Открытие периодического закона: три загадки и одна легенда

Химия11 класс

§ 5.1. Предпосылки открытия Периодического закона Д. И. Менделеевым

Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева — основа современной химии. Они относятся к таким научным закономерностям, которые отражают явления, реально существующие в природе, и поэтому никогда не потеряют своего значения.

Их открытие было подготовлено ходом истории развития химии, однако потребовалась гениальность Д. И. Менделеева, его дар научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и графически представлены в виде таблицы. Мы будем пользоваться современными синонимами тех терминов, которые применял великий русский химик.

Ко времени открытия Периодического закона было известно 63 химических элемента, описаны состав и свойства их многочисленных соединений.

Ученые неоднократно предпринимали попытки классифицировать химические элементы, привести сведения о них в систему. К концу 60-х гг. XIX в. насчитывалось более 50 различных вариантов классификации химических элементов (среди них: классификация Берцелиуса на металлы и неметаллы, триады Деберейнера, спираль Шанкуртуа, октавы Ньюлендса, таблица Мейера и др.).

Большинство ученых пытались выявить связь между химическими свойствами элементов и их соединений и атомной массой. Но создать классификацию, включающую все известные в то время химические элементы, не удалось. Ни одна из попыток не привела к созданию системы, отражающей взаимосвязь элементов и выявляющей природу их сходства и различия. Открытие Периодического закона и построение Периодической системы химических элементов — заслуга великого русского ученого Д. И. Менделеева.

В отличие от работ предшественников, предложенная Д. И. Менделеевым таблица Периодической системы химических элементов имела четкую структуру в виде групп и периодов (с рядами), в которой нашлось место не только для всех известных в то время элементов, но были оставлены пустые места для еще не открытых (рис. 8). Система Д. И. Менделеева позволила не только предсказать существование неизвестных элементов, но и предугадать их свойства, исправить неверно определенные атомные массы уже известных элементов.

Рис. 8. Первоначальный вариант Периодической системы, воспроизведенный на здании в Санкт-Петербурге, где работал Д. И. Менделеев

Третьей предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в г. Карлсруэ в 1860 г., когда окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который мы теперь называем относительной атомной массой (Аr). Именно это понятие как неизменную характеристику атомов химических элементов Д. И. Менделеев положил в основу своей классификации. Он писал: «Масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и атомными их весами — с другой».

Предшественники Д. И. Менделеева сравнивали между собой только сходные элементы, а поэтому и не смогли открыть Периодический закон. В отличие от них, Д. И. Менделеев обнаружил периодичность в изменении свойств химических элементов, расположенных в порядке возрастания величин их атомных масс, сравнивая между собой все известные ему, в том числе и несходные, элементы.

Д. И. Менделеев в своем открытии опирался на четко сформулированные исходные положения:

• общее неизменное свойство атомов всех химических элементов — их атомная масса;
• свойства химических элементов зависят от их атомных масс;
• форма этой зависимости — периодическая.

Рассмотренные выше предпосылки можно назвать объективными, т. е. не зависящими от личности ученого, так как они были обусловлены историческим развитием химии как науки.

Но без личностных качеств великого химика, которые составляют четвертую, субъективную предпосылку открытия Периодического закона, вряд ли он был бы открыт в 1869 г. Если бы его открыл какой-нибудь другой химик, вероятно, это произошло бы намного позже. Энциклопедичность знаний, научная интуиция, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого, дар научного предвидения Д. И. Менделеева сыграли свою немалую роль в открытии Периодического закона.

Периодический закон это

Свойства простых тел, а также формы и свойства соедине­ний элементов находятся в периодической зависимости от ве­личины атомных весов элементов.

Чтобы познакомиться с найденной Менделеевым закономер­ностью, выпишем подряд по возрастающему атомному весу пер­вые 20 элементов.

Под символом каждого элемента поместим формулу его выс­шего кислородного соединения, отвечающего наибольшей валент­ности элемента:

и т.д.

