Теория четырех элементов
Химический элемент - это то, из чего состоят все вещества в мире, и человечество, стремясь в своем познании мира, не могли пройти мимо этих маленьких частиц. В данной статье в рамках работы над проектной деятельностью я поведаю о истории открытия этих “кирпичиков вселенной”.
Многие считают, что алхимия является наукой очень далекой от химии, которая строится на псевдонаучных методах, но углубляясь в тему открытия химических элементов и самой химии можно понять, что вклад алхимии неоценим. Главной теорией в алхимии, стала теория четырех элементов сформулирована Аристотелем и Платоном. Данная теория гласит, что бог создал четыре основных элемента из первичной материи, которые в разной пропорции и составляли все вещества во вселенной. Этими основными элементами были: огонь, вода, земля, воздух. Аристотель внес определенные изменения в теорию четырех элементов. Он определяет их как соединение четырех противоположных качеств: холода, сухости, тепла и влаги, кроме того, он добавляет к четырем элементам пятый - квинтэссенцию. Для данных четырех элементов имелось знаковое обозначение:
Также была ртутно-серная теория. Сера и ртуть рассматриваются как отец и мать металлов. При их соединении образуются различные металлы. Сера обуславливает изменчивость и горючесть металлов, а ртуть твердость, пластичность и блеск. Алхимики изображали эти два принципа то в виде алхимического андрогена, то в виде двух драконов или же змей кусающих друг друга. Сера - бескрылой змеей, ртуть же крылатой. Если алхимику удавалось соединить оба принципа, то он получал первичную материю. Символически это изображалось вот так:
Эти алхимические теории и многие другие связывала теория единства и поиска первичной материи. Алхимики верили, что если найти это вещество и придать ему особые свойства, то можно получать любые металлы и даже лекарство от смерти. Но даже несмотря, на весь мистицизм и большое количество мифов алхимия имело свой вес в открытии новых элементов. Известно 4 алхимика открывших новые вещества. Так считается, что мышьяк открыл Альберт Великий, висмут - Георгий Агрикола. Фосфор же был открыт путем выпаривания человеческой мочи немецким алхимиком Хеннингом Брандом. В 1602 г. алхимик Винченцо Касциароло в горах Болоньи нашел камень, который был настолько тяжел, что Касциароло заподозрил в нем наличие золота. В итоге был открыт новый элемент – барий. Опираясь на эти открытия можно уверенно сказать, что алхимия внесла свой вклад в развитие химии. Но это касается лишь открытия самих элементов, на самом же деле алхимиками были открыты многие способы разделения смесей, которыми пользуются до сих пор. Так, алхимик Джабир ибн Хайян описал процессы: перегонку, возгонку, растворение, кристаллизацию. Свойства серной и азотной кислоты также были описаны алхимиками. Термин “газ”, а также горючесть тоже были открыты алхимиками. Пускай и алхимия была основана на ненаучных теория, алхимики внесли достаточно большой вклад в современную химию.
Становление химии наукой
Завершением эпохи алхимии и отправной точкой химии стали открытия А. Л. Лавуазье. После того, как он создал теорию кислородного горения в 1777 году, в химии начался переломный этап, который назвали “химической революцией”. Данной теории предшествовала теория флогистона, которая гласит, что есть такая субстанция - флогистон, которая содержится во всех горючих веществах и имеет отрицательную массу. Основывалась она на том, что после обжигания металла, образовалась окалина, имеющая большую массу, чем масса исходного металла. Отказ от этой теории потребовал пересмотр всех основных принципов и понятий химии, а также изменения терминологии и номенклатуры. В 1789 году Лавуазье издал свой знаменитый учебник «Элементарный курс химии», целиком основанный на кислородной теории горения и новой химической номенклатуре. Он привел первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел):
Критерием отнесения элемента в его список стало вещественной доказательство существование данного атома вещества. Любые рассуждения и теории о существовании неких элементов отвергались химиком. Лавуазье сформулировал закон сохранения массы, создал рациональную классификацию химических соединений, основанную, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств.
Химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел; она завершила период становления химии, ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от алхимических представлений о природе вещества и его свойств.
