История создания периодической таблицы

История таблицы

Хотя 1 марта (17 февраля по ст. ст.) 1869 г. считается  датой открытия Д.И. Менделеевым  периодического закона химических элементов, ученый в этот день лишь завершил разработку таблицы “Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и  химическом сходстве”. Оттиски “Опыта системы...” с названиями на русском  и французском языках (таблицы 1 и 2) он разослал многим отечественным  и зарубежным ученым. “Опыт системы...”  был лишь прообразом периодической  системы, так как в нем еще  не отразилось четкое понятие периодов; атомные веса нескольких элементов  были неправильными, и поэтому эти  элементы попадали на не соответствующие  им по свойствам места (например, уран).

Комментарием  к “Опыту системы ...” стала статья Менделеева “Соотношение свойств с  атомным весом элементов”, написанная в первой декаде марта. Заключающие  ее выводы содержали важнейшие представления  о периодичности. Первый из них гласил: “Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств”. Здесь уже  содержался зародыш формулировки периодического закона.

В течение  последующих двух лет Менделеев  заложил основы учения о периодичности. В марте 1870 г. он изменил атомные  веса ряда элементов (например, приписал урану атомный вес 240, вследствие чего элемент оказался последним  в системе). В декабре того же года четко сформулировал понятия  о группах элементов, малых и  больших периодах; ориентировочно оценил их “емкость” (7 и 17); назвал свою систему  естественной; предсказал существование  не известных еще элементов, в  том числе экабора (будущего скандия), экаалюминия (галлия) и экасилиция (германия); впервые употребил термин “закон периодичности”. В апреле 1871 г. назвал систему периодической: “Было бы правильнее назвать мою систему периодической, поскольку она вытекает из периодического закона”. Наконец, дал четкую формулировку закона: “измеримые физические и химические свойства элементов и их соединений стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов”.

Итоговой  стала статья Менделеева “Периодическая законность химических элементов”, написанная ученым в июле 1871 г. “Это лучший свод моих взглядов и соображений о  периодичности элементов... Это причина  главная моей научной известности, потому 34что многое оправдалось  гораздо позднее” — так оценивал свою статью ученый на склоне лет. 
 
 
 

Таблица 4 помещена в 8-м издании “Основ химии” (1906 г.) В ней содержится нулевая группа, включающая открытые в 1894— 1898 гг. благородные (или инертные) газы. Обнаружение  этих газообразных элементов, не вступавших в химические взаимодействия, поставило  периодическую систему перед  серьезными трудностями; некоторые  исследователи даже отказывали этим “недеятельным” веществам в праве считаться химическими элементами. Однако впервые идея нулевой группы была высказана 5 марта 1900 г. на заседании Бельгийской академии наук Л. Эррерой, хотя его сообщение и было посвящено исследованию зависимости магнитных свойств простых веществ от мест, занимаемых соответствующими элементами в системе. У Менделеева нулевая группа расположена в левой части таблицы, перед группой щелочных металлов. Такое размещение благородных газов обычно принималось в большинстве публиковавшихся вариантов периодической системы вплоть до разработки ее теории и строгого определения понятия “период” с точки зрения теории строения атомов. Лишь в немногих таблицах нулевую группу располагали в правой части периодической системы (после галогенов).В таблице 4 дано четкое подразделение групп элементов на главные и побочные.

В таблицу  включен радий (под символом Rd). Этот факт отражал окончательное признание Д.И. Менделеевым открытия явления радиоактивности и радиоактивных элементов, к чему ученый первое время (после 1896 г.) относился настороженно.Несмотря на то, что к 1903 г. уже были открыты почти все РЗЭ, Менделеев поместил в таблицу только символы лантана, церия и иттербия, считая остальные недостаточно изученными. По поводу проблемы РЗЭ Менделеев в 1906 г. писал: “Тут мое личное мнение еще ни на чем определенном не остановилось, и тут я вижу одну из труднейших задач, представляемых периодической законностью”.

