Цветок Менделеева

К 175-летию со дня рождения Д. И. Менделеева

«Цветок» Менделеева или «телесная форма» Периодической системы

          Имя Менделеева в истории мировой науки связано с одним из величайших открытий в области естествознания, однако работы ученого по открытию и разработке Периодического закона составляют лишь небольшую часть его творческого наследия. Гений Менделеева прикасался к самым различным областям знаний, оставив в каждой из них основательные и оригинальные труды, будь то физика, химия, метеорология, метрология, различные направления техники (кораблестроение, воздухоплавание, пороходелие), отрасли развивающейся отечественной промышленности и сельского хозяйства (нефтяная и химическая, каменноугольная и металлургическая и др.), экономика, просвещение, философия, социология. Менделеев, безусловно может рассматриваться как один из последних ученых-энциклопедистов, по широте своих интересов и колоссальному количеству сделанного приближающийся к универсальным гениям эпохи Возрождения.

В 2009 году исполняется 175 лет со дня рождения Д.И. Менделеева.



Д.И. Менделеев истинный первооткрыватель Периодического закона именно потому, что он первым увидел в нем Фундаментальный закон природы, а не просто формальную систему классификации химических элементов, которые уже были задолго до него, да и сама идея периодичности элементов была известна ранее. В Периодическом законе он чувствовал единство элементов и сил Природы, а потому и отображающая его Периодическая система должна была быть единым целым, органически связывающим эмпирически обособленные элементы. По логике развития науки того времени, совершенно естественно, что Периодическая система графически могла быть представлена как Периодическая таблица. Из непрерывного последовательного ряда элементов в порядке возрастания достаточно убедительно просматривались повторяющиеся (по близким химическим свойствам) блоки, которые, казалось бы, легко можно выделить в периоды и построить Таблицу элементов, где все подобные по своим свойствам, размещались бы в одних столбцах (группах).

Но в действительности все оказалось гораздо сложнее, дело в том, что многие элементы почти в самом центре системы еще не были открыты, а те которые были вновь открыты, часто недостаточно точно описаны. Но и это еще не самое главное, это все было преходящее, дело только времени. Очень важно то, что в непрерывном последовательном ряду элементов повторяющиеся блоки имеют разную и все увеличивающуюся длину. Поэтому периоды получаются разной длины. Совершенно не очевидно, с каких элементов начинать отсчет периода, конечно, казалось логично начинать с самого простого и легкого, из известных на тот момент.



Д.И. Менделеев так и сделал, строго придерживаясь принципа последовательности и непрерывности, были построены первые Периодические таблицы. Можно с уверенностью сказать, что принцип последовательности и непрерывности в тот момент был основным Эвристическим принципом в работе ученого, который еще можно назвать принципом целостности


     «В сущности же все распределение элементов представляет непрерывность и отвечает до некоторой степени спиральной функции» [
1,2]


И он принес ошеломляющий успех и признание во всем мире Д.И.Менделееву и Периодическому закону. Поскольку Периодическая система по убеждению ученого это единое органически связанное целое, то
всякие пропуски и пустоты между элементами категорически недопустимы!


Обратив пристальное внимание на имеющиеся пропуски и пустоты на тот момент, Дмитрий Иванович подчиняясь логике Периодического закона, предсказал целый ряд новых элементов, которые вскоре все были открыты! Также им были уточнены свойства многих элементов малоизученных на тот момент. Это был истинный триумф, подобных которому мало примеров в Науке!


Но испытания на прочность на этом не закончились, сам Периодический закон в целом как бы все приняли, но за графическое отображение его борьба шла еще очень долго, а иногда и сейчас вспыхивает! Было предложено много различных вариантов Периодической системы. Даже наступила некоторая усталость у химиков от обилия разных схем. Следует признать, что очень многие современные химики вообще не видят в этом большого смысла! Победил всеобщий релятивизм, который можно кратко выразить словами: не важно, какая форма Периодической системы, важнее понимать смысл Периодического закона! С этим трудно спорить, но надо быть справедливым и отдать должное тому Эвристическому принципу, которому мы обязаны открытием самого Закона!


