§ 29. Открытие Периодического закона Д. И. Менделеевым

Историческое научное событие 1 марта 1869 года, когда великий русский учёный сопоставил все известные 63 химических элемента на основе двух фундаментальных признаков: величины их относительной атомной массы (атомного веса) и сходства химических свойств образованных ими соединений.

Закономерная волновая повторяемость химических и физических характеристик при монотонном увеличении заряда ядра и атомной массы:

• 1. В горизонтальных рядах (периодах) металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются
• 2. Высшая валентность элементов в оксидах закономерно возрастает от I до VII (VIII у осмия и рутения):

$$Na_2O \rightarrow MgO \rightarrow Al_2O_3 \rightarrow SiO_2 \rightarrow P_2O_5 \rightarrow SO_3 \rightarrow Cl_2O_7$$

• 3. Валентность неметаллов в летучих водородных соединениях сначала возрастает, а затем убывает:

$$BH_3\text{ (III)} \rightarrow CH_4\text{ (IV)} \rightarrow NH_3\text{ (III)} \rightarrow H_2O\text{ (II)} \rightarrow HF\text{ (I)}$$

• 4. Характер оксидов и гидроксидов закономерно сменяется от основных через амфотерные к кислотным:

$$NaOH\text{ (щёлочь)} \rightarrow Mg(OH)_2\text{ (основание)} \rightarrow Al(OH)_3\text{ (амфотерный гидроксид)} \rightarrow H_2SiO_3 \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow H_2SO_4 \rightarrow HClO_4\text{ (сильнейшая кислота)}$$

Фундаментальный закон природы, определяющий взаимосвязь элементов:

• Историческая классическая формулировка Менделеева (1869 г.):

«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов».

• Современная формулировка (на основе теории строения атома):

«Свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда атомных ядер (порядкового номера $Z$)».

Колоссальная преобразующая роль в развитии мировой науки:

• 1. Объединил разрозненные химические факты в стройную естественную систему взаимосвязи элементов
• 2. Позволил исправить неверно определённые атомные массы ряда элементов (бериллия, индия, титана, урана)
• 3. Обладал прогностической силой: Менделеев оставил пустые клетки в таблице и с поразительной точностью предсказал свойства ещё не открытых элементов — «экаалюминия» (открыт как галлий $Ga$ Лекоком де Буабодраном в 1875 г.), «экабора» (скандий $Sc$, Нильсон, 1879 г.), «экасилиция» (германий $Ge$, Винклер, 1886 г.)

Великий русский учёный-энциклопедист, химик и физик, первооткрыватель фундаментального Периодического закона и создатель стройной системы химических элементов — основы современной химической науки.

• 1 марта 1869 года сформулировал Периодический закон, открыв, что свойства химических элементов и образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс.
• Использовал карточный метод сопоставления всех 63 известных в то время элементов, выделив периоды и группы и проследив закономерное изменение металлических, неметаллических и кислотно-основных свойств веществ.
• Исправил ошибочные атомные массы более двадцати элементов и оставил в таблице пустые клетки, с поразительной точностью предсказав открытие и свойства экаалюминия (галлия), экабора (скандия) и экасилиция (германия).

Французский физик и химик, спектроскопист, первооткрыватель химического элемента галлия, чьё открытие стало первым триумфальным экспериментальным подтверждением Периодического закона Д. И. Менделеева.

• В 1875 году спектроскопическим методом открыл новый элемент галлий, физические и химические свойства которого в точности совпали с предсказанным Менделеевым экаалюминием.
• Первоначально измерил плотность галлия как 4,7 г/см³, но после полученного от Менделеева письма переочистил образец и подтвердил теоретически вычисленное русским химиком значение 5,9 г/см³.
• Публично признал исключительную точность и важность теоретических выводов Менделеева, что вызвало изумление научного мира и доказало фундаментальную силу Периодического закона.

Д. И. Менделеев в отличие от своих предшественников отказался от искусственного деления элементов только на металлы и неметаллы и положил в основу классификации два объективных фундаментальных и постоянных признака:

• Величина относительной атомной массы (атомный вес) — количественный признак, не меняющийся при химических превращениях элемента в любые соединения;
• Химические свойства элементов и формы образуемых ими соединений (состав и свойства высших оксидов, гидроксидов, летучих водородных соединений, валентность) — качественный признак генетического родства.

1. История открытия:

Работая над фундаментальным учебником «Основы химии», Менделеев выписал на отдельные картонные карточки все 63 известных на тот момент элемента с указанием их атомных весов и важнейших свойств соединений. Раскладывая эти карточки в виде химического «пасьянса» в порядке возрастания атомных масс, он обнаружил, что через равные промежутки (периоды) сходные свойства закономерно повторяются (за щелочным металлом следует щелочноземельный, затем амфотерный элемент, неметаллы, галоген, и далее скачок к новому щелочному металлу). 1 марта 1869 года был завершён первый рукописный вариант таблицы «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве».

2. Современная формулировка закона:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов атомных ядер (порядкового номера элемента $Z$).

В периоде слева направо по мере возрастания относительной атомной массы (и заряда ядра):

• Металлические свойства: закономерно ослабевают (от типичных щелочных металлов к амфотерным элементам и неметаллам);
• Неметаллические свойства: закономерно усиливаются (достигая максимума у галогенов VIIA-группы перед благородным газом);
• Валентность элементов в высших оксидах: монотонно возрастает от I до VII (равна номеру группы, например: $Na_2^{\text{I}}O \rightarrow Mg^{\text{II}}O \rightarrow Al_2^{\text{III}}O_3 \rightarrow Si^{\text{IV}}O_2 \rightarrow P_2^{\text{V}}O_5 \rightarrow S^{\text{VI}}O_3 \rightarrow Cl_2^{\text{VII}}O_7$);
• Валентность элементов в высших гидроксидах: также возрастает от I до VII в полном соответствии с валентностью в высших оксидах ($Na^{\text{I}}OH \rightarrow Mg^{\text{II}}(OH)_2 \rightarrow Al^{\text{III}}(OH)_3 \rightarrow H_2Si^{\text{IV}}O_3 \rightarrow H_3P^{\text{V}}O_4 \rightarrow H_2S^{\text{VI}}O_4 \rightarrow HCl^{\text{VII}}O_4$);
• Характер высших гидроксидов: ступенчато изменяется от сильных оснований (щелочей) через нерастворимые основания и амфотерные гидроксиды к кислотам, причём сила кислот нарастает от слабых к сверхсильным ($NaOH$ [сильная щёлочь] $\rightarrow Mg(OH)_2$ [слабое основание] $\rightarrow Al(OH)_3$ [амфотерный гидроксид] $\rightarrow H_2SiO_3$ [слабая кислота] $\rightarrow H_3PO_4$ [кислота средней силы] $\rightarrow H_2SO_4$ [сильная кислота] $\rightarrow HClO_4$ [очень сильная кислота]).