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.
Введение
Периодический закон Д. И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Элементы стали рассматриваться во взаимосвязи, в зависимости от того, какое место они занимают в периодической системе. Как указывал 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 предсказывать и описывать новые элементы и их соединения… Блестящий пример тому - предсказание Д. И. Менделеевым существования еще не открытых в его время элементов, из которых для трех - Ga, Sc и Ge - он дал точное описание их свойств.
Периодическая система и ее значение для понимания научной картины мира
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, естественная классификация химических элементов, являющаяся табличным (или др. графическим) выражением периодического закона Менделеева . П. с. э. разработана Д. И. Менделеевым в 1869-1871.
История П. с. э. Попытки систематизации химических элементов предпринимались различными учёными в Германии, Франции, Англии, США с 30-х годов 19 в. Предшественники Менделеева - И. Дёберейнер , Ж. Дюма , французский химик А. Шанкуртуа, англ. химики У. Одлинг, Дж. Ньюлендс и др. установили существование групп элементов, сходных по химическим свойствам, так называемых «естественных групп» (например, «триады» Дёберейнера). Однако эти учёные не шли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В 1864 Л. Мейер на основании данных об атомных весах предложил таблицу, показывающую соотношение атомных весов для нескольких характерных групп элементов. Теоретических сообщений из своей таблицы Мейер не сделал.
Прообразом научной П. с. э. явилась таблица «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», составленная Менделеевым 1 марта 1869. На протяжении последующих двух лет автор совершенствовал эту таблицу, ввёл представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить ёмкость малых и больших периодов, содержащих, по его мнению, соответственно по 7 и 17 элементов. В 1870 он назвал свою систему естественной, а в 1871 - периодической. Уже тогда структура П. с. э. приобрела во многом современные очертания.
Чрезвычайно важным для эволюции П. с. э. оказалось введённое Менделеевым представление о месте элемента в системе; положение элемента определяется номерами периода и группы. Опираясь на это представление, Менделеев пришёл к выводу о необходимости изменения принятых тогда атомных весов некоторых элементов (U, In, Ce и его аналогов), в чём состояло первое практическое применение П. с. э., а также впервые предсказал существование и основные свойства нескольких неизвестных элементов, которым соответствовали незаполненные клетки П. с. э. Классическим примером является предсказание «экаалюминия» (будущего Ga, открытого П. Лекоком де Буабодраном в 1875), «экабора» (Sc, открытого шведским учёным Л. Нильсоном в 1879) и «экасилиция» (Ge, открытого немецким учёным К. Винклером в 1886). Кроме того, Менделеев предсказал существование аналогов марганца (будущие Тс и Re), теллура (Po), иода (At), цезия (Fr), бария (Ra), тантала (Pa).
П. с. э. не сразу завоевала признание как фундаментальное научное обобщение; положение существенно изменилось лишь после открытия Ga, Sc, Ge и установления двухвалентности Be (он долгое время считался трёхвалентным). Тем не менее П. с. э. во многом представляла эмпирическое обобщение фактов, поскольку был неясен физический смысл периодического закона и отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных весов. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории П. с. э. многие факты не удавалось объяснить. Так, неожиданным явилось открытие в конце 19 в. инертных газов, которые, казалось, не находили места в П. с. э.; эта трудность была устранена благодаря включению в П. с. э. самостоятельной нулевой группы (впоследствии VIIIa -подгруппы). Открытие многих «радиоэлементов» в начале 20 в. привело к противоречию между необходимостью их размещения в П. с. э. и её структурой (для более чем 30 таких элементов было 7 «вакантных» мест в шестом и седьмом периодах). Это противоречие было преодолено в результате открытия изотопов . Наконец, величина атомного веса (атомной массы) как параметра, определяющего свойства элементов, постепенно утрачивала своё значение.
Одна из главных причин невозможности объяснения физического смысла периодического закона и П. с. э. состояла в отсутствии теории строения атома. Поэтому важнейшей вехой на пути развития П. с. э. явилась планетарная модель атома, предложенная Э. Резерфордом (1911). На её основе голландский учёный А. ван ден Брук высказал предположение (1913), что порядковый номер элемента в П. с. э. (атомный номер Z) численно равен заряду ядра атома (в единицах элементарного заряда). Это было экспериментально подтверждено Г. Мозли (1913-14, см. Мозли закон ). Так удалось установить, что периодичность изменения свойств элементов зависит от атомного номера, а не от атомного веса. В результате на научной основе была определена нижняя граница П. с. э. (водород как элемент с минимальным Z = 1); точно оценено число элементов между водородом и ураном; установлено, что «пробелы» в П. с. э. соответствуют неизвестным элементам с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87.
