Тайна великого открытия периодической таблицы

1.

Санкт-Петербургский
государственный университет
2019 год объявлен
Международным годом
Периодической таблицы
Тайна великого
открытия
Карцова Анна Алексеевна
проф., д.х.н. СПбГУ,
2019

2.

3. Рабочий кабинет и библиотека

3

4.

4

5.

1871г. «Естественная система элементов» Д. И. Менделеева (короткая
форма), опубликованная во 2-й части 1-го издания «Основ химии»
5

6.

1869 г. - «Опыт системы
элементов, основанной на их
атомном весе и химическом
сходстве»
1870 г. – «Естественная система
элементов»
1871 г. – «Периодическая система
элементов»
«…Измеряемые химические и физические
свойства элементов и их соединений
периодически зависят от атомного веса
элементов».
Д.И. Менделеев
6

7. Один из мифов о Д.И.Менделееве

ОТКРЫТИЕ ВО СНЕ ??!!
7

8.

История о том, как химику Кекуле
приснилась...структура бензола
«…Я сидел и писал учебник, но работа
продвигалась плохо. Я подвинул мое кресло к
камину и задремал. Снова атомы запрыгали
перед моими глазами… Длинные цепи иногда
тесно группировались и поворачивались
подобно змеям.
Но что это? Одна из змей ухватила свой
собственный хвост. И эта фигура
завертелась перед моими глазами, как бы
насмехаясь надо мной. Как от вспышки
молнии, я пробудился.
Остаток ночи я провел, обдумывая
следствие из гипотезы …»
8

9.

Структурные версии бензола
1825 г. Майкл Фарадей
из светильного газа выделяет
соединение состава С6Н6
«карбюрированный водород»
1865 г.
Кекуле
бензол
Дьюара
«призман»
Ладенбурга
h
Август Кекуле
(1829-1896)
Клаус
Армстронг
h
9

10.

Строение молекулы бензола
Модель молекулы
бензола
Схема образования πсвязей
в молекуле бензола
Делокализация π-электронной
плотности в молекуле бензола
КЕКУЛЕН
10

11. Открытие фуллерена

1985 г. – открытие С60
1992 г. – обнаружены в природе
1996 г. – Нобелевская премия по химии
за открытие фуллеренов
0,143нм
0,139нм
- 20
- 12
Р. Керл
(США)
Г. Крото
(Великобритания)
Р. Смолли
(США)
ρ =1.65 г/см3
d ~ 0.7 нм
Выдерживает:
20ГПа 3600С
11

12.

Сегодня семейство фуллеренов насчитывает почти два
десятка родственников
от С20 до С960
Дэвид .Джонс, 1966 г.
Osawa E. Supersymmetry // Kagaku Kyoto. 1970. Vol. 25. P. 854
Бочвар Д.А., Гальперн Е.Г. Электронная структура молекул С20 и С60 //
ДАН СССР Серия химическая. 1973. Т. 209, № 3. С. 610–615.
Смолли Р.Е. Открывая фуллерены // Успехи физических наук. 1998. Т.
168, № 3. С. 323
12

13.

Графит
Фуллерен С60
Алмаз
Одностенные (а) и многостенные (б)
углеродные нанотрубки
13

14.

2010 г. – Нобелевская премия по физике за открытие и
исследование графена - двумерной формы углерода
Константин Новосёлов
Слои интеркалированного графита
можно легко отделить друг от друга.
Борофен –
ближайший родственник
графена.
Андрей Гейм
2015 г
получен борофен
(США, Китай, Россия) –
двумерный
кристалл
бора - лист толщиной в
один
атом,
подобный
графену
по
структуре,
обладающий
высокой
прочностью,
проводимостью.
14

15.

«…Д.И. Менделеев на протяжении долгого
времени подозревал известную связь
элементов между собою и перепортил массу
бумаги с целью отыскать в виде таблицы эту
закономерность…» «…карточки для
«химического пасьянса» были изготовлены не
17 февраля 1869 г. ни в коей мере не означает,
что он начал работу в тот же день, а
наоборот, завершил разработку «Опыта
системы…».
15

16. Периодический закон открыт Д. И. Менделеевым в процессе работы над учебником "Основы химии" (1868-1871).

