Ενάμισι αιώνα πριν, ο Ντμίτρι Μεντελέεφ έκανε ένα κρίσιμο βήμα στην αναζήτηση εύρεσης τάξης μεταξύ των στοιχείων της Χημείας
Ο Mike Sutton εξετάζει πώς η υπομονή του Mendeleev αποκάλυψε την περιοδικότητα στα στοιχεία
Η επιθυμία να ανακαλύψουμε κανονικότητες στο περιβάλλον μας φαίνεται να είναι ένα θεμελιώδες ανθρώπινο χαρακτηριστικό. Πριν από χιλιάδες χρόνια, οι απομακρυσμένοι πρόγονοί μας έχτισαν τεράστια πέτρινα μνημεία που ήταν ακριβώς ευθυγραμμισμένα με σημαντικά σημεία του ετήσιου ηλιακού κύκλου. Και στον 19ο αιώνα, οι προσεκτικοί χημικοί συνειδητοποίησαν οικογενειακές ομοιότητες μεταξύ των στοιχείων και προσπάθησαν να τα ενσωματώσουν σε ένα επεξηγηματικό παράδειγμα.
Ενάμισι αιώνα πριν, ο Ντμίτρι Μεντελλέεφ έκανε ένα κρίσιμο βήμα σε αυτή την αναζήτηση εύρεσης τάξης μεταξύ των στοιχείων, δημοσιεύοντας το πρώτο σχέδιο του περιοδικού του πίνακα. Το 2019 η παγκόσμια κοινότητα χημικών εορτάζει αυτή την επέτειο, και σωστά. Όπως και το Stonehenge, ο πίνακας αντικατοπτρίζει τις κανονικότητες στη φύση, οι οποίες οφειλόταν σε αιτίες που παρέμεναν μυστηριώδεις όταν έγινε η αρχική κατασκευή του. Αλλά πώς έφτασε ο Mendeleev να χτίσει το μνημείο του;
Πρώτα χρόνια
 |
| Ο Ντμίτρι Μεντέλεεφ δίδαξε στην Αγία Πετρούπολη και έγραψε τα δικά του εγχειρίδια - αυτή ήταν η διαδικασία που οδήγησε στην περιοδική του ανακάλυψη
Πηγή: © Science Photo Library
|
Ο Ντμίτρι μεγάλωσε στη Σιβηρία, στην άκρη-άκρη του δυτικού πολιτισμού. Το σπίτι του, το Tobolsk, είναι 1000 χιλιόμετρα πιο κοντά στο Πεκίνο απ ότι στο Παρίσι και η διαδρομή του από εκεί μέχρι την επιστημονική διάκριση ήταν δύσκολη. Ήταν ο νεότερος από πάνω από μια δωδεκάδα αδέλφια Mendeleev, και σύντομα μετά τη γέννησή του το 1834 η κακή υγεία ανάγκασε τον πατέρα του Ιβάν, έναν καθηγητή γυμνασίου, σε συνταξιοδότηση. Η ανεπάρκεια της σύνταξης του Ιβάν οδήγησε τη σύζυγό του Μαρία να αναλάβει τη διαχείριση μιας ημιδιαλυμένης πατρογονικής υαλουργίας, τη οποία είχε προηγουμένως ο αδελφός του.
Αυτή η επιχείρηση στήριξε την οικογένεια μέχρι το 1848, όταν κάηκε. Τότε ο Ιβάν πέθανε και το 1849 η Μαρία πήρε τα δύο μικρότερα παιδιά της στη Μόσχα, ελπίζοντας ότι ο αδελφός της θα βοηθούσε τον Ντμίτρι να εισέλθει στο πανεπιστήμιο εκεί. Όταν το σχέδιο αυτό απέτυχε, μετακόμισαν στην Αγία Πετρούπολη και το 1850 ο Ντμίτρι έγινε δεκτός (κάπως απρόθυμα) από το ίδρυμα (το Main Pedagogical Institute) όπου ο πατέρας του είχε εκπαιδευτεί ως δάσκαλος. Ένας λέκτορας εκεί - ο Αλέξανδρος Βοσκρεσένσκι, ο οποίος είχε σπουδάσει στη Γερμανία υπό τον Justus Liebig - ενθάρρυνε το ενδιαφέρον του Ντμίτρι για τη χημεία.