Оставался, однако, неясным вопрос о точном числе редкоземельных элементов, и (что особенно важно) не были вскрыты причины периодического изменения свойств элементов в зависимости от Z. Эти причины были найдены в ходе дальнейшей разработки теории П. с. э. на основе квантовых представлений о строении атома (см. далее). Физическое обоснование периодического закона и открытие явления изотонии позволили научно определить понятие «атомная масса» («атомный вес»). Прилагаемая периодическая система содержит современные значения атомных масс элементов по углеродной шкале в соответствии с Международной таблицей 1973. В квадратных скобках приведены массовые числа наиболее долгоживущих изотопов радиоактивных элементов. Вместо массовых чисел наиболее устойчивых изотопов 99 Tc, 226 Ra, 231 Pa и 237 Np указаны атомные массы этих изотопов, принятые (1969) Международной комиссией по атомным весам.
Структура П. с. э. 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 (1882), 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 (особый случай - первый период); каждый период содержит строго определённое число элементов. П. с. э. состоит из 8 групп и 7 периодов (седьмой пока не завершен).
Специфика первого периода в том, что он 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).
Второй период (Li - Ne) содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом Li, единственная степень окисления которого равна I. Затем идёт Be - металл, степень окисления II. Металлический характер следующего элемента В выражен слабо (степень окисления III). Идущий за ним C - типичный неметалл, может быть как положительно, так и отрицательно четырёхвалентным. Последующие N, O, F и Ne - неметаллы, причём только у N высшая степень окисления V соответствует номеру группы; кислород лишь в редких случаях проявляет положительную валентность, а для F известна степень окисления VI. Завершает период инертный газ Ne.
Третий период (Na - Ar) также содержит 8 элементов, характер изменения свойств которых во многом аналогичен наблюдающемуся во втором периоде. Однако Mg, в отличие от Be, более металличен, равно как и Al по сравнению с В, хотя Al присуща амфотерность. Si, Р, S, Cl, Ar - типичные неметаллы, но все они (кроме Ar) проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы. Таким образом, в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается ослабление металлического и усиление неметаллического характера элементов. Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (малых, по его терминологии) типическими. Существенно, что они принадлежат к числу наиболее распространённых в природе, а С, N и O являются наряду с H основными элементами органической материи (органогенами). Все элементы первых трёх периодов входят в подгруппы а .
По современной терминологии (см. далее), элементы этих периодов относятся к s -элементам (щелочные и щёлочноземельные металлы), составляющим Ia - и IIa -подгруппы (выделены на цветной таблице красным цветом), и р -элементам (В - Ne, At - Ar), входящим в IIIa - VIIIa -подгруппы (их символы выделены оранжевым цветом). Для элементов малых периодов с возрастанием порядковых номеров сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов , а затем, когда число электронов в наружной оболочке атома уже значительно возрастает, их взаимное отталкивание приводит к увеличению атомных радиусов. Очередной максимум достигается в начале следующего периода на щелочном элементе. Примерно такая же закономерность характерна для ионных радиусов.
Четвёртый период (K - Kr) содержит 18 элементов (первый большой период, по Менделееву). После щелочного металла K и щёлочноземельного Ca (s-элементы) следует ряд из десяти так называемых переходных элементов (Sc - Zn), или d- элементов (символы даны синим цветом), которые входят в подгруппы б соответствующих групп П. с. э. Большинство переходных элементов (все они металлы) проявляет высшие степени окисления, равные номеру группы. Исключение - триада Fe - Co - Ni, где два последних элемента максимально положительно трёхвалентны, а железо в определённых условиях известно в степени окисления VI. Элементы, начиная с Ga и кончая Kr (р -элементы), принадлежат к подгруппам а , и характер изменения их свойств такой же, как и в соответствующих интервалах Z у элементов второго и третьего периодов. Установлено, что Kr способен образовывать химические соединения (главным образом с F), но степень окисления VIII для него неизвестна.
