ojciec układu okresowego

chęć odkrywania wzorców w naszym otoczeniu wydaje się być podstawową cechą człowieka. Tysiące lat temu nasi odlegli przodkowie zbudowali masywne kamienne pomniki, które zostały dokładnie wyrównane do znaczących punktów rocznego cyklu Słonecznego. W XIX wieku rozważni chemicy zauważyli rodzinne podobieństwa między pierwiastkami i próbowali osadzić je w paradygmacie wyjaśniającym.,

półtora wieku temu Dmitrij Mendelejew zrobił decydujący krok w poszukiwaniu porządku wśród pierwiastków, publikując pierwszy szkic układu okresowego. W 2019 roku światowa społeczność chemików obchodzi tę rocznicę i słusznie. Podobnie jak Stonehenge, stół odzwierciedla regularności w przyrodzie, które były spowodowane przyczynami, które pozostały tajemnicze, gdy został zbudowany. Ale jak Mendelejew zbudował swój pomnik?,

Wczesne lata

Dymitr dorastał na Syberii, na obrzeżach zachodniej cywilizacji. Jego dom, Tobolsk, jest 1000 km bliżej Pekinu niż Paryża, a jego droga stamtąd do naukowej Eminencji była trudna., Był najmłodszym z kilkunastu rodzeństwa Mendelejewa, a wkrótce po jego urodzeniu w 1834 zły stan zdrowia zmusił jego ojca Iwana, nauczyciela w szkole średniej, do przejścia na emeryturę. Nieodpowiednia emerytura Iwana skłoniła jego żonę Marię do przejęcia zarządzania częściowo opuszczoną hutą szkła, prowadzoną wcześniej przez jej brata.

przedsiębiorstwo to utrzymywało rodzinę do 1848 roku, kiedy to spłonęło. Potem Iwan zmarł, a w 1849 Maria zabrała dwoje najmłodszych dzieci do Moskwy, mając nadzieję, że jej brat pomoże Dymitrowi wejść tam na uniwersytet., Gdy ten plan się nie powiódł, przenieśli się do Petersburga i w 1850 r. Dymitr został przyjęty (nieco niechętnie) przez kolegium, w którym jego ojciec kształcił się jako nauczyciel. Tam wykładowca-Alexander Voskresensky, który studiował w Niemczech pod kierunkiem Justusa Liebiga-zachęcił Dymitra do zainteresowania się chemią.

ukończył studia w 1855 roku, a jego dysertacja o izomorfizmie i innych związkach między formą fizyczną a składem chemicznym została opublikowana w czasopiśmie górniczym. Kolejne artykuły do periodyków naukowych i technicznych były kontynuowane, ale brakowało mu pewnego dochodu., W tym czasie jego matka i siostra zmarły, a on sam cierpiał na coś, co wydawało się być gruźlicą. Jednak rok nauczania w bardziej łagodnym klimacie Krymu znacznie poprawił jego zdrowie, a nowy lekarz z pewnością odrzucił poprzednią diagnozę.

jesienią 1856 roku Mendelejew obronił pracę magisterską na temat zależności między poszczególnymi objętościami substancji a ich własnościami krystalograficznymi i chemicznymi. Wkrótce potem Uniwersytet Petersburski przyznał mu licencję nauczyciela chemii, co umożliwiło mu dostęp do jego laboratorium., W 1859 otrzymał państwowe fundusze na dwuletnie studia za granicą.

rozpoczynając karierę

na Uniwersytecie w Heidelbergu w Gemanie Mendelejew prowadził badania na kilka tematów, w tym napięcie powierzchniowe, kapilarność i parowanie, a przez całą karierę utrzymywał zainteresowanie siłami międzycząsteczkowymi. W 1860 roku uczestniczył w konferencji w Karlsruhe, gdzie Włoski chemik Stanislau Cannizzaro wygłosił przełomową pracę na temat mas atomowych (obecnie nazywanych względnymi masami atomowymi)., Był to kluczowy krok w kierunku układu okresowego, ponieważ wcześniej trwały spory dotyczące przypisywania pierwiastkom ciężarów atomowych.

