Периодический закон и система элементов

Периодический закон и система элементов Д. И. Менделеева

Периодический закон и система элементов

Менделеев, применив бессознательно гегелевский закон о переходе количества в качество, совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверье, вычислившего орбиту еще не известной планеты — Нептуна.

Ф. Энгельс

Все вещества построены из атомов различных элементов. А существует ли между этими элементами какая-нибудь связь? В 1815 г. английский ученый Уильям Проут, казалось бы, нашел правильный ответ на этот вопрос. Основываясь на том, что атомная масса водорода почти в точности равна единице и что атомные массы других элементов также приближаются к целым числам, У. Проут выдвинул гипотезу о происхождении всех химических элементов из водорода. Некоторое время гипотеза была очень популярна среди химиков, но, когда атомные массы элементов были измерены более точно и стало ясно, что многие из них являются в действительности дробными числами, она потеряла своих приверженцев.

Первая попытка научной классификации химических элементов принадлежит немецкому химику Иоганну Вольфгангу Доберейнеру, который сгруппировал некоторые сходные между собой элементы в порядке увеличения их атомных масс. Конечным результатом его исследований была опубликованная в 1829 г. таблица «триад»:

Li Са Р S Cl Mn
Na Sr As Se Br Cr
К Ва Sb Те I Fe

Внутри каждой «триады» атомная масса среднего элемента равнялась среднему арифметическому атомных масс двух крайних элементов.

В 1857 г. Э. Ленссен , развивая далее представления И. Доберейнера , разбил все известные к тому времени элементы на двадцать «триад». Сравнив между собой химические эквиваленты средних членов этих «триад», он составил семь вторичных групп и назвал их «эннеадами».

Логическим завершением поисков различных вариантов систематики химических элементов явилась периодическая система, составленная русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым в феврале 1869 г. Расположив все известные к тому времени элементы по возрастанию их атомных масс, Д. И. Менделеев обнаружил ярко выраженную периодичность в изменении свойств как самих элементов, так и их соединений. Основываясь на этом, он сформулировал закон, согласно которому 

свойства элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины атомных масс этих элементов.

В 1871 г. ученый разработал новый вариант периодической системы, который уже мало чем отличался от современного. Для этого ему пришлось исправить принятые в то время значения атомных масс урана, тория, индия, церия и некоторых других элементов. Четыре элемента: кобальт, никель, иод и теллур — Д. И. Менделеев разместил вопреки значениям их атомных масс.

Глубоко убежденный в том, что открытый им периодический закон является одним из основных законов естествознания, Д. И. Менделеев предсказал на его основе свойства трех еще не открытых элементов IV периода— ближайших аналогов бора (экабор), алюминия (экаалюминий) и кремния (экасилиций).

7 августа 1894 г. англичане Уильям Рамзай и Джон Уильям Рэлей сообщили об открытии нового химического элемента — аргона. Это открытие вызвало у большинства ученых сомнение в правильности периодической системы. Действительно, разве в какой-нибудь из имеющихся групп было место для этого совершенно инертного в химическом отношении элемента? Сам Д. И. Менделеев был склонен считать аргон аллотропной модификацией азота — [N3]. Настороженно он отнесся и к открытию гелия на земле. Однако некоторые ученые придерживались на этот счет совершенно иного мнения.

1895 г. Юлиус Томсен, проанализировав периодичность изменения свойств элементов в системе Менделеева, пришел к выводу, что наряду с аргоном должна существовать целая плеяда химически инертных элементов с атомными массами 4, 20, 36, (аргон), 84, 132, 212, причем все они должны помещаться в конце каждого периода. В это же самое время французский химик Лекок де Буабодран впервые после Д. И. Менделеева предсказал на основе периодического закона существование аналогов аргона и гелия и рассчитал численные значения их атомных масс: 20,09; 84,01 и 132,71. Открытие в 1898 г. трех химически неактивных элементов: неон, криптон и ксенон — подтвердило правильность этих предсказаний.

Весной 1900 г. Д. И. Менделеев встретился в Лондоне с Рамзаем, и оба ученых пришли к выводу о необходимости образования в периодической системе нулевой группы. Эта группа, в которую вошли все инертные элементы, придала системе еще большую стройность и законченность.

Аналитическое выражение периодического закона в конце XIX — начале XX в.

Периодический закон можно выразить в общем виде уравнением y = f(Aгде у — некоторое свойство элемента; А — его атомная масса; f(A)— периодическая функция.

В 1885 г. шведский химик Иоганн Роберт Ридберг высказал мнение, что атомную массу А нельзя рассматривать в качестве независимой переменной, поскольку она сама есть функция некоторого числа N:

А = f(N)

Блестящим подтверждением взглядов И. Ридберга явилась открытая французским ученым Д. Винсентом общая формула для атомных масс элементов:

А =N1,21

где N— целое положительное число, принимающее значения от 1 для водорода до 92 для урана.

В 1906 т. И. Ридберг заметил, что в периодической системе элементов числа 2, 8 и 18 играют большую роль (в первом периоде 2 элемента, во втором и третьем — по 8, л в четвертом и пятом — по 18). Представив эти числа как 2 = 2•12, 8 = 2•22, 18 = 2•32, он продолжил полученный ряд дальше: 2•42 = 32, 2•52 = 50— и сделал вывод, что период, начинающийся после ксенона, состоит из 32 элементов.

Таким образом, математический анализ периодической системы элементов приводил к правильным выводам, но физический смысл периодического закона оставался при этом совершенно неясным. Причину периодичности необходимо было искать в особенностях строения атомов элементов.

Статья на тему Периодический закон и система элементов