Geum.ru

Закон и периодическая система д. И. Менделеева

Вид материалаЗакон

Содержание


Периодическая система
Роль периодического закона в современном естествознании
Подобный материал:
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

С ПОЗИЦИИ ЧЕЛОВЕКА XXI ВЕКА



ОТКРЫТИЕ И УТВЕРЖДЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

В современном естествознании важнейшее место занимает периодический закон Д.И. Менделеева и созданная на его основе периодическая система химических элементов. Напомним, что само понятие элемента было введено в химию Р. Бойлем еще в 1761 г., однако за элемент он принимал простое вещество. Потребовалось сто лет, чтобы разделить эти понятия. В частности, на это обращал внимание Д.И. Менделеев. «Простое тело, – писал он, – это вещество, металл или металлоид с рядом физических признаков и химических реакций. 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 соответствует понятие о частице, то элементу отвечает понятие об атоме. Углерод есть элемент, а уголь, графит и алмаз суть тела простые». К середине XVIII в. было известно уже 63 химических элемента, изучены физические и химические свойства многих из них. Наряду с индивидуальными свойствами элементов были установлены общие групповые свойства. Так, наиболее резко выраженный основной характер был обнаружен у группы элементов, названных щелочными металлами, а способность к проявлению кислотных свойств – у галогенов. Кроме того, для многих элементов были получены количественные характеристики, определяющие их свойства. Среди них наибольший интерес представляли атомная масса элементов и их валентность, т. е. способность к образованию различных форм соединений.

Итак, открытие новых элементов и изучение свойств элементов и их соединений, с одной стороны, позволили накопить большой фактический материал, с другой – выявили необходимость его систематизации. Но что взять за основу систематизации? Некоторые ученые приходят к очень правильной мысли установить связь между химическими свойствами элементов и их атомными массами. Одну из наиболее удачных первых попыток ответить на этот вопрос сделал И. Деберейнер (1829 г.), предложивший группировать элементы в триады – группы из трех сходных по химическим свойствам элементов. Из известных в то время химических элементов И. Деберейнеру удалось выделить три триады:

Cl – Br – I

K – Rb – Ba

Ca – Sr – Te

Д. Ньюлэндс (1863 г.), располагая элементы последовательно в порядке возрастания их эквивалентов, заметил, что восьмой по счету элемент повторяет свойство первого, подобно повторению звуков в музыкальной октаве:

Н Li Be В С N О

F Na Mg Al Si P S

Cl К Ca Cr Ti Mn Fe

Размещая элементы в октавы, Д. Ньюлэндс поступал очень произвольно, переставляя их по собственному желанию и даже помещая по два элемента на одно место. Вместе с тем он упускал из виду возможность открытия новых химических элементов. Это дало повод одному из слушателей его доклада иронически спросить, не пробовал ли он расположить в таблице элементы в алфавитном порядке и не заметил ли при таком расположении каких-либо новых закономерностей.

Из многочисленных попыток классифицировать элементы до Д.И. Менделеева (их было предпринято около пятидесяти) следует отметить также таблицу химических элементов, опубликованную в 1831 г. немецким химиком Л. Мейером. В этой таблице элементы были разбиты на 16 групп в соответствии с их валентностью. При таком расположении элементов в пределах каждой из групп наблюдается более или менее постоянная разность атомных масс элементов, соединенных по вертикали. Но в таблице отсутствовали водород, бор, алюминий и некоторые другие элементы.

Итак, ни одна из попыток классифицировать химические элементы не привела к созданию естественной системы, охватывающей все химические элементы и отражающей природу их сходства и различия. Решение этой задачи оказалось доступно лишь нашему соотечественнику Д.И. Менделееву, великому гражданину и ученому. Д.И. Менделеев исходил из убеждения, что в основу классификации должна быть положена фундаментальная количественная характеристика элементов – атомная масса. «По смыслу всех точных сведений о явлении природы, – писал он, – масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства... Поэтому ближе всего и естественнее всего искать зависимости между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и их атомными весами, с другой».

Но найти эту зависимость было крайне трудно по двум причинам:

1) далеко не все химические элементы были известны к началу работы Д.И. Менделеева;

2) атомные массы некоторых элементов были установлены неточно, и их формальное сопоставление приводило

к недоразумениям.

