Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева

Открытие новых  элементов сегодня - чрезвычайно  сложный и долгий процесс. Атомы  искусственных элементов живут  очень недолго - порядка секунд для  элементов с Z = 101-103, а при дальнейшем “утяжелении” ядер время жизни  атомов катастрофически уменьшается. Из миллиардов образующихся ядер нового элемента удается зафиксировать  и распознать лишь одно.  
 

В качестве примера  рассмотрим сравнительно недавние работы по синтезу 110-го элемента (еще не имеющего названия). Для синтеза ядер этого  элемента в лаборатории Дармштадта на мощном ионном ускорителе мишень из свинца-208 (изотопа свинца 82Pb с массовым числом A = (Z + N) = 208) облучалась ядрами никеля-62 (изотопа никеля 28Ni с массовым числом 62). Это приводило к образованию  ядер 110-го элемента с числом протонов (82 + 28) = 110 и с числом нейтронов - 159. Схематично ядерную реакцию, использованную в Дармштадте, можно записать так:  
 

82Pb + 28Ni → 110Элемент  (изотоп с массовым числом 269).  
 

В Дубне для  синтеза 110-го элемента использовали мишень из плутония-244, которая облучалась ядрами серы-34. Этот эксперимент проводился на ускорителе в Дубне совместно  с Ливерморской лабораторией (США), которая изготовила для эксперимента плутониевую мишень высокого качества. Было зарегистрировано несколько атомов 110-го элемента с числом нейтронов 163. Ядерная реакция в этом случае выглядит так:  
 

94Pu + 16S → 110Элемент  (изотоп с массовым числом 273).  
 

Новый элемент  не считается открытым до тех пор, пока одна группа исследователей не получит  надежных результатов по исследованию его атомов и пока другая (независимая) группа ученых не подтвердит эти результаты. Поэтому дальние клеточки Периодической  таблицы заполняются очень медленно.  
 

Есть и другая проблема - как называть вновь открытые элементы? По традиции исследователи, впервые получившие новый элемент, могут предлагать его название. Поэтому  каждая группа физиков давала свои названия вновь открытым химическим элементам. По этому поводу было много  споров.  
 

Дело в том, что  Периодический закон и Периодическая  таблица Д. И. Менделеева являются общемировым  достоянием и названия новых элементов, остающиеся в них навечно, могут  закрепиться лишь при единодушном  согласии ученых всего мира. В тех  случаях, когда открытие нового элемента еще не подтверждено, либо название не утвердилось окончательно, используются “временные” названия, связанные  с атомным номером элемента. Например, элемент 104 был получен советскими физиками в 1964 году и получил название “курчатовий” (Ku) в честь русского физика И. В. Курчатова. В 1969 году этот же элемент воспроизвели в своих  опытах американские исследователи  и предложили для него название “резерфордий” (Rf) в честь английского физика Э. Резерфорда. До тех пор, пока вопрос о названии 104-го элемента не был  решен окончательно, во многих изданиях Периодической таблицы он назывался  “унилквандий” и обозначался  символом Unq. Здесь “ун” означает 1, “нил” - 0 и “квад” - 4. Точно так  же элемент 105 назывался “унилпентий” (Unp), элемент 106 - “унилгексий” (Unh) и  так далее.

В 1987 году Международные  союзы чистой и прикладной химии (IUPAC) и физики (IUPAP) создали совместную международную комиссию, которая  рассмотрела вопрос о приоритете в открытии новых элементов и  сделала предложения относительно их наименований. А в январе 1997 г. специальный комитет IUPAC обнародовал  решение по названиям элементов  № 104-109. Вероятно, эти названия утвердятся уже окончательно:  
 

- элемент 104 назван  резерфордием (Rf) - в честь английского  физика Эрнста Резерфорда, внесшего  огромный вклад в установление  строения атома;  
 

- элемент 105 назван  дубнием (Db) - в честь города  в России, где был открыт этот  и многие другие новые элементы.  
 

- элемент 106 назван  сиборгием (Sg) - в честь американского  физика и радиохимика Гленна  Сиборга, участвовавшего в выделении  и синтезе многих новых элементов  - плутония, нептуния, кюрия, америция, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделевия; сделавшего множество других важнейших работ по физике и химии тяжелых элементов;  
 

- элемент 107 назван  борием (Bh) - в честь знаменитого  датского физика Нильса Бора. Кстати, неправы те, кто думает, что  в честь Нильса Бора уже  назван элемент бор. Этот элемент  был открыт и назван химиками  Гей-Люссаком и Тенаром еще  в 1808 году;  
 

- элемент 108 назван  хассием (Hs) - в честь земли Гессен  в Германии, где находится крупнейший  научно-исследовательский центр  по синтезу и изучению новых  элементов;  
 

- элемент 109 назван  майтнерием (Mt) - в честь австрийской  исследовательницы (физика и радиохимика)  Лизе Майтнер, которая вместе  с О. Ганом открыла элемент  протактиний и сделала много  других важнейших работ, способствовавших  установлению строения атома.  
 

Элементы 110-112 пока не считаются официально открытыми, хотя ждать этого, видимо, осталось недолго. Уже полным ходом идут работы по синтезу более тяжелых элементов, вплоть до 114-го, который, по некоторым  данным, может оказаться гораздо  стабильнее, чем его более “легкие” предшественники. Если это необычное  свойство 114-го элемента подтвердится в опыте, физики и химики откроют  новую страницу в изучении сверхтяжелых элементов.  
 
 
 

V Значение Периодического  закона и Периодической системы  химических элементов Д. И.  Менделеева.  
 
 
 

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.