Периодический закон
открыт Д. И.
Менделеевым в
процессе работы над
учебником "Основы
химии" (1868-1871).
16

17.

...Утром – получил письмо от А.И.Ходнева в связи с
предполагаемой поездкой в Тверскую губернию ... На обороте
письма сделал наброски первого сопоставления элементов разных
естественных групп по атомным весам, что явилось отправным
моментом в разработке таблицы «Опыт системы элементов,
основанной на их атомном весе и химическом сходстве».
• В течение дня – работал над составлением «Опыта системы
элементов…».
• Вечером – послал набело переписанную таблицу «Опыта
системы элементов…» в типографию. Поставил дату «17
февраля 1869 г.»
6 марта – от имени Менделеева Н.А. Меншуткин сделал на
заседании РХО сообщение об «Опыте системы элементов…».
17

18.

В своей Фарадеевской лекции 1889 г. Менделеев
указывал
...три ряда данных, без которых нельзя было бы
явиться периодической законности
Конгресс в 1860г. в Карлсруэ,
Поиски общих простых отношений «между
атомными весами сходственных элементов»
18
...Накопление к концу 60-х годов новых
сведений о редких элементах…

19.

« ...открыт не закон, а принцип
классификации чего-то неопределенного..."
(Вильгельм Оствальд)
«...Менделеев
увлекает
химиков
надуманный мир чистых абстракций»
«в
(Роберт Бунзен)
«...открытие Менделеева спекулятивное»
(Герман Кольбе)
19

20.

1829 г.
Li – 7
Na – 23
K – 39
Триады Дёберейнера
Ca – 41
Sr – 88
Ba – 137
P – 31
As – 75
Sb – 122
S – 32
Cl – 35.5
Se – 79 Br – 80
Te – 129 I – 125
ДЁБЕРЕЙНЕР
Иоганн Вольфганг
(1780-1849г.г.)
20

21.

«Земная» спираль де Шанкуртуа
1862 г.
ШАНКУРТУА
Александр Эмиль
Бегуйе де
(1820 -1886)
Винтовой график Шанкуртуа, 1862 г.
21

22. Закон октав Ньюлендса

1864 г.
№
НЬЮЛЕНДС Джон
Александр Рейна
(1837 -1898г.г.)
№
F
8
№
№
№
№
Cl 15 Co 22 Br 29 Pd 36
Ni
№
H
1
Li
2 Na 9
Be
3 Mg 10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba 45 Pb 52
V
B
4
C
5
25 Ce 32 U 39 Ta 46 Th 53
La
Si 12 Ti 19 In 26 Zr 33 Sn 40 W 47 Hg 54
N
6
P
13 Mn 20 As 27 Di 34 Sb 41 Nb 48 Bi
Mo
O
7
S
14 Fe 21 Se 28 Rh 35 Te 42 Au 49 Os 56
Ru
K
I
№
43 Pt 50
Ir
16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Tl
Al 11 Cr 18
51
Y
55
22

23.

1864 г.
Триплетные группы
H1
Mo 96
W 184
Au 196.5
Pd 106.5
Одлинг
Уильям
(1829 – 1921)
Li 7
Na 23
-
Ag 108
G9
Mg 24
Zn 65
Cd 112
Hg 200
B 11
Al 27.5
-
-
Tl 203
C 12
Si 28
-
Sn 118
Pb 207
N 14
P 31
As 75
Sb 122
Bi 210
O 16
S 32
Se 79.5
Te 129
F 19
Cl 35
Br 80
J 127
K 39
Rb 85
Cs 133
Ca 40
Sr 87.5
Ba 137
Ti 40
Zr 89.5
-
Cr 52.5
23
Pt 197
Mn 55 и др.
(Fe,Ni,Co,Cu)
V 138
Th 231

