Значение периодического закона менделеева. Доклад: Периодическая система и её значение в развитии химии Д.И

Предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в городе Карлсруэ в 1860 году, когда окончательно утвердилось атомно - молекулярное учение были предприняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который мы теперь называем относительной атомной массой.

Д. И. Менделеев в своём открытии опирался на чётко сформулированные исходные положения:

Общее неизменное свойство атомов всех химических элементов - их атомная масса;

Свойства элементов зависят от их атомных масс;

Форма этой зависимости - периодическая.

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

III Периодический закон и Периодическая система химических элементов.

Открытие Менделеевым Периодического закона.

Первый вариант Периодической таблицы элементов был опубликован Д. И. Менделеевым в 1869 году - задолго до того, как было изучено строение атома. В это время Менделеев преподавал химию в Петербургском университете. Готовясь к лекциям, собирая материал для своего учебника "Основы химии", Д. И. Менделеев раздумывал над тем, как систематизировать материал таким образом, чтобы сведения о химических свойствах элементов не выглядели набором разрозненных фактов.

Ориентиром в этой работе Д. И. Менделееву послужили атомные массы (атомные веса) элементов. После Всемирного конгресса химиков в 1860 году, в работе которого участвовал и Д. И. Менделеев, проблема правильного определения атомных весов была постоянно в центре внимания многих ведущих химиков мира, в том числе и Д. И. Менделеева. Располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, Д. И. Менделеев обнаружил фундаментальный закон природы, который теперь известен как Периодический закон:

Свойства элементов периодически изменяются в соответствии с их атомным весом.

Приведенная формулировка нисколько не противоречит современной, в которой понятие "атомный вес" заменено понятием "заряд ядра". Ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов и нейтронов в ядрах большинства элементов примерно одинаково, поэтому атомный вес увеличивается примерно так же, как увеличивается число протонов в ядре (заряд ядра Z).

Принципиальная новизна Периодического закона заключалась в следующем:

1. Устанавливалась связь между НЕСХОДНЫМИ по своим свойствам элементами. Эта связь заключается в том, что свойства элементов плавно и примерно одинаково изменяются с возрастанием их атомного веса, а затем эти изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ.

2. В тех случаях, когда создавалось впечатление, что в последовательности изменения свойств элементов не хватает какого-нибудь звена, в Периодической таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ, которые надо было заполнить еще не открытыми элементами.

Во всех предыдущих попытках определить взаимосвязь между элементами другие исследователи стремились создать законченную картину, в которой не было места еще не открытым элементам. Наоборот, Д. И. Менделеев считал важнейшей частью своей Периодической таблицы те ее клеточки, которые оставались пока пустыми. Это давало возможность предсказать существование еще неизвестных элементов.

Достойно восхищения, что свое открытие Д. И. Менделеев сделал в то время, когда атомные веса многих элементов были определены весьма приблизительно, а самих элементов было известно всего 63 - то есть чуть больше половины известных нам сегодня.

Глубокое знание химических свойств различных элементов позволило Менделееву не только указать на еще не открытые элементы, но и точно предсказать их свойства! Д. И. Менделеев точно предсказал свойства элемента, названного им "эка-силицием". Спустя 16 лет этот элемент действительно был открыт немецким химиком Винклером и назван германием.

Сопоставление свойств, предсказанных Д. И. Менделеевым для еще не открытого элемента "эка-силиция" со свойствами элемента германия (Ge). В современной Периодической таблице германий занимает место "эка-силиция".

Свойство

Предсказано Д. И. Менделеевым для "эка-силиция" в 1870 году

Определено для германия Ge, открытого в 1886 году

Цвет, внешний вид

коричневый

светло-коричневый

Атомный вес

72,59

Плотность (г/см3)

5,5

5,35

Формула оксида

ХО2

GeO2

Формула хлорида

XCl4

GeCl4

Плотность хлорида (г/см3)

1,9

1,84

Точно так же блестяще подтвердились предсказанные Д. И. Менделеевым свойства "эка-алюминия" (элемент галлий Ga, открыт в 1875 году) и "эка-бора" (открытый в 1879 году элемент скандий Sc).

После этого ученым всего мира стало ясно, что Периодическая таблица Д. И. Менделеева не просто систематизирует элементы, а является графическим выражением фундаментального закона природы - Периодического закона.

Структура Периодической системы.

На основе Периодического закона Д.И. Менделеев создал Периодическую систему химических элементов, которая состояла из 7 периодов и 8 групп (короткопериодный вариант таблицы). В настоящее время чаще используется длиннопериодный вариант Периодической системы (7 периодов, 8 групп, отдельно показаны элементы - лантаноиды и актиноиды).

Периоды - это горизонтальные ряды таблицы, они подразделяются на малые и большие. В малых периодах находится 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды), в больших периодах - 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й, 7-й период). Каждый период начинается с типичного металла, а заканчивается неметаллом (галогеном) и благородным газом.

Группы - это вертикальные последовательности элементов, они нумеруется римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А и Б. Короткопериодный вариант Периодической системы включал подгруппы элементов (главную и побочную).

Подгруппа - это совокупность элементов, являющихся безусловными химическими аналогами; часто элементы подгруппы обладают высшей степенью окисления, отвечающей номеру группы.

В А-группах химические свойства элементов могут меняться в широком диапазоне от неметаллических к металлическим (например, в главной подгруппе V группы азот - неметалл, а висмут - металл).

В Периодической системе типичные металлы расположены в IА группе (Li-Fr), IIА (Mg-Ra) и IIIА (In, Tl). Неметаллы расположены в группах VIIА (F-Al), VIА (O-Te), VА (N-As), IVА (C, Si) и IIIА (B). Некоторые элементы А-групп (бериллий Ве, алюминий Al, германий Ge, сурьма Sb, полоний Po и другие), а также многие элементы Б-групп проявляют и металлические, и неметаллические свойства (явление амфотерности).

