Периодический закон Менделеева

АННОТАЦИЯ

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

     Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым  периодическая система элементов. 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

1 ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА 6 
1.1 Триады Дёберейнера и первые системы элементов 6 
1.2 Спираль де Шанкуртуа 7 
1.3 Октавы Ньюлендса 8 
1.4 Таблицы Одлинга и Мейера 8 
2 ОТКРЫТИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА 10 
2.1 Исправление атомных масс 11 
2.2 Предсказание свойств неизвестных элементов и последующие открытия этих элементов 11 
3 СПОРЫ О ПРИОРИТЕТЕ В РЕШЕНИИ ВОПРОСА О СИСТЕМАТИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ 13 
3.1 Л.Мейер и Д.И.Менделеев 13 
3.2 Итог полемики о приоритете и утверждение приоритета  
Д. И. Менделеева 15 
4 ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ГИПОТЕЗА В. ПРАУТА 17 
ВЫВОДЫ 18 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 19 

ВВЕДЕНИЕ

     Открытие  периодического закона было подготовлено всем предшествующим развитием химии, главным образом развитием атомно-молекулярной теории и учения о химических элементах. 

     К концу 60-х годов XIX в. выявились следующие  общие научные предпосылки открытия периодического закона: установлены  близкие к современным атомные  массы многих химических элементов; установлены «естественные группы»  сходных элементов; развито учение об атомности (валентности) химических элементов; открыто сходство кристаллических  форм (изоморфизм) различных химических элементов; разработано учение о  химическом соединении, основанное на унитарных к молекулярных представлениях

1 ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ  ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА 

     Поиски  основы естественной классификации  химических элементов и их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона. Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми  работали в этой области, были вызваны  недостаточностью экспериментальных  данных: в начале XIX века число известных  химических элементов было ещё слишком  мало, а принятые значения атомных  масс многих элементов неточны. [1, с.82] 

1. Триады  Дёберейнера и  первые системы элементов

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

     Li Ca P S Cl

     Na Sr As Se Br

     K Ba Sb Te 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. Несмотря на то, что триады Деберейнера в какой-то мере являются прообразами менделеевских групп, эти представления в целом ещё слишком несовершенны. Отсутствие магния в едином семействе кальция, стронция и бария или кислорода в семействе серы, селена и теллура является результатом искусственного ограничения совокупностей сходных элементов лишь тройственными союзами. Очень показательна в этом смысле неудача Деберейнера выделить триаду из четырех близких по своим свойствам элементов: P, As, Sb, Bi. Дёберейнер отчётливо видел глубокие аналогии в химических свойствах фосфора и мышьяка, сурьмы и висмута, но, заранее ограничив себя поисками триад, он не смог найти верного решения. Спустя полвека Лотар Майер скажет, что если бы Дёберейнер хоть ненадолго отвлекся от своих триад, то он сразу же увидел бы сходство всех этих четырех элементов одновременно.

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

     Идеи  Дёберейнера были развиты другим немецким химиком Леопольдом Гмелиным, который показал, что взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами значительно сложнее, нежели триады. В 1843 году 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 изменялась сверху вниз.

     В 1850-х годах Макс фон Петтенкофер и Жан Дюма предложили «дифференциальные системы», направленные на выявление общих закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые детально разработали немецкие химики Адольф Штреккер и Густав Чермак.

     В начале 60-х годов XIX века появилось  сразу несколько работ, которые  непосредственно предшествовали Периодическому закону. [2, с.53] 

1.2 Спираль де Шанкуртуа

     Александр 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)[3]. 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. [2, с.55] 

1.3 Октавы Ньюлендса

     Дж.Ньюлендс в 1864, анализируя все известные триады и расширяя по возможности их в семейства по 4–5 элементов, получил общую таблицу, что позволило ему предположить существование одного или двух неоткрытых элементов. Затем он перестроил классификацию элементов в порядке увеличения атомного веса и обнаружил периодическую повторяемость свойств у каждого восьмого элемента. К сожалению, Ньюлендс не оставил свободные места в таблице для неоткрытых элементов, а его предложение назвать новую таблицу законом октав встретило холодный прием. [2, с.56] 

1.4 Таблицы Одлинга и Мейера

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

     В том же 1864 году появилась первая таблица немецкого химика Лотара Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям[5]. Мейер намеренно ограничил число элементов в таблице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомной массы в рядах сходных элементов.

