Периодический закон

         Менделеев Дмитрий Иванович (1834 — 1907 гг.)

Периодический закон

 

«Если я видел дальше других, то только потому, что стоял на плечах гигантов.»

И. Ньютон

     Д. И. Менделеев соглашается :  «… истинные от­крытия делаются работой не одного ума, а усилием массы дея­телей, из которых иногда один есть только выразитель того, что принадлежит многим,  что есть мысли плод совокупной работы. Таким образом, каждый шаг науки подготавливается пред­шествующим этапом, и каждый ее последующий этап законо­мерно связан с предыдущим». При выборе объектов исследова­ния и выводе законов, связывающих явления, Д.И. Менделеев исходит из ранее установленных законов и теорий существующих в данную эпоху  и опирается на работы предшественников»

Первые попытки систематизации элементов

    Одной из важнейших проблем теоретической химии XIX века после разрешения проблемы атомных весов оставалась систематизация химических элементов, число которых постоянно росло. Со времён античности и средних веков были известны 14 элементов (хотя собственно элементами их стали считать лишь в конце XVIII века). В XVIII веке к ним добавилось 20 новых элементов; к 1860 году число известных элементов возросло до шестидесяти. Проблема упорядочения элементов и отыскания закономерности в изменении их свойств становилась всё более актуальной.

Первую попытку систематизации элементов предпринял немецкий химик Иоган Вольфганг Деберейнер, сформулировавший в 1829 г. закон триад. Дёберейнер обратил внимание на то, что в рядах сходных по свойствам элементов наблюдается закономерное изменение атомной массы. В выделенных Дёберейнером триадах элементов атомный вес среднего элемента триады примерно равен полусумме атомных весов двух крайних элементов: 

Cl  – 35.5
Br  – 80
I  – 125

P  – 31
As  – 75
Sb  – 122

S  – 32
Se  – 79
Te  – 129

Ca  – 41
Sr  – 88
Ba  – 137

Li  – 7
Na  – 23
K  – 39

Хотя разбить все известные элементы на триады Дёберейнеру, естественно, не удалось, тем не менее, 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 порядке возрастания их атомных весов.

В 1843 г. Леопольд Гмелин привёл таблицу химически сходных элементов, расставленных по группам в порядке возрастания "соединительных масс". Вне групп элементов, вверху таблицы, Гмелин поместил три "базисных" элемента – кислород, азот и водород. Под ними были расставлены триады, а также тетрады и пентады (группы из четырех и пяти элементов), причём под кислородом расположены группы металлоидов (по терминологии Берцелиуса), т.е. электроотрицательных элементов; электроположительные и электроотрицательные свойства групп элементов плавно изменялись сверху вниз. 

     Важным этапом систематизации элементов стали т.н. дифференциальные системы, направленные на выявление общих закономерностей в изменении атомного веса элементов. В 1850 г. немецкий врач Макс фон Петтенхофер  попытался найти у элементов соотношения, подобные тем, что обнаруживаются в гомологических рядах, т.е. в рядах соединений, отличающихся друг от друга группой CH2. Он указал, что атомные веса некоторых элементов отличаются друг от друга на величину, кратную восьми. На этом основании Петтенкофер высказал предположение, что элементы, возможно, являются сложными образованиями каких-то субэлементарных частиц. На следующий год подобные соображения высказал и французский химик-органикЖан Батист Андре Дюма . В 1859 г. эту идею детально разработал немецкий учёный Адольф Штреккер ; несколько вариантов таблиц предложил в 1857-1868 гг. английский химик Уильям Одлинг.

Александр Эмиль Бугуйе де Шанкуртуа

 

 

Винтовой график Шанкуртуа, 1862 г.

 

 

 

 

 в 1862 г. предложил винтовой график элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов – т. н. "земная спираль" . Шанкуртуа нанёс на боковую поверхность цилиндра, размеченную на 16 частей, линию под углом 45°, на которой поместил точки, соответствующие элементам. Таким образом, элементы, атомные веса которых отличались на 16, или на число, кратное 16, располагались на одной вертикальной линии. При этом точки, отвечающие сходным по свойствам элементам, часто оказываются на одной прямой. Винтовой график Шанкуртуа фиксировал закономерные отношения между атомными массами элементов, однако данная система не могла быть признана удовлетворительной.

