Открытие Периодического закона Д.И.Менделеевым

Металлы и силикаты, оксиды и углеводы, вода и белки Как сильно различаются они по составу, свойствам, строению. Поистине удивительно многообразие веществ, из которых состоит окружающий нас мир. А если принять во внимание и химические соединения, которые не существуют в природе, но полученные учеными в лабораториях, в списки уже известных веществ придется включать миллионы наименований. И эти списки непрерывно расширяются

В этом безбрежном море было бы невозможно ориентироваться, если бы не было в руках ученых надежного «компаса». Все вещества образованы лишь из нескольких десятков химических элементов, а сами элементы беспрекословно подчиняются единому закону. Этот важный закон – Периодический закон,- открытый в 1869г. великим русским химиком Д. И. Менделеевым, служит одним из краеугольных камней фундамента, на котором зиждется химическая наука.

Меня привлекла тема "Д. И. Менделеев и Периодический закон" тем, что захотелось подробно узнать и понять личность великого ученого, открытие им Периодического закона.

Предпосылки открытия

Периодического закона Д. И. Менделеева.

Еще на заре цивилизации люди находили в природе некоторые химические элементы, среди них медь, железо, серебро, золото и др. Эти металлы, в частности медь и железо, имели такое большое значение в жизни человека, что в честь них были названы целые исторические эпохи (бронзовый и железный века).

Значительный вклад в разработку атомических учений внесли древнегреческие философы: Демокрит (460-370гг. до н. э.), Эпикур (341-270гг. до н. э.), Аристотель (384-322гг. до н. э.). Атомистическая теория древнегреческих философов была результатом строго логичного рассуждения о первоначалах природы, о важнейших принципах жизни. Необходимо было найти единое, неизменное, неуничтожимое в многообразии окружающих вещей. Так возникла мысль о мельчайших, неделимых, неуничтожаемых телах (атомах), составляющих любую вещь.

Последовавшие затем почти тысячелетнее засилье религии и мракобесия привело к тому, что атомистика была предана забвению и возродилась лишь в XVII в. на качественно новом уровне.

Роберт Бойль (1627-1691гг.), английский физик и химик, внес большой вклад в становление химии как науки. Главная заслуга Бойля состоит в том, что он стал рассматривать химические элементы не как некие отвлеченные понятия, а как реально существующие частицы. Он считал, что в действительности химических элементов может быть немного – и тем самым нацеливал на их поиск в природе. Р. Бойль дал принципиально новое понятие о химическом элементе как строго индивидуальном материальном теле, состоящем из атомов. Ключ Бойля "состав – свойства" открывал путь химическому производству веществ с заданными свойствами.

Якоб Берцелиус (1779-1848гг.), шведский химик, определил атомные массы 45 химических элементов в 1818г. Опубликовал их в виде таблице. В том же году он провел сопоставление процентного состава 2000 химических соединений и указал их "атомные веса" (он не пользовался понятием "молекула", а рассматривал молекулы как атомы различной степени сложности). Для обозначения химических элементов Берцелиус предложил использовать начальные буквы их латинских названий. По его мнению, для обозначений химических соединений следовало использовать буквы и цифры, чтобы их легко можно было писать и печатать. Они должны были наглядно отражать соотношение элементов в соединениях, указывать относительные количества составных частей, образующих вещество, и, наконец, выражать численный результат анализа так же просто и понятно, как алгебраические формулы. Берцелиус открыл новые химические элементы: церий, селен и торий. Ему первому удалось получить в свободном состоянии кремний, титан, тантал, цирконий, а также ванадий.

Иоганн Деберейнер (1780-1849гг.), немецкий химик, при сопоставлении атомных весов некоторых химически сходных элементов нашел, что для многих широко распространенных в природе элементов эти числа довольно близки, а для таких элементов, как Fe, Co, Ni, Cr, Mn, они практически одинаковы. Кроме того, он отметил, что относительный "атомный вес" SrO представляет собой приблизительное среднее арифметическое из "атомных весов" CaO и BaO. На этой основе Деберейнер предложил "закон триад", состоящий в том, что сходные по химическим свойствам элементы могут быть сведены в группы по три элемента (триады), например Cl, Br, J или Sr, Ca, Ba. При этом атомный вес среднего элемента триады близок к половине суммы атомных весов крайних элементов.

Другие химики интересовались закономерностями в изменении значений атомных масс в группах сходных элементов. Первой из таких сопоставлений была так называемая "винтовая линия" А. де Шанкуртуа. В своих сообщениях он сделал попытку сопоставить свойства элементов в виде кривой. Он нанес на боковую поверхность цилиндра линию под углом 45° к его основанию. Поверхность цилиндра разделена вертикальными линиями на 16 частей (атомная масса кислорода равна 16). Атомные массы элементов и молекулярные массы простых тел были изображены в виде точек на винтовой линии в соответствующем масштабе. Если развернуть образующую цилиндра, то на плоскости получится ряд отрезов прямых, параллельных друг другу. При таком расположении сходные элементы оказываются друг под другом далеко не всегда. Так, в группу кислорода попадает титан; марганец включен в группу щелочных металлов; железо – в группу щелочноземельных. Однако, "винтовая линия" Шанкуртуа фиксирует и некоторые правильные соотношения между атомными массами ряда элементов, но, тем не менее, не отражает периодичности свойств элементов.