Пятый период (Rb - Xe) построен аналогично четвёртому; в нём также имеется вставка из 10 переходных элементов (Y - Cd), d -элементов. Специфические особенности периода: 1) в триаде Ru - Rh - Pd только рутений проявляет степень окисления VIII; 2) все элементы подгрупп а проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы, включая и Xe; 3) у I отмечаются слабые металлические свойства. Таким образом, характер изменения свойств по мере увеличения Z у элементов четвёртого и пятого периодов более сложен, поскольку металлические свойства сохраняются в большом интервале порядковых номеров.
Шестой период (Cs - Rn) включает 32 элемента. В нём помимо 10 d -элементов (La, Hf - Hg) содержится совокупность из 14 f -элементов, лантаноидов , от Ce до Lu (символы чёрного цвета). Элементы от La до Lu химически весьма сходны. В короткой форме П. с. э. лантаноиды включаются в клетку La (поскольку их преобладающая степень окисления III) и записываются отдельной строкой внизу таблицы. Этот приём несколько неудобен, поскольку 14 элементов оказываются как бы вне таблицы. Подобного недостатка лишены длинная и лестничная формы П. с. э., хорошо отражающие специфику лантаноидов на фоне целостной структуры П. с. э. Особенности периода: 1) в триаде Os - Ir - Pt только осмий проявляет степень окисления VIII; 2) At имеет более выраженный (по сравнению с 1) металлический характер; 3) Rn, по-видимому (его химия мало изучена), должен быть наиболее реакционноспособным из инертных газов.
Седьмой период, начинающийся с Fr (Z = 87), также должен содержать 32 элемента, из которых пока известно 20 (до элемента с Z = 106). Fr и Ra - элементы соответственно Ia - и IIa -подгрупп (s-элементы), Ac - аналог элементов IIIб -подгруппы (d -элемент). Следующие 14 элементов, f -элементы (с Z от 90 до 103), составляют семейство актиноидов . В короткой форме П. с. э. они занимают клетку Ac и записываются отдельной строкой внизу таблицы, подобно лантаноидам, в отличие от которых характеризуются значительным разнообразием степеней окисления. В связи с этим в химическом отношении ряды лантаноидов и актиноидов обнаруживают заметные различия. Изучение химической природы элементов с Z = 104 и Z = 105 показало, что эти элементы являются аналогами гафния и тантала соответственно, то есть d -элементами, и должны размещаться в IVб - и Vб -подгруппах. Членами б -подгрупп должны быть и последующие элементы до Z = 112, а далее (Z = 113-118) появятся р -элементы (IIIa - VIlla -подгруппы).
Теория П. с. э. В основе теории П. с. э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоев, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах по мере роста Z. Это представление было развито Бором в 1913-21 с учётом характера изменения свойств химических элементов в П. с. э. и результатов изучения их атомных спектров. Бор выявил три существенные особенности формирования электронных конфигураций атомов: 1) заполнение электронных оболочек (кроме оболочек, отвечающих значениям главного квантового числа n = 1 и 2) происходит не монотонно до полной их ёмкости, а прерывается появлением совокупностей электронов, относящихся к оболочкам с большими значениями n ; 2) сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются; 3) границы периодов П. с. э. (за исключением первого и второго) не совпадают с границами последовательных электронных оболочек.
Значение П. с. э. П. с. э. сыграла и продолжает играть огромную роль в развитии естествознания. Она явилась важнейшим достижением атомно-молекулярного учения, позволила дать современное определение понятия «химический элемент» и уточнить понятия о простых веществах и соединениях. Закономерности, вскрытые П. с. э., оказали существенное влияние на разработку теории строения атомов, способствовали объяснению явления изотонии. С П. с. э. связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в химии, что проявилось как в предсказании существования неизвестных элементов и их свойств, так и в предсказании новых особенностей химического поведения уже открытых элементов. П. с. э.- фундамент химии, в первую очередь неорганической; она существенно помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специфических катализаторов для различных химических процессов и т.д. П. с. э.- также научная основа преподавания химии.
Вывод
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.
Прогнозирующая роль периодической системы, показанная ещё самим Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.
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.
Периодический закон и периодическая система химических элементов в свете теории строения атома
1 марта 1869г. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева.
