаружена совершенно новая и неожиданная группа элементов: благородные газы. Они были добавлены в таблицу в виде отдельной колонки. Гелий, второй по распространенности элемент во Вселенной, не был найден на Земле до 1895 года. С тех пор было открыто еще около 60 элементов, а другие, возможно, все еще ждут своего открытия.

Под смежной периодической таблицей вы можете увидеть две строки, известные как «лантаноиды» (атомные номера 57—71) и «актиноиды» (атомные номера 89—103), названные в честь первых, крайних слева членов их групп. По мере того, как ученые находили более тяжелые элементы и начали создавать еще больше, новые элементы были разделены, чтобы сохранить целостную форму таблицы.

По состоянию на 2012 год периодическая таблица содержит в общей сложности 118 элементов. Некоторые элементы были названы в честь ученых, например, атомный номер 99, эйнштейний, в честь Альберта Эйнштейна. Резерфордий, атомный номер 104, назван в честь физика Эрнеста Резерфорда, разработавшего современную модель атома. Атомный номер 101, менделевий, назван в честь составителя периодической таблицы.

Периодическая таблица Менделеева представила новую парадигму, в которой все элементы расположены в логической матрице. Элементы расположены в виде ряда строк, называемых «периодами», так что элементы с аналогичными свойствами отображаются в вертикальных столбцах. Каждая вертикальная колонка называется «группой», или семейством, элементов. Это мгновенно показывает один набор взаимосвязей, если читать сверху вниз, и другой, если читать из стороны в сторону. В некоторых группах есть элементы, обладающие очень похожими свойствами, такими как их внешний вид и поведение. Например, у каждого элемента есть своя точка плавления и кипения, температуры, при которых он переходит из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное. Еще одной характеристикой является то, насколько «реактивен» элемент, то есть насколько быстро он соединяется с другими элементами. Ученые распознают, как элемент будет реагировать, исходя из его расположения на столе.

Элементы известны по атомному символу из одной или двух букв. Например, атомный символ золота – «Au», название атома – «gold», а его атомный номер – 79. Чем выше атомный номер, тем считается, что элемент «тяжелее».

Водород равен 1 в периодической таблице, в верхнем левом углу. Его атомный номер равен 1; его ядро содержит один протон и один электрон. Около 98 процентов Вселенной состоит из двух самых легких элементов – водорода и гелия.

Описание элемента водород

Бесцветный газ без запаха. У него самая низкая плотность из всех газов. Некоторые рассматривают газообразный водород как чистое топливо будущего, которое образуется из воды и возвращается в воду при окислении. Топливные элементы, работающие на водороде, все чаще рассматриваются как «экологически чистые» источники энергии и в настоящее время используются в некоторых автобусах и автомобилях.

У водорода также есть много других применений. В химической промышленности он используется для производства аммиака для сельскохозяйственных удобрений (процесс Хабера), а также циклогексана и метанола, которые являются промежуточными продуктами в производстве пластмасс и фармацевтических препаратов. Он также используется для удаления серы из топлива в процессе переработки нефти. Большое количество водорода используется для гидрогенизации масел с образованием жиров, например, для производства маргарина.

В стекольной промышленности водород используется в качестве защитной атмосферы для изготовления плоских стеклянных листов. В электронной промышленности он используется в качестве промывочного газа при производстве кремниевых чипов.

Низкая плотность водорода сделала его естественным выбором для одного из первых практических применений – наполнения воздушных шаров и дирижаблей. Однако он активно реагирует с кислородом (с образованием воды), и его будущее в качестве наполнителя дирижаблей закончилось, когда загорелся дирижабль «Гинденбург».

Водород является важным элементом для жизни. Он присутствует в воде и почти во всех молекулах живых организмов. Однако сам водород не играет особо активной роли. Он остается связанным с атомами углерода и кислорода, в то время как химия жизни протекает в более активных центрах, включающих, например, кислород, азот и фосфор.

Водород, несомненно, самый распространенный элемент во вселенной. Он содержится на солнце и большинстве звезд, а планета Юпитер состоит в основном из водорода.

На Земле водород содержится в наибольших количествах в виде воды. В виде газа он присутствует в атмосфере лишь в крошечных количествах – менее 1 части на миллион по объему. Любой водород, который попадает в атмосферу, быстро выходит из-под действия земного притяжения в открытый космос.

Большая часть водорода образуется при нагревании природного газа с водяным паром с образованием синтез-газа (смеси водорода и монооксида углерода). Синтез-газ отделяется с получением водорода. Водород также может быть получен электролизом воды.

В начале 1500-х годов алхимик Парацельс заметил, что пузырьки, выделяющиеся при добавлении железных опилок в серную кислоту, легко воспламеняются. В 1671 году Роберт Бойль сделал то же наблюдение. Ни один из них не последовал за открытием водорода, и поэтому заслуга принадлежит Генри Кавендишу. В 1766 году он собрал пузырьки и показал, что они отличаются от других газов. Позже он показал, что при сгорании водорода образуется вода, тем самым положив конец вере в то, что вода является элементом. Антуан Лавуазье дал газу название hydro-gen, что означает «образующий воду».

В 1931 году Гарольд Юри и его коллеги из Колумбийского университета в США обнаружили вторую, более редкую форму водорода. Масса этого элемента в два раза превышает массу обычного водорода, и они назвали его дейтерием.