24. Таблица Мейера

1864 г.
Таблица Мейера
Таблица Мейера 1864 г. (фрагмент)
МЕЙЕР
Юлиус Лотар
(1830 -1895г.г.)
24
4 val
3 val
2 val
1 val
1 val
2 val
C=12
N=14.4
O=16
F=19
Na=23
Mg=24
Si=28.5
P=31
S=32
Cl=35.5
K=39
Ca=40
...
As=75
Se=78.8
Br=80
Rb=85.4
Sr=87
Sn=117.
6
Sb=120.
6
Te=128.
3
I=126.8
Cs=133
Ba=137.
4
Pb=207
Bi=208
...
...
(Tl=204)
...

25. Линия Менделеева

Поиск соотношения между совокупностью
свойств элемента, проявляющихся в свойствах
соответствующих простых тел и соединений, с
атомным весом элемента, причем поиск,
осуществляемый как путем сопоставления
отдельных элементов, так и их «естественных
групп».
25

26.

«… Не могу не обратить внимания
на то, что в низших членах рядов
(совр. главных подгрупп) сравнительно
с высшими заметна большая резкость и ясность
свойств и реакций. Это подобно тому, что мы
замечаем в ряду органических гомологов: в высших
членах гомологических рядов сглаживаются
некоторые особенности, принадлежащие ряду…».
Д.И. Менделеев
26

27.

В зарубежной научной литературе о
Периодическом законе упоминается:
Учебная
Сравочная
литература литература
27
1875 8 раз
г.
1 раз
1876 24 раза
г.
–
1877 11 раз
4 раза
1878 12 раз
5 раз
1879 12 раз
1 раз
1880 13 раз
–

28.

Открытия элементов,
предсказанных Д.И. Менделеевым
«… Каждый закон природы получает научное
27 августа
1875лишь
г.
значение
только
в случае, если он…
Галлий (экаалюминий)
допускает
практические следствия, т.е. такие
Лекок де Буабодран
логические
выводы, которые объясняют
необъясненное и указывают на неизвестные до сих
пор явления,
12 марта…если
1879 г. закон приводит к
предсказаниям,
которые могут быть
Скандий (экабор)
проверены
опытом…»
Ларс Нильсон
Д.И. Менделеев
6 февраля 1886 г.
Германий (экасилиций)
Карл Винклер
28

29.

Экаалюминий Ea
Галлий Ga
Атомная масса ≈ 68
Атомная масса 69,72
Простое тело должно быть
низкоплавкое
Температура плавления 29,75 °С
Плотность металла близка к 6,0
Плотность 5,9 (тв.)
Объем атома должен быть близок к 11,5
Атомный объем 11,8
На воздухе не изменяется
Слабо окисляется при красном калении
Должен разлагать воду при кипячении
Разлагает воду при высокой
температуре
Образует квасцы, но труднее, чем Al
Дает квасцы NH4Ga(SO4)2 ·12H2O
Ea2O3 должен легко восстанавливаться
до металла
Ga легко восстанавливается
прокаливанием Ga2O3 в токе водорода
Более летуч, чем Al, будет открыт
методом спектрального анализа
Ga открыт спектроскопическим методом
29

30.

1894 г Аргон
(«недеятельный»)
Рэлей
Уильям
Джон Уильям
Рамзай
(1852–1916) (1842–1919),
английский
физик
30

31.

1868 г. Гелий
(«солнце»)
П. Жансен
(1824-1907)
Французский
астроном
31

32.

1898 г. Неон («новый»)
Криптон («скрытый»)
Ксенон(«чужой»)
Уильям
М.У. Трайвер
Рамзай
(1852–1916)
1904 г. – У. Рамзай - Нобелевская премия по химии
"в знак признания открытия им в атмосфере различных инертных газов
и определения их места в периодической системе".
– Д.Рэлей - Нобелевская премия по физике за свою работу
по концентрации газов и ту роль, которую он сыграл в открытии аргона

33.