В отличие от всех своих предшественников русский ученый сопоставил между собой несходные элементы. Расположив все известные элементы в порядке возрастания атомных масс, Д.И. Менделеев обнаружил, что стадные в химическом отношении элементы встречаются через правильные интервалы, т. е. одни и те же свойства периодически повторяются в естественном ряду элементов, например в ряду элементов, размещенных в порядке возрастания атомной массы:

Li – Be – В – С – N – O – F – Na – Mg – Al – Si – P – S – Cl

При переходе от лития Li к фтору F происходит закономерное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических – последовательным увеличением валентности. Переход от фтора к следующему по значению атомной массы 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 Мg во многом сходен с бериллием Be (оба двухвалентны, проявляют металлические свойства, но химическая активность обоих выражена слабее, чем у пары Li – Na). Алюмиий Al, следующий за магнием, напоминает бор В (валентность равна 3). Как близкие родственники, похожи кремний Si и углерод С, фосфор Р и азот N, cepа S и кислород О, хлор Cl и фтор F. При переходе к следующему за хлором в последовательности увеличения атомной массы элементу калию К опять происходит скачок в изменении валентности и химических свойств. Калий,

подобно литию и натрию, открывает ряд элементов (третий по счету), представители которого показывают глубокую аналогию с элементами первых двух рядов. Итак, в естественном ряду элементов (т. е. элементов, расположенных в порядке возрастания атомной массы) химические свойства элементов изменяются не монотонно, а периодически. Закономерное изменение свойств элементов в пределах одного отрезка естественного ряда (Li – F) повторяются и у других отрезков (Na – Cl, К – Вr). Иначе говоря, сходные в химическом отношении элементы встречаются в естественном ряду через правильные интервалы и,

следовательно, 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».

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Д. И. Менделеев не остановился на открытии закона периодичности, использовав его для создания периодической системы элементов. Днем рождения системы Д.И. Менделеева обычно считают 1 марта 1869 г., когда был составлен первый вариант таблицы. В этой таблице 63 известных Д.И. Менделееву элемента расположены в порядке возрастания атомных масс (сверху вниз и слева направо). Причем это расположение отражало периодичность изменения свойств элементов. В таблице оставлены пустые места для четырех элементов с атомными массами 45, 68, 70 и 180. Существование этих элементов было предсказано Д.И. Менделеевым. В первом варианте периодической таблицы можно увидеть явные отклонения от установленного впоследствии расположения элементов: таллий Тl помещен в группу щелочных металлов, свинец Рb вместе со щелочно-земельными металлами, кобальт Co и никель Ni занимают одно место, а уран U и золото Аu помещены вместе с алюминием Аl. Однако уже год спустя Д.И. Менделеев смело вносит изменения, связанные, в частности, с исправлением общепринятых значений атомных масс. 15 декабря 1870 г. он писал: «Ныне принятый атомный вес урана-120 мне кажется возможным и необходимым изменить в уран-240». Д.И. Менделеев решился на это изменение потому, что при атомной массе 120 уран попадал в периодической таблице на место, которое должно быть занято элементом, ничего общего не имеющим с ним по свойствам, но при атомной массе 240 уран попадал в одну группу с родственными ему элементами. Аналогичные рассуждения привели Д.И. Менделеева к исправлению атомных масс других элементов; причем все предложенные им изменения вскоре подтвердились.

Настоящий триумф периодической системы Д.И. Менделеева был связан с открытием предсказанных им элементов. В 1875 г. французский химик П. Лекок де Буабодран, исследуя цинковые руды с Пиренейских гор методами спектрального анализа, обнаружил следы неизвестного элемента. Открытие этого элемента, названного галлием, быть может, прошло бы незаметным, если бы некоторое время спустя автор не получил письмо от русского ученого, в котором утверждалось, что плотность нового элемента должна быть равна не 4,7 г/см3, как сообщал П. Лекок де Буабодран, а 5,9–6 г/см3. Повторные измерения плотности очищенного от примеси галлия дали значение 5,904 г/см3. Предсказывая свойства неизвестных элементов, Д.И. Менделеев использовал вытекавшее из периодического закона правило звездности, в соответствии с которым свойства любого химического элемента (например, Mg) находятся в закономерной связи со свойствами соседних элементов, расположенных по горизонтали (Na, Al), вертикали (Be, Ca) и диагонали (Li, К, В).

Спустя несколько лет шведский ученый Л. Нильсон открыл предсказанный Д.И. Менделеевым экабор, назвавего скандием. Наконец, в 1886 г. немецкий химик К. Винклер открыл новый элемент германий, свойства которого полностью совпали со свойствами, указанными Д. И. Менделеевым для экасилиция. После этого периодический закон получил всемирное признание, а периодическая система стала неотъемлемой частью любого учебника по химии.

