11.1 Периодичность

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Если бы вас спросили: «Какие данные свидетельствуют о периодичности элементов?» , - можно было бы подобрать целый ряд примеров. Скорее всего вы указали бы на пример со щелочными металлами. Хорошо известно, что литий, натрий и калий бурно реагируют с водой и при этом высвобождается большое количество энергии, как, например, в реакции

Можно было бы указать и на галогены. Все они обладают, например, свойствами окислителей, соединяются с металлами, образуя галогениды соответствующих металлов. Хлор, бром и иод, реагируя с раскаленным докрасна железом, образуют галогениды железа(III):

А вот пример с благородными газами: все они относительно инертны и образуют всего лишь несколько устойчивых соединений.

В любом из этих случаев различные элементы составляют группу элементов со сходными химическими и физическими свойствами.

Одну из первых попыток подразделить элементы на группы предпринял Лавуазье. В 1789 г. он опубликовал книгу, в которой составил перечень «простых веществ, не разложимых никакими известными процессами анализа». Этот перечень включал многие известные элементы и, кроме того, тепло и свет. Лавуазье разделил все эти «вещества» на четыре группы.

Первая группа включала тепло, свет и такие газы, как кислород и азот. Вторая группа включала такие элементы, как сера и фосфор. Все элементы этой группы образуют кислотные оксиды.

Третья группа включала металлы, такие, как медь, олово, свинец и цинк. Чертвертая группа содержала «простые землистые вещества, способные давать соли». Эти вещества включали известь, барит, магнезию, глинозем и кремнезем, т. е. оксиды кальция, бария, магния, алюминия и кремния соответственно.

Закон триад

В 1817 г. немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780-1849) заметил, что относительная атомная масса (или атомный вес, как было принято в то время) стронция приблизительно совпадает со средним значением относительных атомных

Таблица 11.1. Триады Дёберейнера

Рис. 11.1. Спиральная форма периодической таблицы.

масс кальция и бария. В 1829 г. Дёберейнер сообщил, что несколько групп элементов (в каждой такой группе содержалось по три элемента) обладают сходными физическими и химическими свойствами каждая. Эти группы получили название триады (см. табл. 11.1).

В 1850 г. было предпринято несколько попыток сгруппировать все известные элементы в триады, а также найти численные соотношения между их атомными весами.

Спиральные расположения

В течение следующих 50 лет были предложены различные спиральные расположения элементов (см. рис. 11.1). Одно из таких расположений разработал де Шанкуртуа в 1863 г. Он расположил элементы в порядке возрастания их относительной атомной массы по спирали на поверхности цилиндра, разделенного на вертикальные полосы. Элементы со сходными химическими и физическими свойствами оказывались при этом расположенными на одной вертикали. Однако работа Шанкуртуа не вызвала большого интереса.

Закон октав

В 1864 г. андийский химик-аналитик Джон Ньюлендс (1837-1898) заметил, что если расположить элементы в порядке возрастания атомного веса, то каждый восьмой элемент, начиная от выбранного произвольно, в какой-то мере подобен первому, как восьмая нота в музыкальной октаве. Ньюлендс назвал эту закономерность законом октав. В 1865 г. он построил таблицу, в которой элементы были расположены в порядке возрастания их «атомных номеров». Они представляли собой порядковые номера элементов в ряду возрастания их атомного веса. В табл. 11.2 приведены три первые ряда из таблицы Ньюлендса.

Таблица 11.2. Часть распределения элементов по «октавам» Ньюлендса

Хотя таблица Ньюлендса правильно размещает первые 17 элементов, дальше в ней начинается путаница. Ньюлендс был вынужден помещать в некоторые места таблицы сразу по два элемента, и, кроме того, было совершенно очевидно несходство между некоторыми элементами из общих столбцов таблицы. Например, фосфор имеет мало общих свойств с марганцем, а железо - с серой.

«Закон октав» Ньюлендса не получил признания, и о нем забыли на долгие годы. Когда Ньюлендс представил свою статью на рассмотрение Лондонского химического общества, его саркастически спрашивали, не пытался ли он также располагать элементы в алфавитном порядке по начальным буквам их названий. С 1868 г. по 1886 г. Ньюлендс был главным химиком сахароочистительного завода.