«... Было замечательным
приключением жить в ту эпоху...»
(Н.Бор)
• 1895 г. – открытие рентгеновского излучения
(К.Рентген)
• 1896 г. – открытие радиоактивности (А.
Беккерель)
• 1897 г. – открытие электрона (Дж. Томсон)
• 1900 г. – квант (Планк)
• 1903 г. – первая модель атома (Дж. Томсон)
33

34.

Порядковый
номер
элемента
равен
заряду
атомного ядра элемента (Генрих Мозли, 1914):
Новая формулировка Периодического
закона
«Свойства элементов, а значит, свойства
образуемых ими простых и сложных тел,
стоят в периодической зависимости от
их заряда атомного ядра»
34

35.

Открытие трансурановых
элементов
«…Легко… предположить, что называемое нами
неделимым неделимо только обычными химическими
силами… выставленная мною периодическая
зависимость между свойствами и весом, по-видимому,
подтверждает такое предчувствие…».
«…Убежденный в том, что исследование урана,
начиная с его природных источников, поведет
еще ко многим новым открытиям, я смело
рекомендую тем, кто ищет предметов для
новых исследований, особенно тщательно
заниматься урановыми соединениями...»
Д.И. Менделеев
35

36.

Национальная лаборатория им. Лоуренса
Калифорнийского университета г. Беркли
1940 г. 1941 г.
Гленн Теодор
СИБОРГ
(1912 —1999)
американский
химик и физикядерщик
Эдвин
Маттисон
МАКМИЛЛАН
(1907 —1991)
1944 г. 1944 г.
1949 г.
1950 г. 1952 г. 1953 г.
1955 г.
1955 г.
1955 г.
36

37.

101 элемент - менделевий
Мишень - листок золотой фольги, содержащей 99Es
Облучение - ионами гелия с энергией 40 МэВ.
Атомы отдачи улавливались другим листком
фольги, который затем растворялся в «царской
водке».
Раствор подвергался ионообменному
хроматографическому анализу. На хроматограмме
обнаружен пик в том месте, которое предполагалось
для элемента 101.
«По многим причинам открытие элемента 101 было
наиболее драматичным в ходе последовательной эволюции
трансурановых элементов...
Элемент 101 - первый, полученный с использованием
субмикроскопических количеств вещества-мишени – около 109
атомов эйнштейния-253; первый элемент, полученный с
использованием энергии отдачи при отделении ядер
продукта от мишени; и это был первый элемент, который
образовывался по одному атому».
Г.Т. Сиборг
37

38.

Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флерова
(г. Дубна, Объединенный институт ядерных
исследований)
Академик
Г.Н. ФЛЕРОВ
1963-67
Руководитель
Лаборатории
им. Г.Н. Флёрова
Ю.И. ОГАНЕСЯН.
1961-65
Ускоритель первой ступени и второй
степени комплекса DRIBs - циклотрон У400M.
Получение элементов с масовыми
числами от 104 до 108
38

39. ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ

... Мы надеемся,
что нам удастся
получить
119, 120 и 121
элементы...
Элемент № 118
ОГАНЕСОН
39

40.

Сверхтяжелые...
Элементы с нептуния и до
фермия,
100-го
элемента
получены на реакторах в
результате захвата нейтронов.
со 101-го по 118-й,
синтезированы на ускорителях
№ 114 – Флеровий ( Fl )
№ 115 – Московий (Mc)
№ 116 – Ливерморий* (Lv)
№ 117 –Теннессин (Ts)
№ 118 - Оганесон (Og)
Ливерморской
национальной
лаборатории (США)
Национальная
лаборатория,
штат
40

41.

Лауреаты Нобелевской премии
1904г. Уильям РАМЗАЙ
«В знак признания открытия им в атмосфере различных
инертных газов и определения их места в периодической
системе».
1908г. Эрнест РЕЗЕРФОРД
«За проведенные им исследования в области распада
элементов в химии радиоактивных веществ».
1911г. Мария КЮРИ
«За выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие
элементов радия и полония, выделение радия и изучение
природы и соединений этого замечательного элемента».
41

42.

