Предпосылки открытия Периодического закона

Одним из оcновных понятий химии является понятие химический элемент. Долгое время не делали различия между понятиями элемент и простое вещество. Со времён Бойля (1661г) элементом считали всякое простое вещество, которое можно получить в результате разложения веществ сложных и которое неспособно к дальнейшему разложению на ещё более простые вещества. К началу XVIII века было известно 14 элементов: Au, Fe, Sb, P, Ag, Hg, As, Cu, S, Pb, C, Bi, Sn, Zn. к концу XVIII века было известно уже 25 элементов, а в первой половине XIX века был открыт ещё 31 элемент.

В 1811 г. Берцелиус разделил все элементы на металлы и неметаллы (металлоиды). Металлы - элементы, которые в твердом и жидком состоянии непрозрачны, обладают особенным металлическим блеском, высокой тепло- и электропроводностью, соединяясь с кислородом образуют окислы называемые основными, а соединяясь с водой - гидраты. Металлоиды (неметаллы)- элементы, не обладающие названными свойствами металлов. Они легко соединяются с водородом, образуя прочные газообразные (как правило) соединения. Берцелиус также предложил краткие буквенные обозначения элементов, которыми мы пользуемся и поныне.

В 1804г Дальтон вторично, после Демокрита, ввёл в обиход понятие атома как наименьшего носителя свойств элемента. Он ввёл понятие об относительном атомном весе элементов, и определил некоторые атомные веса. Наименьшие частицы вещества, сложные частицы, состоящие из нескольких атомов, Дальтон назвал молекулами. При этом он считал, что все простые тела состоят из определённого вида атомов, следовательно, простые вещества суть элементы. После открытия закона объёмных отношений, газовых законов, закона Авогадро, стало ясно, что многие простые вещества состоят из молекул, а не обособлеенн6ых атомов. В связи с этим, Менделеев впервые указал на необходимость ясно различать два понятия: элемент и простое тело (простое вещество). Менделеев писал:

Простое тело, это вещество, металл или металлоид с рядом физических признаков и химических реакций. Ему свойственен частичный вес, содержащий один (как Hg, Cu, Cd, а, вероятно, и многие другие простые тела) или несколько (S₆, S₂, O₂, H₂,Cl₂, P₄ и т.д.) атомов. Оно способно являться в изомерных и полимерных формах (О₂ и О₃, S₂ и S₈) и отличается от сложных тел только тем, что в простом теле все атомы однородны.

Под именем элементов должно подразумевать те материальные составные части простых и сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств. Если простому телу свойственно понятие о частице (молекуле, как сказали бы мы сегодня), то элементу отвечает понятие об атоме. Углерод есть элемент, а уголь, графит, алмаз суть тела простые.

Следовательно, по Менделееву, химический элемент есть вид атомов, входящих в состав простых и сложных тел, характеризующийся определённым значением атомного веса (атомной массы).

К середине XIX века насчитывалось уже 63 элемента, и был накоплен обширный экспериментальный материал, характеризующий физические и химические свойства элементов, например, их способность образовывать кислотные или основные окислы. Так, способность проявлять резко основные свойства оказалась присуща группе элементов, которые были названы щелочными металлами, в несколько меньшей степени основные свойства проявляют щелочноземельные элементы, а способность проявления кислотных свойств присуще группе элементов, названных галогенами или галоидами. Наряду с качественными характеристиками, были накоплены сведения о свойствах, которые подлежат точному измерению, среди них – атомная масса элементов и их валентность, то есть способность образовывать различные формы химических соединений.

Итак, открытие новых элементов и изучение свойств элементов и их соединений, с одной стороны, позволили накопить большой фактический материал, а с другой – выявили необходимость систематизации.

Первые попытки такого рода предприняли А.Л. Лавуазье(1789 г.) затем, в первой половине XIX века – Йоганн Вольфганг Дёберейнер, предложивший «триады» элементов Cl – Br – J, Ca - Sr – Ba, S – Se – Te, в основе данной классификации лежало постепенное изменение химических свойств, реакционной способности и рост атомного веса. В 1851г французский химик, один из основателей органической химии, Дюма (Дюма принимал во внимание атомные веса элементов), на съезде Британской академии предложил свою систему. Таблицу из 20 триад опубликовал в 1857 году Ленсен.

В 1864 году немецкий химик Юлиус Лотар Майер опубликовал таблицу из 44 элементов (из 63 известных на то время). В 1870г. Ю.Л. Майер обнаружил, что атомные объёмы элементов, то есть отношение их атомных масс к плотности в твёрдом или жидком состоянии проявляют удивительную периодичность, резко возрастя у щелочных металлов и постепенно падая в промежутках между ними. (Кстати говоря, в самом начале ХХ века подобное исследование осуществил профессор Санкт-Петербургского Горного института П.П. Веймарн, но он в ту пору не знал о сложном строении атома и не смог правильно объяснить наблюдаемую закономерность.)