Для некоторых групп применяют групповые названия: IА (Li-Fr) - щелочные металлы, IIА (Ca-Ra) - щелочноземельные металлы, VIА (O-Po) - халькогены, VIIА (F-At) - галогены, VIIIА (He-Rn) - благородные газы. Форма Периодической системы, которую предложил Д.И. Менделеева, называлась короткопериодной или классической. В настоящее время больше используется другая форма Периодической системы - длиннопериодная.

Периодический закон Д.И. Менделеева и Периодическая система химических элементов стали основой современной химии. Относительные атомные массы приведены по Международной таблице 1983 года. Для элементов 104-108 в квадратных скобках приведены массовые числа наиболее долгоживущих изотопов. Названия и символы элементов, приведенные в круглых скобках, не являются общепринятыми.

IV Периодический закон и строение атома.

Основные сведения строения атомов.

В конце XIX - начале XX века физики доказали, что атом является сложной частицей и состоит из более простых (элементарных) частиц. Были обнаружены:

катодные лучи (английский физик Дж. Дж. Томсон, 1897 г.), частицы которых получили название электроны e− (несут единичный отрицательный заряд);

естественная радиоактивность элементов (французские ученые - радиохимики А. Беккерель и М. Склодовская-Кюри, физик Пьер Кюри, 1896 г.) и существование α-частиц (ядер гелия 4He2+);

наличие в центре атома положительно заряженного ядра (английский физик и радиохимик Э. Резерфорд, 1911 г.);

искусственное превращение одного элемента в другой, например азота в кислород (Э. Резерфорд, 1919 г.). Из ядра атома одного элемента (азота - в опыте Резерфорда) при соударении с α-частицей образовывалось ядро атома другого элемента (кислорода) и новая частица, несущая единичный положительный заряд и названная протоном (p+, ядро 1H)

наличие в ядре атома электронейтральных частиц - нейтронов n0 (английский физик Дж. Чедвик, 1932 г.).

В результате проведенных исследований было установлено, что в атоме каждого элемента (кроме 1H) присутствуют протоны, нейтроны и электроны, причем протоны и нейтроны сосредоточены в ядре атома, а электроны - на его периферии (в электронной оболочке).

Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке атома и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической системе.

Электронная оболочка атома представляет собой сложную систему. Она делится на подоболочки с разной энергией (энергетические уровни); уровни, в свою очередь, подразделяются на подуровни, а подуровни включают атомные орбитали, которые могут различаться формой и размерами (обозначаются буквами s, p, d, f и др.).

Итак, главной характеристикой атома является не атомная масса, а величина положительного заряда ядра. Это более общая и точная характеристика атома, а значит, и элемента. От величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства элемента и его положение в периодической системе. Таким образом, порядковый номер химического элемента численно совпадает с зарядом ядра его атома. Периодическая система элементов является графическим изображением периодического закона и отражает строение атомов элементов.

Теория строения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов. Возрастание положительного заряда атомных ядер от 1 до 110 приводит к периодическому повторению у атомов элементов строения внешнего энергетического уровня. А поскольку от числа электронов на внешнем уровне в основном зависят свойства элементов, то и они периодически повторяются. В этом физический смысл периодического закона.

Каждый период в периодической системе начинается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют один s-электрон (незавершенные внешние уровни) и потому проявляют сходные свойства - легко отдают валентные электроны, что обуславливает их металлический характер. Это щелочные металлы - Li, Na, К, Rb, Cs.

Заканчивается период элементами, атомы которых на внешнем уровне содержат 2(s2) электрона (в первом периоде) или 8 (s2p6) электронов (во всех последующих), то есть имеют завершенный внешний уровень. Это благородные газы Не, Ne, Аr, Кr, Хе, имеющие инертные свойства.

периодический закон менделеев атом

Периодический закон позволил привести в систему и обобщить огромный объем научной информации в химии. Эту функцию закона принято называть интегративной. Особо четко она проявляется в структурировании научного и учебного материала химии. Академик А. Е. Ферсман говорил, что система объединила всю химию в рамки единой пространственной, хронологической, генетической, энергетической связи.

Интегративная роль Периодического закона проявилась и в том, что некоторые данные об элементах, якобы выпадавшие из общих закономерностей, были проверены и уточнены как самим автором, так и его последователями.

Так случилось с характеристиками бериллия. До работы Менделеева его считали трехвалентным аналогом алюминия из-за их так называемого диагонального сходства. Таким образом, во втором периоде оказывалось два трехвалентных элемента и ни одного двухвалентного. Именно на этой стадии сначала на уровне мысленных модельных построений Менделеев заподозрил ошибку в исследованиях свойств бериллия. Затем он нашел работу российского химика Авдеева, утверждавшего, что бериллий двухвалентен и имеет атомный вес 9. Работа Авдеева оставалась не замеченной ученым миром, автор рано скончался, по-видимому, получив отравление чрезвычайно ядовитыми бериллиевыми соединениями. Результаты исследования Авдеева утвердились в науке благодаря Периодическому закону.

Такие изменения и уточнения значений и атомных весов, и валентностей были сделаны Менделеевым еще для девяти элементов (In, V, Th, U, La, Ce и трех других лантаноидов). Еще у десяти элементов были исправлены только атомные веса. И все эти уточнения впоследствии были подтверждены экспериментально.