Αποφοίτησε το 1855 και η διατριβή του - σχετικά με τον ισομορφισμό και άλλες σχέσεις μεταξύ φυσικής μορφής και χημικής σύνθεσης - δημοσιεύθηκε σε περιοδικό ορυκτολογίας. Ακολούθησαν και άλλα άρθρα για επιστημονικά και τεχνικά περιοδικά, αλλά δεν είχε ασφαλές εισόδημα. Μέχρι τότε η μητέρα και η αδελφή του είχαν πεθάνει και ο ίδιος υπέφερε από φυματίωση. Ωστόσο, ένα έτος διδασκαλίας στο πιο καλο κλίμα της Κριμαίας βελτίωσε σημαντικά την υγεία του και ένας νέος γιατρός απέρριψε με βεβαιότητα την προηγούμενη διάγνωση.
Το φθινόπωρο του 1856 ο Μεντελλέεφ υπερασπίστηκε επιτυχώς τη διατριβή για μάστερ σχετικά με τις "σχέσεις μεταξύ του ειδικού όγκου των ουσιών και των κρυσταλλογραφικών και χημικών ιδιοτήτων τους". Λίγο αργότερα το Πανεπιστήμιο της Αγίας Πετρούπολης τον δέχτηκε ως διδάσκοντα χημείας, επιτρέποντάς του να έχει πρόσβαση στο εργαστήριό του. Το 1859 έλαβε κρατική χρηματοδότηση για δύο χρόνια σπουδών στο εξωτερικό.
Δημιουργώντας καριέρα
Στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία, ο Mendeleev έκανε έρευνες σε διάφορα θέματα, όπως η επιφανειακή τάση, η τριχοειδή φαινόμενα και η εξάτμιση, και διατήρησε το ενδιαφέρον για τις διαμοριακές δυνάμεις καθ' όλη τη διάρκεια της καριέρας του. Το 1860 παρακολούθησε το συνέδριο της Καρλσρούης, όπου ο Ιταλός χημικός Stanislau Cannizzaro έδωσε ένα πρωτοποριακό έγγραφο για τα ατομικά βάρη (που σήμερα ονομάζονται σχετικές ατομικές μάζες). Αυτό ήταν ένα κρίσιμο βήμα προς το περιοδικό σύστημα, όπως προηγουμένως υπήρξε σημαντική αμφισβήτηση για την απόδοση των ατομικών βαρών στα στοιχεία.
Κάποιοι χημικοί ισχυρίστηκαν ότι αυτά τα βάρη ήταν άσχετα ή αρνήθηκαν εντελώς τη φυσική ύπαρξη των ατόμων. Άλλοι προτιμούσαν ένα σύστημα βασισμένο σε ατομικό βάρος ίσο με οκτώ για το οξυγόνο, υποθέτοντας ότι η φόρμουλα του νερού ήταν HO και όχι H2O. Αλλά στην Καρλσρούη ο Κανιζάρο αναβίωσε τις ιδέες του συμπατριώτη του, Amadeo Avogadro, για να υποστηρίξει τη φόρμουλα H2O για το νερό, και ατομικό βάρος 16 για οξυγόνο. Κατά τη δεκαετία του 1860 οι απόψεις των χημικών μετατοπίστηκαν προς τη μεριά του - ευτυχώς για τον Mendeleev, καθώς οι κανονικότητες που του έδειχναν προς τον περιοδικό πίνακα θα ήταν λιγότερο ορατές με το παλαιότερο σύστημα ατομικών βαρών.
Μετά την επιστροφή στην Αγία Πετρούπολη το 1861, ο Μεντελλέεφ επανέλαβε τη διδασκαλία στο πανεπιστήμιο, ενώ ταυτόχρονα διδάσκει στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της πόλης. Επιπλέον, δημοσίευσε ένα βιβλίο οργανικής χημείας και αρκετά άρθρα για μια τεχνική εγκυκλοπαίδεια, καθώς και ταξιδεύει ευρέως αναζητώντας ευκαιρίες να εφαρμόσει επιστημονικές ανακαλύψεις στην οικονομική ανάπτυξη της Ρωσίας. Μια επίσκεψη στα πετρελαϊκά πεδία του Baku το 1863, για παράδειγμα, ήταν η αρχή για τη μακρά δέσμευσή του στην αναδυόμενη πετροχημική βιομηχανία.