Одной из предпосылок открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в Карлсруэ в 1860г. , когда окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который мы теперь называем относительной атомной массой. Именно это понятие как неизменную характеристику атомов химических элементов Д. И. Менделеев положил в основу своей классификации. Он писал: "Масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и атомными их весами – с другой". Предшественники Д. И. Менделеева сравнивали между собой только сходные элементы, а поэтому и не смогли открыть Периодический закон. В отличие от них Д. И. Менделеев обнаружил периодичность в изменении свойств химических элементов, расположенных в порядке возрастания величин их атомных масс, сравнивая между собой все известные ему, в том числе и несходные, элементы.

Д. И. Менделеев в своем открытии опирался на четко сформулированные исходные положения:

– Общее неизменное свойство атомов всех химических элементов – их атомная масса;

– Свойства элементов зависят от их атомных масс;

– Форма этой зависимости - периодическая.

Рассмотренные выше предпосылки можно назвать объективными, то есть не зависящими от личности ученого, так как они были обусловлены историческим развитием химии как науки.

Но без личностных качеств великого химика, которые составляют субъективную предпосылку открытия Периодического закона, вряд ли он был бы открыт в 1869г. Если бы его открыл какой-нибудь другой химик, вероятно, это произошло бы намного позже. Энциклопедичность знаний, научная интуиция, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого, дар научного предвидения Д. И. Менделеева сыграли свою немалую роль в открытии Периодического закона.

Открытие Д. И. Менделеевым

Периодического закона.

1 марта 1969г. научная общественность всего мира отмечала столетие одного из величайших законов современного естествознания – Периодического закона химических элементов. Наука и техника сделала за этот период гигантские скачки. Казалось бы, значение Периодического закона Д. И. Менделеева должно было потускнеть перед грандиозными достижениями современной науки. Напротив, в наши дни Периодический закон химических элементов представляется рельефнее и значительнее, чем 100 лет назад.

Открытие Периодического закона внесло ясность и порядок в многообразии, и разрозненные сведения о природе и химических свойствах элементах и их соединениях. Химия из эмпирического искусства преобразовалась в подлинную, точную науку. Привычная простота и четкость таблицы Д. И. Менделеева скрывают теперь от нас гигантскую и кропотливую работу по освоению и переработке всего того, что было известно до Д. И. Менделеева. Ему пришлось выполнить грандиозную работу, чтобы стала возможной и осуществимой догадка о существовании закона периодичности свойств элементов.

К 1869г. были открыты только 63 элемента. Из них достаточно хорошо изучены с точно определенными атомными массами только 48, в то время как атомная масса остальных элементов была определена неточно или неверно. Расположив элементы в ряд по возрастанию неверных, или неточно определенных, атомных масс, ни один химик в мире не мог бы обнаружить общей закономерности в их свойствах. Только непостижимая способность обобщения позволила увидеть всеобъемлющую простоту закона. Для этого необходима великая научная смелость, и этой научной смелостью обладал Д. И. Менделеев. Открытый им Периодический закон отвечал самому главному требованию – возможности предсказания нового и предвидения неизвестного. Закон Д. И. Менделеева в этом плане не имеет равных себе.

В самом деле, для того чтобы расположить химические элементы в соответствии с периодическим законом и построить первую Периодическую таблицу, Д. И. Менделеев должен был оставить в ней «пустые» места и принять новые значения атомных масс для многих элементов, т. е. предсказать новые элементы. Для этого нужна уверенность в истинности вновь открытого закона, необходима смелость и решимость, что и отличает Д. И. Менделеева от всех его предшественников.

Более 30 лет Д. И. Менделеев работал над открытием и совершенствованием Периодического закона. Будучи уверенным, что он открыл новый естественный закон природы, Д. И. Менделеев на основании его предсказывает существование 12 неизвестных в то время науке элементов, для трех из них дает подробное описание их свойств, а также свойств их соединений и даже тех способов, при помощи которых они впоследствии могут быть получены.

Все предсказания, сделанные Д. И. Менделеевым на основе Периодического закона, а также исправления атомных масс элементов блестяще подтвердились.

Периодический закон стал законом предвидения в химии. Исследования Д. И. Менделеева дали прочный и надежный фундамент дальнейшего развития науки. Они послужили основой для объяснения строения атомов и их соединения. "Нет ни одного, сколь-либо общего закона природы,- писал Д. И. Менделеев,- который бы основался сразу; всегда его утверждению предшествует много предчувствий, а признание закона наступает не тогда, когда он вполне сознан во всем его значении, а лишь по утверждению его следствий опытами, которые естествоиспытатели должны признавать высшею инстанциею своих соображений и мнений". Вполне естественно, что открытию такого всеобъемлющего закона природы также предшествовал длительный этап "предчувствий". До Д. И. Менделеева было много ученых, которые предлагали свои таблицы и графики элементов и отдельные частные закономерности о соотношении свойств элементов. Не случайно, что некоторые из них после открытия Д. И. Менделеевым выступали с претензиями на первенство открытия. Большое значение для установления периодичности химических элементов имело точное определение основных химических понятий "элемент" и "простое тело". Большая заслуга в определении этих понятий принадлежит Д. И. Менделееву, который, в отличие от своих предшественников, создал систему элементов, а не простых тел или эквивалентов. "Разнообразные периодические отношения принадлежат элементам,- писал Д. И. Менделеев,- а не простым телам, и это весьма важно заметить, потому что Периодический закон относится к элементам, так как им свойствен атомный вес, а простым телам, как и сложным, частичный вес". В то время почти все предшественники Д. И. Менделеева в своих поисках пользовались весьма расплывчатыми понятиями элемента и простого тела и зачастую оперировали не только истинными атомными массами, а эквивалентами. При существовавшей путанице таких понятий, как "атомная масса", "молекулярная масса", "эквивалент", многие химики, занимавшиеся поиском закономерностей между элементами, естественно, не могли обнаружить внутренней связи между их физическими и химическими свойствами. Так, например, У. Одлинг в 1865г. в своей книге "Курс практической химии" дал таблицу, озаглавив ее "Атомные веса и знаки элементов". Эта таблица внешне была сходна с первой таблицей Д. И. Менделеева. Однако сходство было чисто вешним, и поэтому Д. И. Менделеев справедливо указал, что У. Одлинг ничего не говорит о смысле своей таблице и нигде о ней не упоминал.

