Периодическая система в курсе химии средней школы

Выступление на политехнических чтениях «Идеи Д.И.Менделеева: история и будущее», проходивших 24 марта 1999 г. в Политехническом музее, Москва

Предварить свое выступление хочу сообщением об одном небезынтересном факте. В 1969 г. к 100-летию открытия периодического закона редакции химических и физических журналов были завалены статьями, посвященными этому событию. Помню, в редакцию «Журнала физической химии», где я работал научным редактором, был принесен среди прочих вариант таблицы на 1000 химических элементов. Для избавления от потока этих в основном бессодержательных работ Академией наук СССР было принято решение не публиковать больше статей, рассматривающих варианты периодической системы.
Несомненно, это облегчило (и до сего дня облегчает) работу редакций, но одновременно поставило преграду на пути серьезных исследований явления периодичности. В силу обстоятельств мне на протяжении последних тридцати лет приходилось постоянно соприкасаться с изложением периодичности свойств химических элементов в печати. В последнее время все чаще приходит мысль: а не выплеснули тогдашним решением ребенка вместе с мыльной пеной пустых работ?
За прошедшие тридцать лет – времени этого запрета – успело вырасти два поколения учителей. Многие из них убеждены: больше ничего интересного о периодической системе сказать нельзя. Публикаций на эту тему не появляется. Значит, все, что было возможно, – сказано.
Еще со времен Дж.Бруно и Г.Галилея известна аксиома: никакими решениями развитие науки запретить нельзя!
Однако на интерпретацию явления периодичности и на изложение этой проблемы в учебной литературе, в частности учебниках по химии для средней школы, это решение, несомненно, повлияло.

Даже в хороших учебниках последних лет [1–4] не говорится, что принесло решающий успех Д.И.Менделееву. В отличие от своих научных предшественников от И.В.Дёберейнера до Л.Ю.Мейера открытию периодического закона и созданию периодической таблицы способствовало то, что Дмитрий Иванович за основу взял не одну только атомную массу элементов, но и результаты применения «метода атомной аналогии».

Ученый этот метод разработал специально для анализа свойств элементов, и результаты его использования были потрясающими. Из 29 предсказанных элементов Менделеев с удивительной точностью описал 12. При этом подробности свойств относились не только к простому веществу, но и к соединениям.

В учебниках [см. 2, c. 76; 3, с. 200] в качестве иллюстрации приводится описание экасилиция и германия; в учебнике [2] показано, как вычислялась атомная масса элемента на примере селена. Однако и в этом случае «метод атомной аналогии» как основополагающий рассмотрен не был.

В качестве аргумента в пользу важности этого метода сошлюсь на авторитет академика А.Е.Ферсмана, который очень удачно и образно назвал его «правилом звездности». В соответствии с этим правилом подтверждается закономерность связи свойств данного элемента и свойств всех восьми его соседей (рис. 1). Так магний должен иметь общие черты не только с Bе и Са – по группе, с Na и Al – по периоду, но и с Li и Ga, В и К – по диагоналям.

Теперь самый главный вопрос. Что дает включение в курс химии средней школы «правила звездности»? Что теряется сейчас, когда о нем отсутствует даже упоминание?

Во-первых, это исключит даже саму возможность сомнения в том, что Менделеев был первооткрывателем периодического закона и периодической системы. Напомню вам о знаменитом споре с представителем немецкой науки Мейером, отголоски которого доходят и до наших дней. Если мы привлечем к рассмотрению «правило звездности» как второе обоснование явления периодичности, то упомянутая дискуссия закончится в пользу Менделеева.

Ведь зависимость химических свойств от атомных весов элементов была известна и применялась задолго до рождения Менделеева (1834) и Мейера (1830). Еще в 1817 г. Дёберейнер представил первую триаду: литий–натрий–калий; к 1829 г. таких триад им обнародовано было уже пять. Принципиальных отличий между триадами Дёберейнера, таблицей Мейера или другими предложениями предшественников Менделеева не существует. Все они имели лишь иллюстративный характер, включали лишь известные элементы, да и то иногда не все из открытых (так в таблицу Мейера не были включены водород, иттрий и другие элементы). Предсказать, а тем более описать свойства неоткрытых элементов, их простых веществ и соединений ни одному из предшественников Менделеева не удалось. Именно «правило звездности» свойств подтверждает, что найденная зависимость и последовательность свойств элементов выражает периодический закон природы.

Во-вторых, из «правила звездности» напрямую следует «диагональное сходство» и, соответственно, «диагональное сечение» (выражения С.А.Щукарева) периодической системы. О них в современных школьных учебниках не упоминается, а сами диагонали не рассматриваются. Как следствие этого, становится непонятным появление амфотерных элементов и остается неясным обоснование этого свойства.