Η διδακτορική διατριβή του Mendeleev (σχετικά με τη θεωρία των διαλυμάτων με τίτλο: "On the Combinations of Water with Alcohol") έγινε δεκτή το 1865, και το 1867 το πανεπιστήμιο τον όρισε καθηγητή γενικής χημείας. Διαδέχτηκε τον καθηγητή του Αλέξανδρο Βοσκρεσένσκι. Του ζητήθηκε να διδάξει την ανόργανη χημεία, και επειδή δεν υπήρχε ικανοποιητικό ρωσικό εγχειρίδιο, άρχισε να γράφει ένα. Έτσι εστίασε το μυαλό του στην πρόκληση της τακτοποίησης των χημικών στοιχείων με ένα σωστό μοτίβο. Αρκετοί άλλοι - όπως ο Leopold Gmelin στη Γερμανία, ο Jean Baptiste Dumas στη Γαλλία και ο John Newlands στην Αγγλία - το είχαν προσπαθήσει με περιορισμένη επιτυχία. Ο Mendeleev γνώριζε κάποιες από αυτές τις προσπάθειες, αλλά η δική του προσέγγιση ήταν ξεχωριστή σε σημαντικά σημεία.
Βάζοντας τις κάρτες του στον Πίνακα
Η επανάσταση ήρθε στις αρχές του 1869, καθώς ο Μεντελλέεφ προετοίμαζε μια άλλη βιομηχανική περιοδεία - αυτή τη φορά για να διερευνήσει και να βελτιώσει τις τεχνικές τυροκομίας. Εν τω μεταξύ, έχοντας ολοκληρώσει τον πρώτο τόμο του εγχειριδίου του, παιδευόταν να φτιάξει ένα πλαίσιο για το δεύτερο. Αργότερα αναφερόταν στη διαδικασία ως εξής:
Έτσι άρχισα να κοιτάζω και να γράφω τα στοιχεία με τα ατομικά τους βάρη και τις τυπικές ιδιότητες, ανάλογα στοιχεία και με ατομικά βάρη σε ξεχωριστές κάρτες και αυτό με έπεισε σύντομα ότι οι ιδιότητες των στοιχείων είναι σε περιοδική εξάρτηση από το ατομικό τους βάρος ... »
D Mendeleev, Principles of Chemistry , 1905 (η έμφαση προστέθηκε)
D Mendeleev, Principles of Chemistry , 1905 (η έμφαση προστέθηκε)
Ο Μεντελλέεφ έβαλε τις κάρτες του σε στήλες και σειρές, σαν σε ένα παιχνίδι πασιέντζας - ένα αγαπημένο του χόμπι κατά τη διάρκεια των σιδηροδρομικών του ταξιδιών. Οι κατακόρυφες στήλες περιλάμβαναν τα γνωστά στοιχεία κατά σειρά αυξανόμενου ατομικού βάρους, με μια νέα στήλη να ξεκινά κάθε φορά που μπορούσε να ταιριάξει στοιχεία με παρόμοια χαρακτηριστικά στην ίδια οριζόντια σειρά.
Όπως άλλοι χημικοί είχαν παρατηρήσει, λίγες ομάδες στοιχείων -ιδίως τα αλκαλιμέταλλα και τα αλογόνα - ανήκαν σαφώς στην ίδια ομάδα. Αλλά πολλά άλλα - ειδικά τα στοιχεία σπάνιων γαιών (λανθανίδες) - παρουσίαζαν προβλήματα, για το πως θα πρέπει να τακτοποιηθούν. Στο σημείο αυτό, ο Μεντελλέεφ, σε αντίθεση με τους περισσότερους από τους προκατόχους του, αρνήθηκε να εγκαταλείψει τον αγώνα.
