Открытие Периодического закона Д.И. Менделеевым

(U), титан (Ti), иттрий (Y), хром (Сг) и бериллий (Be).

В те же годы итальянский физик Александр Вольта создал первый электрический элемент.

В начале XIX века английский химик Гемфри Дэви, используя очень большую электрическую батарею, провел опыты с веществом, которое теперь известно как гидроокись калия. Это соединение было хорошо известно, но никто не знал, из чего оно состоит. Дэви открыл, что, расплавив это соединение и пропустив через него электрический ток, можно получить новый химический элемент.

В настоящее время, чтобы повторить этот опыт, мы просто должны расплавить гидроокись калия в металлическом тигле, подсоединив его к одному из полюсов источника тока. Если затем платиновую проволоку, соединенную с другим полюсом, опустить в расплавленное вещество, то вокруг конца проволоки образуется небольшое количество металлического калия.

Через несколько дней после открытия калия Дэви провел тот же эксперимент, используя вместо гидроокиси калия гидроокись натрия, и выделил натрий. Так Дэви стал первооткрывателем обоих этих металлических элементов - калия и натрия.

Последовательно были открыты:

ванадий (V), два химических «родственника»-ниобий (Nb) и тантал (Та), церий (Се), палладий (Pd), родий (Rh), иридий (Ir), осмий (Os) и открытые в 1807 г.
калий (К) и натрий (Na); бор (В), четыре «родственника» - магний (Mg), кальций (Са), стронций (Sr) и барий (Ва) - все в 1808 г.;
йод (J), литий (Li), кадмий (Cd), селен (Se), кремний (Si), бром (Вг), алюминий (А1);
Редкоземельные элементы - торий (Th), лантан (La), эрбий (Ег) и тербий (ТЬ), а также элемент рутений (Ru);
цезий (Cs), таллий (Т1), рубидий (Rb), индий (In) и редкий газ гелий (Не), который впервые был обнаружен на .

Хотя в то время не существовало никакой более или менее правильной «таблицы элементов», мы хотели бы показать, как выглядела бы в 1869 г. современная периодическая таблица.

H He
Li Be В C N 0
No Mg Al Si P S Cl
К Ca Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Br
Rb Sr Y Zr Nb Mo Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Те J
Cs Ba 1 Ta W Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi

До 1817 года, когда было известно уже около пятидесяти элементов, никто не пытался классифицировать или сгруппировать их в каком-либо порядке. Фактически было ясно лишь одно - что химические элементы представляют собой нечто совершенно отличное от химических соединений.

Явно ощущалась необходимость создания какой-либо классификации известных элементов, и ученые вскоре начали предпринимать попытки разобраться в создавшейся ситуации. Многие из них бились над идеей, что различия элементов, возможно, находятся в какой-то связи с их атомными весами.

Первым, кому удалось установить многообещающую связь между несколькими элементами, был немецкий химик Иоганн Вольфганг Деберейнер. В 1829 г. он выдвинул свою идею, триад.

Он нашел, что если поместить элементы с одинаковыми свойствами, например литий, натрий и калий, один над другим, то атомный вес среднего элемента будет равен полусумме атомных весов верхнего и нижнего элементов. Кроме того, химические свойства среднего элемента являются средними между свойствами двух, крайних. Другими примерами таких триад были кальций - стронций - барий и хлор - бром - иод.

В последующие двадцать пять лет химики расширили систему триад Деберейнера и обнаружили группы, состоящие из четырех или пяти взаимно связанных элементов. Это были важные шаги на пути построения системы элементов.

В 1862 г. французский химик Шанкуртуа разместил химические элементы по спирали соответственно их атомным весам. Эта спираль соединяла вместе элементы с близкими химическими свойствами, и каждая пара сходных друг с другом элементов отличалась по атомным весам на 16 единиц (т. е. на атомный вес кислорода). Шанкуртуа предполагал, что свойства элементов относятся между собой так, как целые числа.

Двумя годами позже английский ученый Ньюлендс тюпытался расположить первые семь элементов: , литий, бериллий, бор, углерод, азот и кислород подобно музыкальным нотам. Каждый из этих семи элементов возглавлял группу элементов с одинаковыми свойствами. Ньюлендс назвал это расположение элементов, разделенных на семь групп, «законом октав».

История создания периодической таблицы Менделеева

Настоящая победа пришла в 1869 г., когда немецкий химик Лотар Мейер и великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев открыли принцип построения периодической системы, впоследствии названный также периодическим законом Менделеева.

Прежде всего они расположили все известные элементы по порядку возрастания их атомных весов.

Водород не очень хорошо укладывался в их систему, и они начали с лития и бериллия. Было обнаружено, что если скомплектовать один ряд и разместить под ним второй, то элементы с одинаковыми химическими свойствами оказываются лежащими один под другим, причем это справедливо для всей таблицы.

Li Be В C N O F
Na Mg Al Si Р S Cl

После того как была составлена таблица, выяснилось, что несколько групп элементов никак не укладываются в эти семь категорий. Их удалось включить в таблицу лишь позднее.

