Научные достижения Д.И. Менделеева

В природе не были известны одноатомные соединения. Теперь они известны. Это инертные газы. Значит, вначале приходилось  решать задачу определения молекулярной массы соединения, затем состава  соединения и атомную массу составляющих элементов. Химики, столкнувшись с разнообразием  соединений, должны были принять за эталон сравнения самое простое  вещество. Это водород, атомная масса  которого послужила основой шкалы  атомных масс. Берцелиус, Гмелин, Дюма, Жерар – каждый из них внес свою лепту в создание атомно-молекулярной теории. Выводы из работ этих ученых были хорошо известны Менделееву.

2.2 Химическая  теория растворов

Еще одной важной стороной научной деятельности Менделеева является создание учения о растворах.

Развивая учение о составе и строении неорганических соединений, ученый сравнивал сплавы, растворы и изоморфные смеси и  убедился в том, что в этом случае приходится говорить о «неопределенных  соединениях». При этом его занимал  в первую очередь вопрос о том, какие элементы или их совокупности способны давать соединения определенные и какие – неопределенные.

Уровень современной  Менделееву науки не позволял ему  более широко решить вопрос о взаимосвязи  свойств и состава (центральная  проблема формировавшегося учения о  периодичности).

Его первое крупное  исследование по растворам – докторская диссертация «О соединении спирта с  водой» (1865г.) – содержало результаты наблюдений за взаимосвязью плотности  и концентрации растворов спирта в воде, а также о методе обнаружения  и изучения гидратов.

Менделеев рассматривал водные растворы как жидкие динамические системы, в которых соединения находятся  в состоянии подвижного химического  равновесия.

Какие же соединения могут находиться в растворах? Это  соединения трех видов: молекулы растворителя, растворенного вещества и продукты их взаимодействия. Сочетание их определяется природой веществ, концентрацией, температурой. При этом в такой системе одновременно может происходить несколько  реакций, сущность которых выражается определениями: «ассоциация» и «диссоциация».

Каков характер зависимости свойств от состава  – второй вопрос, в решении которого Менделеев также значительно  продвинулся вперед.

В современной  науке взгляды Менделеева на растворы получили дальнейшее развитие.

В учении о растворах  общим должно считаться то, что  при растворении практически  всегда имеет место химическое взаимодействие между растворяемым веществом и  растворителем. Отсюда возникают такие  понятия, как динамическое равновесие, растворимость (и концентрация).

Но вместе с  тем существуют и различия: растворы и расплавы, разбавленные и концентрированные  растворы, ненасыщенные и перенасыщенные растворы имеют свои особенности  или специфические свойства.

Свойства водных растворов в значительной степени  определяются индивидуальными свойствами растворителя – воды. Вода – уникальное соединение по многим физическим и  химическим свойствам. Вода отличается даже от ближайших к ней водородных соединений других элементов по типу связи или классу соединений.

Как теперь установлено, в твердой фазе (лед) образуются тетраэдрические  структуры в результате возникновения  водородных связей между атомами  водорода в молекуле воды и неподеленной электронной парой другой молекулы. Каждый атом кислорода имеет две  неподеленные электронные пары. Следовательно, в ближайшем окружении находятся  четыре атома водорода: два «своих»  и два «чужих». В пространстве эта фигура представляет собой тетраэдр, который по своим свойствам, конечно, будет отличаться от другого тетраэдра, например, из атомов углерода (алмаз), ибо  в последнем случае в вершинах тетраэдра находятся атомы одного элемента. Тетраэдр принадлежит к  числу довольно плотных упаковок.