Αν η θέση ενός στοιχείου στον Πίνακα του φαινόταν ανώμαλη, ήταν πρόθυμος να προσαρμόσει το ατομικό του βάρος ώστε να του δώσει πιο συμβατούς συντρόφους. Για παράδειγμα, πρότεινε ότι ο τύπος για το οξείδιο του βηρυλλίου ήταν BeO, αντί για το αποδεκτό Be2O3 της εποχής του. Αυτό μείωσε το ατομικό βάρος του βηρυλλίου, δίνοντάς του τη δυνατότητα να το ομαδοποιήσει με το μαγνήσιο παρά με το αλουμίνιο.
Στις 6 Μαρτίου 1869 παρουσιάστηκε στην "Ρωσική Χημική Κοινωνία" (μια οργάνωση που βοήθησε να ιδρυθεί λίγους μήνες νωρίτερα) το πρώτο χοντρικό διάγραμμα του Πίνακά του. Αργότερα εκείνο το χρόνο το περιοδικό της Κοινωνίας δημοσίευσε μια πιο αναθεωρημένη εκδοχή, μια σύντομη περίληψη της οποίας εμφανίστηκε σε γερμανική μετάφραση. Προσείλκυσε ελάχιστη προσοχή εκτός Ρωσίας, αλλά ο Mendeleev επέμενε, συνεχίζοντας να βάζει περισσότερες κάρτες στον Πίνακά του.
Προσοχή στα κενά
Το αναθεωρημένο διάγραμμα Mendeleev που δημοσιεύτηκε το 1871 φαίνεται πιο οικείο στα σύγχρονα μάτια. Για να το καταρτίσει έκανε και άλλες υποθέσεις. Για παράδειγμα, μείωσε το ατομικό βάρος του τελλούριου, κάνοντας το διπλανό του ιώδιο να είναι το βαρύτερο από τα δύο. Αυτό του επέτρεψε να τοποθετήσει το ιώδιο με τα αλογόνα και το τελλούριο με θείο και σελήνιο. Τέτοιες προσαρμογές ήταν αναμφίβολα μέσα στο εύρος του πειραματικού σφάλματος εκείνης της εποχής. Αλλά ο Mendeleev δεν θα μπορούσε να προβλέψει ότι ο ατομικός αριθμός και όχι το ατομικό βάρος θα γινόταν αργότερα η αρχή της διάταξης του Περιοδικού Πίνακα ή ότι η ταυτοποίηση των ισοτόπων με φασματομετρία μάζας τελικά θα εξηγούσε αυτές και άλλες ανωμαλίες.
Με την ίδια θρασύτητα, ο Mendeleev ενίσχυσε τη συνοχή του Περιοδικού Πίνακα του, αφήνοντας κενά για στοιχεία που δεν είχαν ακόμα ανακαλυφθεί για να ολοκληρώσει το μοτίβο που είχε οραματιστεί. Εκτός από την πρόβλεψη του χημικού χαρακτήρα τους για τα άγνωστα αυτά στοιχεία, τους αποδίδει επίσης θεωρητικές τιμές για τις φυσικές ιδιότητες όπως το ειδικό βάρος και το σημείο τήξης.
Το πρώτο - το γάλλιο - που ο Μεντελεεφ το ονόμασε έκα-αλουμίνιο προσδιορίστηκε φασματοσκοπικά από έναν γάλλο χημικό, τον Paul Lecoq de Boisbaudran το 1875. Όταν αρκετή ποσότητα από αυτό έγινε διαθέσιμη για δοκιμή, όλες οι ιδιότητες του γαλλίου ταιριάζουν με τις προβλέψεις του Mendeleev - εκτός από το ειδικό βαρος του, που το βρήκαν να είναι 4,7. Ωστόσο, ο Mendeleev συνέστησε να γίνουν νέες μετρήσεις, και βρέθηκε να είναι 5,9 - σχεδόν ταυτόσημη τιμή με την προβλεπόμενη από τον Μεντελέεφ.
