Основа периодической систематизации элементов
После того, как были открыты многие химические элементы и изучены свойства их соединений, встал вопрос о классификации элементов и систематизации их свойств. Попытки построить классификационные схемы осуществлялись на протяжении всей первой половины XIX в., пока в 1869 г. великий русский ученый Д.И. Менделеев не опубликовал свой «Опыт классификации элементов, основанной на их атомном весе и химическом сродстве» – первый вариант Периодической системы элементов. Объясняя принципы построения Периодической системы, Менделеев сформулировал свой Периодический закон следующим образом:
Свойства элементов, простых тел и их соединений находятся в периодической зависимости от их атомных весов (масс).
Периодическая система элементов явилась обобщением огромного объема экспериментального материала. При этом Менделеев критически осмысливал имеющиеся в его распоряжении данные и, основываясь на только что открытом законе, вносил при необходимости коррективы.
Если в Периодической системе следующий по возрастанию атомного веса элемент не подходил по химическим свойствам, Менделеев оставлял в этом месте пропуск, предполагая, что на его месте должен находиться еще неоткрытый элемент. Уже в первом варианте Периодической таблицы оказалось восемь таких пропусков. Пользуясь методом интерполяциисвойств, Менделеев подробно описал свойства трех из них экабора, экаалюминия, экасилиция, по соседству с которыми находились хорошо изученные элементы. Вскоре эти элементы были открыты и получили, соответственно, названия скандий, галлий, германий. Их свойства с большой точностью совпали с предсказанными Менделеевым, что можно показать на примере германия (табл. 1).
Успех сформулированного Менделеевым периодического закона и таблицы элементов получил признание и способствовал заметному развитию химической науки. Лишь позднее спустя 30-50 лет он получил физическое осмысление с развитием квантовой механики.
Таблица 1–Предсказания Менделеева о свойствах элемента экасицилия (германия)
| Свойства элементов и их соединений | Предсказанные Менделеевым свойства экасилиция (Es) | Германий (Ge) и его соединения |
| Относительная атомная масса | 72,6 | |
| Внешний вид | серый металл | серый металл |
| Температура плавления, °С | Высокая | |
| Плотность, г/см3 | 5,5 | 5,36 |
| Взаимодействие с кислотами и щелочами | устойчив к кислотам и щелочам | не взаимодействует с HCl и NaOH, реагирует с HNO3 |
| Формула оксида и его плотность, г/см3 | EsO2, 4,7 | GeO2, 4,70 |
| Формула хлорида | EsCl4 | GeCl4 |
| Температура кипения хлорида, °С | ||
| Плотность хлорида, г/см3 | 1,9 | 1,88 |
Физическое обоснование Периодического закона
Открытие Д.И. Менделеева – пример гениального эмпирического обобщения. Причины периодического изменения свойств элементов не были ясны, да этого и не могло быть при том уровне развития науки, т.к. еще не имелось никаких данных обэлектроне истроении атом. Как известно, Резерфорд, предложив планетарную модель атома, сумел установить, что заряд ядра в элементарных зарядах составляет примерно половину его атомной массы.Более точно заряды атомных ядер могут быть определены по рентгеновским спектрам элементов. Впервые эти исследования провел Мозли (1912 г.). Оказалось, что заряд ядра (количество электронов в атоме) совпадает с порядковым номером элемента в Периодической системе. Поэтому современная формулировка Периодического закона следующая:
Свойства химических элементов, образованных ими простых и сложных веществ, находятся в периодической зависимости от заряда их ядер или порядкового номера в таблице Менделеева.
Наконец, с открытием электронного строения атомов (30-40 гг. 20 в.), стала ясна глубокая физическая сущность Периодического закона и таблицы Менделеева – свойства и положение элементов зависит от периодичности электронного строения атомов. Принципиальный подход к построению таблиц единый – элементы располагаются в порядке возрастания заряда ядер их атомов. Физической основой структуры периодической системы элементов служит определенная последовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере роста порядкового номера элемента.В зависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронами последним, различают 4 типа элементов:s-элементы – последним заполняется s-подуровень внешнего энергетического уровня;p-элементы – p–подуровень внешнего энергетического подуровня;d-элементы – d–подуровень предпоследнего энергетического уровня; f-элементы – f–подуровень третьего снаружи уровня.
Элементы со сходной электронной конфигурацией внешних энергетических уровней обладают и сходными химическими свойствами.
Изучение взаимопревращения веществ, получение новых материалов, теоретическое исследование связей между атомами, ионами и молекулами в веществах, предвидение практического использования новых элементов – все это базируется на знании периодичности в изменении свойств элементов и их соединений.
Наглядным выражением Периодического закона служит Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ). К настоящему времени предложено большое число вариантов ПСХЭ, наиболее общепризнанными являются короткая и длинная системы.