Периодический закон Менделеева

ВВЕДЕНИЕ

 

Периодический закон Менделеева и его обоснование  с точки зрения электронного строения атомов. Открытие периодического закона и разработка периодической системы  химических элементов Д. И. Менделеевым  явились вершиной развития химии  в XIX в. Обширная сумма знаний о свойствах 63 элементов, известных к тому времени, была приведена в стройный порядок. Менделеев считал, что основной характеристикой  элементов являются их атомные веса, и в 1869 г. впервые сформулировал периодический закон: Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Данные о строении ядра и о распределении электронов в атомах позволяют рассмотреть периодический закон и периодическую систему элементов с фундаментальных физических позиций.

По легенде, мысль о системе химических элементов  пришла к Менделееву во сне, однако известно, что однажды на вопрос, как он открыл периодическую систему, учёный ответил: «Я над ней, может  быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

 

Поиски основы естественной классификации химических элементов и их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона. Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми  работали в этой области, были вызваны  недостаточностью экспериментальных  данных: в начале XIX в. число известных  химических элементов было ещё слишком  мало, а принятые значения атомных  масс многих элементов неточны.

К середине XIX века были открыты почти 60 химических элементов, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. В 1829 году Дёберейнер опубликовал найденный  им «закон триад»: атомный вес многих элементов близок к среднему арифметическому  двух других элементов, близких к  исходному по химическим свойствам (стронций, кальций и барий, хлор, бром и йод и др.). Первую попытку  расположить элементы в порядке  возрастания атомных весов предпринял Александр Эмиль Шанкуртуа (1862), который  разместил элементы вдоль винтовой линии и отметил частое циклическое  повторение химических свойств по вертикали. Обе указанные модели не привлекли  внимания научной общественности.

В 1866 году свой вариант периодической системы  предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, модель которого («закон октав») внешне немного напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована  настойчивыми попытками автора найти  в таблице мистическую музыкальную  гармонию. В этом же десятилетии  появились ещё несколько попыток  систематизации химических элементов; ближе всего к окончательному варианту подошёл Юлиус Лотар  Мейер (1864). Д. И. Менделеев опубликовал  свою первую схему периодической  таблицы в 1869 году в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов» (в журнале Русского химического  общества); ещё ранее (февраль 1869 г.) научное извещение об открытии было им разослано ведущим химикам мира.

Сущность  открытия Менделеева заключалась в  том, что с ростом атомной массы  химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После  определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных  по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Например, натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото похоже на серебро и медь. Разумеется, свойства не повторяются  в точности, к ним добавляются  и изменения.

 

 

 

 

 

 

 

1.1.Триады Дёберейнера и первые системы элементов

 

В 1829 г. немецкий химик И. Дёберейнер предпринял первую значимую попытку систематизации элементов. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы, которые он назвал триадами.

Сущность  предложенного закона триад Дёберейнера  состояла в том, что атомная масса  среднего элемента триады была близка к полусумме атомных масс двух крайних элементов триады. Несмотря на то, что триады Деберейнера в какой-то мере являются прообразами менделеевских групп, эти представления в целом ещё слишком несовершенны. Отсутствие магния в едином семействе кальция, стронция и бария или кислорода в семействе серы, селена и теллура является результатом искусственного ограничения совокупностей сходных элементов лишь тройственными союзами. Очень показательна в этом смысле неудача И. Деберейнера выделить триаду из четырех близких по своим свойствам элементов: P, As, Sb, Bi. И. Деберейнер отчетливо видел глубокие аналогии в химических свойствах фосфора и мышьяка, сурьмы и висмута, но, заранее ограничив себя поисками триад, он не смог найти верного решения. Спустя полвека Л. Майер скажет, что если бы И. Деберейнер хоть ненадолго отвлекся от своих триад, то он сразу же увидел бы сходство всех этих четырех элементов одновременно.

Хотя разбить все известные  элементы на триады Дёберейнеру, естественно, не удалось, закон триад явно указывал на наличие взаимосвязи между  атомной массой и свойствами элементов  и их соединений. Все дальнейшие попытки систематизации основывались на размещении элементов в соответствии с их атомными массами.

Идеи Дёберейнера  были развиты другим немецким химиком  Л. Гмелиным, который показал, что  взаимосвязь между свойствами элементов  и их атомными массами значительно  сложнее, нежели триады. В 1843 г. Гмелин опубликовал таблицу, в которой химически сходные элементы были расставлены по группам в порядке возрастания соединительных весов. Элементы составляли триады, а также тетрады и пентады, причём электроотрицательность элементов в таблице плавно изменялась сверху вниз.

В 1850-х гг. М. фон Петтенкофер и Ж. Дюма предложили т. н. дифференциальные системы, направленные на выявление общих закономерностей  в изменении атомного веса элементов, которые детально разработали немецкие химики А. Штреккер и Г. Чермак.

В начале 60-х годов XIX в. появилось  сразу несколько работ, которые  непосредственно предшествовали Периодическому закону.