Точно так же работы Карла Карловича Клауса помогли Менделееву сформировать своеобразную VIII группу элементов, объяснив горизонтальное и вертикальное сходство в триадах элементов:

железо кобальт никель

рутений родий палладий

осьмий иридий платина

Прогностическая (предсказательная) функция Периодического закона получила самое яркое подтверждение в открытии неизвестных элементов с порядковыми номерами 21, 31 и 32. Их существование сначала было предсказано на интуитивном уровне, но с формированием системы Менделеев с высокой степенью точности смог рассчитать их свойства. Хорошо известная история открытия скандия, галлия и германия явилась триумфом менделеевского открытия. Ф. Энгельс писал: «Применив бессознательно гегелевский закон о переходе количества в качество, Менделеев совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Лаверрье, вычислившего орбиту неизвестной планеты Нептун». Однако возникает желание поспорить с классиком. Во-первых, все исследования Менделеева, начиная со студенческих лет, вполне осознанно опирались на гегелевский закон. Во-вторых, Лаверрье рассчитал орбиту Нептуна по давно известным и проверенным законам Ньютона, а Д. И. Менделеев все предсказания делал на основе им же самим открытого всеобщего закона природы.

В конце жизни Менделеев с удовлетворением отмечал: «Писавши в 1871 году статью о приложении периодического закона к определению свойств еще не открытых элементов, я не думал, что доживу до оправдания этого следствия периодического закона, но действительность ответила иначе. Описаны мной были три элемента: экабор, экаалюминий и экасилиций, и не прошло и 20 лет, как я имел уже величайшую радость видеть все три открытыми... Л. де Буабодра-на, Нильсона и Винклера я, со своей стороны, считаю истинными укрепителями периодического закона. Без них он не был бы признан в такой мере, как это случилось ныне». Всего же Менделеевым были предсказаны двенадцать элементов.

С самого начала Менделеев указал, что закон описывает свойства не только самих химических элементов, но и множества их соединений, в том числе дотоле неизвестных. Для подтверждения этого достаточно привести такой пример. С 1929 г., когда академик П. Л. Капица впервые обнаружил неметаллическую проводимость германия, во всех странах мира началось развитие учения о полупроводниках. Сразу стало ясно, что элементы с такими свойствами занимают главную подгруппу IV группы. Со временем пришло понимание, что полупроводниковыми свойствами должны в большей или меньшей мере обладать соединения элементов, расположенных в периодах равно удаленно от этой группы (например, с общей формулой типа АзВ;). Это сразу сделало поиск новых практически важных полупроводников целенаправленным и предсказуемым. На таких соединениях основывается практически вся современная электроника.

Важно отметить, что предсказания в рамках Периодической системы делались и после ее всеобщего признания. В 1913г. Моз-ли обнаружил, что длина волн рентгеновских лучей, которые получены от антикатодов, сделанных из разных элементов, изменяется закономерно в зависимости от порядкового номера, условно присвоенного элементам в Периодической системе. Эксперимент подтвердил, что порядковый номер элемента имеет прямой физический смысл. Лишь позднее порядковые номера были связаны со значением положительного заряда ядра. Зато закон Мозли позволил сразу экспериментально подтвердить число элементов в периодах и вместе с тем предсказать места еще не открытых к тому времени гафния (№ 72) и рения (№ 75).

Те же исследования Мозли позволили снять серьезную «головную боль», которую доставляли Менделееву известные отступления от правильного ряда возрастающих в таблице атомных масс элементов. Их Менделеев сделал под давлением химических аналогий, отчасти на экспертном уровне, а отчасти и просто на уровне интуитивном. Например, кобальт опережал в таблице никель, а иод с меньшим атомным весом следовал за более тяжелым теллуром. В естественных науках давно известно, что один «безобразный» факт, не укладывающийся в рамки самой прекрасной теории, может погубить ее. Так и необъясненные отступления грозили Периодическому закону. Но Мозли экспериментально доказал, что порядковые номера кобальта (№ 27) и никеля (№ 28) точно соответствуют их положению в системе. Оказалось, что эти исключения лишь подтверждают общее правило.

Важное предсказание было сделано в 1883 г. Николаем Александровичем Морозовым. За участие в народовольческом движении студент-химик Морозов был приговорен к смертной казни, замененной позднее на пожизненное заключение в одиночной камере. В царских тюрьмах он провел около тридцати лет. Узник Шлиссельбургской крепости имел возможность получать некоторую научную литературу по химии. На основании анализа интервалов атомных весов между соседними группами элементов в таблице Менделеева Морозов пришел к интуитивному выводу о возможности существования между группами галогенов и щелочных металлов еще одной группы неизвестных элементов с «нулевыми свойствами». Искать их он предложил в составе воздуха. Более того, он высказал гипотезу о строении атомов и на ее основе пытался вскрыть причины периодичности в свойствах элементов.

Однако гипотезы Морозова стали доступны для обсуждения намного позднее, когда он вышел на свободу после событий 1905 г. Но к тому времени инертные газы были уже открыты и изучены.

Долгое время факт существования инертных газов и их положение в таблице Менделеева вызывали серьезные разногласия в химическом мире. Сам Менделеев какое-то время полагал, что под маркой открытого аргона может прятаться неизвестное простое вещество типа Nj. Первое рациональное предположение о месте инертных газов сделал автор их открытия Вильям Рамзай. А в 1906 г. Менделеев писал: «При установлении Периодической системы (18б9) не только не был известен аргон, но и не было повода подозревать возможность существования подобных элементов. Нынче... эти элементы по величине их атомных весов заняли точное место между галогенами и щелочными металлами».

Долгое время шел спор: выделять инертные газы в самостоятельную нулевую группу элементов или считать их главной подгруппой VIII группы. Каждая точка зрения имеет свои «за» и «против».