Д.И. Менделеев начал заниматься систематизацией элементов с начала 1860-х в связи с научно-педагогической деятельностью. За основу систематики Д.И. Менделеев выбирает двойной критерий: атомная масса и химические свойства. В своей книге «Основы химии» Менделеев писал:

«У элементов есть точное измеримое и никакому сомнению не подлежащее то свойство, которое выражается в их атомном весе. Величина его показывает относительную массу атома или, если избежать понятия об атоме, величина его показывает отношение между массами, составляющими химические самостоятельные индивидуумы или элементы. А по смыслу всех точных сведений о явлениях природы масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства, потому что все они определяются подобными же условиями или такими же силами, какие действуют в весе тела; он же прямо пропорционален массе вещества. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимости между свойствами и сходством элементов, с одной стороны, и атомными их весами - с другой» (Цит. по: Реформатский А. Неорганическая химия. 7-е изд., испр. и доп. М., 1912, с. 123 - 124)

Учитывая, что масса вещества(атомный вес) по смыслу всех точных сведений о явлениях природы есть именно такое свойство, от которого должны находиться в зависимости все прочие свойства <…>, и это свойство остаётся постоянным при всех переменах с телом и при всех его соединениях присуще элементу, не углю, не графиту, не алмазу, а углероду. Я написал на карточках названия известных элементов и их главные свойства и, расположив их в порядке возрастания величины атомного веса, подметил повторяемость свойств

В качестве основных свойств Менделеев выделил стехиометрический состав высших оксидов и гидридов, кислотно-основные свойства и прочее. Подчеркнём, группы элементов были известны и до открытия Менделеева, Менделеев создал систему, нашёл взаимосвязь. Оказалось, что химические свойства элементов изменяются не непрерывно с ростом атомного веса, а периодически. Другими словами, способность элементов к химическому взаимодействию, их валентность, не увеличивается плавно с ростом атомного веса, от каждого предыдущего элемента к последующему, а после некоторого увеличения снижается, потом снова растёт и так далее. Менделеев в «Основах химии» написал об этом так:

Свойства элементов, а потому и свойства образованных ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от их атомных весов. (1871 г).

Это и есть формулировка Периодического закона или закона периодичности, как назвал его Менделеев. Оказывается, что и химимческие формы соединений находятся в периодической зависимости от атомных масс элементов. В связи с этим, Менделеев дополняет формулировку закона:

«Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от величины атомных весов элементов» (Цит. по: Там же, с. 130.)

Составляя периодическую систему элементов, Менделеев расположил их по горизонталям (периоды) в порядке увеличения атомного веса, причём так, чтобы элементы с близкими свойствами оказались в одном вертикальном столбце. Таким образом, горизонтальные строки - это периоды, а вертикальные столбцы - группы элементов, обладающих близкими свойствами. Получилось 8 групп и 12 периодов. Общее число открытых элементов составляло в 1871 г. 63.

Со времени открытия Периодического закона прошло примерно 130 лет, число известных элементов возросло с 63 до 108; и в поиске новых элементов весьма помог Периодический закон. Исходя их того, что свойства элементов закономерно изменяются по периодам и рядам, Менделеев предрекает возможность существования одиннадцати ещё неизвестных тогда элементов. Им была высказана особо твёрдая уверенность в существовании элементов, которым он условно называет экабор, экаалюминий и экасилиций. Предвидение Менделеева оказалось правильным. В 1875 г. П. Лекоком де Буабодраном был открыт новый элемент - серебристый легкоплавкий металл, названный впоследствии галлием (Ga), существование и свойства которого были предсказаны Менделеевым под наименованием экаалюминия. В 1879 г. Л. Нильсон открыл новый элемент-металл скандий (Sc), на существование и свойства которого также ранее указывал Менделеев, именуя его экабором. В 1886 г. К. Винклер открыл новый элемент, используемый теперь в качестве полупроводника,- германий (Gе), названный так в честь родины Винклера; это экасилиций Менделеева. Менделеев правильно предугадал существование впоследствии открытых еще семи новых элементов: технеция (Тс), рения (Re), полония (Ро), астата (At), франция (Fr), радия (Ra), протактиния (Ра).

Не правда ли, это напоминает предсказание Ньютоном (на основе проделанных им расчётов) новой планеты Нептун, действительно открытой Галле в 1846 г.? В обоих случаях это существенно укрепило признание новых законов: закона всемирного тяготения Ньютона и периодического закона химических элементов Менделеева.

Важным событием явилось открытие Рэлеем, Рамзаем и Траверсом в 1890г.г. никем не предугаданных инертных элементов, составляющих нулевую (восьмую) группу и представляющих своеобразный мост между галогенами и щелочными металлами.

Дата добавления: 2014-01-07