Д. И. Менделеев заметил, что при попытке составить вертикальные столбцы из элементов, обладающих одинаковыми свойствами, остается несколько пустых мест. Показанная ниже частная форма периодической таблицы отличается от более поздней, расширенной таблицы.

Li Be В C N O F
Na Mg Al Si P S Cl
К Ca Ti V Cr Mn Fe Co Ni
Си Zn As Se Br
Rb Sr Y Zr Nb Mo

Важнейшим вкладом Менделеева явилось то, что он обнаружил пробелы в периодической таблице и заявил, что эти пустые места должны быть заполнены пока еще не открытыми элементами. Менделеев пошел еще дальше. Он взял на себя смелость предсказать, как будут выглядеть эти, тогда еще не открытые элементы, каковы будут их атомные веса и химические свойства.

Так как он считал, что три не обнаруженных пока элемента должны быть похожи на бор, алюминий и кремний, то он предположительно назвал их соответственно эка-бором, эка-алюминием и эка-кремнием. В частности, эка-кремний, как утверждал Менделеев, должен быть твердым веществом грязно-серого цвета с атомным весом 72 и плотностью 5,5; эка-кремний должен образовывать жидкий хлорид.

Перечисленные элементы никогда раньше никто не предсказывал. И если хотя бы один из этих трех элементов был бы открыт, это навсегда доказало бы значение и мощь системы химических элементов Менделеева.

В оставшиеся три десятилетия XIX столетия в основу расположения элементов клались их относительные веса. Как оказалось впоследствии, более правильно размещать элементы не по атомным весам, а в соответствии с их атомными номерами. Атомный номер элемента представляет собой число положительных электрических зарядов его атомного ядра. Как правило, элементы с большим зарядом имеют и больший атомный вес. Но это не всегда так: например, в случае кобальта и никеля имеет место как раз обратное.

Тот факт, что положительный заряд сосредоточен в плотном, чрезвычайно маленьком ядре, был открыт в 1911 г. английским физиком лордом Эрнестом Резерфордом.

В течение двух последующих лет датский физик Нильс Бор детально разработал теорию строения атома и описал орбиты различных групп электронов, вращающихся вокруг ядра.

В 1913 и 1914 гг. английский ученый Генри Мозели дал окончательное определение атомного номера как положительного заряда ядра. С этих новых позиций удалось пересмотреть всю периодическую систему и объяснить некоторые факты, казавшиеся ранее противоречивыми.

Подтверждение периодического закона Менделеева

А теперь мы можем теперь вернуться к знаменитому предсказанию Менделеева о том, что должны быть открыты три новых элемента, которым предстоит заполнить три пустых места в его периодической таблице.

Спустя несколько лет после этого предсказания, в 1875 г., французский химик Лекок де Буабодран работал с цинковыми рудами. Он был хорошо знаком с «пророчеством» Менделеева и знал, какого рода новый элемент следовало искать. С помощью спектроскопа де Буабодран обнаружил в образце цинковой обманки предсказанный Менделеевым эка-алюминий. В честь своей родины Франции он назвал этот элемент галлием (Галлия - старое романское название Франции).

В современной периодической таблице галлий непосредственно следует за цинком. Тот факт, что он был обнаружен в цинковой руде, говорит о том, что одинаковые химические свойства иногда обнаруживаются у двух соседних элементов одного горизонтального ряда; обычно же и более естественно такое сходство проявляется у элементов, принадлежащих одной и той же вертикальной колонке периодической таблицы.

Галлий - твердое вещество, однако он имеет плавления лишь немного выше комнатной температуры. Если вы подержите его в руке несколько минут, он начнет плавиться.

Эка-бор был открыт в 1879 г. шведским ученым Ларсом Нильсоном, который назвал его скандием - в честь Скандинавии.

Немецкий химик Клеменс Александр Винклер открыл в 1886 г. предсказанный Менделеевым эка-кремний и назвал его германием - в честь Германии.

Все три элемента поражали удивительным соответствием между предсказанными и фактическими свойствами. Это подтверждало гениальность Менделеева и укрепляло авторитет его периодической системы элементов. Менделеев получил огромное удовлетворение, увидев эти три элемента открытыми еще при его жизни.

А спустя полстолетия после его смерти в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета (США) был получен элемент с атомным номером 101 и назван Менделевием в честь великого русского химика.

Утверждение атомно-молекулярной теории на рубеже XIIX - XIX веков сопровождалось бурным ростом числа известных химических элементов. Только за первое десятилетие 19 века было открыто 14 новых элементов. Рекордсменом среди первооткрывателей оказался английский химик Гемфри Деви, который за один год с помощью электролиза получил 6 новых простых веществ (натрий, калий, магний, кальций, барий, стронций). А к 1830 году число известных элементов достигло 55.

Существование такого количества элементов, разнородных по своим свойствам, озадачивало химиков и требовало упорядочения и систематизации элементов. Многие учёные занимались поисками закономерностей в списке элементов и добивались определённого прогресса. Можно выделить три наиболее значительные работы, которые оспаривали приоритет открытия периодического закона у Д.И. Менделеева.