     В 1870 году 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, с.58]

2 ОТКРЫТИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО  ЗАКОНА

     В марте 1869 года русский химик Дмитрий  Иванович Менделеев представил Русскому химическому обществу сообщение  об открытии им Периодического закона химических элементов[3, с.52]. В том же году вышло первое издание менделеевского учебника «Основы химии», в котором была приведена его периодическая таблица. В конце 1870 года он доложил РХО статью «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов», в которой предсказал свойства нескольких не открытых ещё элементов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений Менделеев исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа).

     В 1871 года в итоговой статье «Периодическая законность химических элементов» Менделеев  дал следующую формулировку Периодического закона: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых  и сложных тел стоят в периодической  зависимости от атомного веса». Тогда  же Менделеев придал своей периодической  таблице вид, ставший классическим (т. н. короткий вариант). [4, с.45]

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

2.1 Исправление атомных  масс

     Периодический закон послужил основой для исправления  атомных масс элементов. У 20 элементов  Д. И. Менделеевым были исправлены атомные  массы, после чего эти элементы заняли свои места в периодической системе. Уже год спустя после открытия периодического закона,   Д.И. Менделеев смело вносит изменения, связанные, в частности, с исправлением общепринятых значений атомных масс. 15 декабря 1870 г. он писал: «Ныне принятый атомный вес урана-120 мне кажется возможным и необходимым изменить в уран-240». Д.И. Менделеев решился на это изменение потому, что при атомной массе 120 уран попадал в периодической таблице на место, которое должно быть занято элементом, ничего общего не имеющим с ним по свойствам, но при атомной массе 240 уран попадал в одну группу с родственными ему элементами. Аналогичные рассуждения привели Д.И. Менделеева к исправлению атомных масс других элементов; причем все предложенные им изменения вскоре подтвердились. [5, с.62] 

2.2 Предсказание свойств  неизвестных элементов  и последующие  открытия этих  элементов

       Д. И. Менделеев не остановился на открытии закона периодичности, использовав его для создания периодической системы элементов. Днем рождения системы Д.И. Менделеева обычно считают 1 марта 1869 г., когда был составлен первый вариант таблицы. В этой таблице 63 известных Д.И. Менделееву элемента расположены в порядке возрастания атомных масс (сверху вниз и слева направо). Причем это расположение отражало периодичность изменения свойств элементов. В таблице оставлены пустые места для четырех элементов с атомными массами 45, 68, 70 и 180. Существование этих элементов было предсказано Д.И. Менделеевым.

       В конце 1870 г. Менделеев доложил РХО  статью "Естественная система элементов  и применение её к указанию свойств  неоткрытых элементов", в котором предсказал свойства неоткрытых ещё элементов – аналогов бора, алюминия и кремния (соответственно экабор, экаалюминий и экасилиций).

       Настоящий триумф периодической системы Д.И. Менделеева был связан с открытием  предсказанных им элементов. В 1875 г. французский химик П. Лекок де Буабодран, исследуя цинковые руды с Пиренейских гор методами спектрального анализа, обнаружил следы неизвестного элемента. Открытие этого элемента, названного галлием, быть может, прошло бы незаметным, если бы некоторое время спустя автор не получил письмо от русского ученого, в котором утверждалось, что плотность нового элемента должна быть равна не 4,7 г/см3, как сообщал П. Лекок де Буабодран, а 5,9–6 г/см3. Повторные измерения плотности очищенного от примеси галлия дали значение 5,904 г/см3. Предсказывая свойства неизвестных элементов, Д.И. Менделеев использовал вытекавшее из периодического закона правило звездности, в соответствии с которым свойства любого химического элемента (например, Mg) находятся в закономерной связи со свойствами соседних элементов, расположенных по горизонтали (Na, Al), вертикали (Be, Ca) и диагонали (Li, К, В).

       Спустя  несколько лет шведский ученый Л. Нильсон открыл предсказанный Д.И. Менделеевым экабор, назвавего скандием. Наконец, в 1886 г. немецкий химик К. Винклер открыл новый элемент германий, свойства которого полностью совпали со свойствами, указанными Д. И. Менделеевым для экасилиция. После этого периодический закон получил всемирное признание, а периодическая система стала неотъемлемой частью любого учебника по химии. [7, с.38]

       Открытие  новых элементов и уточнение  свойств, ранее известных, потребовало  усовершенствования первоначального  варианта периодической системы, который  не мог полностью удовлетворить  химиков.