Описание элемента гелий

Газ без цвета и запаха. Гелий используется в качестве охлаждающей среды для Большого адронного коллайдера (БАК) и сверхпроводящих магнитов в МРТ-сканерах и ЯМР-спектрометрах. Он также используется для охлаждения спутниковых приборов и использовался для охлаждения жидкого кислорода и водорода, которые питали космические аппараты Apollo.

Из-за своей низкой плотности гелий часто используется для наполнения декоративных шаров, метеозондов и дирижаблей. Когда-то для наполнения воздушных шаров использовался водород, но он опасно реакционноспособен.

Поскольку он очень неактивен, гелий используется для создания инертной защитной атмосферы при изготовлении волоконной оптики и полупроводников, а также при дуговой сварке. Гелий также используется для обнаружения утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а поскольку он быстро рассеивается, его используют для наполнения автомобильных подушек безопасности после удара.

Смесь из 80% гелия и 20% кислорода используется в качестве искусственной атмосферы для глубоководных дайверов и других лиц, работающих под давлением.

Гелий-неоновые газовые лазеры используются для сканирования штрих-кодов в кассах супермаркетов. Новое применение гелия – гелий-ионный микроскоп, который дает лучшее разрешение изображения, чем сканирующий электронный микроскоп.

После водорода гелий является вторым по распространенности элементом во Вселенной. Он присутствует во всех звездах. Он образовался и до сих пор образуется в результате распада радиоактивных элементов на Земле альфа-частицами. Часть образующегося гелия попадает в атмосферу, которая содержит около 5 частей на миллион по объему. Это динамический баланс, при котором гелий низкой плотности постоянно выходит в открытый космос.

Извлекать гелий из воздуха неэкономично. Основным источником является природный газ, который может содержать до 7% гелия.

В 1868 году Пьер Дж. К. Янссен отправился в Индию, чтобы измерить солнечный спектр во время полного затмения, и заметил новую желтую линию, обозначавшую новый элемент. Джозеф Норман Локьер зафиксировал ту же линию, наблюдая за солнцем сквозь лондонский смог, и, предположив, что новый элемент является металлом, назвал его гелием.

В 1882 году итальянец Луиджи Пальмиери обнаружил ту же линию спектра газов, испускаемых Везувием, что и американец Уильям Хиллебранд в 1889 году, когда он собрал газ, выделяемый минералом уранинитом (UO2) при растворении в кислоте. Однако именно Пер Теодор Клив и Нильс Абрахам Лангер в Уппсале, Швеция, в 1895 году повторили этот эксперимент и подтвердили, что это гелий, и измерили его атомный вес.

Описание элемента литий

Литий был обнаружен из минерала, в то время как другие распространенные щелочные металлы были обнаружены из растительного сырья. Считается, что это объясняет происхождение названия элемента; от «литос» (по-гречески «камень»). Изображение основано на алхимическом символе камня.

Мягкий серебристый металл. У него самая низкая плотность из всех металлов. Он активно реагирует с водой.

Наиболее важное применение лития – в перезаряжаемых батареях для мобильных телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов и электромобилей. Литий также используется в некоторых неперезаряжаемых батареях для таких вещей, как кардиостимуляторы, игрушки и часы.

Металлический литий получают из сплавов с алюминием и магнием, повышающих их прочность и делающих их легче. Магниево-литиевый сплав используется для покрытия брони. Алюминиево-литиевые сплавы используются в самолетах, велосипедных рамах и высокоскоростных поездах.

Оксид лития используется в специальных стеклах и стеклокерамике. Хлорид лития является одним из наиболее гигроскопичных известных материалов и используется в системах кондиционирования воздуха и промышленной сушки (как и бромид лития). Стеарат лития используется в качестве универсальной высокотемпературной смазки. Карбонат лития используется в лекарствах для лечения маниакально-депрессивного психоза, хотя его действие на мозг до сих пор до конца не изучено. Гидрид лития используется как средство хранения водорода для использования в качестве топлива.

Литий в природе не встречается в виде металла, но в небольших количествах содержится почти во всех магматических породах и в водах многих минеральных источников. Сподумен, петалит, лепидолит и амблигонит являются наиболее важными минералами, содержащими литий.

Большая часть лития в настоящее время производится в Чили из рассолов, которые при обработке карбонатом натрия дают карбонат лития. Металл получают электролизом расплавленного хлорида лития и хлорида калия.

Первый минерал лития – петалит, LiAlSi4O10, был обнаружен на шведском острове Уто бразильцем Жозе Бонифацио де Андральда-э-Сильва в 1790-х годах. Было замечено, что при попадании в огонь он дает интенсивное малиновое пламя. В 1817 году Йохан Август Арфведсон из Стокгольма проанализировал его и пришел к выводу, что он содержит ранее неизвестный металл, который он назвал литием. Он понял, что это новый щелочной металл и более легкая версия натрия. Однако, в отличие от натрия, он не смог выделить его электролизом. В 1821 году Уильям Бранде получил таким образом небольшое количество, но недостаточное для проведения измерений. Только в 1855 году немецкий химик Роберт Бунзен и британский химик Август Маттиссен получили его в больших количествах путем электролиза расплавленного хлорида лития.