ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

История открытия Периодической системы химических элементов

Честь открытия ПЗ, а также первый вариант ПСХЭ принадлежит Д. И. Менделееву. Элементы в ПСХЭ располагаются по мере роста зарядов ядер их атомов. Так как число электронов в атоме численно равно заряду атома, то такое расположение позволяет:

  • - проследить изменение электронного строения атомов;
  • - выделить в ПСХЭ вертикальные и горизонтальные ряды, в рамках которых атомные свойства элементов изменяются закономерно;
  • - прогнозировать составы ряда соединений элементов;
  • - получить качественную информацию о характере изменения типа простых веществ и соединений элементов, а также изменения их свойств в рамках отдельных подгрупп и периодов.

После получения экспериментальных доказательств о реальности существования атомов (Дж. Дальтон) предпринимались неоднократные попытки систематизации химических элементов. Известны два основных принципа, на которых строились первые обобщения химических элементов.

Триады Дёберейнера

В рамках одного из них элементы группировались, исходя из представлений о близости химических свойств простых веществ и соединений ряда элементов. Примером такой классификации являются триады И. В. Дёберейнера (1829 г.). В табл. 5 показано пять вертикальных триад (т. е. совокупность трех элементов), в рамках которых реализуются указанные принципы данной классификации. Так, например, элементы Li, Na, К сходны по типу и свойствам их простых веществ и соединений, так же как и элементы всех других триад. Эту идею развил Л. Гмелин, предложивший таблицу из триад, тетрад и пентад.

Таблица 5

Триады Дёберейнера

Li

Са

Р

S

Cl

Na

Sr

As

Se

Br

К

Ва

Sb

Те

I

«Земная спираль» де Шанкуртуа

Второй принцип классификации базировался на значениях атомных масс известных элементов. В частности, А. Шанкуртуа и Р. Бегуйе (1862 г.) предложили располагать известные на тот момент элементы по мере роста их атомных масс вдоль линий спирали, поднимающихся вверх по поверхности цилиндра. Анализ данной модели позволил выявить признаки периодически изменяющихся свойств простых веществ и соединений известных элементов по мере роста их атомных масс. На вертикальных линиях цилиндра располагались элементы со сходными свойствами, например, были выделены вертикали: Li, Na, К; Be, Mg, Са; О, S, Se, Те и т. д. Однако на вертикали попадали и элементы, вещества которых были отличны по свойствам, так, в вертикаль щелочных металлов попал марганец.

«Октавы» Ньюлендса

Дж. Ньюлендс, в отличие от Шанкуртуа и Бегуйе, предложил располагать элементы по мере роста их атомных масс последовательно (табл. 6). Анализ этой модели показал, что в ряде случаев при указанной форме расположения близкие характеристики простых веществ и соединений имеет каждый восьмой элемент («закон октав», 1864 г.). Ньюлендсу удалось распределить по «октавам» 62 известных к тому времени элемента.

Таблица 6

Таблица «октав» Ньюлендса

ДО

Н

1

F

8

Cl

15

Co,

Ni

22

Br

29

Pd

36

I

43

Pt,

Ir

50

ре

Li

2

Na

9

К

16

Cu

23

Rb

30

Ag

37

Cs

44

Os

51

ми

Be

3

Mg

10

Ca

17

Zn

24

Sr

31

Cd

38

Ba,

V

45

Pb

52

фа

В

4

A1

11

Cr

18

Y

25

Ce,

La

32

U

39

Та

46

Tl

53

соль

С

5

Si

12

Ti

19

In

26

Zr

33

Sn

40

W

47

Hg

54

ля

N

6

P

13

Mn

20

As

27

Di,

Mo

34

Sb

41

Nb

48

Bi

55

си

0

7

S

14

Fe

21

Se

28

Rh,

Ru

35

Те

42

Au

49

Th

56

Данная таблица верно представляет элементы 1-17, однако остальные элементы не всегда повторяют свойства их предшественников. Так, уже хром (№ 18) проявляет свойства, отличные от алюминия и бора. Кроме того, под одним номером записаны два элемента (22, 32 и т. д.), а пустых ячеек для неоткрытых элементов не было вовсе.

Таблицы Одлинга и Мейера

Уильям Одлинг в 1864 г. предложил вариант, в котором элементы располагались не только по мере роста их атомных масс, но и с учетом свойств их простых веществ и соединений. Однако анализа указанного варианта, а также обобщения результатов анализа и выводов им сделано не было. Одновременно с У Одлингом Ю. Мейер предложил несколько вариантов расположения элементов в таблицах, последний из которых состоял из девяти столбцов и, помимо двух основных критериев, учитывал валентности атомов элементов в соединениях.