Таблица 5 принадлежит  австралийскому химику О. Мэссону (1895 г.). Помещенный здесь рукописный вариант был прислан автором Д.И. Менделееву (хранится в Архиве ученого в Санкт-Петербурге). Таблица Мэссона состояла из двух частей: основной и вспомогательной (приведена только основная). Особый интерес представляет следующее замечание Мэссона на полях таблицы: “Гелий и аргон помещаются в новую группу VIII, которая характеризуется валентностью 0 и атомностью =1”. (Мэссон имел ввиду число атомов в молекуле). Группа VIII содержит вакантные места, предназначенные для не открытых еще аналогов аргона и элемента, промежуточного между Не и Аr. Таким образом, предложение помещать новые газообразные элементы в VIII группу было высказано ранее появления идеи о нулевой группе. Далее, Мэссон, по-видимому, впервые, предлагает рассматривать водород как легкий аналог галогенов, включая символ Н в VII группу.

В том же году точку зрения о существовании  в периодической системе группы “инактивных” элементов с атомными весами 4, 20, 36, 84, 132, 212, 292 высказал датский  ученый Ю. Томсен (один из основоположников современной термохимии). Он, в частности, утверждал, что пришел к такому выводу еще до открытия аргона, однако “не хотел засорять науку гипотезами, которые невозможно было проверить”.

Историкам учения о периодичности Ю. Томсен известен как автор таблицы 6 — прототипа современной лестничной формы периодической системы (первый “набросок” лестничной формы встречается в работе английского химика Т. Бейли, 1882 г.). В таб-лице Томсена семейству РЗЭ предоставлено особое место, а их конечное число определено достаточно точно (~15). Кроме того. Томсон впервые сделал попытку математически выразить числа элементов в периодах: “Ряды, содержащие количества элементов 1, 7, 17, и 31, могли бы быть выражены как 1+2-3+2 • 5 + 2 • 7”.

Весной 1877 г. чешский химик Б. Браунер познакомился со статьей Д.И. Менделеева “Периодическая законность химических элементов” и пришел к выводу, что дальнейшее развитие периодической системы “зависит от решения вопроса: какое положение в системе занимают элементы редких земель?” Изучая их свойства на протяжении многих лет, Браунер стал одним из крупнейших специалистов по химии РЗЭ. По просьбе Менделеева Браунер написал для 7-го издания “Основ химии” (1903 г.) специальный раздел “Элементы редких земель”.

Долгое время  Браунер придерживался менделеевской точки зрения о размещении РЗЭ по группам системы. Но в 1902 г. он пришел к принципиально иному выводу: “Подобно тому, как в Солнечной системе целая группа астероидов занимает полосу на месте пути, по которому должна двигаться одна планета, так точно целая группа элементов редких земель могла бы занять в системе одно место, на котором в данном случае стоит один элемент... Элементы редких земель создали бы особую интерпериодическую группу... как продолжение теперешней четвертой группы, начиная от церия и кончая не известным до сих пор элементом с атомным весом 180, лежащим налево от тантала”. “Астероидная” гипотеза Браунера отражена в таблице 7. В “Основах химии” он обозначил РЗЭ в IV группе значком Се etc, а расшифровку дал под таблицей, как принято в настоящее время. Размещение всех РЗЭ в III группе первым предложил в 1906 г. немецкий химик К. Ценгелис-Атен, а окончательно развил эту идею его соотечественник Р. Мейер в 1914 г.

рис. 8

Таблица 8 была опубликована в 1905 г. швейцарским химиком  А. Вернером — основоположником химии  координационньк соединений. Эта таблица — прообраз современной длинной формы графического изображения периодической системы. В ней ряд РЗЭ располагается между II и III группами, а непосредственным аналогом Sc и Y является не открытый еще элемент (будущий лютеций). В таблице, пожалуй, впервые отражена идея, что в седьмом периоде может существовать второе “редкоземельное семейство”, в которое, в частности, входят, торий и уран. Также сделана попытка разместить в системе некоторые из открытых к тому времени радиоэлементов (обозначены символами Laa, Pba, Tea).

рис. 9

Таблица 9 связана  с именем шведского ученого И. Ридберга (1906 г.) и знаменательна  тем, что в ней проставлены  порядковые номера элементов (Ридберг  называл их порядковыми числами). Разумеется, они еще не имели современного физического смысла. Ученый исходил  из принципа: “расположим элементы согласно системе и поместим в  полученном ряду над каждым элементом  его порядковое число”. Однако это  было не самоцелью, а основывалось на исследованиях Ридбергом закономерностей  возрастания атомных весов в  периодах. “Порядковые числа” в  нижней части таблицы отличались от современных порядковых номеров  на 4 единицы. Для РЗЭ от церия  до тантала Ридберг отводил 18 мест.