Менделеев сформулировал периодический закон в виде следующих основных положений:

1. Элементы, расположенные по величине атомного веса, представляют явственную периодичность свойств.
2. Должно ожидать открытия ещё многих неизвестных простых тел, например, сходных с Al и Si элементов с атомным весом 65 - 75.
3. Величина атомного веса элемента иногда может быть исправлена, зная его аналогии.

Некоторые аналогии открываются по величине веса их атома. Первое положение было известно ещё до Менделеева, но именно он придал ему характер всеобщего закона, предсказав на его основе существование ещё не открытых элементов, изменив атомные веса ряда элементов и расположив некоторые элементы в таблице вопреки их атомным весам, но в полном соответствии с их свойствами (главным образом, валентностью). Остальные положения открыты только Менделеевым и являются логическими следствиями из периодического закона. Правильность этих следствий подтверждалась многими опытами в течение последующих двух десятилетий и позволила говорить о периодическом законе как о строгом законе природы.

Используя эти положения, Менделеев составил свой вариант периодической системы элементов. Первый черновой набросок таблицы элементов появился 17 февраля (1 марта по новому стилю) 1869 года.

А 6 марта 1869 года официальное сообщение об открытии Менделеева сделал профессор Меншуткин на заседании Русского химического общества.

В уста учёного вложили такую исповедь: Вижу во сне таблицу, где все элементы расставлены, как нужно. Проснулся, тотчас записал на клочке бумаги - только в одном месте впоследствии оказалась нужной поправка». Как всё просто в легендах! На разработку и поправку ушло более 30 лет жизни учёного.

Процесс открытия периодического закона поучителен и сам Менделеев рассказывал об этом так: «Невольно зародилась мысль о том, что между массой и химическими свойствами необходимо должна быть связь.

А так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде весов атомов, то надо искать функциональное соответствие между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами. Искать же что - либо, хотя бы грибы или какую-нибудь зависимость, нельзя иначе, как смотря и пробуя.

Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса, что быстро и привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса, причём, сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить не возможно».

В самой первой таблицы Менделеева все элементы до кальция включительно - такие же, как и в современной таблице, за исключением благородных газов. Это можно увидеть по фрагменту страницы из статьи Д.И. Менделеева, содержащей периодическую систему элементов.

Если исходить из принципа увеличения атомных весов, то следующими элементами после кальция должны были быть ванадий, хром и титан. Но Менделеев поставил после кальция знак вопроса, а следом поместил титан, изменив его атомный вес с 52 до 50.

Неизвестному элементу, обозначенному знаком вопроса, был приписан атомный вес А = 45, являющийся средним арифметическим между атомными весами кальция и титана. Затем, между цинком и мышьяком Менделеев оставил место сразу для двух ещё не открытых элементов. Кроме того, он поместил теллур перед йодом, хотя последний имеет меньший атомный вес. При таком расположении элементов все горизонтальные ряды в таблице содержали только сходные элементы, и отчётливо проявлялась периодичность изменения свойств элементов. Последующие два года Менделеев значительно усовершенствовал систему элементов. В 1871 году вышло первое издание учебника Дмитрия Ивановича «Основы химии», в котором приведена периодическая система в почти современном виде.

В таблице образовалось 8 групп элементов, номера групп указывают на высшую валентность элементов тех рядов, которые включены в эти группы, и периоды становятся более близкими к современным, разбитые на 12 рядов. Теперь каждый период начинается активным щелочным металлом и заканчивается типичным неметаллом галогеном.Второй вариант системы дал возможность Менделееву предсказать существование не 4, а 12 элементов и, бросая вызов учёному миру, с изумительной точностью описал свойства трёх неизвестных элементов, которые он назвал экабор (эка на санскрите означает «одно и то же»), экаалюминий и экасилиций. (Галлия - древнеримское название Франции). Учёному удалось выделить этот элемент в чистом виде и изучить его свойства. А Менделеев увидел, что свойства галлия совпадают со свойствами предсказанного им экаалюминия, и сообщил Лекок де Буабодрану, что тот неверно измерил плотность галлия, которая должна быть равна 5,9-6,0 г/см3 вместо 4,7 г/см3. И действительно, более аккуратные измерения привели к правильному значению 5,904 г/см3. Окончательного признания периодический закон Д.И. Менделеева добился после 1886 года, когда немецкий химик К. Винклер, анализируя серебряную руду, получил элемент, который он назвал германием. Это оказывается экасицилий.

Периодический закон и периодическая система элементов.

Периодический закон - один из важнейших законов химии. Менделеев считал, что главной характеристикой элемента является его атомная масса. Поэтому он расположил все элементы в один ряд в порядке увеличения их атомной массы.

Если рассмотреть ряд элементов от Li до F, то можно увидеть, что металлические свойства элементов ослабляются, а неметаллические свойства усиливаются. Аналогично изменяются и свойства элементов в ряду от Na до Cl. Следующий знак К, как Li и Na, является типичным металлом.