Различные вещества, попадая в воду, способны либо стабилизировать  ее структуру, либо частично или полностью  ее разрушать. С увеличением концентрации растворов, особенно при растворении  сильных электролитов, могут происходить  дополнительные явления. Тогда, кроме  процессов перехода кристалла в  раствор и гидратации, осуществляются реакции гидролиза, комплексообразования, окисления-восстановления и др.[3]

2.3 Периодический  закон

В 1869 году Менделеев, расположив известные в то время  химические элементы в определенном порядке (в общем соответственно возрастанию атомного веса), обнаружил  периодичность химических и некоторых  физических свойств простых тел  и соединений элементов. Ученый пришел к периодической системе химических элементов. Он составил таблицу элементов, написав их названия одно за другим в порядке возрастания атомного веса и расположив элементы со сходными химическими свойствами один под  другим. При этом в столбцах таблицы  – группах – оказались элементы со сходными свойствами.

Теперь эта  таблица известна всему миру. Ее изучают во всех школах. Ее подробно излагают во всех учебниках химии.

Открытие Менделеева – важная веха в истории представлений  о природе.

В 19 веке химия  получила множество достоверных  знаний о составе различных молекул. Но внутрь атома наука еще не проникла. Объяснить различия атомов и, следовательно, различия между химическими элементами структурой атомов, числом и расположением  входящих в них частиц можно было после того, как ряд крупных  открытий, прежде всего открытие периодической  системы, продемонстрировали известный  порядок в свойствах атомов. Теперь каждое предположение о внутренней структуре атома должно было объяснить, почему при возрастании атомного веса периодически повторяются свойства элементов. Наука получила прочную  опору и вместе с тем мощный стимул для дальнейшего движения.

У Менделеева были предшественники, заметившие повторение свойств элементов. Но никто из них  не создал единой системы, объясняющей  всю совокупность химических явлений.

Такую систему  создал Менделеев. Он рассказывал, как  в течение долгого времени  происходили поиски, приведшие к  открытию.

На картонных  карточках Менделеев писал названия элементов, атомные веса и отмечал  формулы важнейших соединений. Особенное  внимание он обращал при этом на валентность, то есть на способность  атома данного элемента соединяться  с определенным числом атомов другого  элемента. Менделеев раскладывал  эти карточки в разных сочетаниях, руководствуясь мыслью о связи между  элементами, о сходстве свойств различных  элементов. Он искал связь не только между элементами, сравнительно близкими друг к другу по химическим свойствам, но и между элементами несходными. Он находил такую связь, несходные  элементы оказывались близкими по атомному весу, а, в свою очередь, элементы со сходными свойствами отстояли друг от друга сравнительно далеко по атомному весу, причем расстояние между сходными элементами повторялось.

Обнаружив периодическое  повторение химических свойств в  ряду элементов, расположенных по возрастающему  атомному весу, обнаружив, что между  сходными элементами стоит одно и  то же число других элементов, Менделеев  составил таблицу элементов, написав названия сходных элементов одно под другим. В каждой клетке таблицы мы видим символ элемента (первые буквы латинского названия), порядковый номер и число, обозначающее атомный вес (округленно). Из клеток составляются вертикальные столбцы (группы элементов) и горизонтальные строки (периоды).[4]

Созданная Менделеевым  в 1869-1871 гг. периодическая система  является естественной классификацией элементов, математическим отражением периодического закона, открытого им и сформулированного им так: «Свойства  простых тел, а также формы  и свойства соединений элементов  находятся в периодической зависимости  от атомных весов элементов».

Достижения современной  науки дали возможность раскрыть физическую сущность периодического закона: периодичность в изменении свойств  химических элементов обусловлена  периодическим изменением характера  заполнения электронами внешнего электронного слоя (сходные электронные конфигурации атомов периодически повторяются) по мере возрастания числа электронов, определяемого  зарядом ядра. Заряд ядра равен  порядковому номеру элемента в периодической  системе.

Современная формулировка периодического закона такова: «Свойства  элементов и образуемых ими простых  и сложных веществ находятся  в периодической зависимости  от заряда ядра атомов элементов».

Периодическая таблица – графическое изображение  закона на двухмерной плоскости.