Если даже это будет всего лишь дань Истории химии, но и это заслуженно! Многое, зато становится понятным и в научной биографии нашего великого химика! То, что может кому-то показаться курьезом во взглядах Дмитрия Ивановича, становиться совершенно ясным и бесспорным.


Начнем с открытия инертных газов! Д.И.Менделеев предсказал много новых элементов, но вот инертные газы были неожиданны даже для него! И не сразу он принял это открытие и не без внутренней борьбы. И после принятия инертных газов разошелся во взглядах с большинством химиков по поводу их местонахождения в Периодической системе.


Где должны быть расположены инертные газы? Современные химики не задумываясь, скажут: конечно, в VIII группе. А Менделеев настаивал на существовании нулевой группы! (
Вариант 1) Инертные газы настолько отличаются от остальных элементов, что им место было где-то на обочине Системы. Казалось, какая разница на правом (VIII- группа) или левом (0 -группа) краю они будут (нам это кажется совершенно не принципиальным, особенно для того время, когда не знали электронного строения атома, хотя и сейчас мы только обольщаемся, что знаем), к чему эти споры? Менделеев думал иначе, это принципиальный для него вопрос! Поставить инертные газы справа, это значить получить между водородом и гелием целый ряд пустот! (Вариант 2)


Это мы сейчас так легко с этим свыклись, для Менделеева это вызов – искать новые элементы между водородом и гелием! Может, есть галоген легче фтора или еще другие легкие элементы? Их нет, поэтому место инертных газов слева (в 0 – группе)! Тем более и валентность их уж скорее нулевая, чем VIII.

«Это положение аргоновых аналогов в нулевой группе составляет строго логическое последствие понимания периодического закона» - утверждал Д.И. Менделеев [1,2].

Становится понятным, почему Дмитрий Иванович настаивал на существовании нулевой группы, понятны его упоминания о галогене легче фтора, отсюда даже понятен его поиск элемента легче водорода, который он предложил назвать Ньютонием! [1,2,3] Ведь в предложенной имя системе с нулевой группой водород вроде бы вовсе может быть и не первым! Периодическая система может быть «открыта» с обоих концов! Или лучше сказать, концов у нее вовсе нет, ни снизу, ни сверху!


Мы видим, как основной эвристический принцип (строгой последовательности и непрерывности или целостности) приводит Д.И.Менделеева сначала к триумфу, а затем к ряду курьезов с точки зрения современных химиков. Но триумфы твердой рукой вписаны в анналы Науки, а о курьезах предпочитают стыдливо умалчивать; мало, кто из химиков-выпускников самых престижных университетов о них вообще слышал! Отброшены курьезы, забыт сам Принцип!


И как его не отбросить, как не забыть! Если после открытия лантаноидов и актиноидов строго следовать ему, то табличная форма Системы будет совершенно несуразной, хотя Сиборг [
4] так не считает! Менделеев считал проблему редкоземельных элементов нерешенной. На XI Съезде русских естествоиспытателей и врачей в Петербурге (1901 год) чешский ученый Б.Браунер выдвинул идею о так называемой интерпериодической группе редкоземельных элементов в периодической системе. [2,3] Эта идея является предтечей современного варианта размещения четырнадцати лантаноидов вместе с лантаном в одной клетке таблицы. Менделеев, однако, отнесся к предложению Браунера довольно сдержанно, отметив лишь, что оно «заслуживает внимания». Очевидно, в выделении интерпериодической группы «редких земель» он усматривал обособление этих элементов от остальных – как бы представление им особого положения. В таблицах элементов в 7-м и 8-м изданиях «Основ химии» идея Браунера никак не отражена. В последних комментариях на эту тему Менделеев изложил свою точку зрения так:



        «Тут мое личное мнение еще ни на чем не остановилось, и тут я вижу одну из труднейших задач, представленных периодической законностью». [3]



Предложение Браунера поместить редкие металлы в «особую добавочную группу», вновь выдвинутое им при участии в работе над «Основами химии», Менделеев рассматривал как один из возможных вариантов, но все-таки считал, что этот вопрос целесообразно оставить открытым. Но в дальнейшем химики за не именем лучших вариантов «закрыли» этот вопрос, приняв предложение Браунера и тем самым разорвав Систему, «похоронили» основной принцип Менделеева.


