Научные открытия Д.И. Менделеева

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1.Роль Д.И. Менделеева в научной деятельности…………………….3

ГЛАВА 2. Принципы построения периодической системы элементов………7

ГЛАВА 3. Вклад Д.И. Менделеева в развитие России………………………..12

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………..14

ГЛАВА 1.РОЛЬ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА В НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Блеск химических открытий сделал современную химию совершенно специальной наукой, оторвав ее от физики и механики, но, несомненно, должно настать время, когда химическое сродство будет рассматриваться как механическое явление, подобно тому, как настало уже для нас время считать свет и теплоту подобными же явлениями.

Уже первые серьезные экспериментальные исследования в этой области привели Д. И. Менделеева к крупному открытию. Изучая явления капиллярности, он обнаружил, что при определенных условиях любая жидкость переходит в пар. Это общее свойство жидкостей получило название критической температуры (Д. И. Менделеев назвал ее температурой абсолютного кипения жидкостей). Об этой работе ученый впоследствии вспоминал так: «Отправленный за границу в 1859 г., я занимался в своей лаборатории в Гейдельберге почти исключительно капиллярностью, полагая в ней найти ключ к решению многих физико-химических задач. Отчасти разочаровавшись, затем я совершенно бросил этот трудный предмет, в котором, однако, думал самостоятельно».

Изучение капиллярности (сил сцепления) различных жидкостей требовало чистых веществ, хорошо откалиброванных капилляров и точных приборов, которые Д. И. Менделеев приобретал у лучших мастеров и фабрикантов того времени.

Вскоре Д. И. Менделеев изучил сжатие, которое происходит при образовании растворов жидкостей, изменение плотности спиртоводных растворов с изменением концентрации. Последняя работа стала его докторской диссертацией.

В 60-х годах прошлого века Д. И. Менделеев читал лекции в институте по теоретической, органической, аналитической и технической химии. В эти курсы он внес физико-химическое содержание. «Органическая химия» стала первым оригинальным учебником, который был написан русским ученым в той области химии, предмет которой исследователи определили еще в первые десятилетия XIX в.

С созданием атомно-молекулярной теории учение о составе органических соединений получило логическое развитие. Многие вопросы химической динамики также развивались на базе органической химии. Это объяснялось тем, что, во-первых, органические соединения не только в газообразном, но и в жидком и в твердом состоянии имели, как правило, молекулярное строение (куда более сложно было расшифровать строение солей, силикатов — минералов, металлов и сплавов); во-вторых, генетические связи между различными классами органических соединений удавалось установить с гораздо большей логической стройностью, чем при рассмотрении соединений других элементов.

Наконец, в органической химии началось изучение аддитивных физико-химических свойств веществ (наиболее известные из них удельные объемы и теплоты реакции), которые позволяли создавать классификацию соединений и их реакций.

Еще в 1862 г. Д. И. Менделеев в курсе теоретической химии пытался наметить систематику элементов, опираясь на анализ известных в то время их соединений с кислородом, фтором и хлором. Впервые прочитав в 1867 — 1868 гг. курс лекций по неорганической химии, Д. И. Менделеев увидел необходимость в издании отечественного учебника химии. Во время работы над вторым выпуском «Основы химии» Д. И. Менделеев открыл закон химической периодичности.

В лекциях, читавшихся в Петербургском университете, Д. И. Менделеев уделил значительное внимание сопоставлению атомных масс, рассмотрению типов аналогий между элементами, сравнению форм и классов соединений элементов естественных групп.

Большую роль в открытии периодического закона сыграли Химический конгресс в Карлсруэ (1860) и особенно выступление итальянского химика Станислав Канниццаро об определении атомных масс элементов. Важное значение Д. И. Менделеев придавал также работам французского химика Ж. Б. Дюма, который выдвинул идею о двух типах сходства между элементами (элемент-аналогия по горизонтальным и вертикальным столбцам системы), а также рассмотрел изменения, атомных масс в естественных группах элементов. Особое место в истории открытия периодического закона занимают также исследования английских ученых А. Франкланда (понятие о валентности), У. Одлинга (понятие о естественных группах) и Г. Роско (изучение сходства элементов, принадлежавших к разным естественным группам, например сходство фосфора и ванадия, серы и хрома).