Спектральный анализ
Спектральный анализ стал новым методом анализа состава вещества. его начали использовать с середины XIX века и основывался он на реакции материи на излучение: каждое вещество поглощает или излучает свет строго на определённых частотах. Таким образом в 1860 году был открыт цезий, в 1861-м — рубидий (спектральные линии рубинового цвета), в 1863-м — индий (давал цвет индиго, как наши джинсы). В 1868 году этим же методом в солнечной короне обнаружили гелий (на Земле его нашли гораздо позже).
Периодический закон
В 1869 году Дмитрий Менделеев опубликовал первый̆ вариант таблицы:
Важно не то, что он предложил удачную схему оформления известных на тот момент элементов, а то, что вывел закон, который в современной трактовке звучит так: «Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов». Открытие Менделеева позволило предсказывать новые элементы и их свойства.
Радиоактивность конец XIX— начало XX века
Один за другим начали открывать элементы, которые содержатся на планете в ничтожных количествах, поскольку распадаются за считанные годы, а то и часы. В 1898 году самая знаменитая супружеская пара науки — Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри — получила радий и полоний. Чуть позже были обнаружены радон и актиний. Ни один из них не имеет стабильных изотопов.
Время большой̆ физики Первая половина XX века
Первая половина ХХ столетия ознаменована грандиозным прорывом в физике. В 1911 году Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро. Учёные стали строить модели атома, были открыты нейтроны и прочие фундаментальные вещи. Появилась квантовая механика. Большая физика теперь могла объяснять, почему элементы имеют именно такие свойства и вступают в те, а не иные реакции.
Начало эпохи ускорителей 1937 год
Менделеев предсказал появление химического элемента под номером 43. Этим элементом был радиоактивный технеций, который был первым элементом, полученным искусственно. В созданном Эрнестом Лоуренсом ускорителе-циклотроне образцы молибдена обстреливали ядрами тяжёлого водорода и в итоге был получен технеций. Позднее, правда, его удалось найти в естественном виде — в спектрах некоторых звёзд.
Далее же список элементов, существующих в природе был закрыт — в 1939 году Маргарита Перей, тридцатилетняя ученица Марии Склодовской-Кюри, открыла франций. Этот радиоактивныӗ элемент является промежуточным продуктом распада более тяжёлых ядер. Суммарные запасы франция в земной̆ коре составляют чуть больше трёхсот граммов и могли бы уместиться в кофейной чашке. Правда, через двадцать с небольшим минут этого элемента в чашке было бы уже в два раза меньше: он очень быстро распадается. Все последующие элементы были открыты с использованием ускорителей элементарных частиц.
Начало трансуранов 40-e—60-е годы XX века
В 1940 году в Университете Беркли при облучении урана-238 быстрыми нейтронами получен принципиально новый̆ искусственный элемент — тяжёлый металл нептуний. Его порядковый номер 93, место в таблице — следующая после урана ячейка. Это первый̆ трансурановый элемент. В том же году был синтезирован плутоний (номер 94). С 1961 года новые элементы создают и в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. У истоков этого процесса стоял Георгий Флеров. Параллельно с американцами наши физики синтезировали элементы с номерами 101, 102, 103, 104, 105 и 106. Мировое сообщество признало успехи советской науки. Так, решением IUPAC (Международный̆ союз теоретической и прикладной химии) 105-й элемент получил имя дубний, 114-й назвали флеровием, а 115-й — московием (в честь Московской области, где расположена Дубна). Позже к трансурановой̆ гонке подключились Германия и Япония.
Россия становится лидером трансурановой̆ гонки.
В 1998 году группа учёных из ОИЯИ, под руководством Юрия Оганесяна первая, синтезирует 114-й элемент. Через несколько лет при участии американцев в Дубне получены 115-й, 116-й, 117-й и 118-й. В прошлом году IUPAC присвоил 118-му элементу имя оганесон. Второй раз в истории элемент был назван в честь здравствующего учёного (первый̆ был Гленн Сиборг — сиборгий). А, например, рентгений появился спустя восемьдесят лет после смерти Вильгельма Рентгена.
Таким образом можно почти с полной уверенностью сказать, что найдены все элементы, встречающиеся в природе. Неизвестно до каких пор будет простираться таблица Менделеева, споры ведутся до сих пор. Есть даже версия, что таблица Менделеева не имеет конца.