 

 

 

 

1.2.Спираль де Шанкуртуа

 

А. де Шанкуртуа  располагал все известные в то время химические элементы в единой последовательности возрастания их атомных масс и полученный ряд  наносил на поверхность цилиндра по линии, исходящей из его основания  под углом 45° к плоскости основания (т. н. земная спираль). При развертывании  поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находились химические элементы со сходными свойствами. Так, на одну вертикаль попадали литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т. д. Недостатком  спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал  марганец, в группу кислорода и  серы — ничего общего с ними не имеющий  титан.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.Октавы Ньюлендса

 

Вскоре после  спирали де Шанкуртуа английский учёный Дж. Ньюлендс сделал попытку  сопоставить химические свойства элементов  с их атомными массами. Расположив элементы в порядке возрастания их атомных  масс, Ньюлендс заметил, что сходство в свойствах проявляется между  каждым восьмым элементом. Найденную  закономерность Ньюлендс назвал законом  октав по аналогии с семью интервалами  музыкальной гаммы. В своей таблице  он располагал химические элементы в  вертикальные группы по семь элементов  в каждой и при этом обнаружил, что (при небольшом изменении  порядка некоторых элементов) сходные  по химическим свойствам элементы оказываются  на одной горизонтальной линии.

Джон Ньюлендс, безусловно, первым дал ряд элементов, расположенных в порядке возрастания  атомных масс, присвоил химическим элементам соответствующий порядковый номер и заметил систематическое  соотношение между этим порядком и физико-химическими свойствами элементов. Он писал, что в такой  последовательности повторяются свойства элементов, эквивалентные веса (массы) которых отличаются на 7 единиц, или  на значение, кратное 7, т. е. как будто  бы восьмой по порядку элемент  повторяет свойства первого, как  в музыке восьмая нота повторяет  первую. Ньюлендс пытался придать  этой зависимости, действительно имеющей  место для лёгких элементов, всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные  элементы, однако в том же ряду часто  оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных  мест; в итоге закон октав был  принят чрезвычайно скептически.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4.Таблицы Одлинга и Мейера

 

В 1864 г. У. Одлинг опубликовал таблицу, в которой элементы были размещены согласно их атомным весам и сходству химических свойств, не сопроводив её, однако, какими-либо комментариями.

В том же 1864 г. появилась первая таблица немецкого химика Л. Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов.

  В 1870 г. вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под названием «Природа элементов как функция их атомного веса», состоявшая из девяти вертикальных столбцов. Сходные элементы располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид, прекрасно иллюстрирующий термин «периодичность», уже предложенный к тому времени Менделеевым.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ПЕРИОДИЧЕСКИЙ  ЗАКОН

 

Периодический закон Д. И. Менделеева — фундаментальный  закон, устанавливающий периодическое  изменение свойств химических элементов  в зависимости от увеличения зарядов  ядер их атомов. Открыт Д. И. Менделеевым  в марте 1869 года при сопоставлении  свойств всех известных в то время  элементов и величин их атомных  масс (весов). Термин «периодический закон» Менделеев впервые употребил  в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал  окончательную формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а  также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости  от их атомного веса». Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая  система элементов.

В марте 1869 г. русский химик Д. И. Менделеев представил Русскому химическому обществу сообщение об открытии им Периодического закона химических элементов. В том же году вышло первое издание менделеевского учебника «Основы химии», в котором была приведена его периодическая таблица. В конце 1870 г. он доложил РХО статью «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов», в которой предсказал свойства не открытых ещё элементов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений Менделеев исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа).

В 1871 г. в итоговой статье «Периодическая законность химических элементов» Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомного веса». Тогда же Менделеев придал своей периодической таблице вид, ставший классическим.

В отличие  от своих предшественников, Менделеев  не только составил таблицу и указал на наличие несомненных закономерностей  в численных величинах атомных  весов, но и решился назвать эти  закономерности общим законом природы. Он взял на себя смелость на основании  предположения, что атомная масса  предопределяет свойства элемента, изменить принятые атомные веса некоторых  элементов и подробно описать  свойства неоткрытых ещё элементов.

 

 

 

 

 

2.1.Структура Периодической системы

 

Современная (1975) П. с. э. охватывает 106 химических элементов; из них все трансурановые (Z = 93—106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. За всю историю П. с. э. было предложено большое количество (нескольких сотен) вариантов её графического изображения, преимущественно в виде таблиц; известны изображения и в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (например, спирали) и т.д. Наибольшее распространение получили три формы П. с. э.: короткая, предложенная Менделеевым и получившая всеобщее признание, длинная, лестничная. Длинную форму также разрабатывал Менделеев, а в усовершенствованном виде она была предложена в 1905 А. Вернером. Лестничная форма предложена английским учёным Т. Бейли , датским учёным Ю. Томсеном (1895) и усовершенствована Н. Бором (1921). Каждая из трёх форм имеет достоинства и недостатки. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех химических элементов на группы и периоды.

Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами. Элементы а- и б-подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между  собой определённое химическое сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, соответствуют  номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом; каждый период содержит строго определённое число элементов. П. с. э. состоит из 8 групп и 7 периодов.

Первого период содержит всего 2 элемента: H и He. Место H в системе неоднозначно: поскольку он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами, его помещают либо в Ia-, либо (предпочтительнее) в VIIa-подгруппу. Гелий — первый представитель VIIa-подгруппы (однако долгое время Не и все инертные газы объединяли в самостоятельную нулевую группу).