Высшая валентность элементов увеличивается от I y Li до V y N (кислород и фтор имеют постоянную валентность, соответственно II и I) и от I y Na до VII y Cl. Следующий элемент К, как Li и Na, имеет валентность I. В ряду оксидов от Li2O до N2O5 и гидроксидов от LiОН до HNO3 основные свойства ослабляются, а кислотные свойства усиливаются. Аналогично изменяются свойства оксидов в ряду от Na2O и NaOH до Cl2O7 и HClO4. Оксид калия К2О, как и оксиды лития и натрия Li2O и Na2O, является основным оксидом, а гидроксид калия КОН, как и гидроксиды лития и натрия LiOH и NaOH, является типичным основанием.

Аналогично изменяются формы и свойства неметаллов от CH4 до HF и от SiH4 до HCl.

Такой характер свойств элементов и их соединений, какой наблюдается при увеличении атомной массы элементов, называется периодическим изменением. Свойства всех химических элементов при увеличении атомной массы изменяются периодически.

Это периодическое изменение называется периодической зависимостью свойств элементов и их соединений от величины атомной массы.

Поэтому Д.И. Менделеев сформулировал открытый им закон так:

· Свойства элементов, а так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомной массы элементов.

Менделеев расположил периоды элементов друг под другом и в результате составил периодическую систему элементов.

Он говорил, что таблица элементов - плод не только его собственного труда, но и усилий многих химиков, среди которых он особо отмечал «укрепителей периодического закона», открывших предсказанные им элементы.

Для создания современной таблицы потребовалась напряженная многолетняя работа тысяч и тысяч химиков и физиков. Если бы Менделеев был сейчас жив, он, глядя на современную таблицу элементов, вполне мог бы повторить слова английского химика Дж.У.Меллора, автора классической 16-томной энциклопедии по неорганической и теоретической химии. Закончив в 1937, после 15-летней работы, свой труд, он написал с признательностью на титульном листе: «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их работы остались»...

Периодическая система - это классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона. На октябрь 2009 года известно 117 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые -- лишь в следовых количествах). Остальные23 получены искусственно в результате ядерных реакций - это процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, обычно приводящий к выделению колоссального количества энергии. Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные -- временные.

Открытие 112-го элемента (самый тяжелый из официальных) признано Международным союзом теоретической и прикладной химии.

Самый стабильный из известных изотопов данного элемента имеет период полураспада 34 секунды. На начало июня 2009 года носит неофициальное имя унунбий, был впервые синтезирован в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Институте тяжелых ионов в Дармштадте. Первооткрыватели имеют полгода, чтобы предложить новое официальное название для добавления в таблицу (ими уже предлагались Виксхаузий, Гельмгольций, Венусий, Фриший, Штрассманий и Гейзенбергий). В настоящее время известны трансурановые элементы с номерами 113-116 и 118, полученные в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, однако они официально пока не признаны. Распространённее других являются 3 формы таблицы Менделеева: «короткая» (короткопериодная), «длинная» (длиннопериодная) и «сверхдлинная». В «сверхдлинном» варианте каждый период занимает ровно одну строчку. В «длинном» варианте лантаноиды (семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58--71, расположенных в VI периоде системы) и актиноиды (семейство радиоактивных химических элементов, состоящее из актиния и 14 подобных ему по своим химическим свойствам) вынесены из общей таблицы, делая её более компактной. В «короткой» форме записи, в дополнение к этому, четвёртый и последующие периоды занимают по 2 строчки; символы элементов главных и побочных подгрупп выравниваются относительно разных краёв клеток. Короткая форма таблицы, содержащая восемь групп элементов, была официально отменена ИЮПАК в 1989 году. Несмотря на рекомендацию использовать длинную форму, короткая форма продолжила приводиться в большом числе российских справочников и пособий и после этого времени. Из современной иностранной литературы короткая форма исключена полностью, вместо неё используется длинная форма. Такую ситуацию некоторые исследователи связывают, в том числе с кажущейся рациональной компактностью короткой формы таблицы, а также со стереотипностью мышления и невосприятием современной (международной) информации.

В 1969 году Теодор Сиборг предложил расширенную периодическую таблицу элементов. Нильсом Бором разрабатывалась лестничная (пирамидальная) форма периодической системы.

Существует и множество других, редко или вовсе не используемых, но весьма оригинальных, способов графического отображения Периодического закона. Сегодня существуют несколько сот вариантов таблицы, при этом учёные предлагают всё новые варианты.

Периодический закон и его обоснование.

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 Менделеев заподозрил ошибку в исследованиях свойств бериллия, 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.

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. Он все предсказания делал на основе им же самим открытого всеобщего закона природы.

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. 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 удаленной 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.

Мозли 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).

Долгое время шел спор: выделять инертные газы в самостоятельную нулевую группу элементов или считать их главной подгруппой VIII группы.

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 инертны.

В книге видного советского историка химии Н.Ф.Фигуровского "Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии" (М., Наука, 1979). приведены основные периоды открытия 63 химических элементов с древнейших времен до 1869 г. - года установления Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) Периодического закона:

1. Древнейший период (от V тысячелетия до н.э. и до 1200 г. н.э.).

К этому длительному периоду относится знакомство человека с 7 металлами древности - золотом, серебром, медью, свинцом, оловом, железом и ртутью. Кроме этих элементарных веществ в древности были известны сера и углерод, встречающиеся в природе в свободном состоянии.