Все предшественники Д. И. Менделеева не смогли сделать всеобъемлющих обобщений из отмеченных ими закономерностей.

В течение многих лет Д. И. Менделеев выполнял гигантскую работу. В центре его внимания в эти годы было изучение связи химических свойств веществ с их физической структурой – центральная проблема, над которой работали химики того времени.

Деятельность в этой области и подготовила Д. И. Менделеева к открытию периодической закономерности в изменении свойств элементов. Читая курс неорганической химии, в 1868г. он приступил к составлению учебника "Основы химии", который был издан в 1869г. Работая над ним, Д. И. Менделеев искал логическую основу для распределения материала второй части своего курса. Поиски привели его к мысли сопоставить группы сходных элементов. При этом он заметил, что все элементы можно расположить в порядке возрастания атомных масс, объединив их в группы. Таким образом, и появилась первая таблица элементов, озаглавленная "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве". Д. И. Менделеев сразу же понял, что эта таблица не просто служит обоснованием логического плана расположения материала курса, а отражает определенный закон природы, устанавливающий тесную связь между всеми известными элементами.

6 марта 1869г. составленная Д. И. Менделеевым таблица была доложена на заседании Русского химического общества, а затем опубликована в журнале "Русское химическое общество".

В 1871г. он опубликовал две классические статьи о Периодическом законе: "Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов" и "Периодическая закономерность химических элементов". Эти статьи явились обобщением огромной работы, выполненной Д. И. Менделеевым по уточнению формулировки открытого им закона и важнейших следствий и выводов из него. Здесь ученый впервые называет свое открытие Периодическим законом.

Излагая сущность открытого им закона, он формулировал его в следующих словах: "свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов". Появление в русской и иностранной печати сообщений и статей Д. И. Менделеева по периодическому закону, а также рефератов его статей и выход в свет "Основ химии", первого в истории курса, в котором расположение материала базировалось на Периодическом законе, мало обратило внимание со стороны ведущих химиков того времени.

Однако прошло всего лишь около 4 лет со времени предсказаний Д. И. Менделеева, как одно из них получило блестящее подтверждение. Известный французский химик-аналитик Лекок де Буабодран 27 августа 1875г. сообщил об открытии нового элемента, названного им галлием, и описал его свойства. Ознакомившись с работой французского ученого, Д. И. Менделеев тотчас пришел к выводу, что новый элемент есть не что иное, как предсказанный им экаалюминий. Он немедленно направил письмо Лекок де Буабодрану и заметку во французский журнал ("Доклады Парижской Академии наук"). Лекок де Буабодран был удивлен этим письмом и заметкой, опубликованной в журнале. Он не слышал о существовании химика Д. И. Менделеева и к тому же считал, что свойства нового элемента может лучше знать он, который открыл и экспериментально изучил их. Д. И. Менделеев писал, что определение Лекок де Буабордраном плотности этого элемента неточно; по расчетам Д. И. Менделеева, плотность галлия должна быть равна 6. Лекок де Буабодран повторил определение плотности элемента и нашел, что она равна 5,96.

Открытие галлия было блестящим доказательством предсказаний Д. И. Менделеева и произвело огромное впечатление в ученом мире. Его статьи, которые ранее оставались почти не замеченными, теперь привлекли всеобщее внимание.

В 1879г. шведский химик Л. Нильсон при исследовании минералов эвксенита и гадолинита открыл новый элемент, названный им скандием. Свойства этого элемента оказались в точности совпадающими с теми, которые были предсказаны Д. И. Менделеевым на основании периодического закона.

И, наконец, немецкий химик, профессор Горной академии во Фрейберге К. А. Винклер, анализируя минерал аргиродит, обнаружил в нем новый неизвестный элемент и назвал его германием. Свойства германия совпадали с предсказаниями Д. И. Менделеевым свойствами экасилиция.

Эти открытия были блестящим триумфом Периодического закона. Скептицизм и сомнения, существовавшие у некоторой части ученых по отношению к Периодическому закону, сменились полнейшей уверенностью в его величайшем научном значении. Периодический закон стал прочной базой для разнообразных исследований химиков и физиков всего мира. Настала эпоха систематического изучения всех элементов и возможных новых типов их соединения.

К концу прошлого столетия Периодический закон стал общепризнанным. Лежащие в его основе представления о вечности, неизменности атомов и уверенность, что относительная масса атомов одного и того же элемента строго одинакова, казались незыблемыми. Ученые-химики считали своей задачей открытие еще неизвестных элементов, которые должны занять пустующие клетки в Периодической системе Д. И. Менделеева. Однако новые блестящие открытия ученых подвергли Периодический закон серьезным испытаниям. Так, в 1892г. английский физик Р. Дж. Рэлей, исследуя плотность газов воздуха, нашел новый элемент, который был назван аргоном. В следующем году открыт еще один инертный газ – гелий, присутствие которого задолго до этого было спектроскопически обнаружено в солнечной атмосфере. Эти открытия поставили несколько в тупик Д. И. Менделеева, так как для этих элементов не находилось места в Периодической системе. Другой английский физик и химик У. Рамзай предложил аргон и гелий разместить в периодической системе в особый нулевой группе. У. Рамзай предсказал одновременно существование и других инертных газов и, пользуясь методом Д. И. Менделеева, заранее описал их возможные свойства. Действительно, вскоре были открыты неон, криптон и ксенон. Они составили нулевую группу инертных элементов и тем самым были существенным дополнением к Периодической системе. В настоящее время эти элементы формально нельзя назвать инертными, так как получены соединения для криптона и ксенона. Поэтому их теперь размещают в VIII группе Периодической системы.

