Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Периодический закон и

Проблема научного открытия занимает важное место в современной науке – и не только в непосредственной научной деятельности, но и в истории любой отрасли науки, в теории и логике познания, в психологии научного творчества, в области организации научного творчества и научной работы. Ведь вся наука складывается из практически бесконечного ряда больших и малых научных открытий, каждое из которых является результатом длинной цепи предшествовавших ему открытий различного масштаба и в свою очередь становятся исходным пунктом для последующего ряда новых открытий, вытекающих из него и представляющих его дальнейшее углубление и развитие.

По мере развития самой науки чрезвычайно усложняется и весь процесс совершения научного открытия. Соответственно усложняются пути и способы констатации того, действительно ли совершено новое открытие; действительно ли экспериментально обнаруженный факт или появление новой идеи можно и нужно считать новым открытием, а не частным, отдельным наблюдением, которое составляет лишь одну из основ будущего открытия.

В далеком прошлом такие вопросы или не возникали вовсе, или уж если возникали, то решались сравнительно легко и просто. Сама наука развивалась тогда иначе, чем в наше время. Её поступательное движение как бы состояло из отдельных ясно выраженных импульсов.

В истории каждого научного открытия различают два этапа: 1-этап – появление смутных предчувствий и установление частных закономерностей и 2-этап – сам факт открытия и его признание.

«Наука есть достояние общее,– писал Менделеев,– а потому справедливость требует не тому отдать наибольшую научную славу, кто первый высказал известную истину, а тому, кто умел убедить в ней других, показал её достоверность и сделал её применимую в науке. Научные открытия редко делаются сразу, обыкновенно первые провозвестники не успевают убедить в истине найденного, время вызывает действительного творца, обладающего всеми средствами для проведения истины во всеобщее сознание; однако не должно забывать, что он может являться благодаря труду многих и накопившейся сумме данных».

К середине XIX в. было открыто уже более 60 элементов, у большинства которых были изучены физические и химические свойства. Таким образом, был накоплен большой фактический материал, что привело к необходимости его систематизации. Первыми попытками систематизации элементов следует, по-видимому, считать установление их общих групповых свойств. Так, наиболее резко выраженный основной характер был обнаружен у соединений элементов, названных щелочными металлами, а способность к проявлению кислотных свойств – у соединений галогенов. Кроме того, для многих элементов были получены количественные характеристики, определяющие их свойства.

Мы рассмотрим три наиболее значительные работы, авторы которых оспаривали приоритет открытия периодического закона Д. И. Менделеева. Француз Александр де Шанкуртуа в 1862 г. впервые расположил элементы в порядке возрастания атомных весов и разместил их по спирали вокруг цилиндра. Каждый виток спирали содержал по 16 элементов; сходные элементы, как правило, попадали в вертикальные столбцы, хотя имели место значительные расхождения. Хотя работа А. де Шанкуртуа осталась незамеченной, выдвинутая им теория расположения элементов в порядке возрастания атомных весов оказалась плодотворной.

Двумя годами позже английский химик Джон Ньюлендс, руководствуясь этой идеей, разместил элементы в виде таблицы и заметил, что свойства элементов периодически повторяются через каждые семь номеров. Например, хлор похож по свойствам на фтор, калий – на натрий, селен – на серу и т. д. Данную закономерность Д. Ньюлендс назвал «законом октав», фактически предвосхитив понятие периода. К сожалению, Д. Ньюлендс настаивал на том, что длина периода (равная семи) является неизменной, поэтому его таблица содержит, наряду с правильными последовательностями, множество случайных пар (кобальт – хлор, железо – сера, и даже углерод – ртуть).

Немецкий учёный Лотар Мейер в 1870 г. построил график зависимости атомного объёма элемента от их атомного веса и обнаружил отчётливую периодическую зависимость, причем длина периода, вопреки закону октав, была переменной величиной.

Во всех этих работах много общего. А. де Шанкуртуа, Д. Ньюлендс и Л. Мейер открыли проявления периодичности изменения свойств элементов в зависимости от их атомного веса. Однако они не смогли создать единую периодическую систему всех элементов, поскольку в открытых ими закономерностях многие элементы не находили своего места. Никаких серьезных выводов из своих наблюдений этим учёным также сделать не удалось, хотя они чувствовали, что многочисленные соотношения между весами элементов являются проявлениями какого-то общего закона.

Между тем ни одна из попыток классифицировать химические элементы не выявила основной закономерности в их взаимном расположении и, следовательно, не могла привести к созданию системы, охватывающей все химические элементы и отражающие природу их сродства и различия. Этот общий закон был открыт великим русским химиком Д. И. Менделеевым. Решающую роль для выявления периодичности сыграл первый Международный химический конгресс (1860 г.), после которого стало ясно, что основной характеристикой химического элемента является его атомный вес.

При переходе от лития (Li) к фтору (F) происходит закономерное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических. Переход фтора (F) к следующему по значению атомного веса элементу натрию (Na) сопровождается скачкообразным изменением свойств и валентности: причем натрий во многом повторяет свойства лития, будучи типичным одновалентным металлом, хотя и более активным. Следующий за натрием магний (Mg) во многом сходен с бериллием (Be). Алюминий (Al) следующий за магнием, напоминает бор (B). Похожи, друг на друга кремний (Si) и углерод (C), фосфор (Р) и азот (N), сера (S) и кислород (О), хлор (Cl) и фтор (F).

