Научные исследования в области химии были бы немыслимы без главного открытия XIX века – Периодического закона. В 1868 году свой вариант системы химических элементов предложил российских химик Дмитрий Иванович Менделеев. Чтобы понять, что же все-таки объединяет одни и рознит другие элементы, ученый написал на карточках основные свойства каждого элемента и многократно переставлял их, составляя ряды сходных элементов.
По итогу работы в научные учреждения России и других стран был отправлен первый вариант периодической системы, где элементы расположились по шести вертикальным столбцам и двенадцати горизонтальным рядам.
Через год, в 1870-м, Менделеев опубликовал свой учебник – «Основы химии», где изложил второй, привычный нам, вариант таблицы. Ученый дополнил ее новыми элементами и переместил их. Горизонтальные столбцы превратились в восемь вертикально расположенных групп, а шесть вертикальных столбцов стали периодами с двумя рядами – для подгрупп.
Вы сейчас возразите: «Как так, Менделееву же таблица приснилась во сне!» По легенде, идея о системе химических элементов действительно пришла к ученому во сне. Но однажды Менделеева спросили, как он открыл периодическую систему. Знаете, что он ответил? «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг... готово».
В 1871 году Менделеев дал формулировку Периодического закона: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Таким образом, Менделеев не просто составил таблицу и указал закономерности в числах, но и решился назвать их общим законом природы. Он изменил некоторые атомные массы элементов на более точные, а также подробно описал свойства тогда еще не открытых элементов по «правилу звезды»: свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа).
Читайте также из рубрики Наука: Работа над ошибками: в России вновь создадут гиперзвуковой гражданский самолет
До открытия Периодического закона естествоиспытатели в области химии сталкивались с недостаточным количеством экспериментальных данных. Многие химические элементы еще не были открыты, а значения их характеристик были неверными.
Немецкий химик Иоганн Дёберейнер вывел так называемый закон триад, или тройное единство. Он заметил, что если расположить три похожих по химическим свойствам элемента в порядке возрастания их атомных масс (значение массы атома), то атомная масса среднего элемента будет равна полусумме масс первого и третьего. Элементы могли быть разные – нужно было подбирать. Это доказывало: взаимосвязь между атомными массами и свойствами элементов есть, однако разбить все известные элементы на триады химику не удалось.
|
Дмитрий Иванович Менделеев. Фото: objetoseducacionais2.mec.gov.br |
Расположить химические элементы в порядке возрастания атомных масс решил Александр Эмиль Шанкрутуа. Его модель называлась «земной спиралью», и размещал он элементы вдоль винтовой линии, отмечая частое циклическое повторение химических свойств по вертикали. Например, литий, калий и натрий, которые попадали в одну линию, хорошо реагировали с водой в химических реакциях. Химик был прав: в периодической таблице Менделеева эти элементы действительно находятся на одной линии – по вертикали. Но если одни элементы идеально подходили под модель «земной спирали», то другие были «втиснуты» туда Шанкрутуа насильно. Например, в группу кислорода и серы входил титан, не имеющий с ними ничего общего по химическому поведению.
В 1866 году химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс предложил периодическую систему, напоминающую знакомую нам менделеевскую, но изюминкой ее была музыкальная гармония элементов. Если расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то сходства проявляются между каждым восьмым элементом, то есть после каждого седьмого. Ньюлендс отметил, что это очень похоже на семь нот – они так же повторяются спустя семь «шагов». Закономерность Ньюлендс назвал «законом октав». Однако, располагая элементы по этому закону, в таблице просто не осталось свободных мест, и к открытию химика отнеслись скептически.
Самыми приближенными вариантами к менделеевскому эталону были периодические таблицы Ульяма Одлинга и Лотара Мейера. Первый разместил элементы согласно их атомным весам и сходству химических свойств, но не сопроводил их какими-либо комментариями. Второй понял, что размещать элементы нужно по столбцам, согласно их валентностям, то есть способности атомов химических элементов образовывать определенное число химических связей. В таблице Мейера было девять вертикальных столбцов. Менделеев вобрал в свою таблицу практически все предшествующие исследования ученых, сформулировав Периодический закон.
Достоверность закона российского ученого подтвердилась очень скоро: в 1875-1886 годах были открыты галлий, скандий и германий, для которых Менделеев, пользуясь периодической системой, предсказал не только возможность существования, но и целый ряд физических и химических свойств. С середины 1880-х годов Периодический закон был окончательно признан мировым сообществом в качестве одной из теоретических основ химии.
Дальнейшее развитие периодической системы связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались все новые и новые элементы. В 1939 году женщина-ученый из Франции Маргарита Перей открыла «франций». В 2010 году, с обнаружением 117 элемента – «теннесина», седьмой период в таблице, проще говоря – седьмая строка, был завершен.
В ноябре 2017 года Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, англ. InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) объявил об утверждении названий новых открытых элементов периодической таблицы Менделеева. «Нихоний» с атомным номером 113 – в честь Японии, одно из названий которой – Нихон. «Московий», 115 – в честь древней русской земли Московия, современной Московской области, где располагается Объединенный институт ядерных исследований и Лаборатория ядерных реакций, открывшие этот элемент. «Теннесин», 117 – в честь американского штата Теннеси, где находится Окриджская национальная лаборатория. И «Оганессон», 118 – в знак признания новаторского вклада в исследование сверхтяжелых элементов научного руководителя Лаборатории ядерных реакций академика РАН Юрия Цолаковича Оганесяна. Приоритет в открытии 113-го элемента отдали ученым центра РИКЕН в Японии, а приоритет в открытии остальных трех элементов – интернациональной команде ученых международного Объединенного института ядерных исследований в Дубне, Ливерморской и Окриджской национальных лабораторий США.
Деятельность ученых-химиков сегодня невозможно представить без открытия Периодического закона Менделеева и без составленной им таблицы. Современными разработками занимается созданный в 1948 году в Петербурге Институт высокомолекулярных соединений РАН. Основа всех исследований института –термостойкие, высокопрочные и лекарственные полимеры. Название «полимер», образованное от греческого слова «поли», что переводится как «много», говорит само за себя: полимерами называют сложные химические соединения, структура которых образована цепочками большого числа однотипных звеньев. Представьте себе иголку с ниткой, на которую нанизываются бусины – молекулы-мономеры. Чем длиннее цепочка, тем выше считается степень полимеризации. Одно звено может состоять из 150 тыс. таких бусинок. Так «для чайников» выглядит процесс полимеризации. Мы хорошо знакомы и с природными полимерами (глина, каучук, кожа, целлюлоза), и с искусственными (капрон, нейлон, различные виды пластмасс).
Институт высокомолекулярных соединений РАН на Васильевском остров. Фото: wikimedia.org
Основываясь на полимере, который обладает способностью встраиваться в организм пациента и не вызывать каких-либо побочных действий, ученые Института высокомолекулярных соединений разработали методику получения имплантатов кровеносных сосудов. Так же, на основе полимеров, в ИВС РАН разработали огнетушитель, в котором реактивным компонентом являются микрокапсулы. Принцип его действия прост: оболочки микрокапсул разрушаются, и на бушующее пламя выбрасывается жидкий огнегаситель.
Институт высокомолекулярных соединений является ведущим и самым крупным научным центром России в области науки о полимерах. Его уникальность состоит в том, что в нем изначально работают не только химики, но и физики. Это позволяет проводить синтез (получение химических соединений с помощью химических реакций) и анализ полимеров всеми доступными методами, а также делать прогнозы свойств для получения новых полимеров.
Дороги без пробок и ДТП, подводное дыхание, инвалидное кресло, управляемое силой мысли, – еще больше открытий отечественных ученых в рубрике Наука
Две международные лаборатории, открытые в институте в рамках господдержки научных исследований, занимаются инновационными технологиями – созданием полимеров с наночастицами, новых материалов для печати неотторгаемых человеческих органов и экологически чистой упаковки. В 2018 году ИВС РАН получил мега-грант на создание третьей международной лаборатории. Руководить ею будет ведущий ученый из США – Сергей Шейко. Ученые собираются вести работу над архитектурным программированием полимерных материалов, которые в будущем будут имитировать живые ткани.
В Международный год Периодической таблицы, провозглашенный Генеральной Ассамблеей ООН, Институт высокомолекулярных соединений примет участие в Менделеевском съезде в Петербурге. «Мы планируем принять активное участие в форуме: выступления с докладами, знакомство с достижениями коллег, налаживание новых связей, в том числе – партнерства на международном уровне. Для всех институтов химического профиля это будет знаковый год, когда особенно важно содействовать мероприятиям в областях естественнонаучного образования, информационно-разъяснительной деятельности, выставочной работы. Одной из основных целей института станет обратить на себя внимание молодежи, чтобы привлечь ее в науку», – рассказывают в институте.
Молодежь в науке – для ИВС РАН это не пустой звук. Участие в Международном культурном форуме, в акции «Ночь музеев», совместная с художниками группы «Митьки» выставка «Митьки и нанотехнологии», художественная выставка уникального научного оборудования «Квантологосы»... Но больше всего восторженных отзывов от юных умов получили бесплатные экскурсии по лабораториям института для старшеклассников.