Исходя из положения элементов в Периодической системе, химики-теоретики во главе с Лайнусом Полингом давно сомневались в полной химической пассивности инертных газов, напрямую указывая на возможную устойчивость их фторидов и оксидов. Но только в 1962 г. американский химик Нил Бартлетт впервые осуществил в самых обычных условиях реакцию гексафторида платины с кислородом, получив гексафтороплати-нат ксенона XePtF^, а за ним и другие соединения газов, которые теперь правильнее называть благородными, а не инертными.

Свою предсказательную функцию периодический закон сохраняет и до наших дней.

Нужно отметить, что предсказания неизвестных членов любого множества могут быть двух видов. Если предсказываются свойства элемента, находящегося внутри известного ряда подобных, то такое предсказание носит название интерполяции. Естественно предположить, что эти свойства будут подчинены тем же закономерностям, что и свойства соседних элементов. Так были предсказаны свойства недостающих элементов внутри периодической таблицы. Гораздо труднее предвидеть характеристики новых членов множеств, если они находятся за пределами описанной части. Экстраполяция -- предсказание значений функции, находящихся за пределами ряда известных закономерностей, -- всегда носит менее определенный характер.

Именно эта проблема встала перед учеными, когда начались поиски элементов, стоящих за известными границами системы. В начале XX в. таблица Менделеева заканчивалась ураном (№ 92). Первые попытки получения трансурановых элементов были предприняты в 1934 г., когда Энрико Ферми и Эмилио Сегре бомбардировали уран нейтронами. Так начиналась дорога к актинои-дам и трансактиноидам.

Ядерные реакции используют и для синтеза других, неизвестных ранее элементов.

Искусственно синтезированный Еиенном Теодором Сиборгом и его сотрудниками элемент № 101 получил название «менделевий». Сам Сиборг об этом сказал так: «Особенно существенно отметить, что элемент 101 назван в честь великого русского химика Д. И. Менделеева американскими учеными, которые всегда считали его пионером в химии».

Число вновь открытых, а точнее, искусственно созданных элементов постоянно растет. Синтез наиболее тяжелых ядер элементов с порядковыми номерами 113 и 115 осуществлен в российском Объединенном институте ядерных исследований в Дубне путем бомбардировки ядер искусственно полученного америция ядрами тяжелого изотопа кальция-48. При этом возникает ядро элемента № 115, тут же распадающееся с образованием ядра элемента № 113. Подобные сверхтяжелые элементы в природе не существуют, но они возникают при взрывах сверхновых звезд, а также могли существовать в период Большого взрыва. Их исследование помогает понять, как возникла наша Вселенная.

Всего в природе встречается 39 естественных радиоактивных изотопов. Различные изотопы распадаются с разной скоростью, которую характеризует период полураспада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 млрд. лет, а для некоторых других элементов он может быть равен миллионным долям секунды.

Радиоактивные элементы, последовательно распадаясь, превращаясь друг в друга, составляют целые ряды. Известны три таких ряда: по начальному элементу все члены рядов объединяются в семейства урана, актиноурана и тория. Еще одно семейство составляют искусственно полученные радиоактивные изотопы. Во всех семействах превращения завершаются возникновением нерадиоактивных атомов свинца.

Поскольку в земной коре могут находиться только изотопы, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли, то можно предположить, что на протяжении миллиардов лет ее истории существовали и такие короткоживущие изотопы, которые к настоящему времени в прямом смысле этого слова вымерли. К таким, вероятно, относился и тяжелый изотоп калия-40. В результате его полного распада табличное значение атомной массы калия сегодня составляет 39,102, поэтому он уступает по массе элементу № 18 аргону (39,948). Так объясняются исключения в последовательном увеличении атомных масс элементов в периодической таблице.

Академик В. И. Гольданский в речи, посвященной памяти Менделеева, отмечал «фундаментальную роль, которую труды Менделеева играют даже в совершенно новых областях химии, зародившихся через десятилетия после смерти гениального творца Периодической системы».

Наука есть история и хранилище мудрости и опыта веков, их разумного созерцания и испытанного суждения.

Д. И. Менделеев

Редко бывает, чтобы научное открытие оказалось чем-то совершенно неожиданным, почти всегда оно предчувствуется:

однако последующим поколениям, которые пользуются апробированными ответами на все вопросы, часто нелегко оценить, каких трудностей это стоило их предшественникам.

Ч. Дарвин

Каждая из наук об окружающем нас мире имеет предметом изучения конкретные формы движения материи. Сложившиеся представления рассматривают эти формы движения в порядке повышения их сложности:

механическая -- физическая - химическая -- биологическая -- социальная. Каждая из последующих форм не отвергает предыдущие, но включает их в себя.

Совсем не случайно на праздновании столетия со дня открытия Периодического закона Г. Т. Сиборг посвятил свой доклад новейшим достижениям химии. В нем он высоко оценил удивительные заслуги российского ученого: «При рассмотрении эволюции Периодической системы со времен Менделеева наиболее сильное впечатление производит то, что он был в состоянии создать Периодическую систему элементов, хотя Менделееву не были известны такие общепринятые теперь понятия, как ядерная структура и изотопы, связь порядковых номеров с валентностью, электронная природа атомов, периодичность химических свойств, объясняемая электронной структурой, и, наконец, радиоактивность».

Можно привести слова академика А. Е. Ферсмана, обратившего внимание на будущее: «Будут появляться и умирать новые теории, блестящие обобщения. Новые представления будут сменять наши уже устаревшие понятия об атоме и электроне. Величайшие открытия и эксперименты будут сводить на нет прошлое и открывать на сегодня невероятные по новизне и широте горизонты -- все это будет приходить и уходить, но Периодический закон Менделеева будет всегда жить и руководить исканиями».

Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований.

В время, когда Менделеев на основе открытого им периоди­ческого закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Так, например, был неизвестен элемент , находящийся в четвертом ряду. По атомному весу вслед за каль­цием шел , но нельзя было поставить сразу после кальция, так как он попал бы в третью группу, тогда как четырехвалентен, образует высший окисел ТiO 2 , да и по всем другим свойствам должен быть отнесен к четвертой группе. Поэтому Менделеев пропустил одну клетку, т. е. оставил свобод­ное место между кальцием и титаном. На том же основании в пятом ряду между цинком и мышьяком были оставлены две свободные клетки, занятые теперь элементами таллием и герма­нием. Свободные места остались и в других рядах. Менде­леев был не только убежден, что должны существовать неиз­вестные еще элементы, которые заполнят эти места, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их поло­жении среди других элементов периодической системы.

Одному из них, которому в будущем предстояло занять место между кальцием и титаном, он дал название эка-бор (так как свойства его должны были напоминать бор); два других, для которых в таблице остались свободные места в пятом ряду между цинком и мышьяком, были названы эка-алюминием и эка-силицием.

Предсказывая свойства этих неизвестных элементов, Менде­леев писал: «Решаюсь сделать это ради того, чтобы хотя со вре­менем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых тел, иметь возможность окончательно увериться самому и> уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы».

В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева бле­стяще подтвердились: все три ожидаемых элемента действительно были открыты. Сперва французский химик Лекок де-Буабодран открыл новый элемент , обладающий всеми свойствами эка-алюминия; вслед за тем в Швеции Нильсоном был открыт , имевший свойства эка-бора, и, наконец, спустя еще не­сколько лет в Германии Винклер открыл элемент, названный им германием, который оказался тождественным с эка-силицием.

Чтобы судить об удивительной точности предсказаний Мен­делеева, сопоставим свойства предсказанного им в 1871 г. эка-силиция со свойствами открытого в 1886 г. германия:

Открытие галлия, скандия и германия было величайшим три­умфом периодического закона. Весь мир заговорил о сбывшихся теоретических предсказаниях русского химика и о его периоди­ческом законе, получившем после этого всеобщее признание.

Сам Менделеев с глубоким удовлетворением встретил эти от­крытия. «Писавши в 1871 г. статью о приложении периодического закона к определению свойств еще не открытых элементов, - говорил он, - я не думал, что доживу до оправдания этого след­ствия периодического закона, но действительность ответила иначе. Описаны были мною три элемента: экабор, экаалюминий и экасилиций, и не прошло 20 лет, как я имел уже величайшую радость видеть все три открытыми…» .

Большое значение имела периодическая система также в ре­шении вопроса о валентности и величинах атомных весов некото­рых элементов. Так, например, элемент долгое время считался аналогом алюминия и его окислу приписывали формулу Ве 2 O 3 . Путем анализа было найдено, что в окиси бериллия на 16 весовых частей кислорода приходится 9 вес. ч. бериллия. Но так как летучие соединения бериллия не были известны, опре­делить точно атомный вес этого элемента не представлялось воз­можным. Исходя из процентного состава и предполагаемой фор­мулы окиси бериллия, его атомный вес считали равным 13,5. Периодическая система показала, что для бериллия в таблице есть только одно место, а именно над магнием, так что окись его должна иметь формулу ВеО, откуда атомный вес бериллия полу­чается равным девяти. Этот вывод вскоре был подтвержден определениями плотности паров хлористого бериллия, что дало возможность вычислить атомный вес бериллия.

Точно так же периодическая система дала толчок к исправле­нию атомных весов некоторых редких элементов. Например, це­зию приписывали раньше атомный вес 123,4. Менделеев же, рас­полагая элементы в таблицу, нашел, что по своим свойствам це­зий должен стоять в левом столбце первой группы под рубидием и потому будет иметь атомный вес около 130. Новейшие опреде­ления показывают,что атомный вес цезия равен 132,91.

Первоначально был встречен очень хо­лодно и недоверчиво. Когда Менделеев, опираясь на свое откры­тие, поставил под сомнение ряд опытных данных относительно атомных весов и решился предсказать существование и свойства еще не открытых элементов, многие химики отнеслись к его сме­лым высказываниям с нескрываемым пренебрежением. Так, на­пример, Л. Мейер писал в 1870 г. о периодическом законе: «Было бы поспешно предпринимать на таких шатких основаниях изме­нение доныне принятых атомных весов».

Однако после того как предсказания Менделеева подтверди­лись и получил всеобщее признание, в ряде стран были предприняты попытки оспорить первенство Менде­леева и приписать открытие периодического закона другим ученым.

Протестуя против таких попыток, Менделеев писал: «Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и не ожидаемых, и оправ­дания тех следствий в опытной проверке. Поэтому-то, увидев , я с своей стороны (1869-1871) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать - верен он или нет. Без такого способа испытания не может утвердиться ни один закон природы. Ни Шанкуртуа, которому французы при­писывают право на открытие периодического закона, ни Нью­лэндс, которого выставляют англичане, ни Л. Мейер, которого цитировали иные как основателя периодического закона, не рисковали предугадывать свойства неоткрытых элементов, изме­нять «принятые веса атомов» и вообще считать периодический за­кон новым, строго постановленным законом природы, могущим охватывать еще доселе необобщенные факты, как это сделано мною с самого начала (1869)».

Открытие периодического закона и создание системы химических элементов имело огромное значение не только для химии и других естественных наук, но и для философии, для всего на­шего миропонимания. Вскрывая зависимость между свойствами химических элементов и количеством в их атомах, пе­риодический закон явился блестящим подтверждением всеобщего закона развития природы, закона перехода количества в каче­ство.