Ради исторической справедливости следует отметить, что  понятие “номер” элемента ввел еще в 1865 г. английский ученый Дж. Ньюлендс. Оно понадобилось исследователю для формулировки “закона октав” (предвосхищение периодической повторяемости свойств элементов в их естественном ряду). В 1875 г. Ньюлендс употребил термин “порядковый номер”, однако никак не связывал его с периодической системой элементов, тогда как у Ридберга эта связь выражена отчетливо.

 
 
рис. 10

Таблица 10 опубликована английским ученым А. Камероном в 1909 г. В ней он сделал попытку разместить радиоэлементы трех радиоактивных  рядов в периодической системе. Впервые предложение размещать  химически тождественные радиоэлементы (изотопы естественных радиоактивных  элементов) в одной клетке системы  высказали в январе 1909 г. шведские химики Д. Стрёмгольм и Т. Сведберг. А. Камерон употребляет применявшиеся в то время обозначения радиоэлементов. В ряде случаев его таблица не отражает действительных химических свойств радиоэлементов, но например все эманации (изотопы радона) правильно размещены в нулевой группе. Камерон также первым рассмотрел на фоне периодической системы связь между типом радиоактивного распада и последующим изменением химической природы радиоэлемента. После открытия в первом десятилетии XX в. большого числа радиоэлементов (~30) периодическая система оказалась перед большими затруднениями, ибо в ней имелись лишь считанные свободные места в шестом и седьмом периодах. Работа Камерона наметила четкие пути выхода из положения, которые вскоре были реализованы (особенно после открытия английским ученым Ф. Содди явления изотопии в декабре 1913 г.). Отметим, что А. Камерон впервые ввел название “радиохимия”.

 
 
рис. 11

Нумерацию групп в системе элементов (с I по VIII) Д.И. Менделеев впервые ввел в ноябре 1870 г. — в таблице, приложенной  к статье “О месте церия в системе  элементов”. Тогда же он разделил элементы каждой группы на подгруппы (кроме VIII), однако, специально не обозначая их. Элементы от Li до F он называл типическими. Впервые обозначения подгрупп ввел, по-видимому, немецкий химик Э. Баур в 1911 г. (таблица 11). Он предложил термины “главная” [haupt] и “побочная” [neben] подгруппы, — пожалуй, единственный случай “словесного” обозначения подгрупп. Особенности таблицы Баура заключаются еще и в следующем: 1) поименованы недостающие в системе аналоги иода, цезия и тантала (соответственно, “супраиод”, “супрацезий” и “супратантал”), тогда как в других таблицах этим элементам соответствовали прочерки; 2) элементы семейства РЗЭ (от празеодима до лютеция) размещены как отдельная совокупность между четвертой и пятой группами.

Буквенные обозначения главной и побочной подгрупп “А” и “В” впервые  встречаются в таблице, предложенной американскими химиками А. Блэнчардом и Ф. Уэйдом в 1914 г. (таблица 12). Однако в ней содержатся неточности, которые сохранялись во многих таблицах, публиковавшихся в 1910-1920-х гг., даже после разработки теории периодической системы. Как известно, в главные (А) подгруппы входят элементы, в атомах которых заполняется внешняя электронная оболочка (т. е. s- и p-элементы), в побочные (В)-d-элементы (заполнение предшествующей электронной оболочки). Эта четкая закономерность в таблице Блэнчарда и Уэйда отражается только в первой и второй группах, тогда как во всех последующих налицо “инверсия” обозначений “А” и “В”. Кстати говоря, подобная система индексации главных и побочных подгрупп встречается и в некоторых современных таблицах.

Вероятно, впервые, Блэнчард и Уэйд употребляли термины “короткие” и “длинные” периоды (вместо менделеевских “малых” и “больших”). Символ Nt (нитон) вместо Rn (радон) довольно долго использовался в ряде таблиц.. Это название (“блестящий”) было предложено У. Рамзаем, но не привилось.

В январе 1913 г. голландский ученый А. Ван ден Брук предположил, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атомов. В конце 1913 — начале 1914 гг. английский физик Г. Мозли подтвердил это предположение экспериментально, установил порядковые номера элементов в ряду от алюминия до золота и показал наличие в нем пробелов, соответствующих не открытым еще элементам с Z= 43, 61, 72 и 75. Таким образом, определилось точное число элементов между водородом и ураном. Периодический закон получил физическое обоснование и современную формулировку: свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных веществ, находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов элементов (Z).