Установление периодической зависимости между свойствами элементов и их атомными массами, предсказание свойств еще не открытых элементов на основе периодической системы стало научным подвигом Д. И. Менделеева. Он заложил основы учения о периодичности. Одно из его положений заключается и изучении взаимосвязи между свойствами соединений, их составом и строением. Важную роль в раскрытии этой взаимосвязи сыграли современные представления о строении атомов и молекул, о структуре кристаллов. Другая сторона учения связана с формой выражения периодического закона, рассмотрением взаимосвязи индивидуальных, специфических и общих свойств элементов.

Д. И. Менделеев применял новую систему понятий (место элемента в системе, зависимость свойств от массы) к рассмотрению «пределов протекания», скорости химических реакций, к изучению растворимости веществ в воде, к свойству газов. Ученый понимал, что физическое «состояние» частиц (молекул) изменяется в зависимости от агрегатного состояния. Особое значение он придавал изучению газообразных веществ, так как видел в этом большой теоретический (изучение строения материи) и практический (воздухоплавание, метеорология) смысл. Об этих работах он впоследствии вспоминал: «Всего четыре предмета составили мое имя: периодический закон, упругость газов, понимание растворов как ассоциаций и «Основы химии».

Значение учебника «Основы химии» для развития химии и решения важнейших философских проблем естествознания трудно переоценить. Это восемь изданий в России, несколько изданий на английском, французском и немецком языках, обширная переписка со многими выдающимися учеными по отдельным вопросам, поднятым на страницах учебника, положительные рецензии и отзывы коллег — вот итог более чем 35-летней работы над этим фундаментальным трудом по общей химии.

Ученый всегда придавал значение точности измерения. Он сконструировал немало приборов и приспособлений, позволяющих производить определение различных физико-химических величин: массы, плотности, поверхностного натяжения, длины, времени и т. п. Неудивительно, что Д. И. Менделеев в течение почти 15 лет своей жизни (1892—1907) возглавлял метрологическое учреждение России, «Главную палату мер и весов», которую сам и создал.

Разработка физико-химических основ металлургии, получения алюминия, оптического стекла, каучука, изучение цепных реакций, получение радиоактивных элементов, поиски полезных ископаемых стали возможны благодаря теоретическим трудам Д. И. Менделеева.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВЫМ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ

Как известно, созданная Д. И. Менделеевым периодическая система элементов представляет собой воплощение и конкретное выражение открытого им периодического закона. Открытие закона и построение системы — это две стороны одного и того же единого познавательного процесса. То и другое протекало у Д.И. Менделеева одновременно, в прямой зависимости одно от другого: чем совершеннее становилась выработанная система элементов, тем яснее выявлялся лежащий в ее основе закон, а чем глубже и четче Д. И. Менделеев раскрывал этот закон, тем последовательнее проводил он его в своей системе и тем более законченной и совершенной становилась сама периодическая система элементов. Поэтому одинаково неверно было бы утверждать, что Д. И. Менделеев сначала открыл закон, а потом на его основе построил систему элементов, или что он создал систему элементов, а потом вывел из нее лежавший уже фактически в ее основе закон.

Общей исходной идеей построения периодической системы элементов служило у Д. И. Менделеева стремление дать наиболее полное, всестороннее и глубокое выражение открытого им закона. Такая именно идея красной нитью проходит через всю долголетнюю работу Д. И. Менделеева над периодической системой. Эта общая исходная идея нашла конкретное выражение в ряде принципов, которыми ученый руководствовался при построении и последующем усовершенствовании своей системы элементов.

Место элемента в системе. Одним из наиболее важных положений (или принципов), на которые опирается периодическая система элементов, служит представление о месте отдельного элемента в этой системе. Место элемента в системе выражает совокупность всех коренных свойств данного элемента, взятого не как нечто отдельное, обособленное, а в его закономерной связи со всеми остальными элементами. Поэтому место элемента выражает совокупность коренных свойств, или, что то же самое, совокупность связей и отношений данного элемента со всеми остальными, расположенными согласно периодическому закону.

Система элементов может иметь самые различные геометрические, графические выражения (табличное — клеточное или неклеточное; диаграммное; в виде различных кривых и ломаных линий; радиальное; объемно-пространственное и т. д.), в таком случае место элемента в системе выражается соответственно как клетка (или ее часть), как определенный участок (место) в столбце или строчке, как точка на линии и т. д. Но система элементов может быть выражена также и аналитически, алгебраически, в виде определенного математического уравнения. В таком случае место элемента в системе будет изображаться уже не в виде определенного геометрического образа, а математически, как совокупность дискретных значений определенных переменных, однозначно определяющих реальное место данного элемента в периодической системе. Распространенная ошибка в понимании взглядов Д. И. Менделеева на периодическую систему элементов и их значения для современности состоит в отождествлении общего понятия места элемента в системе с частным его выражением в виде клетки таблицы элементов, т. е. с одним из возможных пространственных ого образов.