Рис. 11.2. Изменение атомного объема элементов в зависимости от их атомного номера.

Кривая атомных объемов Мейера

В 1870 г. немецкий химик Лотар Мейер построил график зависимости атомного объема элементов от их относительной атомной массы. Атомный объем элемента определяется соотношением

Этот график (рис. 11.2) позволил Мейеру построить таблицу, показывающую периодическое расположение элементов.

Лотар Мейер (1830-1895) - немецкий химик. Продемонстрировал независимо от Д. И. Менделеева приницяпы, на которых основана периодическая таблица элементов. В его книге «Современная химическая теория» (1864 г.) предложен первый вариант таблицы, который включал 28 элементов. В 1869 г. он опубликовал расширенный вариант таблицы, содержавший 57 элементов. Мейер продемонстрировал периодичность при помощи графика зависимости атомных объемов элементов от их атомного веса (современный термин - относительная атомная масса). Эта периодичность лучше обнаруживается на графике зависимости атомного объема элементов от их атомного номера (см. рис. 11.2).

Периодический закон Менделеева

Приблизительно в то же время, когда Мейер получил свою кривую атомного объема элементов, русский химик Дмитрий Иванович Менделеев построил периодическую таблицу элементов в той форме, из которой произошла современная периодическая таблица. В таблице Менделеева элементы были расположены в порядке возрастания относительной атомной массы, подобно тому, как это было сделано в таблице Ньюлендса. Элементы были распределены по горизонтальным рядам, называемым периодами, и восьми вертикальным колонкам, называемым группами. Такое расположение основывалось на свойствах элементов и на формулах образуемых ими соединений (табл. 11.3). Например, все металлы I группы образуют хлориды, имеющие формулы

Таблица 11.3. Первые пять периодов Периодической таблицы Д. И. Менделеева

Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907).

Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907). Родился в Тобольске, в Сибири. До поступления в университет получил образование учителя и работал преподавателем химии. С 1859 по 1861 г. Менделеев работал над докторской диссертацией в Гейдельбергском университете. Именно в это время он побывал на конференции, где известный итальянский химик Канниццаро распространял копии своей таблицы атомных весов. Менделеев начал работать над проблемой систематизации химических элементов и в 1869 г. создал свою знаменитую Периодическую таблицу. В это время он уже был профессором общей химии в Петербургском университете (1865 1890).

Однако, в отличие от таблицы Ньюлендса, таблица Менделеева включала отдельную группу для элементов, которые не укладывались в ее расположение. Например, в то время как Ньюлендс «втискивал» кобальт и никель на одно и то же место в своей таблице, Менделеев помещал их раздельно. Менделеев также оставил в таблице пустые места для еще неизвесгных элементов. Он делал определенные предсказания относительно свойств тех элементов, которым надлежало заполнить эти места. После того, как были открыты три из таких элементов — германий, скандий и галлий, оказалось, что они обладают свойствами, поразительно сходными с теми, которые предсказывал Менделеев. Например, Менделеев правильно предсказал формулы оксида германия (IV) и хлорида

На основе составленной им таблицы Менделеев сформулировал периодический закон, согласно которому «свойства элементов периодически изменяются в соответствии с их атомным весом».

Но оставался еще ряд нерешенных проблем. Во-первых, Менделеев, подобно Ньюлендсу, поместил в своей таблице иод после теллура, несмотря на то что

относительная атомная масса иода (126,9) меньше, чем у теллура. Бериллий тоже был помещен в таблице не на своем месте. Имея относительную атомную массу 13,5, он должен был расположиться между углеродом и азотом. Во-вторых, в таблице Менделеева не отводилось места благородным гаэам, открытие которых произошло только в 1890-х годах. В 1893 г. английские ученые Джон Рэлей и Уильям Рамзай открыли аргон, а спустя пять лет за этим последовало открытие гелия, неона, криптона и ксенона.

Эти проблемы были окончательно разрешены лишь в 1914 г., когда Генри Мозли (см. разд. 1.1) показал, что элементы могут быть расположены в периодической последовательности в соответствии с их атомными номерами.