Опытными и добросовестными учителями упоминается последовательность амфотерных элементов, находящихся на границе с неметаллами по диагонали бор–астат. Однако таких «диагональных сечений» в периодической восьми- или шестнадцатиклеточной менделеевской таблице не одно, а значительно больше [5, c. 171]. Только для главных подгрупп, состоящих из s- и р-элементов, их десять (рис. 2). Более подробно см. статью «Диагонали периодической системы» («Химия в школе», 1999 г.).

В-третьих, без учета «правила звездности» трудно понять некоторые фактические сведения о свойствах конкретных элементов. Известно, например, что в группе щелочно-земельных элементов щелочи образуются только с кальция (IV период). Этого нельзя понять, если не рассматривать химическое сходство лития и магния [6, c. 400].

Обратимая реакция Дикона:

перестает быть феноменальной и является следствием естественных закономерностей свойств кислорода и хлора.

Можно было бы еще перечислять неточности и нелепости, возникающие в изложении тех или иных разделов школьной химии без учета «правила звездности». Дело, однако, не в авторах учебников и школьных учителях-тружениках, а в существующем подходе, который можно выразить очень просто: «За рамки – не выходить!»

Но в науке запреты ничего не значат. Сегодня на политехнических чтениях были сделаны сообщения, подтверждающие, что исследования периодичности выходят за рамки запрета. Представитель МГТУ им. Н.Э.Баумана профессор А.И.Горбунов рассказал о результатах поиска третьего измерения периодической системы, в качестве которого предлагается электроотрицательность [7]. На рис. 3, а (см. с. 8) объем каждого элемента условно находится в зависимости от величины электроотрицательности. Кстати, это наглядно подтверждает «правило звездности» и диагональное сходство химических элементов, которое графически изображено на рис. 3, б.

Доклад академика Ю.Ц.Оганесяна также подтверждает актуальность «метода атомной аналогии». Синтез 114-го элемента, осуществленный в декабре 1998 г. в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) под руководством Оганесяна, доказал современность и справедливость такого подхода. Ядро 114-го элемента рассматривалось в этом поиске как аналог свинца. Здесь уместно напомнить, что «актиноидная теория» строения элементов в нижней части современной периодической таблицы была сформулирована также на принципах метода «атомной аналогии» в 1945 г. Г.Т.Сиборгом: «Мы выдвинули здесь гипотезу о том, что ряд типа редких земель начинается с актиния, так же как ряд лантаноидов начинается с лантана» [8, c. 204–208].

Теперь перехожу к главному выводу: из представленных на этих политехнических чтениях докладов и сообщений видно, как сегодня сбывается предсказание Дмитрия Ивановича: «Будущее не грозит периодической системе разрушением, а только укрепление и расширение обещает».

Отношение к изложению периодической системы в курсе химии средней школы вызывает, по крайней мере, удивление. В лучшем случае ей отводится одна глава [см. 1, 2], чаще и того меньше [см. 3, 4].

Как известно, обращение Менделеева к систематизации химических элементов было вызвано необходимостью найти основу для преподавания химии. Исходя из этого, следует все найденные им принципы построения периодической системы положить в основу преподавания химии в средней школе. Высшая школа к настоящему времени накопила необъятный методический опыт по изложению явления периодичности. С этим предложением я обращаюсь к чиновникам, принимающим решения о школьных программах; авторам, разрабатывающим новые учебники; специалистам, работающим в области изучения явления периодичности; учителям, нечуждым новациям.

Литература

1. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия. 8 класс. М.: Просвещение, 1996, 160 с.
2. Ахметов Н.С. Химия. 8 кл. М.: Просвещение, 1994, 192 с.
3. Гузей Л.С., Суровцева Р.П., Сорокин В.В. Химия. 8 класс. М.: Дрофа, 1997, 304 с.
4. Габриелян О.С. Химия. 8 класс. М.: Сиринъ, 1995, 224 с.
5. Щукарев С.А. Периодическая система Д.И.Менделеева и современная химия. В сб.: Периодический закон и строение атома. М.: Атомиздат, 1971, с. 128–203.
6. Рэмсден Э.Н. Начала современной химии. Л.: Химия, 1989, 784 с.
7. Горбунов А.И., Филиппов Г.Г. Периодическая система химических элементов: симметрия, правильные конфигурации, третье измерение. М.: Аслан, 1996, 32 с.
8. Трифонов Д.Н. Тяжелые элементы и периодическая система. В сб.: Периодический закон и строение атома. М.: Атомиздат, 1971, с. 204–208.

Г.Н.Фадеев