niektórzy chemicy twierdzili, że te masy są nieistotne, lub zaprzeczali w ogóle fizycznemu istnieniu atomów. Inni woleli system oparty na masie atomowej 8 dla tlenu, zakładając, że formuła wody To HO, a nie H2O. jednak w Karlsruhe Cannizzarro ożywił pomysły swojego rodaka Amadeo Avogadro, aby wspierać formułę wody H2O i masę atomową 16 dla tlenu., W latach 60-tych XX w. opinia popsuła się na jego korzyść-na szczęście dla Mendelejewa, ponieważ regularności, które wskazywały go na układ okresowy, byłyby mniej widoczne w starszym układzie.

Po powrocie do Petersburga w 1861 Mendelejew wznowił nauczanie na Uniwersytecie, jednocześnie wykładając w miejskim Instytucie Technologicznym. Ponadto opublikował podręcznik chemii organicznej i kilka artykułów do encyklopedii technicznej, a także szeroko podróżował w poszukiwaniu możliwości zastosowania odkryć naukowych do rozwoju gospodarczego Rosji., Wizyta na polach naftowych w Baku w 1863 roku zapoczątkowała jego długofalowe zaangażowanie w rozwijający się przemysł petrochemiczny.

praca doktorska Mendelejewa (na temat teorii rozwiązań) została przyjęta w 1865, a w 1867 Uniwersytet mianował go profesorem chemii ogólnej. Był zobowiązany do wykładania chemii nieorganicznej, a ponieważ nie było zadowalającego podręcznika rosyjskiego, zaczął pisać jeden. To skupiło jego umysł na wyzwaniu zorganizowania pierwiastków chemicznych w uporządkowany wzór., Kilku innych – w tym Leopold Gmelin w Niemczech, Jean Baptiste Dumas we Francji i John Newlands w Anglii-próbowało tego, z niewielkim sukcesem. Mendelejew był świadomy niektórych z tych wysiłków, ale jego własne podejście było charakterystyczne pod ważnymi względami.

układanie kart na stół

przełom nastąpił na początku 1869 roku, kiedy Mendelejew przygotowywał się do kolejnej przemysłowej trasy – tym razem w celu zbadania i udoskonalenia technik wytwarzania sera. W międzyczasie, po ukończeniu pierwszego tomu swojego podręcznika, starał się ustalić ramy dla drugiego.,
d Mendeleev, Principles of Chemistry, 1905 (podkreślenie dodane)

Mendelejew układał swoje karty w kolumnach i rzędach, jak w grze w pasjansa lub cierpliwość – ulubionej rozrywce podczas podróży kolejowych., Pionowe kolumny wymieniały znane pierwiastki w kolejności zwiększania masy atomowej, przy czym nowa kolumna była uruchamiana, gdy umożliwiało to dopasowanie pierwiastków o podobnych właściwościach do tego samego poziomego rzędu.

jak zauważyli inni chemicy, kilka grup pierwiastków – w szczególności metale alkaliczne i halogeny – wyraźnie należało do siebie. Ale wiele innych – zwłaszcza pierwiastki ziem rzadkich (lantanidy) – przedstawiało problemy, jednak zostały one ułożone. W tym momencie Mendelejew, w przeciwieństwie do większości swoich poprzedników, odmówił rezygnacji z walki.,

Jeśli pozycja elementu w jego tabeli wydawała się anomalna, był gotów dostosować jego masę atomową, aby dać mu bardziej kompatybilnych towarzyszy. Na przykład zaproponował, że wzorem dla tlenku berylu jest BeO, a nie przyjęty Be2O3. To obniżyło masę atomową berylu, umożliwiając mu zlokalizowanie go przy użyciu magnezu, a nie aluminium.