В этом ряду сделано исключение только для калия, который должен был бы стоять впереди аргона. Как увидим впоследствии, это исключение находит себе полное оправдание в современной теории строения атома.

Оставляя пока в стороне водород и гелий, посмотрим, какова последовательность в изменении свойств остальных элементов.

Литий — одновалентный металл, энергично разлагающий воду с образованием сильной щелочи. За литием идет бериллий — тоже металл, но двухвалентный, медленно разлагающий воду прио быкновенной температуре. После бериллия стоит бор — трех­валентный элемент со слабо выраженными металлоидными свой­ствами, проявляющий в то же время некоторые свойства, ме­талла.

Следующее место в ряду занимает углерод — четырехвалентный металлоид. Далее идут: азот — элемент с довольно резко выраженными металлоидными свойствами, в высшем окисле N2O5 являющийся пятивалентным; кислород — типичный метал­лоид; наконец, седьмой элемент фтор — самый энергичный из металлоидов, кислородных соединений которого до недавнего вре­мени не было известно.

Из этого беглого обзора свойств семи перечисленных элемен­тов мы видим, что металлические свойства, ярко выраженные у лития, постепенно ослабевают при переходе от одного элемента к другому, уступая место металлоидным свойствам, которые до­стигают высшей степени у фтора.

В то же время по мере увели­чения атомного веса валентность элементов по отношению к кис­лороду, начиная с единицы для литая, правильно увеличивается на единицу для каждого следующего элемента.

Если бы изменение свойств и дальше происходило в том же направлении, то после фтора следовал бы элемент с еще более-ярко выраженными металлоидными свойствами. В действитель­ности же следующий за фтором элемент — неон представляет собой инертный газ, не соединяющийся с другими элементами и не проявляющий ни металлических, ни металлоидных свойств.

За неоном идет натрий — одновалентный металл, похожий на литий. С ним мы как бы вновь возвращаемся к началу пройден­ной нами лестницы свойств. Действительно, за натрием следует магний — аналог бериллия; потом алюминий, хотя и металл, а не металлоид, как бор, но тоже трехвалентный, обнаруживаю­щий некоторые металлоидные свойства.

После него идут крем­ний — четырехвалентный металлоид, во многих отношениях сход­ный с углеродом; пятивалентный фосфор, по химическим свой­ствам похожий на азот; сера — элемент с резко выраженными металлоидными свойствами; хлор — очень энергичный металлоид,, принадлежащий, как известно, к той же группе галогенов, что и фтор, и, наконец, опять инертный газ аргон.

Если проследить изменение свойств всех остальных элемен­тов, то окажется, что в общем оно происходит в таком же по­рядке, как и у первых 16 (не считая водорода и гелия) элемен­тов: за аргоном опять идет одновалентный щелочной металл ка­лий, затем двухвалентный, металл кальций, сходный с маг­нием, и т. д.

Таким образом, изменение свойств химических элементов по мере возрастания их атомного веса не совершается непрерывно в одном и том же направлении, а имеет периодический характер. Через определенное число элементов происходит как бы возврат назад, к исходной точке, после чего в известной мере вновь повторяются свойства предыдущих элементов в той же последовательности, но с некоторыми качественными разли­чиями.

Статья на тему Периодический закон Д. И. Менделеева

Как создавалась периодическая таблица

Легенда гласит, что Менделеев задумал и создал свою таблицу в один день: 17 февраля 1869 года по русскому календарю (для большей части мира это 1 марта). Но это, вероятнее всего, преувеличение. Менделеев думал о группировании элементов годами, и другие химики несколько раз рассматривали понятие связей между элементами в предыдущие десятилетия.

На самом деле, немецкий физик Иоганн Вольфганг Доберейнер заметил особенности группирования элементов еще в 1817 году. В те дни химики еще не полностью поняли природу атомов, описанную атомной теорией Джона Дальтона в 1808 году. В своей «новой системе химической философии» Дальтон объяснил химические реакции, предполагая, что каждое элементарное вещество состоит из атома определенного типа.