Что нам принципы, что нам формы, главное понимать суть! Да, это так! Конечно, главное- это суть! Но, как часто отбрасывая основные принципы, мы теряем и форму и суть!


Можно утверждать, что и Дмитрий Иванович чувствовал (иногда, даже во снах), что «беспредельность» Периодического закона не может быть адекватно выражена в плоской прямоугольной таблице! Но разве тогда были другие способы графического отображения? Не только чувствовал, но и говорил об этом и, кажется, даже просто тосковал об иных более совершенных формах. Ученый предвидел, что


«…система требует телесной формы, допускающей сближение по всем направлениям»



и ему представлялось возможным математическое выражение Периодического закона – геометрического, в точках пересечения «сплошных кривых», или аналитического, в «теории чисел». Отсутствие математического выражения для периодического закона Менделеев объясняет тем, что закон относится к области, еще очень новой для математической обработки.



        «Он рисуется ныне в виде новой, отчасти только раскрытой глубинной тайны природы, в которой нам дана возможность постигать законы, но очень мало возможности постигать истинную природу законов».



Отдадим же должное основному Эвристическому принципу Д.И.Менделеева и последуем за ним! Забудем про группы, не будем спорить, с чего начинаются периоды, а просто последовательно и непрерывно выстроим все элементы в один ряд в порядке возрастания и закрутим этот ряд в пространственную спираль, в «телесную форму, допускающую сближение» подобных химических элементов по вертикали!

Вот мы и получили «Цветок» Менделеева! Может быть, и не истина в «последней инстанции» но, по крайней мере, красиво и точно не «плоско»!

Представленная аналоговая модель «телесной» Периодической системы, которая получилась в виде «прекрасного цветка», прямо вытекает из основного эвристического принципа Д.И. Менделеева и является целостной естественной формой и не содержит ничего внешнего и придуманного, предлагаем ее назвать «Цветком Менделеева»!


Возможно, более справедливо дать название «
Цветок Менделеева-де Шанкуртуа», так как пространственная спиралевидная форма впервые была предложена французским ученым Александром Эмилем де Шанкуртуа, одним из предшественников Д.И. Менделеева в открытии Периодического закона.  Безусловная заслуга Эмиля де Шанкуртуа состоит в предвидении пространственной спиралевидности Периодической системы, а недостаток - это опять же стремление расположить все элементы на плоскости, пусть и цилиндрической, но все-таки плоскости, когда как «сущностная» форма принципиально «телесная» и не может быть без ущерба отображена на плоскости!
Периодическая система представленной версии Менделеева-Шанкуртуа-Рязанцева является целостной, непротиворечивой и естественно вытекает из основного эвристического принципа Д.И. Менделеева и его идеи «телесности», включает идею спиралевидности А.Э. Шанкуртуа без ее недостатков, которые устраняются пространственной многолепестковой формой, предложенной нами.

Данная версия может быть рекомендована как наглядное учебное пособие при изучении Периодического закона в средней школе и высших учебных заведениях. Возможны разные варианты исполнения: эстетическая форма – «цветок» (узкополосная),строгая регулярная форма – широкополосная более практичная,более привычная – табличная пространственная форма и, наконец, сборно-разборная – для тренинга учащихся.

Трудно было не отдать должное юношескому увлечению Д.И. Менделеева ботаникой и в свою очередь не увлечься «цветочной романтикой» с ее пышным очарованием, надеемся, что, несмотря на несовершенство исполнения, нам хоть немного удалось ее передать. Попробуем вернуться к более «педантичным» формам и отойти от «цветочности».

«Цветок Менделеева» и другие «целостные» формы

Д.И. Менделеев в юности, в пору увлечения ботаникой. Его гербарий.

Тогда можно получить что-то подобное этому

Широкополосная регулярная форма

Предлагаемая нами широкополосная регулярная форма более удобна в практическом использовании, но все-таки и здесь «цветочность» упорно остается. Тогда сделаем более прямоугольную форму.