Одним из важных следствий Периодического закона является современное учение о строении атома.

В конце XIX столетия был открыт электрон. Возникли первые модели строения атома, в основу которых положили гипотезу о равномерном распределении положительного и отрицательного электричества. Э. Резерфорд с помощью опытов сделал вывод, что основная масса вещества сосредоточена в ядре атома. Ядро же атома по сравнению с объемом всего атома имеет весьма малый объем. Весь положительный заряд сосредоточен в ядре. Вокруг положительно заряженного ядра атома движутся отдельные электроны в количестве, равном заряду ядра. На основании опытных данных Э. Резерфорд рассчитал заряд ядер некоторых атомов. Ван-ден-Брэк, сопоставивший результаты измерения заряда ядра атома, сделал следующее предположение: величина заряда ядра атома каждого химического элемента, измеренная в элементарных единицах заряда, равна атомному номеру, т. е. порядковому номеру, который данный элемент имеет в Периодической таблице.

Этот вывод позволил, наконец, понять истинную природу Периодического закона Д. И. Менделеева. стало ясно, что лежит в основе таблицы Д. И. Менделеева, чем отличаются атомы различных химических элементов и что определяет их химическую индивидуальность. Таким образом, все атомы по своему строению аналогичны, т. е. атом любого химического элемента состоит из ядра и электронов, количество которых определяется зарядом ядра.

В соответствии с теорией Н. Бора электроны в атоме располагаются по слоям, причем было найдено, что количество слоев в атоме элемента соответствует номеру периода Периодической системы.

В свете этих открытий Периодический закон Д. И. Менделеева в настоящее время формулируется так: "Свойства химических элементов находится в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер, или порядкового номера элемента".

Основным и исходным пунктом таких грандиозных успехов в науке за сравнительно короткий срок, является открытие Д. И. Менделеева Периодического закона. В то же время эти открытия не только не умалили, а, наоборот, расширили горизонты Периодического закона, превратили его в могучий инструмент познаний природы. Он стал основой для дальнейшего развития науки. Сбылись пророческие слова Д. И. Менделеева, сказанные в Английском химическом обществе 23 мая 1889г. , о том, что Периодический закон, расширив горизонт зрения, как инструмент требует дальнейших улучшений для того, чтобы ясность видения еще новых дальнейших элементов была достаточна для полной уверенности.

Обращаясь к английским коллегам, он подчеркивал, что Периодический закон ждет не только новых приложений, но и усовершенствований.

Успехи современной химии, успехи атомной и ядерной физики, синтез искусственных элементов стали возможными благодаря Периодическому закону. Вместе с тем успехи атомной физики, а также открытие новых методов исследования, развитие квантовой механики, в свою очередь, расширили и углубили сущность Периодического закона. Развитие науки показало, что Периодический закон до конца еще не познан и не завершен, что он много шире и глубже, чем мог предположить Д. И. Менделеев, чем думали до недавнего времени ученые. Так, оказалось, что закону периодичности подчиняется не только строение внешних оболочек атома, но и тонкая структура атомных ядер. Очевидно, что закономерности, которые управляют сложным и во многом в настоящее время еще не понятым миром элементарных частиц, также имеют в своей основе периодический характер.

Будущее Периодической таблицы.

Попробуем заглянуть в будущее. Рассмотрим нижнюю часть таблицы подробно, введя в нее элементы, открытые в последние годы.

Химические свойства полученного в 1998г. элемента № 114 можно ориентировочно предсказать по положению в Периодической системе. Это – непереходной элемент, находящийся в группе углерода, и по свойствам должен напоминать свинец, расположенный над ним. Впрочем, химические свойства нового элемента недоступны для непосредственного изучения – элемент зафиксирован в количестве нескольких атомов и недолговечен.

У элемента - № 118 – целиком заполнены все семь электронных уровней. Поэтому вполне естественно, что он находится в группе инертных газов – над ним расположен радон. Таким образом, 7-й период таблицы Д. И. Менделеева завершен. Эффектный финал столетия!

В течение всего XXв. человечество в основном заполняло именно этот седьмой период, и сейчас он простирается от элемента № 87 – франция. Попробуем решить другой вопрос. Сколько же всего будет элементов в 8-м периоде? Поскольку прибавление каждого электрона соответствует появлению нового элемента, то просто надо сложить максимальное число электронов на всех орбиталях от s до g: 2+6+10+14+18=50. Долгое время так и предполагали, однако компьютерные расчеты показывают, что в 8-м периоде будет не 50, а 46 элементов. Итак, 8-й период будет простираться от элемента № 119 до № 164.

Внимательное рассмотрение Периодической системы позволяет отметить еще одну простую закономерность. p-Элементы впервые появляются во 2-м периоде, d-элементы – в 4-м, f-элементы – в 6-м. Получился ряд четных чисел: 2, 4, 6. эта закономерность определяется правилами заполнения электронных оболочек. Теперь понятно, почему g-элементы появятся в 8м периоде. Простое продолжение ряда четных чисел! Существует и более дальние прогнозы, но они основаны на достаточно сложных расчетах.