Д. И. Менделеев исходил из однозначной связи между данным элементом и соответствующим ему местом в системе: каждому элементу отвечает одно и только одно строго определенное место в системе и на каждое место в системе приходится один и только один строго определенный элемент. Тем самым у Д. И. Менделеева место в системе становилось определяющим признаком данного элемента.

Всеобщность периодической системы. Другим существенным принципом построения периодической системы было у Д. И. Менделеева признание ее всеобщности, ее всеобъемлющего характера, т. е. охвата ею всех без исключения химических элементов. Все элементы входят в периодическую систему, занимая в ней определенные места: нет и не может существовать химических элементов, которые не охватывались бы периодической системой и которые, следовательно, не подчинялись бы периодическому закону. Этот вывод прямо вытекал из признания, что периодический закон есть истинный (т. е. объективный) закон природы, а потому, подобно всем законам природы, он является всеобщим.

Отсюда вытекали две большие задачи: во-первых, определить место в периодической системе для каждого уже известного элемента, исходя из совокупности его свойств, и, во-вторых, выяснить наличие свободных мест в системе и на их основании определить предположительно совокупность свойств по возможности для всех еще не открытых элементов. Первую задачу Д. И. Менделеев решал главным образом с февраля 1869 г. до ноября 1870 г. и позднее в связи с размещением редкоземельных элементов, а также аргона и его аналогов. Вторую задачу Д. И. Менделеев решал главным образом с ноября 1870 до августа 1871 г. Он вернулся к ней и позднее в связи с определением свойств предполагавшихся элементов, которые должны были, по его мысли, занять в системе два места перед водородом. Признание всеобщности периодического закона и основанной на нем системы явилось непосредственно исходным пунктом научного подвига, который совершил Д. И. Менделеев, предсказывая свойства еще не открытых элементов...

Три направления в короткой таблице. Одним из принципов разработки периодической системы элементов служило у Д. И. Менделеева то обстоятельство, что всякая таблица имеет два основных направления: вертикальное (столбцы) и горизонтальное (строки). В своей таблице Д. И. Менделеев располагал по вертикали элементы с близкими свойствами, но далекими по значению атомными массами (группы и подгруппы), а по горизонтали — элементы с различными свойствами, но близкими по величине атомными массами (периоды и ряды). Для VIII группы, а также редкоземельных элементов обе характеристики как бы совмещались: близость свойств сочеталась с близостью значений атомных масс (семейства). В итоге складывались классификационные понятия «группа», «подгруппа», «период», «ряд» и «семейство».

Исследование характера изменения свойств элементов по горизонтали привело Д. И. Менделеева к открытию двоякого характера скачков при последовательном переходе от одного элемента к другому, смежному с ним по периодической системе. При одном и том же незначительном изменении атомной массы на 2—3 атомные единицы (в среднем) происходит либо довольно резкое изменение химических и прочих свойств у элементов (например, при переходе от Na к Мg, от Мg к Аl, от А1 к .S1 и т. д.), либо довольно постепенное изменение этих свойств (например, при переходе от Fе к Со, от Со к Ni, а также от Мn к Fе и от N1 к Сu и т. д.). Другими словами, резкие скачки наблюдаются по концам периодов и, особенно при переходе от одного периода к другому, а внутри периодов (в середине больших периодов) совершаются скачки в форме более постепенного перехода от одного качества элементов (металлов) к другому (неметаллам). В еще большей степени постепенность такого перехода обнаруживается у редкоземельных элементов.

Наличие двух основных направлений в короткой таблице позволило Д. И. Менделееву ввести «координатное» обозначение места элемента в системе, причем номер групп служил абсциссой, а номер ряда — ординатой (в соответствии с декартовой системой координат). Нередко Д. И. Менделеев вместо места элементов в системе указывает только его координаты, а иногда даже самый элемент характеризует одними его координатами. Например, цинк обозначается как элемент II—5. Эти две цифры сразу указывают на множество свойств данного элемента: его валентность, способность давать металлоорганические соединения и др. Координаты места в системе могут служить указанием на определяющие признаки элемента как в качественном, так и в количественном отношении.