Структура таблицы, разработанная Менделеевым, во многом сходна с современной. принцип построения – подразделение на периоды (1 – 7, седьмой незаконченный) и группы (I – VIII). Период – последовательный ряд элементов, атомы которых  отличаются числом электронов в наружном электронном слое и у которых  происходит заполнение одинакового  числа электронных слоев. В каждом периоде начинает заполняться новый  электронный слой. Номер периода  указывает на число электронных  слоев. Номер группы, как правило, указывает на высшую степень окисления  по кислороду.[8] Менделеев был настолько  уверен в объективности открытого  им закона, что счел возможным исправить  на основании этого закона атомные  веса, приписывавшиеся в то время  некоторым элементам. Правильная периодичность  наблюдалась только в том случае, когда после некоторых элементов  оставалась свободная клетка. Менделеев  предсказал даже свойства элементов, которым  он заранее предоставил свободные  места в своей таблице.[4]

Предсказания  Менделеева о существовании новых  элементов блестяще оправдывались, и периодическая система обогащалась  с каждым новым открытием. Периодический  закон явился основой развития науки  о строении вещества.

2.4 «Основы химии»

Важным своим  достижением Менделеев считал создание «Основ химии» - учебника-монографии, равного  которому, пожалуй, нет в истории  химической литературы.

«Основы химии» явились первым в мире опытом систематизации химических знаний с помощью периодического закона. Первое издание этого капитального труда вышло в свет в 1869-1871 гг.

Менделеев писал: «Основы» - любимое мое дитя, в  них образ мой, мой опыт педагога, мои задушевные научные мысли».

На протяжении многих лет автор не прекращал  работы над «Основами химии», непрерывно совершенствуя и расширяя свой труд от издания к изданию. Учебник  неоднократно переводился на иностранные  языки и пользуется заслуженной  популярностью далеко за пределами  России. На этом руководстве воспитывалось  не одно поколение русских и иностранных  химиков.[2] Как никакой другой учебник, «Основы химии» формируют у читателя тот строй восприятия природных  явлений, который называют «химическим  мышлением».

В этой книге  обширен не только фактический и  теоретический материал, но и много  внимания уделяется идеям философии  и методологии науки. В нашей  стране изучение химии осуществляется в соответствии с теми методическими  приемами, которые заложил Менделеев. Современные учебники опираются  на новые теоретические положения, но менделеевские традиции в преподавании химии актуальны и в наше время. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На склоне лет  великий ученый писал: «По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и  развитие обещает, хотя как русского меня хотели затереть, особенно немцы. Тут мне везло счастье, особенно с предсказанием свойств галлия и германия. Тут, как и во многом другом научном, более всего узнал  я английские симпатии, хотя я не англофил, сколько себя понимаю. Вот  об упругости при малых давлениях  еще поныне, хотя прошло 30 лет, говорят  мало. Но тут я надеюсь на будущее. Поймут же, что найденное мной и  обще, и важно для понимания  всей природы и бесконечно малого…  С растворами, по-видимому, разбираться  начинают… Тут у меня мало фактического, но твердое начало вложено ясно, и тут я более всего надеюсь  на американцев, которые начинают много  хорошего производить в химии. Они  вспомнят меня в свое время, тем более  что очевидно, что они изучают  химию под углом зрения «Основ химии», для них издают новые издания  английского перевода.

Эти «Основы» - любимое  дитя мое. В них – мой образ, мой опыт педагога и мои задушевные научные мысли…

Как педагог  я клал в дело и возбуждение, и  душу, а о том, что не бесследно, свидетельствовало множество свободных, независимых и зрелых людей. Ко мне  в аудиторию ломились не ради красных  слов, а ради мыслей.»[5]

Менделеев открыл научные законы, применение и развитие которых расширило знания людей  о невидимом мире мельчайших частиц вещества и вместе с тем позволило  поставить на службу человеку чрезвычайно  мощные источники энергии, таившейся  внутри этих частиц.