6 marca 1869 roku pierwszy szkic jego stołu został przedstawiony rosyjskiemu Towarzystwu chemicznemu (organizacji, w której pomagał kilka miesięcy wcześniej)., W tym samym roku czasopismo Towarzystwa opublikowało bardziej przemyślaną wersję, której krótkie streszczenie ukazało się w niemieckim tłumaczeniu. Poza Rosją nie przyciągał uwagi, ale Mendelejew wytrwał, nadal układając więcej kart na swoim stole.

uważaj na luki

poprawiony diagram Mendelejewa opublikowany w 1871 roku wygląda bardziej znajomo współczesnym oczom. Aby ją skompilować, poczynił dalsze założenia. Na przykład, obniżył masę atomową telluru, czyniąc jego sąsiad JOD cięższym z tych dwóch., Pozwoliło mu to umieścić JOD z halogenami, a tellur z siarką i selenem. Korekty te mieściły się prawdopodobnie w zakresie błędu eksperymentalnego w tym czasie. Mendelejew nie mógł jednak przewidzieć, że liczba atomowa zamiast masy atomowej stanie się później zasadą porządkowania tabeli, lub że identyfikacja izotopów za pomocą spektrometrii masowej ostatecznie wyjaśni te i inne anomalie.,

z równą śmiałością Mendelejew poprawił spójność swojego stołu, pozostawiając luki dla niezbadanych jeszcze elementy, aby uzupełnić planowany przez niego wzór. Oprócz przewidywania ich charakteru chemicznego, przypisał im również wartości nominalne dla właściwości fizycznych, takich jak ciężar właściwy i temperatura topnienia.,

pierwszy – gal – został zidentyfikowany spektroskopowo przez francuskiego chemika Paula Lecoqa de Boisbaudrana w 1875 roku. Kiedy wystarczająca ilość galu stała się dostępna do testów, wszystkie właściwości galu odpowiadały przewidywaniom Mendelejewa – z wyjątkiem jego ciężaru właściwego, który wydawał się wynosić 4,7. Jednak po zaleceniu przez Mendelejewa nowych pomiarów okazało się, że jest to 5,9-praktycznie identyczna z jego przewidywaną liczbą.,

odkrycie skandu w 1879 i germanu w 1885 – oba wykazujące właściwości przewidywane przez Mendelejewa – przekonało więcej chemików, że jego stół, pomimo pozostałych anomalii, jest zbyt użyteczny, aby go zignorować. Tymczasem inni badacze (zwłaszcza Lothar Meyer w Niemczech) również zwrócili uwagę na okresowe wahania właściwości fizycznych pierwiastków. Mendelejew zauważył później :” chociaż miałem wątpliwości co do niektórych niejasnych punktów, to jednak nigdy nie wątpiłem w uniwersalność tego prawa, ponieważ nie może być ono wynikiem przypadku.,”

chociaż miał rację co do nadrzędnej zasady periodyczności, Mendelejew nie był nieomylny jako Prorok. Przewidział kilka innych elementów, których nigdy nie odnaleziono. Do końca życia twierdził, że eter-istotny, ale niewykrywalny składnik w akceptowanych wówczas teoriach światła i elektromagnetyzmu-był w rzeczywistości pierwiastkiem chemicznym, mimo że nie udało mu się go wyizolować w laboratorium. Zasugerował, że może być najlżejszym z gazów szlachetnych, o masie atomowej 0,17.,

w późniejszych latach

w życiu prywatnym Mendelejew był zdecydowanie niekonwencjonalny. Strzyżono mu włosy i przycinano brodę tylko raz w roku, nie chcąc zmieniać tego zwyczaju nawet na audiencję u cara. Również jego domowe układy były nieco nieregularne. W 1862 ożenił się z Feosvą Leschevą, kierowaną w jej kierunku przez starszą siostrę o dobrych intencjach, która uważała, że nadszedł czas, aby się ustatkował. Para miała dwoje dzieci, ale po okresie narastającego wzajemnego nieszczęścia zgodzili się na separację, na przemian zajmując Dom Dymitra i jego wiejski dom.,