До Менделеева химики группировали элементы по их химиче­скому сходству, стремясь сблизить между собой только сходные элементы. Совершенно иначе подошел к рассмотрению элементов Менделеев. Он встал на путь сближения несходных элементов, расположив рядом химически различные элементы, имевшие близкие значения атомных весов. Именно это сопоставление позволило вскрыть глубокую органическую связь между всеми элементами и привело к открытию периодического закона.

Периодическая система Д.И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Этот закон обладал предсказательной силой. Он позволил вести целенаправленный поиск новых, еще не открытых элементов. Атомные веса многих элементов, определенные до этого недостаточно точно, подверглись проверке и уточнению именно потому, что их ошибочные значения вступали в противоречие с Периодическим законом.

Прогнозирующая роль периодической системы, показанная Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.

Принципиальная новизна Периодического закона, открытого и сформулированного Д.И. Менделеевым, заключалась в следующем:

1. Устанавливалась связь между НЕСХОДНЫМИ по своим свойствам элементами. Эта связь заключается в том, что свойства элементов плавно и примерно одинаково изменяются с возрастанием их атомного веса, а затем эти изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ.

2. В тех случаях, когда создавалось впечатление, что в последовательности изменения свойств элементов не хватает какого-нибудь звена, в Периодической таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ, которые надо было заполнить еще не открытыми элементами. Мало того, Периодический закон позволял ПРЕДСКАЗЫВАТЬ свойства этих элементов.

С момента появления Периодического закона химия перестала быть описательной наукой. Как образно заметил известный русский химик Н.Д. Зелинский, Периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».

Дальнейшие открытия в химии и физике многократно подтвердили фундаментальный смысл Периодического закона. Были открыты инертные газы, которые великолепно вписались в Периодическую систему - особенно наглядно это показывает длинная форма таблицы. Порядковый номер элемента оказался равным заряду ядра атома этого элемента. Многие неизвестные ранее элементы были открыты благодаря целенаправленному поиску именно тех свойств, которые предсказывались по Периодической таблице.

Периодическая система Менделеева явилась своего рода путеводной картой при изучении неорганической химии и исследовательской работе в этой области.

Появление периодической системы открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук -- взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях появилась стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.

В истории развития науки известно много крупных открытий. Но немногие из них можно сопоставить с тем, что сделал Менделеев. Периодический закон химических элементов стал естественнонаучной основой учения о веществе, о его строении и эволюции в природе.

Американские ученые (Г. Сиборг и др.), синтезировавшие в 1955 году элемент № 101, дали ему название Менделевий «… в знак признания приоритета великого русского химика, который первым использовал периодическую систему элементов. Для предсказания химических свойств тогда еще не открытых элементов». Этот принцип был ключом при открытии почти всех трансурановых элементов.

В 1964 году имя Менделеева занесено на Доску Почета науки Бриджпортского университета (США) в число имен величайших ученых мира.

Введение

Периодический закон Д. И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Элементы стали рассматриваться во взаимосвязи, в зависимости от того, какое место они занимают в периодической системе. Как указывал Н. Д. Зелинский, периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».

Химия перестала быть описательной наукой. С открытием периодического закона в ней стало возможным научное предвидение. Появилась возможность предсказывать и описывать новые элементы и их соединения… Блестящий пример тому - предсказание Д. И. Менделеевым существования еще не открытых в его время элементов, из которых для трех - Ga, Sc и Ge - он дал точное описание их свойств.

Периодическая система и ее значение для понимания научной картины мира

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, естественная классификация химических элементов, являющаяся табличным (или др. графическим) выражением периодического закона Менделеева . П. с. э. разработана Д. И. Менделеевым в 1869-1871.

История П. с. э. Попытки систематизации химических элементов предпринимались различными учёными в Германии, Франции, Англии, США с 30-х годов 19 в. Предшественники Менделеева - И. Дёберейнер , Ж. Дюма , французский химик А. Шанкуртуа, англ. химики У. Одлинг, Дж. Ньюлендс и др. установили существование групп элементов, сходных по химическим свойствам, так называемых «естественных групп» (например, «триады» Дёберейнера). Однако эти учёные не шли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В 1864 Л. Мейер на основании данных об атомных весах предложил таблицу, показывающую соотношение атомных весов для нескольких характерных групп элементов. Теоретических сообщений из своей таблицы Мейер не сделал.

Прообразом научной П. с. э. явилась таблица «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», составленная Менделеевым 1 марта 1869. На протяжении последующих двух лет автор совершенствовал эту таблицу, ввёл представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить ёмкость малых и больших периодов, содержащих, по его мнению, соответственно по 7 и 17 элементов. В 1870 он назвал свою систему естественной, а в 1871 - периодической. Уже тогда структура П. с. э. приобрела во многом современные очертания.

Чрезвычайно важным для эволюции П. с. э. оказалось введённое Менделеевым представление о месте элемента в системе; положение элемента определяется номерами периода и группы. Опираясь на это представление, Менделеев пришёл к выводу о необходимости изменения принятых тогда атомных весов некоторых элементов (U, In, Ce и его аналогов), в чём состояло первое практическое применение П. с. э., а также впервые предсказал существование и основные свойства нескольких неизвестных элементов, которым соответствовали незаполненные клетки П. с. э. Классическим примером является предсказание «экаалюминия» (будущего Ga, открытого П. Лекоком де Буабодраном в 1875), «экабора» (Sc, открытого шведским учёным Л. Нильсоном в 1879) и «экасилиция» (Ge, открытого немецким учёным К. Винклером в 1886). Кроме того, Менделеев предсказал существование аналогов марганца (будущие Тс и Re), теллура (Po), иода (At), цезия (Fr), бария (Ra), тантала (Pa).