Джон Александр Рейна 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. Такая зависимость действительно имеет место для лёгких элементов, однако Ньюлендс пытается придать ей всеобщий характер. В таблице Ньюлендса сходные элементы располагались в горизонтальных рядах; однако, в одном и том же ряду часто оказывались и элементы совершенно непохожие. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица Ньюлендса не содержит свободных мест. Вследствие присущих системе Ньюлендса недостатков современники отнеслись к закону октав чрезвычайно скептически .

Таблица Ньюлендса, 1864.
 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

1

F

8

Cl

15

Co
Ni

22

Br

29

Pd

36

I

43

Pt
Ir

50

Li

2

Na

9

K

16

Cu

23

Rb

30

Ag

37

Cs

44

Tl

51

Be

3

Mg

10

Ca

17

Zn

24

Sr

31

Cd

38

Ba
V

45

Pb

52

B

4

Al

11

Cr

18

Y

25

Ce
La

32

U

39

Ta

46

Th

53

C

5

Si

12

Ti

19

In

26

Zr

33

Sn

40

W

47

Hg

54

N

6

P

13

Mn

20

As

27

Di
Mo

34

Sb

41

Nb

48

Bi

55

O

7

S

14

Fe

21

Se

28

Rh
Ru

35

Te

42

Au

49

Os

56

 
В том же году Уильям Одлинг 
, пересмотрев предложенную им в 1857 г. систематику элементов, основанную на эквивалентных весах, предложил следующую таблицу, не сопровождаемую какими-либо пояснениями:

    

Триплетные группы

    

H 1

  

 

Mo 96

W 184

    

 

 

 

Au 196.5

    

 

 

Pd 106.5

Pt 197

Li 7

Na 23

-

Ag 108

   

G 9

Mg 24

Zn 65

Cd 112

Hg 200

B 11

Al 27.5

-

-

Tl 203

C 12

Si 28

-

Sn 118

Pb 207

N 14

P 31

As 75

Sb 122

Bi 210

O 16

S 32

Se 79.5

Te 129

   

F 19

Cl 35

Br 80

J 127

   

 

K 39

Rb 85

Cs 133

   

 

Ca 40

Sr 87.5

Ba 137

   

 

Ti 40

Zr 89.5

-

Th 231

  

Cr 52.5

  

V 138

   

 

Mn 55 и др.
(Fe,Ni,Co,Cu)

  

  

  

 

 

Несколько попыток систематизации элементов предпринял в 60-е годы XIX века немецкий химик Юлиус Лотар Мейер .

В 1864 г. Мейер опубликовал свою первую таблицу, в которую включены 42 элемента (из 63), 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 подобных элементов.

Таблица Мейера 1864 г. (фрагмент).
 

4 val

3 val

2 val

1 val

1 val

2 val

C=12

N=14.4

O=16

F=19

Na=23

Mg=24

Si=28.5

P=31

S=32

Cl=35.5

K=39

Ca=40

...

As=75

Se=78.8

Br=80

Rb=85.4

Sr=87

Sn=117.6

Sb=120.6

Te=128.3

I=126.8

Cs=133

Ba=137.4

Pb=207

Bi=208

...

...

(Tl=204)

...

 
В 1870 году вышла ещё одна работа Мейера, содержащая новую таблицу и график зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид.

Предложенная Мейером таблица "Природа элементов как функция их атомного веса" состояла из девяти вертикальных столбцов, сходные элементы располагались в горизонтальных рядах; некоторые ячейки таблицы Мейер оставил незаполненными.

Таблица Мейера 1870 г.
 

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

 

B

Al

 

 

 

In (?)

 

Tl

 

C

Si

 
Ti

  

 
Zr

Sn

 

Pb

 

N

P

 
V

As

 
Nb

Sb

 
Ta

Bi

 

O

S

 
Cr

Se

 
Mo

Te

 
W

 

 

F

Cl

 
Mn
Fe
Co
Ni

Br

 
 
Ru
Rh
Pd

I

 

Os
Ir
Pt

 

Li

Na

K

 
Cu

Rb

 
Ag

Cs

 
Au

 

Be

Mg

Ca

 
Zn

Sr

 
Cd

Ba

 
Hg

 

 

 

 

В марте 1869 г. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев представил Русскому химическому обществу периодический закон химических элементов, изложенный в нескольких основных положениях:

1.  Элементы, расположенные по возрастанию их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств;

2.  Сходные по свойствам элементы имеют или близкие атомные веса (Os, Ir, Pt), или последовательно и однообразно увеличивающиеся (K, Rb, Cs);

3.  Сопоставление элементов или их групп по величине атомного веса отвечает их т.н. валентности;

4.  Элементы с малыми атомными весами имеют наиболее резко выраженные свойства, поэтому они являются типическими элементами;

5.  Величина атомного веса элемента может быть иногда исправлена, если знать аналоги данного элемента;

6.  Следует ожидать открытия ещё многих неизвестных элементов, например, сходных с Al или Si, с паем (атомной массой) 65-75.

