Систематизация химических элементов. Периодический закон Д.И.Менделеева

Русский ученый Д.И. Менделеев в 1869 г. открыл периодический закон химических элементов при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных весов. Термин «периодический закон* Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку. Периодический закон: «свойства элементов, а потому и свойств образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Графическим (табличным) выражением периодического закона явилась разработанная Менделеевым Периодическая система элементов.

Физический смысл периодического закона был вскрыт лишь после выяснения того, что заряд ядра атома возрастает при переходе от одного химического элемента к соседнему (в периодической системе) на единицу элементарного заряда. Численно заряд ядра равен порядковому номеру (атомному номеру Z) соответствующего элемента в периодической системе, т.е. числу протонов в ядре, в свою очередь равному числу электронов, соответствующего нейтрального атома. Химические свойства атомов определяются структурой их внешних электронных оболочек, периодически изменяющейся с увеличением заряда ядра, и, следовательно, в основе периодического закона лежит представление об изменении заряда ядра атомов, а не атомной массы элементов. Наглядная иллюстрация периодического закона — кривые периодические изменения некоторых физических величин (ионизационных потенциалов, атомных радиусов, атомных объемов) в зависимости от Z.Какого-либо общего математического выражения периодического закона не существует.

Периодический закон имеет огромное естественнонаучное и философское значение. Он позволил рассматривать все элементы в их взаимной связи и прогнозировать свойства неизвестных элементов. Благодаря периодическому закону многие научные поиски (например, в области изучения строения вещества в химии, физике, геохимии, космохимии, астрофизике) получили целенаправленный характер. Периодический закон – яркое проявление действия общих законов диалектики, в частности закона перехода количества в качество.

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева как естественная классификация химических элементов, являющаяся табличным (графическим) выражением периодического закона, была разработана Д.И. Менделеевым в 1869—1871 гг.

Попытки систематизации химических элементов предпринимались различными учеными в Германии, Франции, Англии, США с 30-х годов XIX в. Предшественники Менделеева: И. Деберейнер, Ж. Дюма, французский химик А. Шанкуртуа, английские химики У. Одлинг, Дж. Ньюлендс и др. установили существование групп элементов, сходных по химическим свойствам, так называемых «естественных групп» (например, «триады» Деберейнера). Однако ЭТИ ученые не шли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В 1864 г. Л. Мейер на основании данных об атомных весах предложил таблицу, показывающую соотношение атомных весов для нескольких характерных групп элементов. Теоретических обобщений из своей таблицы Мейер не сделал.

Прообразом научной Периодической системы элементов явилась таблица «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», составленная Менделеевым 1 марта 1869 г. На протяжении последующих двух лет автор совершенствовал эту таблицу: ввел представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить емкость малых и больших периодов, содержащих, по его мнению, соответственно по 7 и 17 элементов. В 1870 г. он назвал свою систему естественной, а в 1871 г. - периодической. Уже тогда структура Периодической системы элементов приобрела во многом современные очертания.

Чрезвычайно важным для эволюции Периодической системы элементов оказалось введенное Менделеевым представление о месте элемента в системе; положение элемента определяется номерами периода и группы. Опираясь на это представление, Менделеев пришел к выводу о необходимости изменения принятых тогда атомных весов некоторых элементов (U, In, Се и его аналогов), в чем состояло первое практическое применение Периодической системы элементов, а также впервые предсказал существование и основные свойства нескольких неизвестных элементов, которым соответствовали незаполненные клетки Периодической системы элементов. Классическим примером является предсказание «экаалюминия» (будущего Gа, открытого П. Лекоком де Буабодраном в 1875 г.), «экабора» (Sс, открытого шведским ученым Л. Нильсоном в 1879 г.) и «экасилиция» (Gе, открытого немецким ученым К. Винклером в 1886 г.). Кроме того, Менделеев предсказал существование аналогов марганца (будущие Тс и Не), теллура (Ро), йода (Аt), цезия (Fr), бария (Rа), тантала (Та).

Периодическая система элементов не сразу завоевала признание как фундаментальное научное обобщение. Положение существенно изменилось лишь после открытия Gа, Sс, Gе и установления двухвалентности Ве (он долгое время считался трехвалентным). Тем не менее Периодическая система элементов во многом представляла эмпирическое обобщение фактов, поскольку был неясен физический смысл периодического закона, и отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элемент в зависимости от возрастания атомных весов. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории Периодической системы элементов многие факты не удавалось объяснить. Так, неожиданным явилось открытие в конце XIX в. инертных газов, которые, казалось, не находили места в Периодической системе элементов; эта трудность была устранена благодаря включению в Периодическую систему элементов самостоятельной нулевой группы (впоследствии VIIIа-подгруппы). Открытие многих «радиоэлементов» в начале XX в. привело к противоречию между необходимостью их размещения в Периодической системе элементов и ее структурой (для более чем 30 таких элементов было 7 «вакантных» мест в шестом и седьмом периодах), Это противоречие было преодолено в результате открытия изотопов. Наконец, величина атомного веса (атомной массы) как параметра, определяющего свойства элементов, постепенно утрачивала свое значение.

Одна из главных причин невозможности объяснения физического смысла периодического закона и Периодической системы элементов состояла в отсутствии на тот момент теории строениям атома. Поэтому важнейшей вехой на пути развития Периодической системы элементов явилось создание планетарной модели атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г. На ее основе голландский ученый А. ван ден Брук высказал предположение (1913), что порядковый номер элемента в Периодической системе элементов (атомный номер Z) численно равен заряду ядра атома (в единицах элементарного заряда). Это было экспериментально подтверждено Г. Мозли (1913—1914). Так удалось установить, что периодичность изменения свойств элементов зависит от атомного номера, а не от атомного веса. В результате на научной основе была определена нижняя граница Периодической системы элементов (водород как элемент с минимальным Z=1); точно оценено число элементов между водородом и ураном; установлено, что «пробелы» в Периодической системе элементов соответствуют неизвестным элементам с Z =43;61;72;75;85;87.

Оставался, однако, неясным вопрос о точном числе редкоземельных элементов, и (что особенно важно) не были вскрыты причины периодического изменения свойств элементов в зависимости от Z. Эти причины были найдены в ходе дальнейшей разработки теории Периодической системы элементов на основе квантовых представлений о строении атома. Физическое обоснование периодического закона и открытие явления изотонии позволили научно определить понятие «атомная масса» («атомный вес»).

Таким образом, периодический закон стал одним из основных в системе естествознания. Именно в его рамках раскрывается взаимосвязь различных уровней материи: электронов, атомов, молекул, кристаллов. Введение порядкового или атомного номера в качестве фундаментальной характеристики элемента позволило ввести уточнение многих других свойств химических элементов, «например: установить взаимную связь между физическими (плотность, электролиз и др.) и химическими свойствами, оценить их изменения в зависимости от атомного номера.

Если периодический закон дал исходные теоретические принципы для обобщения экспериментальных данных в физике микромира, то развитие физических наук, в свою очередь, способствовало углублению содержания периодического закона. Именно физические исследования показали: по мере возрастания зарядов ядер в атомах элементов происходит последовательное увеличение количества электронов в виде периодического повторения исходных группировок во внешних слоях электронных оболочек. Тем самым периодичность получает подтверждение на микроуровне.