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
Ещё в конце 19 века Д.И. Менделеев писал, что, по-видимому, атом состоит из других более мелких частиц, и периодический закон это подтверждает.
Современная формулировка периодического закона.
Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов, выражающейся в периодической повторяемости структуры внешней валентной электронной оболочки.
Периодический закон в свете теории строения атомов
Понятие | физ. смысл | характеристика понятия |
Заряд ядра | Равен порядковому номеру элемента | Основная характеристика элемента, определяет химические свойства, так как с ростом заряда ядра увеличивается количество электронов в атоме, в том числе и на внешнем уровне. Следовательно, изменяются свойства |
Периодичность | С увеличением заряда ядра наблюдается периодическая повторяемость строения внешнего уровня, следовательно, периодически изменяются свойства. (Внешние электроны – валентные) |
Периодическая система в свете теории строения атома
Понятие | Физ. смысл | Характеристика понятия |
Порядковый номер | Равен числу протоновв ядре. Равен числу электронов в атоме. | |
Период | Номер периода равен числу электронных оболочек | Горизонтальный ряд элементов. 1,2,3 – малые; 4,5,6 – большие; 7 – незавершенный. В 1 периоде всего два элемента и больше быть не может. Это определяется формулой N = 2n 2 Каждый период начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Первые два элемента любого периода s - элементы, последние шесть р – элементы, между ними d - и f – элементы. В периоде слева направо: 1. 2. заряд ядра – увеличивается 3. количество энерг. уровней – постоянно 4. кол-во электронов на внеш.уровне - увеличивается 5. радиус атомов – уменьшается 6. электроотрицательность – увеличивается Следовательно, внешние электроны удерживаются сильнее, и металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются В малых периодах этот переход происходит через 8 элементов, в больших – через 18 или 32. В малых периодах валентность увеличивается от 1 до 7 один раз, в больших – два раза. В том месте, где происходит скачок в изменении высшей валентности, период делится на два рядя. От периода к периоду происходит резкий скачок в изменении свойств элементов, так как появляется новый энергетический уровень. |
Группа | Номер группы равен числу электронов на внешнем уровне (для элементов главных подгрупп) | Вертикальный ряд элементов. Каждая группа делится на две подгруппы: главную и побочную. Главную подгруппу составляют s – ир – элементы, побочную -d - и f – элементы. Подгруппы объединяют наиболее сходные между собой элементы. В группе, в главной подгруппе сверху вниз: 1. относит. атомная масса – увеличивается 2. число электронов на внеш. уровне – постоянно 3. заряд ядра – увеличивается 4. кол – во энерг. уровней – увеличивается 5. радиус атомов - увеличивается 6. электроотрицательность – уменьшается. Следовательно, внешние электроны удерживаются слабее, и металлические свойства элементов усиливаются, неметаллические- ослабевают. Элементы некоторых подгрупп имеют названия: 1а группа – щелочные металлы 2а – щелочноземельные металлы 6а – халькогены 7а – галогены 8а – инертные газы (имеют завершённый внешний уровень) |
Выводы:
1. Чем меньше электронов на внешнем уровне и больше радиус атома, тем меньше электроотрицательность и легче отдавать внешние электроны, следовательно, тем сильнее выражены металлические свойства
Чем больше электронов на внешнем уровне и меньше радиус атома, тем больше электроотрицательность и тем легче принимать электроны, следовательно, тем сильнее неметаллические свойства.
2. Для металлов характерна отдача электронов, для неметаллов – прием.
Особое положение водорода в периодической системе
Водород в периодической системе занимает две клетки (в одной из них заключен в скобки) – в 1 группе и в 7 – ой.
В первой группе водород стоит потому, что у него, как и у элементов первой группы, на внешнем уровне один электрон.
В седьмой группе водород стоит потому, что у него, как и у элементов седьмой группы, до завершения энергетического
ЗНАЧЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА
Научное значение периодического закона. Жизнь и деятельность Д.И.Менделеева
Открытие периодического закона и создание Периодической системы химических элементов - величайшее достижение науки 19 века. Экспериментальное подтверждение измененных Д. И. Менделеевым относительных атомных масс, открытие элементов с предусмотренными им свойствами, расположение открытых инертных газов в периодической системе привели к всеобщему признанию периодического закона.