В том же 1869 г. вышло и первое издание учебника "Основы химии", в котором была приведена периодическая таблица Менделеева.

Первая таблица Менделеева (1869).
 

H = 1

 

 

Ti = 50
V = 51
Cr = 52
Mn = 55
Fe = 56
Co = Ni = 59
Cu = 63.4

Zr = 90
Nb = 94
Mo = 96
Rh = 104.4
Ru = 104.4
Pd = 106.6
Ag = 108

? = 180
Ta = 182
W = 186
Pt = 197.4
Ir = 198
Os = 199
Hg = 200

 

Be = 9.4

Mg = 24

Zn = 65.2

Cd = 112

 

 

B = 11

Al = 27.4

? = 68

Ur = 116

Au = 197

 

C = 12

Si = 28

? = 70

Sn = 118

 

 

N = 14

P = 31

As = 75

Sb = 122

Bi = 210 

 

O = 16

S = 32

Se = 79.4

Te = 128?

 

 

F = 19

Cl = 35.5

Br = 80

J = 127

 

Li = 7

Na = 23

K = 39
Ca = 40
? = 45
?Er = 56
?Yt = 60
?In = 75.6

Rb = 85.4
Sr = 87.6
Ce = 92
La = 94
Di = 95
Th = 118?

Cs = 133
Ba = 137

Tl = 204
Pb = 207

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).

Расположение в периодической таблице элементов, известных в 1870 г. Зелёным цветом показаны ячейки, соответствующие элементам, свойства которых предсказывал Д. И. Менделеев

 

В 1871 г. Менделеев в итоговой статье "Периодическая законность химических элементов" дал 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 классический вид .

В связи с периодической таблицей химических элементов иногда поднимается вопрос о приоритете. Здесь следует чётко отделять периодическую таблицу и периодический закон химических элементов. В таблицах Одлинга 1864 г., Менделеева 1869 г. и Мейера 1870 г. нельзя не отметить несомненного сходства; во всех таблицах оставлены места для неоткрытых элементов, и все они не лишены недостатков. Работа Мейера была сдана в печать в 1869 г.; после опубликования доклада Менделеева Мейер добавил в свою статью ссылку на Менделеева, где, в частности, особо указал, что предлагаемый им график прекрасно иллюстрирует предложенный русским химиком термин "периодичность". Таким образом, поскольку Менделеев и Мейер независимо друг от друга предложили весьма близкие варианты таблицы, используемое в некоторых странах название "таблица Менделеева-Мейера" можно считать не лишённым оснований.

Вместе с тем приоритет Менделеева в открытии периодического закона химических элементов является совершенно неоспоримым (сам Мейер на него никогда и не претендовал).Мейер, Шанкуртуа, Ньюлендс и Одлинг систематизировали элементы, указывая на наличие несомненной закономерности в численных величинах атомных весов. Однако никто до Менделеева не решился счесть эти закономерности общим законом природы. Заслуга Менделеева состоит в том, что он не просто расположил элементы в определённом порядке, но взял на себя смелость на основании предположения, что именно атомная масса предопределяет свойства элемента, изменить принятые атомные веса некоторых элементов и подробно описать свойства неоткрытых ещё элементов – прежде всего экабора, экаалюминия и экасилиция. Сам Менделеев по этому поводу высказался следующим образом: "Ни де Шанкуртуа, которому французы приписывают право на открытие периодического закона, ни Ньюлендс, которого выставляют англичане, ни Л. Мейер, которого цитировали иные как основателя периодического закона, не рисковали предугадывать свойства неоткрытых элементов, изменять принятые веса атомов и вообще считать периодический закон новым, строго поставленным законом природы, могущим охватывать ещё доселе необобщённые факты, как это сделано мною с самого начала (1869)".

Формулировка Менделеевым периодического закона и построение периодической таблицы означали лишь начало развития учения о периодичности свойств элементов. Предсказания Менделеева вначале были встречены с известным скепсисом; лишь после того, как были открыты предсказанные элементы, и обнаружено совпадение их реальных свойств с предсказанными, периодический закон был признан в качестве одного из фундаментальных законов химии.