kilka lat później Dmitri zakochał się w 17-letniej studentce sztuki Annie Popov. Kiedy rodzice Anny odesłali ją na dalsze studia do Rzymu, Dymitr poszedł za nią i w 1881 roku 47-latek zaproponował jej małżeństwo. Anna zgodziła się, ale nawet po rozwodzie Dymitra i Feoswy pozostała dalsza przeszkoda. Rosyjski Kościół Prawosławny uznał rozwód cywilny, ale zażądał siedmioletniej przerwy przed kolejnym małżeństwem., Mimo to w 1882 roku Dymitr znalazł kapłana chętnego (za znaczną opłatą) do przeprowadzenia ceremonii przedwcześnie i pomimo ich dwuznacznej – i technicznie Wielkiej – sytuacji, para żyła szczęśliwie razem i wychowywała czworo dzieci.

w Polityce Mendelejew był również maverickiem-jawnym liberałem, który zrezygnował z profesury w 1890 roku, aby odciąć się od ostrego tłumienia protestów studenckich przez rząd. Gest ten był oklaskiwany przez jego uczniów, ale wywołał wrogość w kręgach oficjalnych., Mimo to Sergiusz Witte, Minister Finansów Rosji od 1892, docenił wartość składek Mendelejewa i w 1893 mianował go szefem rządowego Biura Miar i wag. Na tej podstawie kontynuował wykorzystywanie wiedzy naukowej do wspomagania rozwoju gospodarczego Rosji.

w 1905 roku Londyńskie Royal Society uhonorowało Mendelejewa medalem Copleya, otrzymując już medal Davy ' ego w 1882 roku., W 1906 roku został nominowany do Nagrody Nobla, ale chociaż panel chemiczny poparł jego kandydaturę, Komisja nagród orzekła, że jego odkrycie nie było na tyle aktualne, aby zakwalifikować go do rozważenia. Na decyzję wpłynął prawdopodobnie Szwedzki chemik Svante Arrhenius, który w przeszłości zderzył się z Mendelejewem.

prawie pół wieku po jego śmierci w 1907 roku Mendelejew dołączył do jeszcze bardziej ekskluzywnego klubu. W 1955 fizycy z kampusu Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zbombardowali pierwiastek 99 (einsteinium) cząstkami alfa, aby wytworzyć ślady pierwiastka 101., Oficjalnie potwierdzony jako „mendelevium”, ten nowy element umieścił jego imię w stworzonej przez niego ikonie. Do tego czasu układ tabeli stał się wyjaśniony pod względem subatomowych struktur i kwantowej wymiany energii, na poziomie szczegółowości, której Mendelejew nigdy nie mógł przewidzieć. Jednak to w żaden sposób nie umniejsza rangi jego osiągnięć.

inni przed nim sugerowali, że lista znanych elementów może być ułożona w znaczący wzór. Odnotowali znaczące korespondencje, ale nie znaleźli ostatecznego obrazu., Mendelejew był jednak przekonany, że pierwiastki chemiczne należy postrzegać jako zbiorowość. Uzbrojony w to przekonanie, dał spójność tabeli, odważnie zmieniając pozycje niektórych znanych elementów, i pozostawiając luki dla innych, jak dotąd nieodkryte. Chociaż niektóre z jego prognoz były błędne, zdobył wystarczająco dużo trafień, aby ustalić swoją tabelę jako podstawę dla naszego zrozumienia pierwiastków i potwierdzić swój status jako jednego z założycieli nowoczesnej chemii.,

Mike Sutton is a science historian based in Newcastle, UK

Continue reading

W H Brock, The Fontana History of Chemistry, Fontana Press, 1993
m Fontani, m Costa and M V Orna, The Lost Elements: The Periodic Table ' s Shadow Side, Oxford University Press, 2015
E R Scerri, The Periodic Table: its Story and its Significance, Oxford University Press, 2006