Очень интересно, существует ли теоретически последний элемент Периодической системы? Современные расчеты ответить на этот вопрос пока не могут, так что он наукой еще не решен.

Мы достаточно далеко зашли в наших прогнозах, может быть, даже в XXII в. , что, впрочем, вполне объяснимо. Попытаться бросить взгляд в отдаленное будущее – вполне естественное желание для каждого человека.

Заключение.

Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов

Д. И. Менделеева.

Периодический закон Д. И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Элементы стали рассматриваться во взаимосвязи, в зависимости от того, какое место они занимают в Периодической системе. Как указывал Н. Д. Зелинский, Периодический закон явился "открытием взаимной связи всех атомов в мироздании".

Химия перестала быть описательной наукой. С открытием Периодического закона в нем стало возможным научное предвидение. Появилась возможность предсказывать и описывать новые элементы и их соединения. Блестящий пример тому – предсказание Д. И. Менделеевым существования еще не открытых в его время элементов, из которых для трех – Ga, Sc и Ge – он дал точное описание их свойств.

На основе закона Д. И. Менделеева были заполнены все пустые клетки его системы от элемента с Z=1 до Z=92, а также открыты трансурановые элементы. И сегодня этот закон служит ориентиром для открытия или искусственного создания новых химических элементов.

Периодический закон послужил основой для исправления атомных масс элементов. У 20 элементов Д. И. Менделеевым были исправлены атомные массы, после чего эти элементы заняли свои места в Периодической системе.

Большое общенаучное и философское значение Периодического закона и системы состоит в том, что он подтвердил наиболее общие законы развития природы (единства и борьбы противоположностей, перехода количества в качество, отрицание отрицания).

Учение о строении атома привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человека. Можно без преувеличения сказать, что Периодический закон является первоисточником всех открытий химии и физики XX в. Он сыграл выдающую роль в развитии других, смежных с химией естественных наук.

Периодический закон и система лежат в основе решения современных задач химической науки и промышленности. С учетом Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева ведутся работы по получению новых полимерных и полупроводниковых материалов, жаропрочных сплавов, веществ с заданными свойствами, по использованию ядерной энергии, исследуются недра Земли, Вселенная

Вещие слова Д. И. Менделеева: "Посев научный взойдет доля жатвы народной",- сбылись. В них все помыслы, желания. Великий ученый и патриот, он всегда останется для нас символом честности и трудолюбия, борьбы за интересы народа. Мы, его верные последователи, будем вечно чтить светлое имя Дмитрия Ивановича Менделеева. Я согласна с тем, что "феномен Менделеева" будет еще долго изучаться учеными разных специальностей.

Введение

Трудно себе представить современную науку без открытия Д.И. Менделеева. Данному закону уже чуть менее 150 лет и он продолжает свое триумфальное шествие. Не возможно изучать химию иначе, как на основе периодического закона и периодической системы элементов. Они относятся к таким научным закономерностям, которые отражают явления, реально существующие в природе, и поэтому никогда не потеряют своего значения.

Целью настоящей работы является выяснения условий и хода открытия, сделанного Д.И. Менделеевым, выяснить структуру периодической системы и зависимость свойств элементов, понять схему строения атома химического элемента, определить прогностическую функцию периодического закона.

Свойства простых веществ, а также формы, и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов.

Открытие периодического закона

В начале 19 в. происходит быстрое развитие химической науки. Если в конце 18 века было известно лишь 25 химических элементов (такие H, C, N, О, P, Cl, и прочие), то к 60-м годам 19 века из число равно 63. Параллельно с открытием новых элементов шло накопление сведений об их атомном весе, физических и химических свойствах, что привело к необходимости классификации элементов.

Немецкий ученый Деберейнер в 1829 г. сгруппировал элементы по триадам:

И сформулировал правило триад: атомные веса трех родственных элементов связаны таким образом, что атомный вес среднего элемента является средним арифметическим весов более легкого и более тяжелого.

В 1864 г. английский ученый Ньюленд пытался разбить все известные элементы на октавы:

H, Li, Be, B, C, N, O;

F, Na, Mg, Al, Si, P, S.

Всего до Менделеева было опубликовано свыше 30 работ по систематике элементов. Однако, общего закона, связывающего все химические элементы, эти ученые не открыли, т.к. они изучали закономерности между сходными элементами в естественных группах, а закономерную связь между группами не искали; а так же, пользуясь неверными атомными массами объединяли в одну группу элементы, далекие по химическим свойствам.

17 февраля 1869 г. (по старому стилю) профессор Петербургского университета Дмитрий Иванович Менделеев сделал первый набросок таблицы химических элементов. В этой таблице он расположил элементы в порядке возрастания их атомных весов и проследил периодическую повторяемость их атомных весов:

Менделеев Д.И. назвал его «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом свойстве». Это была самая первая таблица периодической системы элементов.

Но чтобы обнаруженная закономерность могла называться законом и была признана другими учеными как закон, надо было еще много работать. И два с половиной года - а вплоть до декабря 1871 г. - он занимался разработкой своего открытия.

Менделеев видел три обстоятельства, которые, по его мнению, способствовали открытию периодического закона:

• · были более или менее точно определены величины атомных весов большинства химических элементов;
• · появилось четкое понятие о группах сходных по химическим свойствам элементов;
• · к 1869 г. была изучена химия многих редких элементов, без знания которой трудно было бы прийти к какому-либо обобщению.