Кроме двух рассмотренных основных направлений, Д. И. Менделеев исследовал еще третье, дополнительное — диагональное, определяя в этом направлении разности атомных масс и близость химических свойств у элементов, расположенных в таблице по диагонали, например у Ве и А1, у Li и Мg и т. д.

Таковы были те принципы, на которых Д. И. Менделеев строил свою периодическую систему элементов.

ГЛАВА 3. ВКЛАД Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА В РАЗВИТИЕ РОССИИ

Связь теории с практикой, экономическое обоснование и предвидение будущего развития страны — вот основные положения, которыми руководствовался ученый в своих действиях.

Еще в 60-е годы, работая в Технологическом институте, Д. И. Менделеев увлекся вопросами нефтехимии и агрохимии, Позже его привлекли многочисленные задачи индустриализации страны, овладения просторами Северного Ледовитого океана, освоение воздушного океана, создание искусственной пищи и синтетических материалов, бездымного пороха (пироксилина) и вопросы охраны окружающей среды.

Перспективный научный подход Д. И. Менделеев применял к решению проблем развития в нашей стране промышленности и сельского хозяйства. Здесь он выступал не только как гениальный естествоиспытатель, но и как прогрессивный общественный деятель. Это свидетельствует о том, что и общественный прогресс он представлял связанным с интенсивным развитием промышленности, основанной на использовании и внедрении достижений науки.

В то же время одной из целей индустриального развитии Д. И. Менделеев считал обеспечение машинами и удобрениями сельского хозяйства, строительство в сельских районах небольших предприятий, которые позволяли бы обеспечить занятость населения этих районов в свободное от полевых работ время.

Когда в конце XIX некоторые специалисты считали, что запасы сырья и топлива на Урале недостаточны для перспективного развития этого края, Д. И. Менделеев в книге «Уральская железная промышленность» обосновал противоположную точку зрения.

Большое внимание Д. И. Менделеев уделял выявлению и разработке топливных ресурсов России. Впервые в мире им была высказана мысль о возможности подземной газификации топлива, которая весьма актуальна для стран, не имеющих больших запасов природного газа. Совершив в 1888 г. продолжительную поездку по Донбассу, Д. И. Менделеев пришел к выводу, что каменноугольные запасы, как и другие ископаемые, должны быть не частной, а общегосударственной собственностью.

Изучая нефтяные месторождения в районе Баку, ученый заявил о недопустимости использовать нефть только как топливо: «Топить можно и ассигнациями», — писал он в одной из своих экономических статей.

Тщательно исследовав состав и свойства нефти, Д. И. Менделеев разработал новые способы переработки ее, сконструировал специальные аппараты для непрерывной перегонки нефти. Он же высказал мысль о целесообразности постройки нефтепроводов, специальных нефтеналивных судов и цистерн, а также идею об организации нефтеперерабатывающих заводов в верхнем и среднем течении Волги, на одном из которых, под Ярославлем, он сам работал в 1881 г.

Много интересных мыслей высказал Д. И. Менделеев о перспективах развития химической промышленности, о химизации народного хозяйства. Он писал: «Центр понимания всей современной промышленности должно искать в сознательном пользовании химическими превращениями вещества». Указывая на связь между индустриализацией страны и дальнейшим ростом химической промышленности, ученый исходил из того, что химия позволяет обеспечить комплексную переработку сырья, использовать отходы, создавать новые продукты и материалы.

Почти все академии мира избрали Д. И. Менделеева своим членом, он был также почетным доктором, членом многих университетов и членом научных обществ Европы и Америки. Ему были вручены медали Дэви, Фарадея, Коплея (эта высокая награда сравнима с Нобелевской премией, введенной позже).

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Баранов Г.В. Концепции современного естествознания :Учебник.-Изд.3-е перераб.и доп.-М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2007.- 704с.:ил.

2.Крицман В.А. Энциклопедический словарь юного химика/ под ред. В.А. Крицмана, В.В. Станцо.-М.:Издательство «Педагогика»,1982.-366с.

3.Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. Ч 1: Пособие для учащихся/ под ред. В.А. Крицмана.-2-е изд., перераб.-М.: Просвещение, 1983.-320с., ил.

4.Пышнограева И. Справочник школьника. Химия/ под ред. И.Пышнограевой.-М.:Филологическое общество «Слово», Компания «Ключ-С», 1995.- 480с.