Дальтон предположил, что химические реакции производили новые вещества, когда атомы разъединяются или соединяются. Он полагал, что любой элемент состоит исключительно из одного вида атома, который отличается от других по весу. Атомы кислорода весили в восемь раз больше, чем атомы водорода. Дальтон считал, что атомы углерода в шесть раз тяжелее водорода. Когда элементы объединяются для создания новых веществ, количество реагирующих веществ может быть рассчитано с учетом этих атомных весов.

Дальтон ошибался насчет некоторых масс – кислород в действительности в 16 раз тяжелее водорода, а углерод в 12 раз тяжелее водорода. Но его теория сделала идею об атомах полезной, вдохновив революцию в химии. Точное измерение атомной массы стало основной проблемой химиков на последующие десятилетия.

Размышляя об этих весах, Доберейнер отметил, что определенные наборы из трех элементов (он назвал их триадами) показывают интересную связь. Бром, например, имел атомную массу где-то между массами хлора и йода, и все эти три элемента демонстрировали сходное химическое поведение. Литий, натрий и калий также были триадой.

Другие химики заметили связи между атомными массами и химическими свойствами, но лишь в 1860-х годах атомные массы стали достаточно хорошо поняты и измерены, чтобы выработалось более глубокое понимание. Английский химик Джон Ньюландс заметил, что расположение известных элементов в порядке увеличения атомной массы приводило к повторению химических свойств каждого восьмого элемента. Эту модель он назвал «законом октав» в статье 1865 года. Но модель Ньюландса не очень хорошо держалась после первых двух октав, что заставило критиков предложить ему расставить элементы в алфавитном порядке. И как вскоре понял Менделеев, отношение свойств элементов и атомных масс были чуть более сложными.

Попытки расширить границы триад

Недостатков в упомянутой системе Дёберейнера было достаточно. К примеру, в цепочке бария, стронция, кальция отсутствовал сходный с ними по строению и свойствам магний. А в сообществе теллура, селена, серы не хватало кислорода. Многие другие похожие вещества также не удалось классифицировать согласно системе триад.

Указанные идеи пытались развивать многие другие химики. В частности немецкий учёный Леопольд Гмелин стремился раздвинуть «тесные» рамки, расширив группы классифицируемых элементов, распределив их в порядке эквивалентных весов и электроотрицательности элементов. Его структуры образовывали не только триады, но и тетрады, пентады, но немецкому химику так и не удалось уловить суть периодического закона.

Химические свойства элементов периодической системы

По сути, химические элементы взаимосвязаны между собой характеристиками, свойственными им в состоянии свободного как атома, так и иона, сольватированного или гидратированного, в простом веществе и форме, которую могут образовать их многочисленные соединения. Однако х-кие свойства обычно заключаются в двух явлениях: свойства, характерные для атома в свободном состоянии, и простого вещества. К такому роду свойств относится множество их видов, но самые важные это:

1. Атомная ионизация и ее энергия, зависящая от положения элемента в таблице, его порядкового числа.
2. Энергетическое родство атома и электрона, которая так же, как и атомная ионизация, зависит от места нахождения элемента в периодической таблице.
3. Электроотрицательность атома, не носящая постоянное значение, а способная изменяться в зависимости от различного рода факторов.
4. Радиусы атомов и ионов – тут, как правило, используются эмпирические данные, что связано с волновой природой электронов в состоянии движения.
5. Атомизация простых веществ – описание возможностей элемента к реакционной способности.
6. Степени окисления – формальная характеристика, однако фигурирующая как одна из важнейших характеристик элемента.
7. Потенциал окисления для простых веществ – это измерение и показание потенциала вещества к действию его в водных растворах, а также уровень проявления свойств окислительно-восстановительного характера.