Η ανακάλυψη του σκάνδιου το 1879 και του γερμάνιου το 1885 - που και τα δύο παρουσίασαν τις ιδιότητες που ο Mendeleev είχε προβλέψει γι' αυτά- έπεισαν περισσότερους χημικούς ότι ο Πίνακας του, παρά τις εναπομένουσες ανωμαλίες του, ήταν πολύ χρήσιμο εργαλείο για να αγνοηθεί. Εν τω μεταξύ, άλλοι ερευνητές (κυρίως ο Lothar Meyer στη Γερμανία) επίσης επεσήμαναν αποκλίσεις στην περιοδικότητα των φυσικών ιδιοτήτων των στοιχείων. Ο Mendeleev παρατήρησε αργότερα: «Αν και είχα αμφιβολίες σχετικά με κάποια σκοτεινά σημεία, δεν έχω ποτέ αμφισβητήσει ούτε μία φορά την καθολικότητα αυτού του νόμου, επειδή δεν θα μπορούσε να είναι το αποτέλεσμα τύχης». [Mendeleev, op cit ]
Ενώ ήταν σωστός για την σκέπη υπό την αρχή της περιοδικότητας, ο Mendeleev δεν ήταν αλάθητος ως προφήτης. Πρόβλεψε πολλά άλλα στοιχεία που δεν βρέθηκαν ποτέ. Και υποστήριξε μέχρι το τέλος της ζωής του ότι ο αιθέρας - ένα σημαντικό, αλλά μη ανιχνεύσιμο συστατικό στις τότε αποδεκτές θεωρίες του φωτός και του ηλεκτρομαγνητισμού - ήταν ένα πραγματικό χημικό στοιχείο, παρόλο που δεν το είχε απομονώσει στο εργαστήριο. Πρότεινε ότι θα μπορούσε να είναι το ελαφρύτερο από τα ευγενή αέρια, με ατομικό βάρος 0,17.
Τα χρόνια αργότερα
Στην ιδιωτική του ζωή, ο Mendeleev ήταν προκλητικά αντισυμβατικός. Είχε κανονίσει να κόβει τα μαλλιά του και τα γένια του μόνο μια φορά το χρόνο, αρνούμενος να αλλάξει αυτή τη συνήθεια ακόμη και για χάρη μιας ακρόασης με τον Τσάρο. Επίσης, οι οικογενειακές του διευθετήσεις του ήταν κάπως αντικανονικές. Στις 27 Απριλίου του 1862, παντρεύτηκε την Feosva Lescheva, έχοντας οδηγηθεί προς αυτήν την κατεύθυνση από μια καλών προθέσεων μεγαλύτερη αδελφή που σκέφτηκε ότι ήταν καιρός να κατασταλάξει. Είχε προηγηθεί αρραβώνας 23 ημερών. Το ζευγάρι έκανε δύο παιδιά, αλλά μετά από μια περίοδο αυξανόμενης αμοιβαίας δυστυχίας συμφώνησαν να χωρίσουν, και να χρησιμοποιούν εναλλάξ το αρχοντικό του Ντμίτρι στην πόλη και το εξοχικό του.
Αρκετά χρόνια αργότερα ο Ντμίτρι ερωτεύτηκε την Άννα Πόποφ, 17χρονη φοιτήτρια τέχνης. Όταν οι γονείς της Άννας την έστειλαν μακριά για να συνεχίσει τις σπουδές της στη Ρώμη, ο Ντμίτρι την ακολούθησε και το 1881, ο 47χρονος την ζήτησε σε γάμο. Η Άννα αποδέχτηκε, αλλά ακόμα και μετά το διαζύγιο του Ντμίτρι και της Feosva παραμένει ένα ακόμη εμπόδιο. Η Ρωσική Ορθόδοξη Εκκλησία αναγνώριζε τα πολιτικά διαζύγια, αλλά απαιτούσε ένα διάστημα επτά ετών πριν να γίνει ένας επόμενος γάμος. Παρ' όλα αυτά, το 1882 ο Ντμίτρι βρήκε ιερέα πρόθυμο (μετά από μια σημαντική αμοιβή) να πραγματοποιήσει την τελετή πρόωρα. Και παρά τη διφορούμενη και τεχνικά δίγαμη κατάσταση τους , το ζευγάρι έζησε ευτυχισμένα μαζί και έκαναν τέσσερα παιδιά.