 

 

1829 г

Первую попытку систематизации элементов предпринимает немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер. В выделенных триадах элементов атомный вес среднего элемента триады примерно равен полусумме атомных весов двух крайних элементов.

1843 г

Леопольд Гмелин привел таблицу химически сходных элементов, расставленных по группам в порядке возрастания "соединительных масс"

1850 г.

Немецкий врач Макс фон Петтенкофер (1818-1901) попытался найти у элементов соотношения, подобные тем, что обнаруживаются в гомологических рядах, т.е. в рядах соединений, отличающихся друг от друга группой CH2. высказал предположение, что элементы, возможно, являются сложными образованиями каких-то субэлементарных частиц.

1829-1921 гг.

Несколько вариантов таблиц предложил в английский химик Уильям Одлинг

1862 г.

Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа (1820-1886) в г. предложил винтовой график элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов – т.н. "земная спираль" (vis tellurique). Винтовой график Шанкуртуа фиксирует закономерные отношения между атомными массами элементов, однако данная система не могла быть признана удовлетворительной.

1864 г


Джон Александр Рейна Ньюлендс (1837-1898) в. публикует таблицу элементов, отражающую предложенный им закон октав. Ньюлендс показывает, что в ряду элементов, размещённых в порядке возрастания атомных весов, свойства восьмого элемента сходны со свойствами первог о. Вследствие присущих системе Ньюлендса недостатков современники отнеслись к закону октав чрезвычайно скептически

1857 г.

Уильям Одлинг, пересмотрев предложенную им в систематику элементов, основанную на эквивалентных весах, предлагает таблицу, не сопровождаемую какими-либо пояснениями

1864 г.

Мейер публикует первую таблицу, в которую включены 42 элемента (из 63), размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям

1870 г.

Выходит работа Мейера, содержащая новую таблицу и график зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид.

1871 г.

Менделеев в итоговой статье "Периодическая законность химических элементов" даёт 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 придаёт своей периодической таблице классический вид (т.н. короткая таблица).

 

 

 

Современное значение Периодической системы химических элементов

 

Каждая гениальная работа характеризуется двумя чертами: в ней говорится о большем, чем известно в данное время, она может плодотворно развиваться в направлениях, которые нельзя было предвидеть. По обоим этим признакам периодическая система является работой гения.

Ч. Коулсон.

 

Периодический закон в формулировке Д. И. Менделеева впервые прозвучал в 1869 г. на заседании Русского химического общества. Хотя классификация Менделеева и имела значительные достоинства, которые способствовали её быстрому распространению и превращению в руководящий критерий для исследований в области неорганической химии, Тем самым Периодическая система дала мощный толчок развитию неорганической химии. Идея периодичности была по достоинству оценена химиками всех стран, благодаря работе которых Периодическая система приобрела современный вид.

Для того чтобы периодическая классификация приобрела ещё большую предсказательную силу и одновременно могла быть усовершенствована, имели значение работы по неорганической химии, проведённые в последние десятилетия прошлого века. Толчком к пересмотру классификации послужили исследования редких земель, которые привели к выделению многих элементов, не поддававшихся обычному способу классификации (в соответствие с правилом расположения элементов согласно увеличению атомного веса), и к открытию благородных газов. В результате открытия благородных газов потребовалось изменить первоначальную таблицу атомных весов (т.е. таблицу Менделеева). Рамзай предложил добавить нулевую группу, которая бы включала благородные газы как элементы с нулевой валентностью.

Таблица Менделеева была видоизменена Богуславцом Браунером (1855-1935), который провёл тщательные определения атомных весов теллура и церия, ввёл нулевую группу и сосредоточил редкоземельные элементы с атомным весом между 138,9 и 173 в восьмом ряду III группы.

Химические знания XIX в. не были достаточны, чтобы уяснить в полном объёме тесные отношения, которые связывают элементы между собой. Мощный толчок для новых исследований внутренней природы был дан открытием в 1898 г. супругами Пьером Кюри и Марией Склодовской радия и тем комплексом явлений, которые известны под названием радио активности. Открытие радия, безусловно, было самым революционным.