Открытие новых элементов и уточнение свойств, ранее известных, потребовало усовершенствования первоначального варианта периодической системы, который не мог полностью удовлетворить химиков. Оставляя в стороне

многочисленные варианты графического построения периодической системы, предложенные с момента открытия Д.И. Менделеева до наших дней, рассмотрим один из современных вариантов, включающих все известные теперь химические элементы. Эта таблица 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 кончается 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. Как и предыдущие

два, этот период начинается щелочным металлом К и кончается инертным элементом криптоном Кr. Один большой период составляют и последующие два ряда – шестой и седьмой (от рубидия Rb до ксенона Хе).

В восьмом ряду дополнительное осложнение связано с тем, что после лантана La идут 14 элементов, чрезвычайно сходные с ним по свойствам, названные лантаноидами. В приведенной таблице они размещены в виде отдельного ряда. Восьмой и девятый ряды образуют большой период, содержащий 32 элемента (от цезия Cs до радона Rn).

Десятый ряд элементов составляет незавершенный седьмой период. Он содержит лишь 21 элемент, из которых 14 очень сходны по свойствам с актинием Ac и выделены в самостоятельный ряд актиноидов. Как мы теперь знаем, такая структура таблицы является отражением основных свойств химических элементов, связанных с особенностями строения их атомов.

В вертикальных столбцах таблицы – группах – располагаются элементы, обладающие одинаковой валентностью в высших солеобразующих оксидах (она указана римской цифрой). Каждая группа разделена на две подгруппы, одна из которых (главная) включает элементы малых периодов и четных рядов больших периодов, а другая (побочная) образована элементами нечетных рядов больших периодов. Различия между главными и побочными подгруппами ярко проявляются в крайних группах таблицы (исключая восьмую). Так, главная подгруппа первой группы включает очень активные щелочные металлы, энергично разлагающие воду, тогда как побочная подгруппа состоит из меди

Сu, серебра Ag и золота Аu, инертных в химическом отношении. В седьмой группе главную подгруппу составляют активные неметаллы: фтор F, хлор Сl, бром Вr, йод I и астат At, тогда как у элементов побочной подгруппы – марганца Мn, технеция Тс и рения Re – преобладают металлические свойства. Восьмая группа элементов, занимающая особое положение, состоит из девяти элементов, разделенных на три триады очень сходных друг с другом элементов, и подгруппы инертных элементов.

У элементов главных подгрупп при увеличении атомной массы наблюдается усиление металлических свойств и ослабление неметаллических.

Согласно формулировке закона Д.И. Менделеева, периодичность изменения свойств касается не только химических элементов, но и образуемых ими простых и сложных веществ. Периодичность изменения обнаружена также для температур плавления и кипения, для магнитных и электрических свойств, для теплообразования, теплоемкости и многих других физико-химических параметров, характеризующих простые и сложные вещества.

РОЛЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Открытие периодического закона и создания системы химических элементов имело огромное значение не только для химии, но и для всего естествознания в целом. Открытие Д.И. Менделеева обогатило человеческое знание одной из фундаментальных закономерностей природы. Оценивая значение открытия Д.И. Менделеева, Ф. Энгельс писал: «Менделеев, применив бессознательно гегелевский закон о переходе количества в качество, совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием У.-Ж.-Ж.. Леверье, вычислившего орбиту еще не известной планеты – Нептуна».

Периодический закон и периодическая система элементов изменили наше представление о законах микромира и привели к практическому воплощению идеи использования ядерной энергии. Кроме того, за прошедшее время были открыты более 50 элементов.

Периодический закон Д.И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Взаимосвязь между элементами стала рассматриваться с позиции места, которое они занимают в периодической системе. Как указал академик 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 предсказать и описать новые элементы и их соединения. На основе периодического закона и периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева быстро развивалось учение о строении атома.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщив собранный материал и подведя итог проделанной работы, мы сделали следующие выводы:

Открытие периодического закона было подготовлено всем ходом развития химии, однако потребовалась

гениальность Д.И. Менделеева, дар его научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и

творчески представлены в виде таблицы.

Периодический закон и периодическая система Д.И. Менделеева – первоисточник многих открытий физики, химии и смежных с ними естественных наук XX века.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макареня А.А., Трифонов Д.Н. Периодический закон Д.И. Менделеева: Пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1969.

2. Охлобыстин О.Ю. Жизнь и смерть химических идей. М.: Наука, 1989.

3. Соловьев Ю.И. Химия на перекрестке наук. М.: Наука, 1989.

4. Третьяков Ю.Д. Основы общей химии. М.: Просвещение, 1980.

5. Трифонов Д.Н. Учение о периодичности: сегодня и завтра. Химия в школе, 1989.