П. с. э. не сразу завоевала признание как фундаментальное научное обобщение; положение существенно изменилось лишь после открытия Ga, Sc, Ge и установления двухвалентности Be (он долгое время считался трёхвалентным). Тем не менее П. с. э. во многом представляла эмпирическое обобщение фактов, поскольку был неясен физический смысл периодического закона и отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных весов. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории П. с. э. многие факты не удавалось объяснить. Так, неожиданным явилось открытие в конце 19 в. инертных газов, которые, казалось, не находили места в П. с. э.; эта трудность была устранена благодаря включению в П. с. э. самостоятельной нулевой группы (впоследствии VIIIa -подгруппы). Открытие многих «радиоэлементов» в начале 20 в. привело к противоречию между необходимостью их размещения в П. с. э. и её структурой (для более чем 30 таких элементов было 7 «вакантных» мест в шестом и седьмом периодах). Это противоречие было преодолено в результате открытия изотопов . Наконец, величина атомного веса (атомной массы) как параметра, определяющего свойства элементов, постепенно утрачивала своё значение.

Одна из главных причин невозможности объяснения физического смысла периодического закона и П. с. э. состояла в отсутствии теории строения атома. Поэтому важнейшей вехой на пути развития П. с. э. явилась планетарная модель атома, предложенная Э. Резерфордом (1911). На её основе голландский учёный А. ван ден Брук высказал предположение (1913), что порядковый номер элемента в П. с. э. (атомный номер Z) численно равен заряду ядра атома (в единицах элементарного заряда). Это было экспериментально подтверждено Г. Мозли (1913-14, см. Мозли закон ). Так удалось установить, что периодичность изменения свойств элементов зависит от атомного номера, а не от атомного веса. В результате на научной основе была определена нижняя граница П. с. э. (водород как элемент с минимальным Z = 1); точно оценено число элементов между водородом и ураном; установлено, что «пробелы» в П. с. э. соответствуют неизвестным элементам с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87.

Оставался, однако, неясным вопрос о точном числе редкоземельных элементов, и (что особенно важно) не были вскрыты причины периодического изменения свойств элементов в зависимости от Z. Эти причины были найдены в ходе дальнейшей разработки теории П. с. э. на основе квантовых представлений о строении атома (см. далее). Физическое обоснование периодического закона и открытие явления изотонии позволили научно определить понятие «атомная масса» («атомный вес»). Прилагаемая периодическая система содержит современные значения атомных масс элементов по углеродной шкале в соответствии с Международной таблицей 1973. В квадратных скобках приведены массовые числа наиболее долгоживущих изотопов радиоактивных элементов. Вместо массовых чисел наиболее устойчивых изотопов 99 Tc, 226 Ra, 231 Pa и 237 Np указаны атомные массы этих изотопов, принятые (1969) Международной комиссией по атомным весам.

Структура П. с. э. Современная (1975) П. с. э. охватывает 106 химических элементов; из них все трансурановые (Z = 93-106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. За всю историю П. с. э. было предложено большое количество (нескольких сотен) вариантов её графического изображения, преимущественно в виде таблиц; известны изображения и в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (например, спирали) и т.д. Наибольшее распространение получили три формы П. с. э.: короткая, предложенная Менделеевым и получившая всеобщее признание; длинная лестничная. Длинную форму также разрабатывал Менделеев, а в усовершенствованном виде она была предложена в 1905 А. Вернером . Лестничная форма предложена английским учёным Т. Бейли (1882), датским учёным Ю. Томсеном (1895) и усовершенствована Н. Бором (1921). Каждая из трёх форм имеет достоинства и недостатки. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех химических элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами. Элементы а - и б -подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между собой определённое химическое сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, соответствуют номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом (особый случай - первый период); каждый период содержит строго определённое число элементов. П. с. э. состоит из 8 групп и 7 периодов (седьмой пока не завершен).

Специфика первого периода в том, что он содержит всего 2 элемента: H и He. Место H в системе неоднозначно: поскольку он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами, его помещают либо в Ia -, либо (предпочтительнее) в VIIa -подгруппу. Гелий - первый представитель VIIa -подгруппы (однако долгое время Не и все инертные газы объединяли в самостоятельную нулевую группу).

Второй период (Li - Ne) содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом Li, единственная степень окисления которого равна I. Затем идёт Be - металл, степень окисления II. Металлический характер следующего элемента В выражен слабо (степень окисления III). Идущий за ним C - типичный неметалл, может быть как положительно, так и отрицательно четырёхвалентным. Последующие N, O, F и Ne - неметаллы, причём только у N высшая степень окисления V соответствует номеру группы; кислород лишь в редких случаях проявляет положительную валентность, а для F известна степень окисления VI. Завершает период инертный газ Ne.

Третий период (Na - Ar) также содержит 8 элементов, характер изменения свойств которых во многом аналогичен наблюдающемуся во втором периоде. Однако Mg, в отличие от Be, более металличен, равно как и Al по сравнению с В, хотя Al присуща амфотерность. Si, Р, S, Cl, Ar - типичные неметаллы, но все они (кроме Ar) проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы. Таким образом, в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается ослабление металлического и усиление неметаллического характера элементов. Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (малых, по его терминологии) типическими. Существенно, что они принадлежат к числу наиболее распространённых в природе, а С, N и O являются наряду с H основными элементами органической материи (органогенами). Все элементы первых трёх периодов входят в подгруппы а .

