Буланов Евгений Николаевич, кандидат химических наук, доцент химического факультета ННГУ им.Н.И.Лобачевского
Среди людей всегда были те, кому не просто интересен мир, в котором он живет в плане созерцания, но и желающие познать его глубинные тайны.
Первые дошедшие до нас осмысленные попытки понять, из чего состоит все вокруг, мы можем отнести к VII-VI векам до н.э. Расцвет древнегреческой философии подарил нам целый спектр мнений о первоэлементе мира.
Фалес Милетский видел все как производное воды, Анаксимен – воздуха, Гераклит Эфесский – огня. Особняком смотрится идея Анаксимандра о неком «апейроне» – неопределенном, беспредельном, бесконечном первовеществе.
Чуть позже Эмпедокл из Акраганта попытался систематизировать эти взгляды, увидев, что вода, огонь, воздух и добавившаяся чуть позже земля – не существуют независимо друг от друга, а непрерывно взаимодействуют, порождая многообразие мира и явлений в нем.
Но что является носителем этих субстанций? Удивительно, но уже 2500 лет назад люди пришли к тому, что Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман назовет самым главным знанием о мире – все состоит из мельчайших неделимых частиц, находящихся в постоянном движении – атомов.
Сложно понять, кто был первым автором этой идеи. Чаще всего ее приписывают Демокриту, реже – Левкиппу. Это были древнегреческие философы, представители абдерской школы. Но совершенно точно часто забывают еще про одного мыслителя. Это индийский мыслитель Канада (Кашьяпа). Он тоже выдвинул идею корпускулярной природы мира. Однако мы про него практически ничего не знаем, в том числе из-за того, что ведем свою историю от цивилизаций Средиземноморья.
Таким образом, идея атомистического устройства мира зародилась в главных цивилизационных центрах, возможно, даже независимо. Но из нее следовало, что между атомами, формирующими объекты мира, нет … ничего. Пустота.
Как так? «Природа не терпит пустоты!» – заявил Аристотель и благодаря своему авторитету буквально заставил людей забыть об атомизме почти на 2000 лет.
Вместо этого Аристотель вернулся к представлениям Эмпедокла и не просто увидел взаимосвязь «стихий», но и описал через них некоторые явления: жар есть результат действия огня и воздуха, сухость – огня и земли, холод – земли и воды, а влажность – воды и воздуха. Также он впервые вводит представление об эфире как субстанции, пронизывающей и связывающей все воедино. Появись система элементов мира тогда, она выглядела бы следующим образом:
Долгое время аристотелевская концепция представления о мире была единственной и неизменной. Только с приходом Средних веков, а именно с появлением алхимии как отдельного ремесла (или искусства?), она стала расширяться.
Джабир ибн Хайан, известный нам как Гебер, добавил в систему еще два «философских» элемента: серу, характеризующую принцип горючести, «камень, который горит», и ртуть, характеризующую принцип металлических свойств. Согласно учению Джабира, сухие испарения, конденсируясь в земле, дают серу, мокрые же – ртуть. Сера и ртуть, соединясь затем в различных отношениях, и образуют семь известных металлов. Золото как наиболее совершенный металл образуется, только если вполне чистые сера и ртуть взяты в наиболее благоприятных соотношениях.
Работа алхимиков над созданием философского камня привела к появлению седьмого элемента – соли – символа воли и мудрости. По мнению Парацельса (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм), соль представляет собой сжимающую силу, конденсацию и кристаллизацию.
Семь первоэлементов всего сущего продержались еще не одну сотню лет. Даже сэр Исаак Ньютон, которого мы воспринимаем в первую очередь как физика и математика, проводя свои алхимические изыскания, пытался «объяснить принципы этого таинственного искусства [химии] на основании экспериментальных и математических доказательств», опираясь на них.
А дальше… дальше мир начинает ускоряться.
Уже в 1718 году многовековой труд алхимиков, дотошно перебиравших природные субстанции и анализировавших их свойства, оказывается собранным в форме первой таблицы – таблицы сходства Этьена Франсуа Жоффруа.
В верхней части каждой колонки таблицы находится вещество, с которым могут сочетаться все перечисленные ниже вещества.
Другим важным шагом к пониманию химической природы мира и ее систематизации стала публикация Антуаном Лавуазье списка химических веществ, в который вошли 23 известных элемента. Он также усовершенствовал концепцию «элемента», поскольку до этого времени металлы, за исключением ртути, не считались элементами.
Окончательное закрепление понимания атомистического устройства мира, как и многосортности атомов, произвел английский ученый Джон Дальтон. Примерно в 1803 году в Манчестере он прочитал серию лекций, в которых представил постулаты своей теории:
- Элементы состоят из крошечных частиц, называемых атомами.
- Атомы данного элемента отличаются от атомов любого другого элемента, и атомы различных элементов могут отличаться друг от друга их соответствующей относительной атомной массой / массой.
- Все атомы данного элемента идентичны.
- Атомы одного элемента могут соединяться с атомами других элементов с образованием химических соединений, и данное соединение всегда имеет одинаковые относительные числа типов атомов.
- Атомы не могут быть созданы, разделены на более мелкие частицы или разрушены в химическом процессе, и химическая реакция просто меняет способ, которым атомы группируются вместе.
Началась эпоха открытия новых элементов и их глубокой систематизации.
Первые закономерности в изменении свойств элементов удалось установить Иоганну Вольфгангу Дёберейнеру. Он обратил внимание, что если расположить три похожих по химическим свойствам элемента в порядке возрастания их атомных весов, то атомный вес среднего элемента будет равен среднему арифметическому атомных весов первого и третьего. В 1817 Дёберейнер установил такую закономерность для первой «триады» – кальция, стронция и бария. В 1829, после того как Й. Я. Берцелиус подтвердил его данные, Дёберейнер распространил этот принцип на другие элементы, предложив ещё две триады (литий, натрий, калий и сера, селен, теллур). В основу своей классификации, помимо атомных весов, он положил также аналогию свойств и характерных признаков элементов и их соединений.
Увлекшись поиском именно триад, Дёберейнер исключил висмут из последовательности очень похожих по свойствам фосфора, мышьяка и сурьмы. Хотя уже в 1840 Леопольд Гмелин, расширив список элементов, показал, что характер их классификации по свойствам гораздо сложнее, чем разделение на триады. Тем не менее закон триад Дёберейнера подготовил почву для систематизации элементов, завершившейся созданием Периодического закона.
Уже в 1862 году появляется первая попытка проанализировать изменения свойств элементов, взглянув на них с точки зрения последовательности увеличения атомных весов. Французский геолог Александр-Эмиль Бегье-де-Шанкуртуа нарисовал элементы в виде непрерывной спирали вокруг металлического цилиндра, разделенного на 16 частей, на которой поместил точки, соответствующие атомным массам элементов. Таким образом, элементы, атомные веса которых отличались на 16 или на число, кратное 16, располагались на одной вертикальной линии. При этом точки, отвечающие сходным по свойствам элементам, часто оказываются на одной вертикальной линии, что однозначно свидетельствовало о периодичности изменения свойств элементов в зависимости от их массы.
Однако работа Шанкуртуа не привлекла большого внимания. Проблема поиска периодичности в свойствах элементов не была актуальной и, скорее, относилась к маргинализированным ответвлениям науки, не приносящим практического результата. Тем не менее его последователи – Юлиус Лотар Мейер и Джон Александр Ньюлендс – не только продолжают поиск подобных зависимостей, но и дают им очень знакомую и понятную нам сейчас визуализацию в виде периодических таблиц.
И вот в 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев публикует свою работу, посвященную систематизации химических элементов «Опытъ системы элементовъ», в которой содержится еще пока не узнаваемый нами прототип Таблицы:
И возникает целый ряд резонных вопросов: «Почему Периодическая система названа в честь Менделеева? Что такого он сделал уникального, до чего не додумались предшественники?».