1935г. Фредерик и Ирен ЖОЛИО-КЮРИ
«За выполненный синтез новых радиоактивных
элементов».
1938 г. Энрико ФЕРМИ
Нобелевская премия по физике
«За доказательства существования новых радиоактивных
элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное
с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными
нейтронами»
1951г. Эдвин Маттисон МАКМИЛЛАН и
Гленн Теодор СИБОРГ
«За открытия в области химии трансурановых
элементов».
42

43.

43

44.

«»Единственный способ
определить границы возможного –
выйти за эти границы,
в невозможное
Артур Кларк

45.

Кто они,
«делающие открытия»?

46.

Первые…
•1901 г. первая Нобелевская премия по
химии
«В знак признания огромной важности
открытия им законов химической
динамики и осмотического давления в
растворах».
• Книга «Химия в пространстве»
Якоб Вант-Гофф
1852 г. –1911 г.
• Пробная лекция «Роль фантазии в науке».
Эмиль Беринг Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Изобретение противодифтерийной сыворотки,
которой пользуется весь мир
46

47.

Полет Д.И. Менделеева
на воздушном шаре «Русский»
7 августа 1887 г.
Полное солнечное затмение.
Возможность наблюдать
солнечную корону.
В Твери снаряжается
воздушный шар «Русский» для
наблюдения затмения.
6. 30 – Начал полет.
8.00 – Шар достиг наивысшей
точки – 3800 м
9.20 – Благополучно
приземлился около деревни
Спас-Угол.
47

48.

«… Я должен однако объяснить,
почему ко мне моментально
явилась решимость отправиться
одному…
…О нас профессорах, и вообще
ученых, обыкновенно думают
повсюду, что мы говорим,
советуем, но практически делом
владеть не умеем…что нам, как
щедринским генералам всегда
нужен мужик… а иначе у нас все из
рук валится.
…Здесь для этого представился
Д.И. Менделеев
48 отличный случай.»
Акварель работы
И.Репина. 1887

49.

Не случай оказался неприметен, а
случай не встретил зрячего человека…
«Случайные
открытия
делают
только подготовленные умы»
(Б. Паскаль)
49

50.

Вместо эпилога...
Почему Д.И. Менделеев не получил
Нобелевскую премию по химии?
50

51.

51
А.Нобель и Нобелевские премии
21 октября – оглашают список
нобелевских лауреатов
10 декабря - вручение нобелевских
премий
производство искусственной кожи,
резина
динамит
черный порох
патент на конструкцию боевых
ракет (Англия,1892 г.)
Патент на “безопасный
взрывчатый порошок
Нобеля”.

52.

1905 год
Адольф фон Байер «За заслуги в развитии
органической химии и химической
промышленности благодаря работам по
органическим красителям и гидроароматическим
соединениям»
1906 год
Анри Муассан «За получение фтора и введение
в лабораторную и промышленную практику
электрической печи, названной его именем»
1907 год
Эдуард Бухнер «...За открытие внеклеточной
ферментации»
52

53. Выборы в Академию наук

«Как же винить Академию за то, что она отвергла
Менделеева, человека крайне беспокойного: ему до всего
дело, он обо всем заботится. Задумали бакинцы нефтью
воспользоваться – он едет в Баку. Читает там лекции,
учит, как и что делать, съездив предварительно в
Пенсильванию. Чтобы узнать, как и что там делается;
выставил Куинджи картину – он уже на выставке,
любуется, задумывает, изучает…- и пишет новую
мысль, пришедшую ему на ум… Как же впустить такого
беспокойного человека в сонное царство? Да, ведь он,
пожалуй, всех разбудит и – чего Боже упаси – заставит
работать на пользу России…»
53
Газета «Голос»

54.

«…Мыслящий ум не чувствует себя
счастливым пока ему не удастся связать
воедино разрозненные факты, им
наблюдаемые… Эта «интеллектуальная
несчастливость» всего более и
побуждает нас думать – делать науку».
Д. Хевеши
54

55.

Спасибо за внимание!