11. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН

Менделеев и периодическая классификация элементов

В 1984 г. ученые всего мира отмечали 150-летие со дня рождения русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, главного архитектора периодической таблицы элементов. Менделеев родился в Тобольске 8 февраля 1834 г. и был младшим сыном в семье, имевшей 14, а по некоторым сведениям 17 детей. Как случилось, что он оказался не просто одним из тех немногих ученых XIX в., которые разрабатывали периодическую систему, но и сумел занять в науке столь блестящее положение, не будучи даже одним из первых, кто обдумывал эту проблему? В тот период времени в середине прошлого века ведущими научными центрами мира были университеты Англии, Франции и Германии. Как случилось, что в эту работу включился русский ученый? В чем заключается столь важное значение работы Менделеева, что он стал одним из тех семи ученых, в честь которых названы химические элементы?

Первая периодическая таблица была построена по принципу возрастания атомных весов элементов. Почему же понадобилось почти 70 лет от введения понятия атомного веса до создания периодической таблицы? Эта таблица иллюстрирует периодический закон, согласно которому при расположении химических элементов в ряд по возрастанию их атомных весов через определенные регулярные интервалы (периоды) располагаются элементы, обладающие сходными химическими и физическими свойствами. В начале XIX в. химический элемент определялся как вещество, которое не поддается разложению никакими известными методами на более простые части, имеющие различные свойства. Периодическая таблица была впервые предложена еще в ту эпоху, когда ни у кого не было ясных представлений о том, сколько элементов существует в природе. Она оказала большое влияние на развитие науки, стимулируя химические исследования, потому что обнаружение регулярных закономерностей в свойствах элементов заставляло предположить у них много общего, кроме уже известной общей неспособности к дальнейшему разложению на составные части.

За последние полстолетия единственными изменениями в периодической таблице были появляющиеся в ней новые названия вновь обнаруженных элементов, но дело не всегда обстояло таким образом. Первоначальный вариант периодической таблицы выявил ряд важных проблем. Существует несколько пар элементов, для размещения которых в таблице пришлось нарушить основное правило ее построения. Как можно было оправдать такие нарушения закона, имеющего, по всей видимости, универсальное применение? Обнаружилось более десятка элементов с довольно сходными свойствами, для которых в таблице нашлось всего одно место, и еще с полдесятка элементов, для которых в таблице вообще не нашлось места. В последние десятилетия XIX в. открытия новых элементов следовали одно за другим, и пораженные этим ученые не всегда сразу могли определить их место в периодической таблице.

Атомный вес и эквивалентный вес. Ключом к построению первых периодических систем было составление рядов элементов по их атомному весу. Понятие об атомном весе ввел английский ученый и преподаватель Джон Дальтон в 1803 г. Дальтон пытался объяснить, почему в одной и той же жидкости растворяется неодинаковое количество различных газов, сравнивая относительные атомные веса этих веществ. Предложенная им шкала основывалась на предположении, что водороду приписывается атомный вес, равный 1. Когда Дальтон опубликовал свою атомистическую теорию, он включил в нее таблицы значений атомных весов. Однако, когда два элемента связываются в соединение, недостаточно просто

Джон Дальтон (1766-1844)

определить относительное содержание в нем каждого элемента, чтобы получить их правильные атомные веса. Необходимо еще установить валентность каждого элемента в данном соединении, т.е. определить, сколько атомов данного элемента соединяется с одним атомом другого элемента. (Таким образом, валентность позволяет, например, судить о том, какую формулу имеет вода, НО или ) К сожалению, ситуация здесь запутанная, так как валентность элемента нельзя определить до тех пор, пока неизвестен его атомный вес. Ранние экспериментаторы предполагали, что всякое соединение состоит из молекул, которые содержат по одному атому каждого элемента. Эта «одноатомная» гипотеза породила трудности в понимании химических реакций. Она оправдывалась во многих ситуациях, но в первых таблицах атомных весов накапливалось большое число случаев, когда предполагаемая валентность элементов оказывалась неправильной. Таким образом, в этих таблицах на самом деле приводились значения эквивалентных весов (или пропорциональных чисел, как их называли на том основании, что они указывали соотношения элементов), а не атомных весов. Эта путаница, заключавшаяся в том, что для одних элементов в таблицах указывались атомные веса, а для других - доли атомных весов, затрудняла обнаружение истинной периодичности элементов. Она задержала создание периодической таблицы приблизительно на 60 лет.