Объёмное строение широкополосной регулярной формы

Несколько напоминает структуры предложенные и запатентованные Роем Александером (Roy Alexander ) [5,6], но есть существенные отличия: s- и p- элементы у нас образуют отдельные самостоятельные лепестки (Александер объединил их в один цилиндр) и в нашей версии все лепестки выходят из одной оси (линии «роста»).

Пространственная форма, предложенная Роем Александером

Эта форма более привычна для употребления, ближе к табличному виду, но сохраняет основной эвристический принцип Д.И. Менделеева и остается пространственной, образованной ортогональными плоскостями.


         Подобная форма впервые была предложена французским ученым Полем Жигуром (Paul Giguere) [
7,8] и на нее даже был взят Вильямом Поссиденто (William Possidento)патент США [9] как модель учебного пособия, правда при этом был упущен существенный момент (была потеряна единая ось - линия «роста»).

Табличная пространственная форма

Получится что-то вроде этого

В этой форме каждый элемент представлен отдельной жесткой ячейкой. Форму можно разбирать на отдельные элементы, выстраивать в последовательный ряд элементов, снова восстанавливать в первоначальном виде.

Можно попробовать сделать Цветок Менделеева своими руками следуя фильму-подсказке

Сборно-разборная форма

Для более быстрого и успешного освоения принципов построения Периодической системы предлагается сборно-разборная форма, повышающая познавательную активность учащихся и включающая другие виды образного восприятия.

Ну и последнее «надругательство» над Флорой, загоним все на плоскость, но по возможности сохраним принцип последовательности и непрерывности. Как не хочется это делать, но придется, так как большинство современных химиков привыкли именно к плоской табличной форме.

Получаем довольно гармоничную систему, которая, однако, в литературе уже встречалась неоднократно ранее, и была независимо открыта различными авторами. Следует отметить первого автора - это французский ученый Шарль Жанет (Charles Janet ) [10, 11].

Плоская табличная форма с сохранением принципа непрерывности

Таблица химических элементов, предложенная Шарлем Жанетом в 1929 году

Независимое (Tarantola 2000 год. [11] и др.) и многократное «открытие» этой формы наводит на мысль о необходимости серьезного изучения этой нетрадиционной Периодической таблицы. Многие авторы (Щукарев, Семишин, Ахумов, Махов и др.) в разное время указывали на характерную повторяемость (дублетность) периодов и был даже введен термин - диад (Ш.Жанет). Система Жанета является наиболее совершенным воплощением этой идеи, которая, к сожалению, большинством химиков просто игнорируется.



Кому что больше нравится – это дело привычки и вкуса (плоская форма очень похожа на Систему предложенную Сиборгом [4], только у Сиборга s-элементы оказались не справа как у Жанета, а слева, дань традиции и влияние теории атома Бора, но есть основания полагать, что Нильс Бор невинно «подогнал» свою теорию под общепринятую таблицу химических элементов, и как следствие, сильные разрывы, нарушение принципа непрерывности и потеря «эстетики»). Но все-таки кажется, что Дмитрию Ивановичу «цветок» больше по душе и, более того, именно он ему и снился!


Все рассмотренные нами непрерывные (целостные) формы свидетельствую о наличии повторяемости (дублетности) периодов, т.е. явным образом подтверждают идею диад и наводят на мысль о
другой модели электронных уровней и подуровней, отличной от общепринятой в настоящее время!



Таким образом, мы из пространственной формы (цветок Менделеева) логично перешли (путем минимальных потерь, но с сохранением принципа непрерывности) к плоской целостной форме, и ей оказалась не какая-нибудь из множества плоских систем, а именно система Ш. Жанета. Обратно можно перейти из плоской системы Жанета к пространственным целостным формам, причем получить снова не только наш цветок Менделеева, но и совершенно другие пространственные целостные формы. Это, например, сделал В. Циммерман и получил совершенно новую гармоничную и целостную пространственную систему [12].

Система В.Циммермана ADOMAH

ЛИТЕРАТУРА