2. Алхимический период.

В этот период (от 1200 до 1600 г.) было установлено существование нескольких элементов, выделенных либо в процессе алхимических поисков путей трансмутации металлов, либо в процессах производства металлов и переработки различных руд ремесленниками-металлургами. Сюда относятся мышьяк, сурьма, висмут, цинк, фосфор.

3. Период возникновения и развития технической химии (конец XVII в.-1751 г.).

В это время в результате практического изучения особенностей различных металлических руд и преодоления трудностей, возникавщих при выделении металлов, а также открытий в процессе минералогических экспедиций было установлено существование платины, кобальта, никеля.

4. Первый этап химико-аналитического периода в развитии химии (1760-1805 гг.). В этот период с помощью качественного и весового количественного анализов был открыт ряд элементов, причем часть из них лишь в виде "земель": магний, кальций (установление различия извести и магнезии), марганец, барий (барит), молибден, вольфрам, теллур, уран (окисел), цирконий (земля), стронций (земля), титан (окисел), хром, бериллий (окисел), иттрий (земля), тантал (земля), церий (земля), фтор (плавиковая кислота), палладий, родий, осмий и иридий.

5. Этап пневматической химии. В это время (1760-1780 гг.) были открыты газообразные элементы - водород, азот, кислород и хлор (последний считался сложным веществом - окисленной соляной кислотой до 1809 г.).

6. Этап получения элементов в свободном состоянии путем электролиза (Г.Дэви, 1807-1808 гг.) и химическим путем: калий, натрий, кальций, стронций, барий и магний. Все они, впрочем, и ранее были известны в виде "огнепостоянных" (едких) щелочей и щелочных земель, или мягких щелочей.

7. Второй этап химико-аналитического периода в развитии химии (1805-1850 гг.). В это время в результате усовершенствования методов количественного анализа и разработки систематического хода качественного анализа были открыты бор, литий, кадмий, селен, кремний, бром, алюминий, иод, торий, ванадий, лантан (земля), эрбий (земля), тербий (земля), рутений, ниобий.

8. Период открытия элементов с помощью спектрального анализа, непосредственно вслед за разработкой и введением этого метода в практику (1860-1863 гг.): цезий, рубидий, таллий и индий."

Как известно, первая в истории химии "Таблица простых тел" была составлена А.Лавуазье в 1787 г. Все простые вещества были разделены на четыре группы: "I. Простые вещества, представленные во всех трех царствах природы, которые можно рассматривать как элементы тел: 1) свет, 2) теплород, 3) кислород, 4) азот, 5) водород. II. Простые неметаллические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) фосфор, 3) уголь, 4) радикал муриевой кислоты, 5) радикал плавиковой кислоты, 6) радикал борной кислоты. III. Простые металлические вещества, окисляемые и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) серебро, 3) мышьяк, 4) висмут, 5) кобальт, 6) медь, 7) олово, 8) железо, 9) марганец, 10) ртуть, 11) молибден, 12) никель, 13) золото, 14) платина, 15) свинец, 16) вольфрам, 17) цинк. IV. Простые вещества, солеобразующие и землистые: 1) известь (известковая земля), 2) магнезия (основание сульфата магния), 3) барит (тяжелая земля), 4) глинозем (глина, квасцовая земля), 5) кремнезем (кремнистая земля)".

Эта таблица легла в основу химической номенклатуры, разработанной Лавуазье. Д.Дальтон ввел в науку важнейшую количественную характеристику атомов химических элементов - относительный вес атомов или атомный вес.

При отыскании закономерностей в свойствах атомов химических элементов ученые прежде всего обратили внимание на характер изменения атомных весов. В 1815-1816 гг. английский химик У.Праут (1785-1850) опубликовал в "Анналах философии" две анонимные статьи, в которых была высказана и обоснована идея, что атомные веса всех химических элементов являются целочисленными (т.е. кратными атомному весу водорода, который принимался тогда равным единице): "Если взгляды, которые мы решились высказать, правильны, то мы почти можем считать, что первоматерия древних воплощена в водороде...". Гипотеза Праута была очень заманчивой и вызвала постановку многих экспериментальных исследований с целью возможно более точного определения атомных весов химических элементов.

В 1829 г. немецкий химик И.Деберейнер (1780-1849) сопоставлял атомные веса у сходных химических элементов: Литий, Кальций, Хлор, Сера, Марганец, Натрий, Стронций,Бром, Селен, Хром,Калий, Барий, Иод,Теллур, Железо и нашел, что атомный вес среднего элемента равен полусумме атомных весов крайних элементов. Поиски новых триад привели Л.Гмелина (1788-1853) - автора всемирно известного справочного руководства по химии - к установлению многочисленных групп сходных элементов и к созданию их своеобразной классификации.

В 60-х гг. XIX века ученые перешли к сопоставлению между собой уже самих групп химически сходных элементов. Так, профессор Парижской горной школы А.Шанкуртуа (1820-1886) расположил все химические элементы на поверхности цилиндра в порядке возрастания их атомных весов так, чтобы получилась "винтовая линия". При таком расположении сходные элементы часто попадали на одну и ту же вертикальную линию. В 1865 г. английским химиком Д.Ньюлендсом (1838-1898) была опубликована таблица, которая включала в себя 62 химических элемента. Элементы были расположены и пронумерованы в порядке возрастания атомных весов.