Открытие периодического закона обусловило дальнейшее бурное развитие химии: за следующие тридцать лет было открыто 20 новых химических элементов. Периодический закон способствовал дальнейшему развитию работ по изучению строения атома, в результате которых была установлена взаимосвязь строения атома с периодической сменой их свойств. Опираясь на периодический закон, ученые смогли добывать вещества с заданными свойствами, синтезировать новые химические элементы. Периодический закон позволил ученым построить гипотезы об эволюции химических элементов во Вселенной.
Периодический закон Д. И. Менделеева имеет общенаучное значение и является фундаментальным законом природы.
Дмитрий Иванович Менделеев родился в 1834 г. в г. Тобольске. После окончания Тобольской гимназии он учился в Петербургском педагогическом институте, который окончил с золотой медалью. Будучи студентом Д. И. Менделеев начал заниматься научными исследованиями. После учебы два года провел за границей в лаборатории известного химика Роберта Бунзена. В 1863 году был избран профессором сначала Петербургского технологического института, а впоследствии и Петербургского университета.
Менделеев проводил исследования в области химической природы растворов, состояния газов, теплоты сгорания топлива. Он интересовался различными проблемами сельского хозяйства, горнорудной делом, вопросами металлургии, работал над проблемой подземной газификации топлива, изучал нефтяное дело. Самым весомым результатом творческой деятельности, принесла Д. И. Менделееву всемирную славу, было открытие в 1869 году Периодического закона и Периодической системы химических элементов. Он написал около 500 статей по химии, физики, техники, экономики, геодезии. Организовал и был директором первой российской палаты мер и весов, заключил начало современной метрологии. Изобрел общее уравнение состояния идеального газа, обобщил уравнение Клапейрона (уравнение Клапейрона-Менделеева).
Менделеев прожил 73 года. За свои достижения был избран членом 90 иностранных академий наук и почетным доктором многих университетов. В его честь назван 101-й химический элемент (Менделевий).
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.
В время, когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Так, например, был неизвестен элемент , находящийся в четвертом ряду. По атомному весу вслед за кальцием шел , но нельзя было поставить сразу после кальция, так как он попал бы в третью группу, тогда как четырехвалентен, образует высший окисел ТiO 2 , да и по всем другим свойствам должен быть отнесен к четвертой группе. Поэтому Менделеев пропустил одну клетку, т. е. оставил свободное место между кальцием и титаном. На том же основании в пятом ряду между цинком и мышьяком были оставлены две свободные клетки, занятые теперь элементами таллием и германием. Свободные места остались и в других рядах. Менделеев был не только убежден, что должны существовать неизвестные еще элементы, которые заполнят эти места, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их положении среди других элементов периодической системы.
Одному из них, которому в будущем предстояло занять место между кальцием и титаном, он дал название эка-бор (так как свойства его должны были напоминать бор); два других, для которых в таблице остались свободные места в пятом ряду между цинком и мышьяком, были названы эка-алюминием и эка-силицием.
Предсказывая свойства этих неизвестных элементов, Менделеев писал: «Решаюсь сделать это ради того, чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых тел, иметь возможность окончательно увериться самому и> уверить других химиков в справедливости тех предположений, которые лежат в основании предлагаемой мною системы».
В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились: все три ожидаемых элемента действительно были открыты. Сперва французский химик Лекок де-Буабодран открыл новый элемент , обладающий всеми свойствами эка-алюминия; вслед за тем в Швеции Нильсоном был открыт , имевший свойства эка-бора, и, наконец, спустя еще несколько лет в Германии Винклер открыл элемент, названный им германием, который оказался тождественным с эка-силицием.
Чтобы судить об удивительной точности предсказаний Менделеева, сопоставим свойства предсказанного им в 1871 г. эка-силиция со свойствами открытого в 1886 г. германия:
|
Свойства эка-силиция Эка-силиций Es - плавкий металл, способный в сильном жару улетучиваться Атомный вес Es близок к 72 Удельный вес Es около 5,5 EsО 2 должен легко восстанавливаться Удельный вес EsO 2 будет близок к 4,7 ЕвСl 4 - жидкость, кипящая около 90°, удельный вес ее близок к 1,9 |
Свойства германия Атомный вес Ge 72,6 Удельный вес Ge 5,35 при 20° GeО 2 легко восстанавливается углем или водородом до металла Удельный вес GeO 2 4,703 при 18° GeCl 4 - жидкость, кипящая при 83°, удельный вес ее 1,88 при 18° |
|||
Открытие галлия, скандия и германия было величайшим триумфом периодического закона. Весь мир заговорил о сбывшихся теоретических предсказаниях русского химика и о его периодическом законе, получившем после этого всеобщее признание.