Менделеев сопоставил между собой все известные элементы о величине атомных весов и логично объединил их в структуре своей таблицы. Он характеризовал течение своего творческого процесса: «Искать же что-либо, хотя бы грибы или какую-нибудь зависимость, нельзя иначе, как смотря и пробуя. Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса, что быстро привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса, причем, сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить было невозможно».

На первой карточке у Менделеева Д.И было написано название, атомный вес и свойства водорода, вторую карточку с атомным весом и свойствами металла лития он поместил под карточкой водорода. На третье место рядом с литием Менделеев Д.И положил карточку, на которой было написано - Ве(9), а не Ве (14), т.к. принял во внимание особенности химических свойств бериллия: они представляли плавный переход от свойств лития к свойствам бора.

Карточку бора Менделеев Д.И поместил на четвертое место. На пятое углерод. На шестом месте - азот, далее следовали кислород и фтор. Девятая же карточка, принадлежащая металлу натрию, была помещена под второй, на которой были написаны химические характеристики металла лития. На следующее место был поставлен магний за ним алюминий. Под углеродом была положена карточка кремния, под кислородом - сера, под фтором - хлор.

Таки образом, в вертикальных рядах оказались химически сходные элементы. Металл литий по своим свойствам похож на металл натрий. Также как бериллий и магний схожи друг с другом - они образуют с металлами очень схожие соединения. Свойства кислорода и серы также сходны между собой. Под карточкой натрия была помещена карточка с очень схожим на натрий калием, и калий стал началом нового ряда. Под магнием Менделеев Д.И. поместил сходный с магнием кальций. Следующим в порядке возрастания атомного веса должен был идти ванадий, но вместо этого Менделеев Д.И рядом с кальцием оставляет пустую карточку. Вслед за пустой карточкой он ставит карточку титана, хотя на тот момент атомный вес титана химиками считался не 48 а 52. Таким образом, Менделеев Д.И предсказал истинное значение атомного веса для титана, также как и для бериллия. После чего, за титаном следует карточка ванадия, а уже далее карточки хрома и марганца. Этот период в таблице Менделеева длинный. За марганцем идут железо (Fe)-56, кобальт (Co)-59, никель(Ni)-59, медь(Cu)-63, цинк (Zn)-65. Но вслед за цинком ученый вновь оставил в своей таблице подряд два пустых места. Далее следовали карточки с мышьяком, селеном и бромом, завершавшим длинный период. При этом карточки мышьяка, селена и брома оказались под сходными с ними элементами конца предыдущего короткого периода, т.е. элементов фосфора, серы и хлора.

В 1871 году в журнале Русского химического общества появилась статья Менделеева Д.И «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». В данной статье он описал три до этого времени неизвестных научному миру химических элемента, причем так обстоятельно, как не смог бы этого сделать иной исследователь, державший в руках их соединения и посвятивший долгие годы изучению их в лаборатории. Этот факт можно назвать великим предсказанием, т.к. менделеевский экаалюминий соответствует галлию, экабор - скандию, экасилиций - германию. Также в данной статье Менделеев Д.И впервые употребляет понятие «закон периодичности», называя свою систему естественной. В том же году появляется очередная статья Менделеева Д.И. под названием «Периодическая законность химических элементов», о которой сам автор впоследствии говорил: «Это лучший свод моих взглядов и соображений о периодичности элементов …..». В данной статье Менделеев Д.И впервые приводит каноническую формулировку периодического закона, просуществовавшую до его физического обоснования: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Периодический закон сформулирован Д. И. Менделеевым в \(1869\) году. К этому времени было известно \(63\) химических элемента. В качестве основного свойства элементов Менделеев выбрал относительную атомную массу . Учитывал также состав, физические и химические свойства образованных элементом простых и сложных веществ.

Расположив все известные химические элементы в порядке возрастания атомных масс, Менделеев обнаружил, что свойства повторяются через определённое число элементов.

Повторим действия Менделеева с учётом того факта, что благородные газы в его время ещё не были известны. Расположим элементы по возрастанию атомной массы (вторая строчка таблицы), укажем металлические и неметаллические свойства, формулы и свойства высших оксидов и гидроксидов, а также формулы газообразных водородных соединений.

Если внимательно проанализировать полученные последовательности, то можно увидеть повторяемость металлических и неметаллических свойств, состава и свойств соединений. Через семь элементов от щелочного металла лития в ряду располагается щелочной металл натрий, а через семь элементов от галогена фтора - галоген хлор. Через семь элементов появляются одинаковые формулы оксидов и водородных соединений, так как повторяются значения валентностей в соединениях с кислородом и водородом. Можем составить их общие формулы.

Формулы высших оксидов: R 2 O , RO , R 2 O 3 , R O 2 , R 2 O 5 , R O 3 , R 2 O 7 .

Летучие водородные соединения (для неметаллов): R H 4 , R H 3 , R H 2 , RH .

Таким образом Менделеев установил периодичность изменения свойств с возрастанием атомной массы. В статье «Периодическая закономерность химических элементов» Д. И. Менделеев дал следующую формулировку периодического закона:

В переводе на современный научный язык это звучит так:

«Свойства простых веществ, а также состав и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс».

Все элементы Менделеев разделил на периоды.

Период - ряд элементов, расположенных в порядке возрастания относительной атомной массы, начинающийся щелочным металлом и заканчивающийся галогеном и инертным газом.

В периоде:

• постепенно ослабляются металлические свойства простых веществ и усиливаются неметаллические;
• высшая валентность элементов по кислороду возрастает от I (у щелочных металлов) до VII (у галогенов);
• валентность элементов неметаллов в летучих водородных соединениях уменьшается от IV до I (у галогенов);
• свойства высших оксидов и гидроксидов постепенно изменяются от основных через амфотерные до кислотных.