Ньюлендс использовал нумерацию, чтобы подчеркнуть, что через каждые семь элементов свойства химических элементов повторяются. При обсуждении в Лондонском химическом обществе в 1866 г. новой статьи Ньюлендса (ее к публикации не рекомендовали) профессор Дж.Фостер с сарказмом спросил: "Не пробовали ли Вы расположить элементы в алфавитном порядке их названий и не заметили ли при таком расположении каких-либо новых закономерностей?"

В 1868 г. английский химик У.Олдинг (1829-1921) предложил таблицу, которая, по мнению автора, демонстрировала закономерную взаимосвязь между всеми элементами.

В 1864 г. немецкий профессор Л.Майер (1830-1895) составил таблицу из 44 химических элементов (из 63 известных).

Оценивая этот период, Д.И.Менделеев писал "Нет ни одного сколько-нибудь общего закона природы, который бы основался сразу, всегда его утверждению предшествует много предчувствий, а признание закона наступает не тогда, когда он вполне осознан во всем его значении, а лишь по утверждении его следствий опытами, которые естествоиспытатели должны признавать высшею инстанциею своих соображений и мнений".

В 1868 г. Д.И.Менделеев начал работать над курсом "Основы химии". Для наиболее логичного расположения материала необходимо было как-то расклассифицировать 63 химических элемента. Первый вариат Периодической системы химических элементов был предложен Д.И.Менделеевым в марте 1869 г.

Через две недели на заседании Русского химического общества был зачитан доклад Менделеева "Соотношение свойств с атомным весом элементов", в котором обсуждались возможные принципы классификации химических элементов:

1) по их отношению к водороду (формулы гидридов); 2) по их отношению к кислороду (формулы высших кислородных окислов); 3) по валентности; 4) по величине атомного веса.

Далее в течение следующих лет (1869-1871 гг.) Менделеев изучал и перепроверял те закономерности и "несообразности", которые были замечены в первом варианте "Системы элементов". Подводя итог этой работы, Д.И.Менделеев писал: "По мере возрастания атомного веса элементы сперва имеют все новые и новые изменчивые свойства, а потом эти свойства вновь повторяются в новом порядке, в новой строке и в ряде элементов и в той же последовательности, как и в предшествовавшем ряде. А потому Закон периодичности можно сформулировать следующим образом: "Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости (т.е. правильно повторяются) от их атомного веса". Законы природы исключений не терпят... Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и неожидаемых, и оправдания тех следствий и опытной проверке. Поэтому-то увидев периодический закон, я со своей стороны (1869-1871) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать, верен он или нет. К числу их относится предсказание свойств неоткрытых элементов и исправление атомных весов многих, мало в то время обследованных элементов... Надобно что-либо одно - или считать периодический закон верным до конца и составляющим новое орудие химических знаний, или его отвергнуть".

В течение 1872-1874 гг. Менделеев стал заниматься другими проблемами, а в химической литературе о Периодическом законе почти не упоминалось.

В 1875 г. французский химик Л.де Буабодран сообщил, что при исследовании цинковой обманки он спектроскопически обнаружил в ней новый элемент. Он получил соли этого элемента и определил его свойства. В честь Франции он назвал новый элемент галлием (так Францию называли древние римляне). Сравним, что предсказывал Д.И.Менделеев и что было найдено Л.де Буабодраном:

В первом сообщении Л. де Буабодрана удельный вес галлия был найден равным 4.7. Д.И.Менделеев указал ему на его ошибку. При более тщательном измерении удельный вес галлия оказался равен 5.96.

В 1879 г. появилось сообщение шведского химика Л.Нильсона (1840-1899) об открытии им нового химического элемента - скандия. Л.Нильсон отнес скандий к редкоземельным элементам. П.Т.Клеве указал Л.Нильсону на то, что соли скандия бесцветны, его окись нерастворима в щелочах и что скандий представляет собой предсказанный Д.И.Менделеевым экабор. Сравним их свойства.

Анализируя новый минерал в феврале 1886 г. немецкий профессор К.Винклер (1838-1904) открыл новый элемент и считал его аналогом сурьмы и мышьяка. Возникла дискуссия. К.Винклер согласился, что открытый им элемент - это предсказанный Д.И.Менделеевым экасилиций. К.Винклер назвал этот элемент германием.

Итак, ученые-химики трижды подтвердили существование предсказанных Менделеевым химических элементов. Более того, именно предсказанные Менделеевым свойства этих элементов и их положение в Периодической системе позволили исправить ошибки, которые невольно допускали экспериментаторы. Дальнейшее развитие химии происходило на прочной основе Периодического закона, который в 80-х годах XIX в. был признан всеми учеными как один из важнейших законов природы. Таким образом, важнейшей характеристикой любого химического элемента является его место в Периодической системе Д.И.Менделеева .