Στην πολιτική, ο Μεντελλέεφ ήταν επίσης ένας ανυπότακτος - ένας ντόμπρος φιλελεύθερος που παραιτήθηκε από το καθηγητικό του πόστο το 1890 για να διαχωρίσει τη θέση του από την σκληρή κυβερνητική καταστολή των φοιτητικών διαμαρτυριών. Αυτή η χειρονομία επικροτήθηκε από τους μαθητές του, αλλά προκάλεσε εχθρότητα σε επίσημους κύκλους. Ωστόσο, ο υπουργός Οικονομικών της Ρωσίας, Sergius Witte, από το 1892, εκτιμά την αξία των συνεισφορών του Mendeleev και το 1893 τον διορίζει επικεφαλής του κυβερνητικού γραφείου μέτρων και σταθμών. Από αυτή τη θέση συνέχισε να εφαρμόζει τις επιστημονικές γνώσεις για να βοηθήσει την οικονομική ανάπτυξη της Ρωσίας.
Το 1905 ο Βασιλικός Σύλλογος του Λονδίνου τίμησε τον Mendeleev με το μετάλλιο Copley, αφού είχε ήδη λάβει το μετάλλιο Davy το 1882. Το 1906 ορίστηκε υποψήφιος για το βραβείο Νόμπελ, αλλά μολονότι η επιτροπή χημείας υποστήριξε την υποψηφιότητά του, η επιτροπή βραβείων αποφάνθηκε ότι η ανακάλυψή του δεν ήταν αρκετά πρόσφατη ώστε να την εξετάσουν. Η απόφαση επηρεάστηκε πιθανότατα από τον Σουηδό φυσικό χημικό Svante Arrhenius, ο οποίος είχε συγκρουστεί με τον Mendeleev στο παρελθόν.
Σχεδόν μισό αιώνα μετά το θάνατό του το 1907, ο Mendeleev προσχώρησε σε ακόμη πιο αποκλειστικό κλαμπ. Το 1955 οι φυσικοί στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας βομβάρδισαν το στοιχείο 99 (einsteinium) με σωματίδια άλφα για να παράγουν ίχνη του στοιχείου 101. Επισήμως βαπτισμένο «mendelevium», το νέο αυτό στοιχείο ενσωμάτωσε το όνομά του στον Περιοδικό Πίνακα που είχε δημιουργήσει. Από τότε η διάταξη του πίνακα είχε γίνει πιο ξεκάθαρη με τη χρήση των υπο-ατομικών δομών και των κβαντικών ενεργειακών σταθμών, σε ένα τόσο λεπτομερειακό επίπεδο που ο Mendeleev δεν μπορούσε ποτέ να προβλέψει. Ωστόσο, αυτό με κανένα τρόπο δεν μειώνεται το ανάστημα του επιτεύγματός του.
Και άλλοι πριν απ' αυτόν είχαν προτείνει ότι ο κατάλογος των γνωστών στοιχείων θα μπορούσε να τακτοποιηθεί σε ένα μοτίβο ώστε να βγαίνει νόημα. Σημείωσαν σημαντικές αντιστοιχίες, αλλά δεν βρήκαν οριστική εικόνα. Ωστόσο, ο Mendeleev ήταν πεπεισμένος ότι τα χημικά στοιχεία πρέπει να θεωρούνται ως συλλογική οντότητα. Οπλισμένος με αυτή την πεποίθηση, έδωσε τη συνοχή του στον Πίνακα, αναθεωρώντας με τόλμη τις θέσεις ορισμένων γνωστών στοιχείων και αφήνοντας κενά για τα άλλα που δεν είχαν ακόμη ανακαλυφθεί. Αν και μερικές από τις προβλέψεις του ήταν λανθασμένες, σημείωσε αρκετές επιτυχίες για να καθιερώσει τον Πίνακα του ως βάση για την κατανόηση των στοιχείων της Χημείας από εμάς και για να επιβεβαιώσει την θέση του ως ένας από τους ιδρυτές της σύγχρονης χημείας.
Ο Mike Sutton είναι ιστορικός της επιστήμης με έδρα το Newcastle, Ηνωμένο Βασίλειο
Περαιτέρω ανάγνωση
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
E R Scerri, The Periodic Table: its Story and its Significance, Oxford University Press, 2006
Πηγές:
ChemistryWorld της The Royal Society of Chemistry[GB]: Τhe father of the periodic table
From Wikipedia, the free encyclopedia: Dmitri Mendeleev