Решение указанной проблемы предложил еще в 1811 г. итальянский юрист и физик Амедео Авогадро. Он основывался на результатах французского ученого Жозефа Луи Гей-Люссака, который установил, что объемы газообразных элементов, соединяющихся друг с другом в химических реакциях, находятся в простых численных отношениях. На этом основании Авогадро выдвинул гипотезу, что в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится равное число молекул. Дальтон тоже рассматривал такую гипотезу, но он отверг ее, не располагая данными Гей-Люссака. Авогадро предположил также, что наиболее распространенные газообразные элементы состоят из двухатомных молекул. К сожалению, в своей публикации Авогадро пользовался термином «молекула», часто сопровождая его такими уточняющими прилагательными, как «целая», «составная» или «элементарная». Каждый из этих терминов имел свое собственное значение. В ту пору термины «атом» и «молекула» часто использовались в одном и том же смысле, так что некоторые ученые, читая статью Авогадро, должны были заключить, будто он

предполагает существование полуатомов. К сожалению, в результате этой терминологической неясности химики пренебрегали работой Авогадро целых полстолетия, пока ее вновь не открыл итальянский химик Станислао Канниццаро. Он познакомил с результатами Авогадро ведущих химиков мира на первой международной научной конференции в Карлсруэ (Германия) в сентябре 1860 г. Эта конференция была созвана из-за неясности с терминами «молекула» и «атом», а также в связи с существованием двух таблиц атомных весов - одной для неорганических соединений, а другой - для органических. Несмотря на такую цель, конференция не пришла к каким-либо соглашениям, но сообщение Канниццаро повлияло на мышление присутствовавших на ней молодых ученых, среди которых были Д. И. Менделеев и немецкий химик Юлиус Лотар Мейер.

Интерес Менделеева к естественным наукам проявился еще в раннем возрасте под влиянием мужа старшей сестры, бывшего декабриста. Когда Менделеев попал на конференцию в Карлсруэ, ему было 26 лет (он был командирован в Гейдельбергский университет, после чего получил докторскую степень в Петербургском университете). 30-летний Мейер уже второй год работал приват-доцентом по физике и химии в университете г. Бреслау, когда он услышал Канниццаро в Карлсруэ и прочел его работу. Впоследствии оба они написали учебники, которые познакомили научную общественность с предложенным решением злободневной проблемы. Ученые начали исправлять значения эквивалентных весов, заменяя их атомными весами. В результате элементы со сходными свойствами при расположении в ряды по возрастанию атомных весов оказались один под другим и при этом обнаружилась периодичность в свойствах элементов.

Норман Холден (Chemistry International, 1984. № 6)

После изучения главы 11 вы сможете.

1) указать главные этапы создания современной периодической системы элементов;

2) описать важнейшие особенности современной периодической таблицы;

3) показать, как периодическая таблица связана с электронной структурой химических элементов;

4) привести примеры s-элементов, p-элементов и d-элементов и указать, как эти элементы расположены в периодической таблице;

5) сравнить свойства металлов, неметаллов и металлоидов и привести примеры элементов каждого из этих типов;

6) описать, как проявляется периодичность элементов в следующих свойствах: а) строение и тип химической связи; б) физические свойства (в том числе температура плавления и кипения, энтальпия, плотность); в) атомные и ионные радиусы; г) энергия ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность; д) химические свойства (в том числе образование соединений, валентность, степень окисления, окислительно-восстановительные свойства);

7) проследить периодичность в химических и физических свойствах оксидов, гидридов, гидроксидов, галогенидов;

8) привести примеры диагональных соотношений в периодической таблице;

9) указать некоторые аномалии в периодической таблице.