Реферат

«История открытия и подтверждения периодического закона Д.И. Менделеева»

Санкт-Петербург 2007

Введение

Периодический закон Д.И. Менделеева – это фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д.И. Менделеевым в феврале 1869 г. 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 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.

1. Попытки других ученых вывести периодический закон

Периодическая система, или периодическая классификация, элементов имела огромное значение для развития неорганической химии во второй половине XIX в. Это значение в настоящее время колоссально, потому что сама система в результате изучения проблем строения вещества постепенно приобрела ту степень рациональности, которой невозможно было достичь, зная только атомные веса. Переход от эмпирической закономерности к закону составляет конечную цель всякой научной теории.

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 невелико, а принятые значения атомных масс многих элементов неточны.

Не считая попыток Лавуазье и его школы дать классификацию элементов на основе критерия аналогии в химическом поведении, первая попытка периодической классификации элементов принадлежит Дёберейнеру.

Триады Дёберейнера и первые системы элементов

В 1829 г. немецкий химик И. Дёберейнер предпринял попытку систематизации элементов. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы, которые он назвал триадами: Li–Na–K; Ca–Sr–Ba; S–Se–Te; P–As–Sb; Cl–Br–I.

Сущность предложенного закона триад Дёберейнера состояла в том, что атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов триады. 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 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 (эквивалентных) весов. Элементы составляли триады, а также тетрады и пентады (группы из четырёх и пяти элементов), причём электроотрицательность элементов в таблице плавно изменялись 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.

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.

Таблица Ньюлендса

Английский учёный Дж. Ньюлендс в 1864 г. опубликовал таблицу элементов, отражающую предложенный им закон октав . Ньюлендс показал, что в ряду элементов, размещённых в порядке возрастания атомных весов, свойства восьмого элемента сходны со свойствами первого. 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.

Таблицы Одлинга и Мейера

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. Что было сделано до дня великого открытия

Предпосылки открытия периодического закона следует искать в книге Д.И. Менделеева (далее Д.И.) «Основы химии». Первые главы 2-й части этой книги Д.И. написал в начале 1869 г. 1-я глава была посвящена натрию, 2-я – его аналогам, 3-я – теплоемкости, 4-я – щелочноземельным металлам. Ко дню открытия периодического закона (17 февраля 1869 г.) он, вероятно, уже успел изложить вопрос о соотношении таких полярно-противоположных элементов, как щелочные металлы и галоиды, которые были сближены между собой по величине их атомности (валентности), а также вопрос о соотношении самих щелочных металлов по величине их атомных весов. Он вплотную подошел и к вопросу о сближении и сопоставлении двух групп полярно-противоположных элементов по величине атомных весов их членов, что фактически уже означало отказ от принципа распределения элементов по их атомности и переход к принципу их распределения по атомным весам. Этот переход представлял собой не подготовку к открытию периодического закона, а уже начало самого открытия

К началу 1869 г. Значительная часть элементов была объединена в отдельные естественные группы и семейства по признаку общности химических свойств; наряду с этим другая часть их представлял собой разрозненные, стоявшие особняком отдельные элементы, которые не были объединены в особые группы. Твердо установленными считались следующие:

– группа щелочных металлов – литий, натрий, калий, рубидий и цезий;

– группа щелочноземельных металлов – кальций, стронций и барий;

– группа кислорода – кислород, сера, селен и теллур;

– группа азота – азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Кроме того, сюда часто присоединяли висмут, а в качестве неполного аналога азота и мышьяка рассматривали ванадий;

– группа углерода – углерод, кремний и олово, причем в качестве неполных аналогов кремния и олова рассматривали титан и цирконий;

– группа галогенов (галоидов) – фтор, хлор, бром и йод;

– группа меди – медь и серебро;

– группа цинка – цинк и кадмий

– семейство железа – железо, кобальт, никель, марганец и хром;

– семейство платиновых металлов – платина, осмий, иридий, палладий, рутений и родий.

Сложнее дело обстояло с такими элементами, которые могли быть отнесены к разным группам или семействам:

– свинец, ртуть, магний, золото, бор, водород, алюминий, таллий, молибден, вольфрам.

Кроме того был известен ряд элементов, свойства которых были еще недостаточно изучены:

– семейство редкоземельных элементов – иттрий, «эрбий», церий, лантан и «дидим»;

– ниобий и тантал;

– бериллий;

3. День великого открытия

Д.И. был весьма разносторонним ученым. Он давно и очень сильно интересовался вопросами сельского хозяйства. Он принимал самое близкое участие в деятельности Вольного экономического общества в Петербурге (ВЭО), членом которого он состоял. ВЭО организовало в ряде северных губерний артельное сыроварение. Одним из инициаторов этого начинания был Н.В. Верещагин. В конце 1868 г., т.е. в то время как Д.И. заканчивал вып. 2 своей книги, Верещагин обратился в ВЭО с просьбой прислать кого-нибудь из членов Общества для того, чтобы на месте обследовать работу артельных сыроварен. Согласие на такого рода поездку выразил Д.И. В декабре 1868 г. он обследовал ряд артельных сыроварен в Тверской губернии. Для завершения обследования нужна было дополнительная командировка. Как раз на 17 февраля 1869 г. и был назначен отъезд.

Здесь читатель найдет информацию об одном из важнейших законов, когда-либо открытых человеком в научной области - периодическом законе Менделеева Дмитрия Ивановича. Вы ознакомитесь с его значением и влиянием на химию, будут рассмотрены общие положения, характеристика и детали периодического закона, история открытия и основные положения.

Что такое периодический закон

Периодический закон - это природный закон фундаментального характера, который был открыт впервые Д. И. Менделеевым еще в 1869 году, а само открытие произошло благодаря сравнению свойств некоторых химических элементов и величин массы атома, известных в те времена.

Менделеев утверждал, что, согласно его закону, простые и сложные тела и разнообразные соединения элементов зависят от их зависимости периодического типа и от веса их атома.

Периодический закон является уникальным в своем роде и это связано с тем фактом, что он не выражается математическими уравнениями в отличие от других фундаментальных законов природы и вселенной. Графически свое выражение он находит в периодической системе химических элементов.

История открытия

Открытие периодического закона произошло в 1869 году, но попытки систематизировать все известные х-кие элементы начались задолго до этого.

Первую попытку создать такую систему предпринял И. В. Деберейнер в 1829. Он классифицировал все известные ему химические элементы в триады, связанные между собой близостью половины суммы атомных масс, входящих в эту группу трех компонентов. Следом за Деберейнером предприняли попытку создать уникальную таблицу классификации элементов А. де Шанкуртуа, он назвал свою систему «земной спиралью», а после него была составлена Джоном Ньюлендсом октава Ньюлендса. В 1864 практически одновременно Уильям Олдинг и Лотар Мейер опубликовали созданные независимо друг от друга таблицы.

Периодический закон был представлен научному сообществу на обозрение восьмого марта 1869, и произошло это во время заседания Русского х-кого общества. Менделеев Дмитрий Иванович заявил при всех о своем открытии и в том же году был выпущен менделеевский учебник «Основы химии», где впервые была показана периодическая таблица, созданная им. Годом позже, в 1870, он написал статью и отдал ее на обозрение в РХО, где впервые было употреблено понятие периодического закона. В 1871 Менделеев дал исчерпывающую характеристику своего з-на в знаменитой статье периодической законности химических элементов.

Неоценимый вклад в развитие химии

Значение периодического закона невероятно велико для научного сообщества всего мира. Это связано с тем, что открытие его дало мощный толчок развитию, как химии, так и других наук о природе, например, физике и биологии. Открытой была взаимосвязь элементов с их качественными химическими и физическими характеристиками, также это позволило понять суть построения всех элементов по одному принципу и дало начало современной формулировке понятий о химических элементах, конкретизировать знания представление о веществах сложного и простого строения.

Использование периодического закона позволило решать проблему химического прогнозирования, определить причину поведения известных химических элементов. Атомная физика, а в том числе и ядерная энергетика, стали возможными вследствие этого же закона. В свою очередь, данные науки позволили расширить горизонты сущности этого закона и углубиться в его понимание.

Химические свойства элементов периодической системы

По сути, химические элементы взаимосвязаны между собой характеристиками, свойственными им в состоянии свободного как атома, так и иона, сольватированного или гидратированного, в простом веществе и форме, которую могут образовать их многочисленные соединения. Однако х-кие свойства обычно заключаются в двух явлениях: свойства, характерные для атома в свободном состоянии, и простого вещества. К такому роду свойств относится множество их видов, но самые важные это:

Атомная ионизация и ее энергия, зависящая от положения элемента в таблице, его порядкового числа.
Энергетическое родство атома и электрона, которая так же, как и атомная ионизация, зависит от места нахождения элемента в периодической таблице.
Электроотрицательность атома, не носящая постоянное значение, а способная изменяться в зависимости от различного рода факторов.
Радиусы атомов и ионов - тут, как правило, используются эмпирические данные, что связано с волновой природой электронов в состоянии движения.
Атомизация простых веществ - описание возможностей элемента к реакционной способности.
Степени окисления - формальная характеристика, однако фигурирующая как одна из важнейших характеристик элемента.
Потенциал окисления для простых веществ - это измерение и показание потенциала вещества к действию его в водных растворах, а также уровень проявления свойств окислительно-восстановительного характера.

Периодичность элементов внутреннего и вторичного типа

Периодический закон дает понимание еще одной немаловажной составной частицы природы - внутренней и вторичной периодичности. Вышеупомянутые области изучения атомных свойств, на самом деле, гораздо сложнее, чем можно подумать. Связано это с тем фактом, что элементы s, p, d таблицы меняют свои качественные характеристики в зависимости от положения в периоде (периодичность внутреннего характера) и группе (периодичность вторичного характера). Например, внутренний процесс перехода элемента s от первой группы до восьмой к p-элементу сопровождается точками минимума и максимума на кривой линии энергии ионизированного атома. Данное явление показывает внутреннюю непостоянность периодичности изменения свойств атома по положению в периоде.

Итоги

Теперь читатель имеет четкое понимание и определение того, что являет собой периодический закон Менделеева, осознает его значение для человека и развития различных наук и имеет представление о его современных положениях и истории открытия.