ПРЕДПОСЫЛКИ ОТКРЫТИЯ И КАРТОЧНЫЙ МЕТОД Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
К концу 60-х годов XIX века химической науке было известно 63 химических элемента. Ученые разных стран накопили колоссальный объем фактических знаний о свойствах простых веществ и их соединений. Были выделены отдельные естественные семейства элементов (щелочные металлы, галогены, щелочноземельные металлы), однако общей, объединяющей теории не существовало. Попытки классифицировать элементы предпринимались многими выдающимися исследователями (триады Дёберейнера, октавы Ньюлендса, таблицы Мейера), но ни одна из них не смогла охватить всю совокупность элементов и выявить глубинный закон природы.
В основу своей классификации великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев положил два главных, несомненных признака: величину относительной атомной массы (в то время называвшейся атомным весом) и химические свойства элементов и образуемых ими веществ.
Днем рождения Периодического закона считается 1 марта 1869 года. Менделеев изготовил картонные карточки для всех 63 известных элементов, выписав на каждую символ элемента, его относительную атомную массу, формулы высших оксидов и гидроксидов, характер простых веществ и важнейшие химические свойства. Раскладывая эти карточки и сопоставляя несходные элементы, ученый обнаружил, что при монотонном возрастании атомных масс свойства элементов и соединений не изменяются линейно, а повторяются через определенные интервалы — периодически.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ РЯДАХ (ПЕРИОДАХ)
Расположив элементы в ряд по возрастанию относительных атомных масс, Д. И. Менделеев выделил последовательные участки (периоды), в которых наблюдаются строгие параллельные закономерности:
- Металлические и неметаллические свойства простых веществ:
В начале каждого периода находится типичный щелочной металл с ярко выраженными металлическими свойствами (литий Li, натрий Na, калий K). По мере продвижения по ряду металлические свойства постепенно ослабевают, сменяются амфотерными, затем переходят в неметаллические и достигают максимума у галогена (фтор F, хлор Cl). Завершается период инертным благородным газом (неон Ne, аргон Ar).
- Валентность элементов в высших оксидах:
С ростом относительной атомной массы валентность элементов в соединениях с кислородом монотонно возрастает от I до VII (валентность VIII проявляют лишь редкие металлы платиновой группы — осмий Os и рутений Ru):
Na₂O (I) → MgO (II) → Al₂O₃ (III) → SiO₂ (IV) → P₂O₅ (V) → SO₃ (VI) → Cl₂O₇ (VII)
- Валентность неметаллов в летучих водородных соединениях:
В отличие от оксидов, валентность неметаллов в соединениях с водородом сначала возрастает до IV, а затем закономерно уменьшается до I (число присоединенных атомов водорода равно 8 минус номер группы):
BH₃ (III) → CH₄ (IV) → NH₃ (III) → H₂O (II) → HF (I)
- Закономерное изменение характера высших оксидов:
Основные оксиды начала периода сменяются амфотерным оксидом, а далее — кислотными оксидами, кислотные свойства которых прогрессивно нарастают к концу периода:
Na₂O (типичный основный оксид) → MgO (основный оксид) → Al₂O₃ (амфотерный оксид) → SiO₂ (слабый кислотный оксид) → P₂O₅ (кислотный оксид средней силы) → SO₃ (сильный кислотный оксид) → Cl₂O₇ (очень сильный кислотный оксид высшей силы).
- Закономерное изменение характера высших гидроксидов:
Едкие щелочи начала периода через амфотерный гидроксид сменяются кислотами все возрастающей силы:
NaOH (сильная щелочь) → Mg(OH)₂ (малорастворимое основание) → Al(OH)₃ (амфотерный гидроксид) → H₂SiO₃ (слабая кремниевая кислота) → H₃PO₄ (фосфорная кислота средней силы) → H₂SO₄ (сильная серная кислота) → HClO₄ (сверхсильная хлорная кислота).