Периодический закон получил дальнейшее развитие после изучения физиками строения атома. Оказалось, что главной характеристикой химического элемента является не относительная атомная масса, а заряд ядра атома. Современная формулировка периодического закона несколько изменена:

«Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер».

ОТКРЫТИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

Периодический закон был открыт Д. И. Менделеевым в ходе работы над текстом учебника «Основы химии», когда он столкнулся с трудностями систематизации фактического материала. К середине февраля 1869 г., обдумывая структуру учебника, учёный постепенно пришёл к выводу, что свойства простых веществ и атомные массы элементов связывает некая закономерность.

Открытие периодической таблицы элементов было совершено не случайно, это был результат огромного труда, длительной и кропотливой работы, которая была затрачена и самим Дмитрием Ивановичем, и множеством химиков из числа его предшественников и современников. «Когда я стал окончательно оформлять мою классификацию элементов, я написал на отдельных карточках каждый элемент и его соединения, и затем, расположив их в порядке групп и рядов, получил первую наглядную таблицу периодического закона. Но это был лишь заключительный аккорд, итог всего предыдущего труда…» - говорил учёный. Менделеев подчёркивал, что его открытие было итогом, завершившим собой двадцатилетнее размышление о связях между элементами, обдумывание со всех сторон взаимоотношений элементов.

17 февраля (1 марта) рукопись статьи, содержащая таблицу под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», была закончена и сдана в печать с пометками для наборщиков и с датой «17 февраля 1869 г.». Сообщение об открытии Менделеева было сделано редактором «Русского химического общества» профессором Н. А. Меншуткиным на заседании общества 22 февраля (6 марта) 1869 г. Сам Менделеев на заседании не присутствовал, так как в это время по заданию Вольного экономического общества обследовал сыроварни Тверской и Новгородской губерний.

В первом варианте системы элементы были расставлены учёным по девятнадцати горизонтальным рядам и по шести вертикальным столбцам. 17 февраля (1 марта) открытие периодического закона отнюдь не завершилось, а только началось. Его разработку и углубление Дмитрий Иванович продолжал еще в течение почти трёх лет. В 1870 г. Менделеев в «Основах химии» опубликовал второй вариант системы («Естественную систему элементов»): горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп; шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинавшиеся щелочным металлом и заканчивающиеся галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две - атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеев исправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими, оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы.

В 1871 г. на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.

Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований. В то время, когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Менделеев был не только убеждён, что должны существовать неизвестные еще элементы, которые заполнят эти места, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их положении среди других элементов периодической системы. В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились; все три ожидаемых элемента были открыты (Ga, Sc, Ge), что было величайшим триумфом периодического закона.

Д.И. Менделеевым сдана в набор рукопись «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» // Президентская библиотека // День в истории http://www.prlib.ru/History/Pages/Item.aspx?itemid=1006

РУССКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО

Русское химическое общество – научная организация, основанная при Санкт-Петербургском университете в 1868 г. и представлявшая собой добровольное объединение российских химиков.

О необходимости создания Общества было заявлено на 1-м Съезде русских естествоиспытателей и врачей, состоявшемся в Санкт-Петербурге в конце декабря 1867 – начале января 1868 г. На Съезде было оглашено решение участников Химической секции:

«Химическая секция заявила единодушное желание соединиться в Химическое общество для общения уже сложившихся сил русских химиков. Секция полагает, что это общество будет иметь членов во всех городах России, и что его издание будет включать труды всех русских химиков, печатаемые на русском языке».

К этому времени уже были учреждены химические общества в нескольких европейских странах: Лондонское химическое общество (1841), Химическое общество Франции (1857), Немецкое химическое общество (1867); Американское химическое общество было основано в 1876 г.

Устав Русского химического общества, составленный в основном Д. И. Менделеевым, был утверждён Министерством народного просвещения 26 октября 1868 г., а первое заседание Общества состоялось 6 ноября 1868 г. Первоначально в его состав вошли 35 химиков из Петербурга, Казани, Москвы, Варшавы, Киева, Харькова и Одессы. Первым Президентом РХО стал Н. Н. Зинин, секретарём – Н. А. Меншуткин. Члены общества платили членские взносы (10 руб. в год), приём новых членов осуществлялся только по рекомендации трёх действующих. В первый год своего существования РХО выросло с 35 до 60 членов и продолжало плавно расти в последующие годы (129 – в 1879 г., 237 – в 1889 г., 293 – в 1899 г., 364 – в 1909 г., 565 – в 1917 г.).

В 1869 г. у РХО появился собственный печатный орган – «Журнал Русского химического общества» (ЖРХО); журнал выходил 9 раз в год (ежемесячно, кроме летних месяцев). Редактором ЖРХО с 1869 по 1900 был Н. А. Меншуткин, а с 1901 по 1930 – А. Е. Фаворский.

В 1878 г. РХО объединилось с Русским физическим обществом (основано в 1872 г.) в Русское физико-химическое общество. Первыми Президентами РФХО были А. М. Бутлеров (в 1878–1882 гг.) и Д. И. Менделеев (в 1883–1887 гг.). В связи с объединением с 1879 г. (с 11-го тома) «Журнал Русского химического общества» был переименован в «Журнал Русского физико-химического общества». Периодичность издания составляла 10 номеров в год; журнал состоял из двух частей – химической (ЖРХО) и физической (ЖРФО).