При переходе к следующему за хлором в последовательности увеличения атомного веса элементу калию (К) опять происходит скачок в изменении валентности и химических свойств. Калий, подобно литию и натрию, открывает ряд элементов (третий по счёту), представители которого показывают глубокую аналогию с элементами первых двух рядов.

Итак, в естественном ряду элементов в порядке возрастания атомного веса химические свойства изменяются не монотонно, а периодически. Закономерное изменение свойств элементов в пределах одного отрезка естественного ряда (Li-F) повторяется и у других отрезков (Na-Cl, K-Br). Иначе говоря, сходные в химическом отношении элементы встречаются в естественном ряду через правильные интервалы, то есть повторяются периодически. Эта замечательная закономерность, обнаруженная Д. И, Менделеевым и названная им законом периодичности, была сформулирована следующим образом: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Периодичность (в переводе с греческого «периодический» – «появляющийся через определённый интервал»).

Открытый закон периодичности Д. И. Менделеев использовал для создания периодической системы элементов. 18 марта 1869 г. был составлен первый вариант таблицы. В ней 63 известных Д. И. Менделееву элемента были расположены в порядке возрастания атомных весов, и отражалась периодичность изменения свойств элементов. В таблице были оставлены пустые места для еще не открытых элементов, в том числе для элементов с атомными весами 45, 68 и 70 а.е.м. Д. И. Менделеев не только предсказал их существование, назвав экабором, экаалюминием и экасилицием, но и описал физические и химические свойства этих элементов, основываясь на их положении в периодической системе. В течение следующих 15 лет все три элемента были открыты. В 1875 г. был открыт галлий (экаалюминий), в 1879 г. – скандий (экабор) и в 1886 г. – германий (экасилиций). После этого периодический закон получил всемирное признание, а периодическая система стала неотъемлемой частью любого учебника по химии.

В самой первой таблице Д. И. Менделеева все элементы до кальция включительно – такие же, как в современных таблицах (за исключением благородных газов). Если далее исходить только из принципа увеличения атомных весов, то следующими элементами после кальция должны были быть ванадий (А = 51), хром (А = 52) и титан (А = 52).

Д. И. Менделеев, однако, поставил после кальция знак вопроса, а следом поставил титан, изменив его атомный вес с 52 до 50. Неизвестному элементу, обозначенному знаком вопроса, был приписан атомный вес А = 45, являющийся средним арифметическим между атомными весами кальция и титана. Далее, между цинком и мышьяком Д.И. Менделеев оставил место сразу для двух ещё не открытых элементов. Кроме того, он поместил теллур перед йодом, хотя последний имеет меньший атомный вес. При таком расположении элементов все горизонтальные ряды в таблице содержали только сходные элементы, и отчетливо проявлялась периодичность изменения свойств элементов.

В последующие два года Д.И. Менделеев значительно усовершенствовал систему элементов. В 1871 г. вышло первое издание учебника Д.И. Менделеева «Основы химии», в котором приведена периодическая система в почти современном виде, с группами и периодами. Там же появилась более знакомая нам формулировка периодического закона: физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса.

Существует несколько вариантов графического построения периодической системы. Наиболее распространены короткопериодный и длиннопериодный. Рассмотрим короткопериодный вариант таблицы. Он состоит из 10 горизонтальных рядов и 8 вертикальных столбцов, называемых группами. В первом горизонтальном ряду только два элемента – водород (Н) и гелий (Не). Второй и третий ряды образуют периоды по 8 элементов, причем каждый из периодов начинается щелочным металлом и заканчивается инертным элементом. Четвертый ряд также начинается щелочным металлом (калий), но в отличие от предыдущих рядов он не заканчивается инертным элементом. В пятом ряду продолжается последовательное изменение свойств, начавшееся в четвертом ряду, так что эти два ряда образуют один так называемый большой период из 18 элементов (от калия (К) до криптона (Kr)). Один большой период из 18 элементов составляют и последующие два ряда – шестой и седьмой (от рубидия (Rb) до ксенона (Xe)). В восьмом ряду после лантана идут 14 элементов, чрезвычайно сходных с ним по свойствам, называемые лантаноидами и выделяемые в самостоятельный ряд. Восьмой и девятый ряды образуют большой период из 32 элементов (от цезия (Cs) до радона (Rn)). Наконец, десятый ряд элементов составляет незавершенный 7 период. Он содержит лишь 23 элемента, из которых 14, очень сходные, по свойствам с актинием (Ас), выделены в самостоятельный ряд актиноидов.

В вертикальных столбцах таблицы – группах – располагаются элементы, обладающие одинаковой валентностью в высших оксидах (она указана римскими цифрами). Каждая группа разделена на две подгруппы, одна из которых (главная) включает элементы малых периодов и чётных рядов больших периодов, а другая (побочная) образована элементами нечётных рядов больших периодов.

Различия между главными и побочными подгруппами ярко проявляются в крайних группах таблицы. Так, главная подгруппа I группы, включает очень активные щелочные металлы, энергично разлагающие воду, тогда как у элементов побочной подгруппы – меди (Сu), серебра (Ag), золота (Au) – проявляется малая активность в химических процессах. VIII группа элементов, занимающая особое положение, состоит из основной подгруппы благородных газов и побочной подгруппы, включающей девять элементов, разделенных на три триады очень сходных друг с другом элементов. У элементов главных подгрупп с увеличением атомного веса наблюдается усиление металлических свойств и ослабление неметаллических.

Согласно формулировке периодического закона периодичность изменения свойств касается не только химических элементов, но и образуемых ими простых и сложных веществ.

Дата добавления: 2014-01-04