Работы всех этих ученых тщательно изучал Д. И. Менделеев, поэтому их выводы и обобщения можно считать предпосылками возникновения современного периодического закона химических элементов.

Открытие периодического закона

Д. И. Менделеев в качестве критериев классификации использовал оба рассмотренных выше принципа: в своей таблице, которая является графическим отображением периодического закона, он располагал элементы по мере роста их атомных масс, но таким образом, чтобы элементы, имеющие сходные характеристики простых веществ и соединений, оказались бы друг под другом.

Этот прием показал, что в целом ряде случаев базовые принципы построения таблицы входили в противоречие. Понимая, что значение атомной массы является производной величиной, Д. И. Менделеев в качестве основного критерия использовал химические свойства простых веществ и соединений элементов, а также известные составы соединений, например кислородных, водородных, галогенидных и т. д.

Так, известным в то время элементом, имеющим атомную массу большую, чем кальций, был титан, который по свойствам и формам соединений не соответствовал элементам четвертой группы. Аналогично, следующим элементом после цинка по массе был мышьяк, но еще Дёберейнер показал, что мышьяк - это аналог фосфора и сурьмы. Проделанный анализ позволил Менделееву предположить, что эти противоречия связаны с тем, что на указанных позициях в системе должны располагаться еще не открытые элементы: экабор, после кальция и после цинка, один за другим, аналоги алюминия (экаалюминиум) и кремния (экаси- лициум), для которых в свой таблице он оставил пустые клетки.

Общий анализ таблицы привел Д. И. Менделеева в 1869 г. к выводу, что «свойства простых тел, а также формы и свой

ства соединений элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса» [1].

Будучи уверенным в правильности открытого закона, Д. И. Менделеев на основе местоположения ряда элементов Периодической системы изменил значения атомных масс почти двух десятков элементов. Верность данного шага позже была доказана экспериментально. Однако основным доказательством правильности выводов периодического закона стало предсказание существования, а также свойств простых веществ и соединений ряда элементов, имеющих в современной таблице номера 21, 31 и 32. В течение последующих 15 лет (1875 г., П. Лекок де Буабадран - галлий № 31; 1879 г., Л. Нильсон - скандий № 21; 1886 г., К. Винклер - германий № 32, т. е. соответственно экаалюминиум, экабор и экасилициум) в природе были обнаружены соединения всех этих трех элементов и разработаны способы получения их простых веществ и соединений различного состава, а также экспериментально определены составы новых соединений этих элементов и изучены их физико-химические и химические свойства. Сравнение ряда свойств атомов, простых и сложных веществ вновь открытых элементов со свойствами тех же веществ, предсказанных Д. И. Менделеевым в 1871 г. на основе периодического закона, показали, что они очень близки (табл. 7).

Таблица 7

Свойства простых веществ и соединений экасилициума (теория) и германия (эксперимент)

Свойства простого вещества и соединений экасилициума, предсказанные Д. И. Менделеевым (1871 г.)

Э ксп е р и м е н та л ы I ы е да н н ы е по свойствам простого вещества и соединений германия (1886 г.)

Атомная масса - 72 у. е.

Атомная масса - 72,6 у. е.

Серый тугоплавкий металл

Серый тугоплавкий полупроводник

Плотность - 5,5 г/см3

Плотность - 5,35 г/см3

Простое вещество может быть получено восстановлением его оксида водородом

Простое вещество получено восстановлением его оксида водородом

Окончание табл. 7

Свойства простого вещества и соединений экасилициума, предсказанные Д. И. Менделеевым (1871 г.)

Э ксп ер и м е н та л ы ] ы е д а н н ы е по свойствам простого вещества и соединений германия (1886 г.)

Формула оксида - Э02

Формула оксида - Ge02

Плотность оксида - 4,7 г/см3

Плотность оксида - 4,7 г/см3

Формула хлорида - ЭС14

Формула хлорида германия - GeCl4

Плотность ЭС14-1,9 г/см3

Плотность GeCl4-1,887 г/см3

Температура кипения ЭС14 - 90 °С

Температура кипения хлорида германия GeCl4 - 90 °С

Эти данные полностью подтвердили достоверность положений периодического закона Д. И. Менделеева и способствовали его окончательному признанию в качестве одной из важнейших теоретических основ химии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >