Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. Менделеева

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».

Открытие Д.И. Менделеевым периодического закона имеет огромное значение для развития химии. Закон явился научной основой химии. Автору удалось систематизировать богатейший, но разрозненный материал, накопленный поколениями химиков по свойствам элементов и их соединений, уточнить многие понятия, например, понятия «химический элемент» и «простое вещество». Кроме того, Д.И. Менделеев предсказал существование и с потрясающей точностью описал свойства многих не известных к этому времени элементов, например, скандия (экабор), галлия (экаалюминий), германия (экасилиций). В ряде случаев, основываясь на периодическом законе, ученый изменил принятые в то время атомные массы элементов (Zn , La , I , Er , Ce , Th ,U ), которые ранее были определены на основе ошибочных представлений о валентности элементов и составе их соединений. В некоторых случаях Менделеев расположил элементы в соответствии с закономерным изменением свойств, предполагая возможную неточность значений их атомных масс (Os , Ir , Pt , Au , Te , I , Ni , Co ) и для некоторых из них в результате последующего уточнения атомные массы были исправлены.

Периодический закон и периодическая система элементов служат научной основой прогнозирования в химии. С момента опубликования периодической системы в ней появилось более 40 новых элементов. На основе периодического закона были получены искусственным путем трансурановые элементы, в том числе № 101, названный менделевием.

Периодический закон сыграл решающую роль в выяснении сложной структуры атома. Нельзя забывать, что закон был сформулирован автором в 1869 году, т.е. почти за 60 лет до того, как окончательно сложилась современная теория строения атома. И все открытия ученых, последовавшие после опубликования закона и периодической системы элементов (о них мы говорили в начале изложения материала) послужили подтверждением гениального открытия великого русского химика, его необыкновенной эрудиции и интуиции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глинка Н. А. Общая химия / Н. А. Глинка. Л.: Химия, 1984. 702 с.

2. Курс общей химии / под ред. Н. В. Коровина. М.: Высшая школа, 1990. 446 с.

3. Ахметов Н.С. общая и неорганическая химия/ Н.С. Ахметов. М.: Высшая школа, 1988. 639 с.

4. Павлов Н.Н. Неорганическая химия/ Н.Н. Павлов. М.: Высшая школа, 1986. 336 с.

5. Рэмсден Э.Н. Начала современной химии/ Э.Н. Рэмсден. Л.: Химия, 1989. 784 с.

Строение атома

Методические указания

по курсу «Общая химия»

Составили: СТАНКЕВИЧ Маргарита Ефимовна

Ефанова Вера Васильевна

Михайлова Антонина Михайловна

Рецензент Е.В.Третьяченко

Редактор О.А.Панина

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бум. офсет. Усл.-печ. л. Уч.-изд.л.

Тираж экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периодического закона для развития науки

Билеты по химии за курс 10 класса.

Билет №1

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периодического закона для развития науки.

В 1869 г. Д. И. Менделеев на основе анализа свойств простых веществ и соединений сформулировал Периодический закон:

Свойства простых тел... и соединений элементов находятся в периодической зависимости от вели­чины атомных масс элементов.

На основе периодического закона была составлена периодическая система элементов. В ней элементы со сходными свойствами оказались объединены в верти­кальные столбцы - группы. В некоторых случаях при размещении элементов в Периодической системе приходилось нарушать последовательность возрастания атомных масс, чтобы соблюда­лась периодичность повторения свойств. Например, пришлось "поменять местами" теллур и йод, а также аргон и калий.

Причина состоит в том, что Менделеев предложил периодической закон в то время, когда не было ничего известно о строении атома.

После того, как в XX веке была предложена планетарная модель атома, периодический закон формулируется следующим образом:

Свойства химических элементов и соединений на­ходятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.

Заряд ядра равен номеру элемента в периодической системе и числу электронов в электронной оболочке атома.

Эта формулировка объяснила "нарушения" Перио­дического закона.

В Периодической системе номер периода равен числу электронных уровней в атоме, номер группы для эле­ментов главных подгрупп равен числу электронов на внешнем уровне.

Причиной периодического изменения свойств химиче­ских элементов является периодическое заполнение электронных оболочек. После заполнения очередной оболочки начинается новый период. Периодическое изменение элементов ярко видно на изменении состава и свойств и свойств оксидов.

Научное значение периодического закона. Периоди­ческий закон позволил систематизировать свойства хи­мических элементов и их соединений. При составлении периодической системы Менделеев предсказал сущест­вование многих еще не открытых элементов, оставив для них свободные ячейки, и предсказал многие свойст­ва неоткрытых элементов, что облегчило их открытие.

6. ???

7. Периодический закон и периодическая система д.И. Менделеева Структура периодической системы (период, группа, подгруппа). Зна­чение периодического закона и периодической системы.

Периодический закон Д. И. Менделеева Свойства простых тел, а также формы и свойства соеди­нений элементов находятся в периодической зависимости от. величины атомных весов элементов

Периодическая система элементов. Ряды элементов, в пре­делах которых свойства изменяются последовательно, как, напри­мер, ряд из восьми элементов от лития до неона или от натрия до аргона, Менделеев назвал периодами. Если напишем эти два периода один под другим так, чтобы под литием находился натрий, а под неоном - аргон, то получим следующее расположение эле­ментов:

При таком расположении в вертикальные столбцы попадают элементы, сходные по своим свойствам и обладающие одинаковой валентностью, например, литий и натрий, бериллий и магний и т. д.

Разделив все элементы на периоды и располагая один период под другим так, чтобы Сходные по свойствам и типу образуемых соединений элементы приходились друг под другом, Менделеев со­ставил таблицу, названную им периодической системой элементов по группам и рядам.

Значение периодической системы. 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.

8. Периодическое изменение свойств химических элементов. Атомные и ионные радиусы. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность.

Зависимость атомных радиусов от заряда ядра атома Zимеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличе­ниемZпроявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что особенно четко наблюдается в коротких периодах

С началом застройки нового электронного слоя, более удален­ного от ядра, т. е. при переходе к следующему периоду, атомные радиусы возрастают (сравните, например, радиусы атомов фтора и натрия). В результате в пределах подгруппы с возрастанием заряда ядра размеры атомов увеличиваются.

Потеря атомов электронов приводит к уменьшению его эф­фективных размеров^ а присоединение избыточных электронов - к увеличению. Поэтому радиус положительно заряженного иона (катиона) всегда меньше, а радиус отрицательно заряженного нона (аниона) всегда больше радиуса соответствующего элек­тронейтрального атома.

В пределах одной подгруппы радиусы ионов одинакового за­ряда возрастают с увеличением заряда ядра Такая закономерность объясняется увеличением числа элек­тронных слоев и растущим удалением внешних электронов от ядра.

Наиболее ха­рактерным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, а неметаллы, наоборот, харак­теризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов. Для отрыва электрона от атома с превраще­нием последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, называемую энергией ионизации.

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наи­меньшее напряжение поля, при котором скорость электронов ста­новится достаточной для ионизации атомов, называется потен­циалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах.

При затрате достаточной энергии можно оторвать от атома два, три и более электронов. Поэтому говорят о первом потен­циале ионизации (энергия отрыва от атома первого элек­трона) .втором потенциале ионизации (энергия отрыва второго электрона)

Как отмечалось выше, атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при присоедине­нии электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону. Сродство к электрону, как и энергия ионизации, обычно выражается в электронвольтах. Так, сродство к электрону атома водорода равно 0,75 эВ, кислорода-1,47 эВ, фтора -3,52 эВ.

Сродство к электрону атомов металлов, как правило, близко к нулю или отрицательно; из этого следует, что для атомов боль­шинства металлов присоединение электронов энергетически невы­годно. Сродство же к электрону атомов неметаллов всегда поло­жительно и тем больше, чем ближе к благородному газу распо­ложен неметалл в периодической системе; это свидетельствует об усилении неметаллических свойств по мере приближения к концу периода.

(?)9. Химическая связь. Основные типы и характеристики химической свя­зи. Условия и механизм ее образования. Метод валентных связей. Ва­лентность. Понятие о методе молекулярных орбиталей

При взаимодействии атомов между ними может возникать хи­мическая связь, приводящая к образованию устойчивой мно­гоатомной системы - молекулы, молекулярного нона, кристалла. условием образования химической связи является, уменьше­ние потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.

Теория химического строения. Основу теории, разработан­ной А. М. Бутлеровым, составляют следующие положения:

Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

Соединение атомов происходит в соответствии с их валент­ностью.

Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их «химического строения», т. е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.

Представления о механизме образования химической связи, развитые Гейтлером и Лондоном на примере молекулы водорода, были распространены и на более сложные молекулы. Разработан­ная на этой основе теория химической связи получила название метода валентных связей (метод ВС). Метод ВС дал теоретическое объяснение важнейших свойств ковалентиой связи, позволил понять строение большого числа молекул. Хотя, как мы увидим ниже, этот метод не оказался универсальным и в ряде слу­чаев не в состоянии правильно описать структуру и свойства мо­лекул, все же он сыграл большую роль в разработке квантово-механической теории химической связи и не потерял сво­его значения до настоящего времени. Валентность - сложное понятие. Поэтому существует несколь­ко определений валентности, выражающих различные стороны этого понятия. Наиболее общим можно считать следующее опре­деление: валентность элемента - это способность его атомов со­единяться с другими атомами в определённых соотношениях.

Первоначально за единицу валентности была принята валент­ность атома водорода. Валентность другого элемента можно при этом выразить числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента.

Мы уже знаем, что состояние электродов в атоме описывается квантовой механикой как совокупность атомных электронных ор­биталей (атомных электронных облаков); каждая такая орбиталь характеризуется определенным набором атомных квантовых чисел. Метод МО исходит из предположения, что состояние электронов в молекуле также может быть описано как совокупность молеку­лярных электронных орбиталей (молекулярных электронных обла­ков), причем каждой молекулярной орбитали (МО) соответствует определенный набор молекулярных квантовых чисел. Как и в лю­бой другой многоэлектронной системе, в молекуле сохраняет свою справедливость принцип Паули (см. § 32), так что на каждой МО может находиться не более двух электронов, которые должны об­ладать противоположно направленными спинами.

Значение периодического закона для развития науки

На основе Периодического закона Менделеев составил классификацию хмических элементов -- периодическую систему. Она состоит из 7 периодов и 8 групп.
Периодический закон положил начало современному этапу развития химии. С его открытием появилась возможность предсказывать новые элементы и описывать их свойства.
С помощью Периодического закона были исправлены атомные массы и уточнены валентности некоторых элементов; закон отражает взаимосвязь элементов и взаимообусловленность их свойств. Периодический закон подтвердил наиболее общие законы развития природы, открыл путь к познанию строения атома.

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.

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.

Возможность научного прогнозирования неизвестных элементов стала реальностью лишь после открытия периодического закона и периодической системы элементов. Д. И. Менделеев предсказал существование 11 новых элементов : экабора, экасилиция, экаалюминия и др. «Координаты» элемента в периодической системе (порядковый номер, группа и период) позволяли ориентировочно предсказать атомную массу, а также важнейшие свойства прогнозируемого элемента. Точность этих предсказаний возрастала особенно тогда, когда прогнозируемый элемент находился в окружении известных и достаточно изученных элементов.

Благодаря этому в 1875 г. во Франции Л. де Буабодран открыл галлий (экаалюминий); в 1879 г. Л. Нильсон (Швеция) открыл скандий (экабор); в 1886 г. в Германии К. Винклер открыл германий (экасилиций).

В отношении неоткрытых элементов девятого и десятого рядов высказывания Д. И. Менделеева были более осторожными, ибо их свойства были изучены крайне слабо. Так, после висмута, на котором обрывался шестой период, были оставлены два прочерка. Один соответствовал аналогу теллура, другой принадлежал неизвестному тяжелому галогену. В седьмом же периоде были известны лишь два элемента - торий и уран. Д. И. Менделеев оставил несколько клеток с прочерками, которые должны были принадлежать элементам первой, второй и третьей групп, предшествующих торию. Пустая клетка была оставлена и между торием и ураном. За ураном было оставлено пять свободных мест, т.е. почти за 100 лет были предвидены трансурановые элементы.

Для подтверждения точности прогнозов Д. И. Менделеева относительно элементов девятого и десятого рядов можно привести пример с полонием (порядковый номер 84). Предсказывая свойства элемента с порядковым номером 84, Д. И. Менделеев обозначил его как аналог теллура и назвал двителлуром. Для этого элемента он предположил атомную массу 212 и способность образовывать оксид типа ЭО э. Этот элемент должен иметь плотность 9,3 г/см 3 и быть легкоплавким, кристаллическим и труднолетучим металлом серого цвета. Полоний, который в чистом виде был получен лишь в 1946 г., представляет собой мягкий легкоплавкий металл серебристого цвета с плотностью 9,3 г/см 3 . По свойствам во многом напоминает тел- лур.

Периодический закон Д. И. Менделеева, будучи одним из важнейших законов природы, имеет исключительное значение. Отражая естественную взаимосвязь, существующую между элементами, ступенями развития материи от простого к сложному, этот закон положил начало современной химии. С его открытием химия перестала быть описательной наукой.

Периодический закон и система элементов Д. И. Менделеева являются одним из надежных методов познания мира. Так как элементы объединены общностью свойств или строения, то это свидетельствует о закономерностях взаимосвязи и взаимообусловленности явлений.

Все элементы составляют в совокупности одну линию непрерывного развития от самого простейшего водорода до 118-го элемента. Такая закономерность впервые была подмечена Д. И. Менделеевым, сумевшим предсказать существование новых элементов, показав тем самым непрерывность развития материи.

Сопоставлением свойств элементов и их соединений внутри групп легко можно обнаружить проявление закона о переходе количественных изменений в качественные. Так, внутри любого периода имеется переход от типичного металла к типичному неметаллу (галогену), однако переход от галогена к первому элементу следующего периода (щелочному металлу) сопровождается появлением резко противоположных этому галогену свойств. Открытие Д. И. Менделеева заложило точный и надежный фундамент теории строения атома, оказав огромное влияние на развитие всех современных знаний о природе вещества.

Работа Д. И. Менделеева по созданию периодической системы положила начало научно обоснованному методу целенаправленного поиска новых химических элементов. Примерами могут служить многочисленные успехи современной ядерной физики. За последние полвека с небольшим синтезированы элементы с порядковыми номерами 102-118. Изучение их свойств, так же как и получение, было бы невозможно без знаний закономерностей взаимосвязи между химическими элементами.

Доказательством подобного утверждения являются результаты исследований по синтезу элементов 114, 116, 118 .

Изотоп 114-го элемента получен взаимодействием плутония с изотопом 48 Са, а 116-го - взаимодействием кюрия с изотопом 48 Са:

Стабильность полученных изотопов столь высока, что они спонтанно не делятся, а испытывают альфа-распад, т.е. расщепление ядра с одновременным испусканием альфа-частиц.

Полученные экспериментальные данные полностью подтверждают теоретические расчеты: по мере последовательных альфа-распадов образуются ядра 112-го и 110-го элементов, после чего начинается спонтанное деление:

Сравнивая свойства элементов, мы убеждаемся, что они взаимосвязаны общностью структурных признаков. Так, сопоставляя строение внешних и предвнешних электронных оболочек, можно с высокой точностью предсказать все типы соединений, характерные для данного элемента. Такая четкая взаимосвязь очень хорошо иллюстрируется на примере 104-го элемента - резерфордия. Химиками было предсказано, что если данный элемент является аналогом гафния (72 Hf), то его тетрахлорид по свойствам должен быть примерно таким же, что и HfCl 4 . Экспериментальные химические исследования подтвердили не только прогноз химиков, но и открытие нового сверхтяжелого элемента 1(M Rf. Такая же аналогия прослеживается в свойствах - Os (Z = 76) и Ds (Z = 110) - оба элемента образуют летучие оксиды типа R0 4 . Все это говорит о проявлении закона взаимосвязи и взаимообусловленности явлений.

Сравнение свойств элементов как в пределах групп, так и периодов, и сопоставление их со строением атома указывают на закон перехода количества в качество. Переход количественных изменений в качественные возможен лишь через отрицание отрицания. Внутри периодов с увеличением заряда ядра происходит переход от щелочного металла к благородному газу. Следующий период вновь начинается со щелочного металла - элемента, который полностью отрицает свойства предшествующего ему благородного газа (например, Не и Li; Ne и Na; Аг и Кг и т.д.).

В каждом периоде заряд ядра последующего элемента возрастает на единицу но сравнению с предыдущим. Этот процесс наблюдается от водорода до 118-го элемента и свидетельствует о непрерывности развития материи.

Наконец, совмещение в атоме разноименных зарядов (протон и электрон), проявление металлических и неметаллических свойств, существование амфотерных оксидов и гидроксидов есть проявление закона единства и борьбы противоположностей.

Необходимо также отметить, что открытие периодического закона явилось началом фундаментальных исследований, касающихся свойств материи.

По выражению Нильса Бора, периодическая система является «путеводной звездой для исследований в области химии, физики, минералогии, техники».

• Элементы 112, 114, 116, 118 получены в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, Россия). Элементы 113 и 115 получены совместно российскими и американскими физиками. Материал любезно предоставлен академиком РАН Ю. Ц. Оганесяном.