И Шанкуртуа, и Мейер, и Ньюлендс видели периодичность изменения свойств элементов в зависимости от массы атомов. И они видели, что в их системах зияют дыры: открытых элементов не хватало, чтобы заполнить все возникающие проблемы. С этим столкнулся и Менделеев. Но он сделал принципиально важный шаг: не остановившись на констатации факта нехватки элементов, он попробовал превратить обнаруженную корреляцию в закон – утверждение, имеющее предсказательную силу.
Так, Дмитрий Иванович детально описал еще не известный на тот момент элемент «экаалюминий», указав его плотность, химические свойства как его, так и его солей и даже способ открытия. Буквально 6 лет спустя элемент был открыт: теперь он нам известен под названием галлий, а его свойства в точности совпадают с предсказаниями. И это не единичный пример. Скандий и германий также были описаны Менделеевым («экабор» и «экасилиций»).
Дальнейшие открытия только подтвердили суть Периодического закона как основы периодической системы: закон Мозли (порядковый номер элемента – заряд ядра атома), планетарная модель атома Бора-Резерфорда, гипотеза де Бройля (волновые свойства электрона), волновое уравнение Шредингера – окончательно закрепили статус Периодического закона как самого важного в химии.
На этом, однако, интересные моменты, связанные с Таблицей Менделеева, не заканчиваются.
Первое, на что многие обращают внимание, так это отсутствие дальнейших работ самого Менделеева в области исследования элементов. Почему в следующий раз его имя всплывает в уравнении состояния идеального газа – уравнении Менделеева-Клапейрона?
Удивительно, но человек, внесший такой вклад в развитие химии, считал, что наука чрезмерно увлеклась атомистической теорией. Менделеев считал, что за атомами мы не видим скрытые первопричины существования мира. Даже открытие радиации не убедило его изменить мнение. Более того, Менделеев был уверен, что открытия нас ждут не только в движении «вперед» по таблице, но и … назад.
Менделеев вернулся к идее аристотелевского эфира, считая, что именно с него должна начинаться Периодическая система. Поэтому дальнейшие научные изыскания великого химика были направлены на поиски экспериментальных подтверждений этого представления. К сожалению, это привело фактически к «уходу» Менделеева из химии, но в то же время именно он подтвердил основную связь между условиями существования идеального газа.
Другая необычная история, связанная с Периодическим законом, заключается в том ,что ряду «мыслителей» он кажется несовершенным, что проявляется, по их мнению, в невозможности выражения его сути в виде формулы. В 2012 году вышла статья Валерия Циммермана, поставившая точку в споре о необходимости математической формулы Периодического закона. По мнению автора, весь Периодический закон умещается в формуле Z = A + g. Вроде, наконец-то получилось – элегантная простая формула, но… A= p3+3p2+2p6cos pπ2 +p3+3p2+5p+36sin pπ2 , (1−𝐿)≤𝑔≤0, L=p22cos pπ2 +p2+2p+12sin pπ2 (А представляет атомные числа щелочноземельных металлов, g – целое число, представляющее группы элементов, L представляет длину периода, P – номер периода). Ответ на вопрос, прижился ли такой подход, кажется, является очевидным.
И если с математическим выражением Периодического закона все оказалось более-менее понятно, то с его визуализацией – самой Таблицей – история далека от завершения.
Буквально со времен публикации первого варианта Менделеева каждый год появляются новые и новые варианты графического представления системы химических элементов. Иногда люди ищут ее более симметричные формы (1), иногда – более экстравагантные (2), кто-то пытается поместить в таблицу больше информации, чем было в ней изначально (3), а ряд вариантов вообще сосредоточены больше на форме, чем на сути (4).
Кроме того, Таблица Менделеева оказалась очень удачным способом систематизации самых разнообразных множеств объектов. Благодаря изучению в школе, она является узнаваемым и понятным подходом, с помощью которого можно придать упорядоченный вид и разным контроллерам для приставок (1), и ошибкам в русском языке (2), и синтаксическим операторам (3), и даже всем людям, оказавшим влияние на становление Дэвида Боуи (4).
И, конечно, такой взрыв фантазии имеет закономерный итог – Периодическую систему Периодических систем:
Но итог ли это? Конец? Или нас ждет развитие и продолжение жизни одного из величайших открытий человечества как в химии, так и в культуре? Время покажет.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