По современной терминологии (см. далее), элементы этих периодов относятся к s -элементам (щелочные и щёлочноземельные металлы), составляющим Ia - и IIa -подгруппы (выделены на цветной таблице красным цветом), и р -элементам (В - Ne, At - Ar), входящим в IIIa - VIIIa -подгруппы (их символы выделены оранжевым цветом). Для элементов малых периодов с возрастанием порядковых номеров сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов , а затем, когда число электронов в наружной оболочке атома уже значительно возрастает, их взаимное отталкивание приводит к увеличению атомных радиусов. Очередной максимум достигается в начале следующего периода на щелочном элементе. Примерно такая же закономерность характерна для ионных радиусов.

Четвёртый период (K - Kr) содержит 18 элементов (первый большой период, по Менделееву). После щелочного металла K и щёлочноземельного Ca (s-элементы) следует ряд из десяти так называемых переходных элементов (Sc - Zn), или d- элементов (символы даны синим цветом), которые входят в подгруппы б соответствующих групп П. с. э. Большинство переходных элементов (все они металлы) проявляет высшие степени окисления, равные номеру группы. Исключение - триада Fe - Co - Ni, где два последних элемента максимально положительно трёхвалентны, а железо в определённых условиях известно в степени окисления VI. Элементы, начиная с Ga и кончая Kr (р -элементы), принадлежат к подгруппам а , и характер изменения их свойств такой же, как и в соответствующих интервалах Z у элементов второго и третьего периодов. Установлено, что Kr способен образовывать химические соединения (главным образом с F), но степень окисления VIII для него неизвестна.

Пятый период (Rb - Xe) построен аналогично четвёртому; в нём также имеется вставка из 10 переходных элементов (Y - Cd), d -элементов. Специфические особенности периода: 1) в триаде Ru - Rh - Pd только рутений проявляет степень окисления VIII; 2) все элементы подгрупп а проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы, включая и Xe; 3) у I отмечаются слабые металлические свойства. Таким образом, характер изменения свойств по мере увеличения Z у элементов четвёртого и пятого периодов более сложен, поскольку металлические свойства сохраняются в большом интервале порядковых номеров.

Шестой период (Cs - Rn) включает 32 элемента. В нём помимо 10 d -элементов (La, Hf - Hg) содержится совокупность из 14 f -элементов, лантаноидов , от Ce до Lu (символы чёрного цвета). Элементы от La до Lu химически весьма сходны. В короткой форме П. с. э. лантаноиды включаются в клетку La (поскольку их преобладающая степень окисления III) и записываются отдельной строкой внизу таблицы. Этот приём несколько неудобен, поскольку 14 элементов оказываются как бы вне таблицы. Подобного недостатка лишены длинная и лестничная формы П. с. э., хорошо отражающие специфику лантаноидов на фоне целостной структуры П. с. э. Особенности периода: 1) в триаде Os - Ir - Pt только осмий проявляет степень окисления VIII; 2) At имеет более выраженный (по сравнению с 1) металлический характер; 3) Rn, по-видимому (его химия мало изучена), должен быть наиболее реакционноспособным из инертных газов.

Седьмой период, начинающийся с Fr (Z = 87), также должен содержать 32 элемента, из которых пока известно 20 (до элемента с Z = 106). Fr и Ra - элементы соответственно Ia - и IIa -подгрупп (s-элементы), Ac - аналог элементов IIIб -подгруппы (d -элемент). Следующие 14 элементов, f -элементы (с Z от 90 до 103), составляют семейство актиноидов . В короткой форме П. с. э. они занимают клетку Ac и записываются отдельной строкой внизу таблицы, подобно лантаноидам, в отличие от которых характеризуются значительным разнообразием степеней окисления. В связи с этим в химическом отношении ряды лантаноидов и актиноидов обнаруживают заметные различия. Изучение химической природы элементов с Z = 104 и Z = 105 показало, что эти элементы являются аналогами гафния и тантала соответственно, то есть d -элементами, и должны размещаться в IVб - и Vб -подгруппах. Членами б -подгрупп должны быть и последующие элементы до Z = 112, а далее (Z = 113-118) появятся р -элементы (IIIa - VIlla -подгруппы).

Теория П. с. э. В основе теории П. с. э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоев, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах по мере роста Z. Это представление было развито Бором в 1913-21 с учётом характера изменения свойств химических элементов в П. с. э. и результатов изучения их атомных спектров. Бор выявил три существенные особенности формирования электронных конфигураций атомов: 1) заполнение электронных оболочек (кроме оболочек, отвечающих значениям главного квантового числа n = 1 и 2) происходит не монотонно до полной их ёмкости, а прерывается появлением совокупностей электронов, относящихся к оболочкам с большими значениями n ; 2) сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются; 3) границы периодов П. с. э. (за исключением первого и второго) не совпадают с границами последовательных электронных оболочек.

Значение П. с. э. П. с. э. сыграла и продолжает играть огромную роль в развитии естествознания. Она явилась важнейшим достижением атомно-молекулярного учения, позволила дать современное определение понятия «химический элемент» и уточнить понятия о простых веществах и соединениях. Закономерности, вскрытые П. с. э., оказали существенное влияние на разработку теории строения атомов, способствовали объяснению явления изотонии. С П. с. э. связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в химии, что проявилось как в предсказании существования неизвестных элементов и их свойств, так и в предсказании новых особенностей химического поведения уже открытых элементов. П. с. э.- фундамент химии, в первую очередь неорганической; она существенно помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специфических катализаторов для различных химических процессов и т.д. П. с. э.- также научная основа преподавания химии.

Вывод

Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Прогнозирующая роль периодической системы, показанная ещё самим Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.

Появление периодической системы открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук - взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях появилась стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.