До того как Дмитрий Иванович Менделеев разложил свои карточки с элементами как пасьянс, химики просто не знали, с какой стороны подступиться к самому легкому газу во Вселенной.
Самый первый элемент
Водород — это первый элемент в таблице Менделеева. У него самый маленький номер — единица. Водород стоит в самом начале таблицы, в левом верхнем углу. Его химический знак — латинская буква H.
Почему водород оказался на первом месте? Потому что он устроен проще всех остальных элементов. Атом водорода состоит всего из одного протона и одного электрона. Ни у какого другого атома нет такого легкого и маленького ядра. Из-за этого водород весит меньше любого другого газа или металла. Его атомная масса близка к единице.
Когда Дмитрий Иванович Менделеев создавал свою таблицу, он обратил внимание на водород. Этот газ вступает в реакции с очень многими веществами и почти всегда проявляет первую валентность. Это значит, что один атом водорода соединяется ровно с одним атомом другого элемента. Например, в воде на один атом кислорода приходится два атома водорода. Такое простое и понятное поведение сделало водород идеальной точкой отсчета. Менделеев поставил его на первое место, и от водорода начал выстраивать весь остальной порядок элементов. Теперь любой школьник знает, что если открыть таблицу Менделеева, то самый первый элемент слева вверху — это водород.
Кто на самом деле открыл водород
Водород люди получали в своих опытах еще в шестнадцатом веке. Знаменитый врач и алхимик Парацельс заметил, что если подействовать кислотой на железо, то выделяется какой-то горючий газ. Парацельс не стал изучать этот газ подробно. Он не понял, что перед ним новый химический элемент.
Через сто лет с газом поработал английский ученый Роберт Бойль. Он собрал этот горючий газ в сосуд и описал его свойства. Бойль увидел, что газ легко загорается и горит спокойным пламенем. Но Бойль тоже не сделал решающего вывода. Он считал этот газ просто одним из видов воздуха.
Настоящим открывателем водорода признают Генри Кавендиша. В 1766 году этот английский химик провел серию чистых опытов. Он отделил горючий газ от других газов, измерил его вес и плотность. Кавендиш доказал, что этот газ отличается от обычного воздуха и от углекислого газа. Он понял, что это самостоятельное простое вещество. Самое главное открытие Кавендиша состояло в том, что при сжигании этого газа образуется чистая вода. До него никто не знал, из чего состоит вода.
Позже знаменитый французский химик Антуан Лавуазье дал этому газу имя. Он назвал его «гидрогениум», что в переводе с греческого означает «рождающий воду». Русское имя «водород» — это точный перевод греческого названия. Так постепенно, через работы нескольких ученых, человечество узнало самый первый элемент таблицы Менделеева.
Как химики путались без таблицы Менделеева
До появления таблицы Менделеева химики уже знали около шестидесяти различных элементов. Эти элементы были разбросаны в головах ученых как попало. Каждый исследователь запоминал свойства металлов и газов по отдельности. Никто не видел общего порядка и не понимал, связаны ли элементы друг с другом какими-то правилами.
Химики пробовали группировать элементы по их весу или по тому, с каким количеством других веществ они соединяются. Например, немецкий ученый Иоганн Деберейнер заметил, что некоторые три элемента похожи друг на друга. Он назвал такие тройки «триадами». В одной триаде оказались литий, натрий и калий. В другой триаде — хлор, бром и йод. Но что делать с остальными пятью десятками элементов, Деберейнер не придумал.
Англичанин Джон Ньюлендс пошел дальше. Он расположил элементы в порядке увеличения их атомного веса и заметил, что каждые восемь элементов свойства начинают повторяться. Ньюлендс назвал это «законом октав» — по аналогии с восемью нотами в музыке. Многие химики высмеяли его за такое сравнение. Они говорили, что Ньюлендс просто подгоняет факты под красивую теорию. Кроме того, в его октавах оказалось слишком много ошибок и несовпадений.
Главная трудность заключалась в водороде. Этот элемент весил меньше всех, но его химические свойства не походили ни на какие другие. Водород не был похож на обычные газы вроде кислорода или азота. Он также не походил на металлы. Из-за такой непохожести водород никак не вписывался ни в триады, ни в октавы. Химикам было очень трудно понять, с какого элемента начинать строить общую систему. Ответ на этот вопрос нашел только Дмитрий Иванович Менделеев.
Как Менделееву пришла в голову идея таблицы
Многие думают, что таблица приснилась Менделееву во сне. Это красивая легенда, но на самом деле все было иначе. Дмитрий Иванович работал над системой элементов много лет. Никакого волшебного сна не было. Была тяжелая и кропотливая работа ученого, который хотел понять законы химии.
Все началось с того, что Менделеев взялся писать учебник по химии для студентов. Он назывался «Основы химии». Когда ученый стал объяснять свойства разных элементов, он понял, что не может сделать это логично и понятно. Каждый элемент приходилось описывать отдельно, как будто между ними нет никакой связи. Менделееву это очень не нравилось. Он чувствовал, что в химии должен быть какой-то общий порядок.
Тогда Менделеев взял шестьдесят девять карточек. На каждой карточке он написал название одного химического элемента, его атомный вес и главные свойства. Ученый начал раскладывать эти карточки в разном порядке. Он двигал их туда-сюда, как в пасьянсе. Менделеев сравнивал похожие элементы друг с другом. Например, он смотрел на галогены — фтор, хлор, бром и йод. Эти элементы вели себя очень похоже, но их атомные веса сильно отличались.
Самым важным для Менделеева оказался водород. Он поставил водород в самое начало, потому что у него самый маленький атомный вес — единица. От водорода ученый начал выстраивать все остальные элементы в порядке увеличения их веса. И тут случилось главное. Менделеев заметил, что если расположить элементы по возрастанию атомного веса, то их химические свойства через равные промежутки повторяются. Элементы с похожими свойствами сами вставали в один вертикальный ряд.
Решающий день наступил 17 февраля 1869 года по старому стилю (или 1 марта по новому). Менделеев уже много дней раскладывал карточки и сверял цифры. В какой-то момент он устал и прилег отдохнуть. Короткий сон помог его мозгу сложить разрозненные кусочки в целую картину. Когда Менделеев проснулся, он сразу понял, как именно нужно расставить карточки. Так родилась первая версия периодической таблицы. Водород занял в ней самое первое место — клетку номер один. И это решение оказалось верным на все последующие годы.
Почему водород стоит на двух местах сразу
Водород занимает самую первую клетку в таблице Менделеева. У него первый номер и самая маленькая атомная масса. Но есть в положении водорода одна удивительная особенность. Его поставили в первую группу, где находятся щелочные металлы — литий, натрий, калий. Эти металлы очень активны, они бурно реагируют с водой и горят на воздухе. Водород тоже активный газ и хорошо соединяется с другими элементами.
Однако химики заметили, что водород ведет себя не только как щелочные металлы. В некоторых реакциях он напоминает совсем другие элементы — галогены. Галогены стоят в седьмой группе. Это фтор, хлор, бром и йод. Им всем не хватает одного электрона до полной оболочки, поэтому они жадно присоединяют к себе чужие электроны. Водород в некоторых случаях делает то же самое. Он может забрать один электрон у другого атома и превратиться в отрицательный ион.
Из-за этого двойного поведения водорода иногда говорят, что он стоит одновременно в первой и в седьмой группе. В современных таблицах водород чаще всего рисуют в первой группе, но делают для него отдельную пометку. Такая необычная особенность есть только у водорода. Ни один другой элемент не ведет себя так двойственно.
Для Менделеева это двойственное поведение водорода оказалось очень полезным. Водород стал как бы мостиком между двумя разными семействами элементов. Отталкиваясь от водорода, Менделеев смог правильно расставить все остальные элементы. Он предсказал существование нескольких неизвестных тогда металлов. Например, он оставил пустые места в таблице для галлия, германия и скандия. Позже эти элементы действительно нашли, и их свойства полностью совпали с предсказаниями Менделеева. Так водород помог ученому доказать, что его таблица — не случайный пасьянс, а строгий закон природы.
Где живет водород и зачем он нужен людям
Водород — самый распространенный химический элемент во всей Вселенной. Ученые подсчитали, что из каждых ста атомов в космосе девяносто три — это атомы водорода. Вся видимая материя почти на три четверти состоит из водорода. Он входит в состав звезд, газовых облаков и планет-гигантов вроде Юпитера или Сатурна. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции, где ядра водорода сливаются в ядра гелия. Именно этот процесс дает нам свет и тепло.
На Земле водорода гораздо меньше, потому что он очень легкий. Наша планета своим притяжением не может удержать легкие молекулы водорода в атмосфере, и они улетают в космос. Однако на Земле водород никуда не исчезает полностью. Он входит в состав воды. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Водород есть во всех живых организмах, в нефти, в природном газе и в любом растении или животном.
Человек давно научился использовать водород для своих нужд. В начале двадцатого века дирижабли наполняли водородом, потому что этот газ легче воздуха и хорошо поднимает тяжелые грузы. Водородный дирижабль «Гинденбург» был гордостью Германии. В 1937 году он загорелся при посадке в Америке. Водород быстро сгорел, и многие пассажиры погибли. После этой катастрофы дирижабли стали наполнять безопасным гелием.
Сегодня водород снова становится очень важным для людей. Ученые создают водородные двигатели для автомобилей. Такая машина не выбрасывает в воздух вредный дым. Вместо выхлопных газов из трубы выходит просто водяной пар. Водород можно получать из обычной воды с помощью электричества. В будущем водород может заменить бензин и помочь людям дышать чистым воздухом в больших городах.
Водород используется и в космической технике. На водородном топливе летали американские ракеты «Сатурн-5», которые доставили астронавтов на Луну. Современные космические корабли тоже используют водород. Этот газ остается самым эффективным топливом, потому что при его сгорании выделяется очень много энергии. Так самый первый элемент таблицы Менделеева помогает человеку покорять космос и заботиться о чистоте планеты.
Водород — он не только первый в таблице Менделеева. Этот элемент стал главным ключом к созданию всей периодической системы. Менделеев выбрал водород за его простейшее строение и самый маленький атомный вес, который он принял за единицу отсчета. От этого нуля ученый начал выстраивать остальные элементы по нарастающей, и именно легкость водорода сделала периодический закон таким ясным и очевидным. Без водорода таблица не имела бы своей стройности и логики, потому что именно первый элемент задал ту самую шкалу, по которой Менделеев измерил и упорядочил всю химию.
Ранее химики синтезировали молекулу берклоцена.