Сам Менделеев с глубоким удовлетворением встретил эти открытия. «Писавши в 1871 г. статью о приложении периодического закона к определению свойств еще не открытых элементов, - говорил он, - я не думал, что доживу до оправдания этого следствия периодического закона, но действительность ответила иначе. Описаны были мною три элемента: экабор, экаалюминий и экасилиций, и не прошло 20 лет, как я имел уже величайшую радость видеть все три открытыми…» .
Большое значение имела периодическая система также в решении вопроса о валентности и величинах атомных весов некоторых элементов. Так, например, элемент долгое время считался аналогом алюминия и его окислу приписывали формулу Ве 2 O 3 . Путем анализа было найдено, что в окиси бериллия на 16 весовых частей кислорода приходится 9 вес. ч. бериллия. Но так как летучие соединения бериллия не были известны, определить точно атомный вес этого элемента не представлялось возможным. Исходя из процентного состава и предполагаемой формулы окиси бериллия, его атомный вес считали равным 13,5. Периодическая система показала, что для бериллия в таблице есть только одно место, а именно над магнием, так что окись его должна иметь формулу ВеО, откуда атомный вес бериллия получается равным девяти. Этот вывод вскоре был подтвержден определениями плотности паров хлористого бериллия, что дало возможность вычислить атомный вес бериллия.
Точно так же периодическая система дала толчок к исправлению атомных весов некоторых редких элементов. Например, цезию приписывали раньше атомный вес 123,4. Менделеев же, располагая элементы в таблицу, нашел, что по своим свойствам цезий должен стоять в левом столбце первой группы под рубидием и потому будет иметь атомный вес около 130. Новейшие определения показывают,что атомный вес цезия равен 132,91.
Первоначально был встречен очень холодно и недоверчиво. Когда Менделеев, опираясь на свое открытие, поставил под сомнение ряд опытных данных относительно атомных весов и решился предсказать существование и свойства еще не открытых элементов, многие химики отнеслись к его смелым высказываниям с нескрываемым пренебрежением. Так, например, Л. Мейер писал в 1870 г. о периодическом законе: «Было бы поспешно предпринимать на таких шатких основаниях изменение доныне принятых атомных весов».
Однако после того как предсказания Менделеева подтвердились и получил всеобщее признание, в ряде стран были предприняты попытки оспорить первенство Менделеева и приписать открытие периодического закона другим ученым.
Протестуя против таких попыток, Менделеев писал: «Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и не ожидаемых, и оправдания тех следствий в опытной проверке. Поэтому-то, увидев , я с своей стороны (1869-1871) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать - верен он или нет. Без такого способа испытания не может утвердиться ни один закон природы. Ни Шанкуртуа, которому французы приписывают право на открытие периодического закона, ни Ньюлэндс, которого выставляют англичане, ни Л. Мейер, которого цитировали иные как основателя периодического закона, не рисковали предугадывать свойства неоткрытых элементов, изменять «принятые веса атомов» и вообще считать периодический закон новым, строго постановленным законом природы, могущим охватывать еще доселе необобщенные факты, как это сделано мною с самого начала (1869)».
Открытие периодического закона и создание системы химических элементов имело огромное значение не только для химии и других естественных наук, но и для философии, для всего нашего миропонимания. Вскрывая зависимость между свойствами химических элементов и количеством в их атомах, периодический закон явился блестящим подтверждением всеобщего закона развития природы, закона перехода количества в качество.
До Менделеева химики группировали элементы по их химическому сходству, стремясь сблизить между собой только сходные элементы. Совершенно иначе подошел к рассмотрению элементов Менделеев. Он встал на путь сближения несходных элементов, расположив рядом химически различные элементы, имевшие близкие значения атомных весов. Именно это сопоставление позволило вскрыть глубокую органическую связь между всеми элементами и привело к открытию периодического закона.