ФОРМУЛИРОВКА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА
Обобщив открытые фундаментальные закономерности, Д. И. Менделеев в 1869 году сформулировал Периодический закон:
Свойства химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс.
Это открытие показало, что элементы представляют собой не разрозненные обособленные «кирпичики» мироздания, а звенья единой взаимосвязанной генетической цепи, подчиняющейся всеобщему закону развития материи.
НАУЧНЫЙ ПОДВИГ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И ТРИУМФ ТЕОРИИ
Открытие Менделеева стало величайшим триумфом отечественной и мировой науки. Сила Периодического закона заключалась в его колоссальной предсказательной способности. Менделеев не просто систематизировал известные факты, но проявил поразительную научную смелость:
- Исправление атомных масс и валентностей:
Опираясь на закон, Менделеев исправил ошибочно определенные атомные массы более чем 20 элементов (включая бериллий Be, уран U, титан Ti, индий In, церий Ce). Например, бериллию приписывали атомную массу 13,5 и считали его трехвалентным аналогом алюминия. Менделеев доказал, что валентность бериллия равна II, а атомная масса равна 9, поместив его во вторую группу к магнию.
- Предсказание неизвестных элементов:
В таблице 1869 года Менделеев оставил пустые клетки для еще не открытых элементов и с изумительной точностью описал их свойства, атомные массы, плотность, температуры плавления и формулы соединений. Он дал им временные названия с приставкой «эка-» (на санскрите «первый, следующий»):
- Экаалюминий — открыт в 1875 году французским химиком П. Э. Лекоком де Буабодраном и назван галлием Ga;
- Экабор — открыт в 1879 году шведским ученым Л. Ф. Нильсоном и назван скандием Sc;
- Экасилиций — открыт в 1886 году немецким профессором К. А. Винклером и назван германием Ge.
- Исторический спор с Лекоком де Буабодраном:
Когда Лекок де Буабодран измерил плотность открытого им галлия и получил значение 4,7 г/см³, Менделеев из Санкт-Петербурга направил ему письмо, утверждая, что плотность галлия должна составлять около 5,9 г/см³, а образец французского ученого, вероятно, недостаточно очищен от примесей. Повторная очистка и измерение дали значение 5,904 г/см³! Это вызвало подлинное изумление ученых всего мира: теоретик, никогда не державший в руках крупинки нового элемента, определил его физические константы точнее первооткрывателя-экспериментатора.
В знак признания бессмертных заслуг гениального русского химика синтезированный в 1955 году американскими исследователями 101-й элемент был единодушно назван мировым научным сообществом менделевием Md.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Дата открытия: 1 марта 1869 года, Д. И. Менделеев. Известно было 63 химических элемента.
- Главные признаки классификации: относительная атомная масса (атомный вес) и химические свойства элементов и образуемых ими веществ.
- Формулировка Периодического закона (1869 г.): свойства элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс.
- Пять закономерностей изменения свойств в периоде (слева направо):
- Металлические свойства ослабевают, неметаллические свойства усиливаются.
- Валентность в высших оксидах растет от I до VII (Na₂O → Cl₂O₇).
- Валентность неметаллов в летучих водородных соединениях сначала растет до IV, затем падает до I (CH₄ → NH₃ → H₂O → HF).
- Характер высших оксидов меняется: основный → амфотерный → кислотный нарастающей силы (Na₂O → MgO → Al₂O₃ → SiO₂ → P₂O₅ → SO₃ → Cl₂O₇).
- Характер гидроксидов меняется: щелочь → основание → амфотерный гидроксид → кислота нарастающей силы (NaOH → Mg(OH)₂ → Al(OH)₃ → H₂SiO₃ → H₃PO₄ → H₂SO₄ → HClO₄).
- Триумф предсказаний Менделеева:
- экаалюминий → галлий Ga (Лекок де Буабодран, 1875 г.);
- экабор → скандий Sc (Нильсон, 1879 г.);
- экасилиций → германий Ge (Винклер, 1886 г.).
- В честь Менделеева: назван 101-й химический элемент менделевий (Md).