Главными событиями в развитии периодического закона после смерти Д.И. Менделеева стали определение зарядов ядер атомов и создание квантовой теории строения атома. Порядковые номера элементов в Периодической системе приобрели физический смысл. Стало окончательно ясно, какие химические элементы, более лёгкие, чем уран, ещё неизвестны, но могут быть открыты - это элементы с атомными номерами 43, 61, 72, 75, 87. 91. Элементы ещё не были открыты, но заряды их ядер уже были известны. Два из них: №72 - гафний и №75 - рений - оказались устойчивыми, но очень редкими элементами, а остальные - радиоактивными, практически отсутствующими в природе. Последний из них - №61 - прометий - синтезирован с помощью ядерных превращений в 1945 г. Получение этих элементов весьма интересовало химиков, но уже не могло быть такой сенсацией, как открытие галлия, германия и скандия.

В 1949 г. с получения нептуния начался длинный ряд открытий трансурановых элементов. Они постепенно заполняют пустые клетки в седьмом периоде Периодической системы. На основе периодического закона и квантовой теории строения атома в этом периоде было выделено семейство актиноидов, подобно лантаноидам в шестом периоде. Двенадцатым элементом в семействе актиноидов и №101 в Периодической системе стал менделевий, искусственно полученный Г.Т. Сиборгом с сотрудниками в 1955 г. Они предложили название элемента "в знак признания пионерской роли великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал Периодическую систему элементов для предсказания химических свойств ещё неоткрытых элементов - принцип, который послужил ключом для открытия последних семи трансурановых элементов"

В ещё большей мере на дальнейшую судьбу периодического закона повлияла квантовая теория строения атома, из которой вытекало физическое объяснение периодичности в свойствах химических элементов. Явление периодичности оказалось следствием принципов формирования электронной структуры атомов - принципа Паули и принципа наименьшей энергии Хунда. По логике развития науки объяснение какого-либо закона отодвигает его первооначальное открытие на второй план, не умаляя, однако, его исторической значимости. В связи с этим приведём следующее высказывание Л.Полинга: " В современной форме этот закон просто констатирует, что свойства элементов не являются случайными, а зависят от электронного строения данного атома и закономерно изменяются с изменением атомного номера".

На этом заканчивается блестящий, триумфальный период открытий, основанных на периодическом законе. В дальнейшем развитии неорганической химии важнейшую роль стала играть теория строения атома. Но периодический закон, а главным образом основанная на нём Периодическая система химических элементов, остался удобным инструментом быстрой оценки важнейших свойств новых соединений и возможности их получения, ожидаемого состава, устойчивости, путей синтеза.

Сегодня поступили сообщения об успешном синтезе совместной группой российских и американских исследователей элементов №113 и 115. Они представляют собой необычную форму материи, которая по своим свойствам отличается от всех других 92 элементов, встречающихся на земле. Пока им условно присвоены наименования "унунтрио" и "унунпентиум" ("один-один-три", "один-один-пять"). Окончательные названия новых элементов утверждает IUPAC -Международный союз по чистой и прикладной химии. Открытие нового класса веществ знаменует собой начало нового раздела химии - химии суператомов, придающей периодической таблице Менделеева новое измерение

Кстати, в интернете на сайте ИЮПАК (http://www. Iupac.org/reports/periodic_table/) регулярно приводятся уточненные версии ПСХЭ. Прокомментируем вариант таблицы от 1 февраля 2005 г.

Названа она "Iupac Periodic Table of the elements". Фамилия её создателя - Д. И. Менделеева- в названии отсутствует, но сохранен предложенный Менделеевым термин "периодическая таблица". Хотя иногда встречаются рекомендации назвать её таблицей периодов, данное Д,И, Менделеевым название "периодическая система" во всех материалах ИЮПАК сохраняется.

В таблицу включены недавно утвержденные ИЮПАК названия и символы новых сверхтяжелых радиоактивных элементов - дармштадтия (Ds, № 110) и рентгения (№111, Rg).

Название "дармштадтий" дано элементу №110 в честь немецкого города Дармштадт. В этом городе расположен исследовательский центр, в котором на протяжении последних 30 лет были выполнены многочисленные работы по получению и изучению сверхтяжелых элементов с атомными номерами 107 и больше.

Как видим, английский химик Чарльз Коулсон был прав, когда в 1969 г. отметил: "Менделеев опережал своё время на 60 лет, но сам об этом не мог знать". Мы только может добавить, что не на 60, а намного больше...

Выводом из всего сказанного могут прозвучать слова самого Менделеева: "Будущее не грозит периодическому закону разрушением, а обещаются только надстройка и развитие".

 periodic.by.ru/mendeleyev_rus.zip


 

 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ФОНД ПОДГОТОВКИ КАДРОВ. ИНФОРМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ.
Сайт сделан по технологии "Конструктор школьных сайтов".
Используются технологии uCoz