На страницах ЖРХО впервые были напечатаны многие труды классиков русской химии. Можно особо отметить работы Д. И. Менделеева по созданию и развитию периодической системы элементов и А. М. Бутлерова, связанные с разработкой его теории строения органических соединений; исследования Н. А. Меншуткина, Д. П. Коновалова, Н. С. Курнакова, Л. А. Чугаева в области неорганической и физической химии; В. В. Марковникова, Е. Е. Вагнера, А. М. Зайцева, С. Н. Реформатского, А. Е. Фаворского, Н. Д. Зелинского, С. В. Лебедева и А. Е. Арбузова в области органической химии. За период с 1869 по 1930 г. в ЖРХО было опубликовано 5067 оригинальных химических исследований, печатались также рефераты и обзорные статьи по отдельным вопросам химии, переводы наиболее интересных работ из иностранных журналов.

РФХО стало учредителем Менделеевских съездов по общей и прикладной химии; три первых съезда прошли в С.-Петербурге в 1907, 1911 и 1922 гг. В 1919 г. издание ЖРФХО было приостановлено и возобновлено лишь в 1924 г.

Здесь читатель найдет информацию об одном из важнейших законов, когда-либо открытых человеком в научной области - периодическом законе Менделеева Дмитрия Ивановича. Вы ознакомитесь с его значением и влиянием на химию, будут рассмотрены общие положения, характеристика и детали периодического закона, история открытия и основные положения.

Что такое периодический закон

Периодический закон - это природный закон фундаментального характера, который был открыт впервые Д. И. Менделеевым еще в 1869 году, а само открытие произошло благодаря сравнению свойств некоторых химических элементов и величин массы атома, известных в те времена.

Менделеев утверждал, что, согласно его закону, простые и сложные тела и разнообразные соединения элементов зависят от их зависимости периодического типа и от веса их атома.

Периодический закон является уникальным в своем роде и это связано с тем фактом, что он не выражается математическими уравнениями в отличие от других фундаментальных законов природы и вселенной. Графически свое выражение он находит в периодической системе химических элементов.

История открытия

Открытие периодического закона произошло в 1869 году, но попытки систематизировать все известные х-кие элементы начались задолго до этого.

Первую попытку создать такую систему предпринял И. В. Деберейнер в 1829. Он классифицировал все известные ему химические элементы в триады, связанные между собой близостью половины суммы атомных масс, входящих в эту группу трех компонентов. Следом за Деберейнером предприняли попытку создать уникальную таблицу классификации элементов А. де Шанкуртуа, он назвал свою систему «земной спиралью», а после него была составлена Джоном Ньюлендсом октава Ньюлендса. В 1864 практически одновременно Уильям Олдинг и Лотар Мейер опубликовали созданные независимо друг от друга таблицы.

Периодический закон был представлен научному сообществу на обозрение восьмого марта 1869, и произошло это во время заседания Русского х-кого общества. Менделеев Дмитрий Иванович заявил при всех о своем открытии и в том же году был выпущен менделеевский учебник «Основы химии», где впервые была показана периодическая таблица, созданная им. Годом позже, в 1870, он написал статью и отдал ее на обозрение в РХО, где впервые было употреблено понятие периодического закона. В 1871 Менделеев дал исчерпывающую характеристику своего з-на в знаменитой статье периодической законности химических элементов.

Неоценимый вклад в развитие химии

Значение периодического закона невероятно велико для научного сообщества всего мира. Это связано с тем, что открытие его дало мощный толчок развитию, как химии, так и других наук о природе, например, физике и биологии. Открытой была взаимосвязь элементов с их качественными химическими и физическими характеристиками, также это позволило понять суть построения всех элементов по одному принципу и дало начало современной формулировке понятий о химических элементах, конкретизировать знания представление о веществах сложного и простого строения.

Использование периодического закона позволило решать проблему химического прогнозирования, определить причину поведения известных химических элементов. Атомная физика, а в том числе и ядерная энергетика, стали возможными вследствие этого же закона. В свою очередь, данные науки позволили расширить горизонты сущности этого закона и углубиться в его понимание.

Химические свойства элементов периодической системы

По сути, химические элементы взаимосвязаны между собой характеристиками, свойственными им в состоянии свободного как атома, так и иона, сольватированного или гидратированного, в простом веществе и форме, которую могут образовать их многочисленные соединения. Однако х-кие свойства обычно заключаются в двух явлениях: свойства, характерные для атома в свободном состоянии, и простого вещества. К такому роду свойств относится множество их видов, но самые важные это:

1. Атомная ионизация и ее энергия, зависящая от положения элемента в таблице, его порядкового числа.
2. Энергетическое родство атома и электрона, которая так же, как и атомная ионизация, зависит от места нахождения элемента в периодической таблице.
3. Электроотрицательность атома, не носящая постоянное значение, а способная изменяться в зависимости от различного рода факторов.
4. Радиусы атомов и ионов - тут, как правило, используются эмпирические данные, что связано с волновой природой электронов в состоянии движения.
5. Атомизация простых веществ - описание возможностей элемента к реакционной способности.
6. Степени окисления - формальная характеристика, однако фигурирующая как одна из важнейших характеристик элемента.
7. Потенциал окисления для простых веществ - это измерение и показание потенциала вещества к действию его в водных растворах, а также уровень проявления свойств окислительно-восстановительного характера.

Периодичность элементов внутреннего и вторичного типа

Периодический закон дает понимание еще одной немаловажной составной частицы природы - внутренней и вторичной периодичности. Вышеупомянутые области изучения атомных свойств, на самом деле, гораздо сложнее, чем можно подумать. Связано это с тем фактом, что элементы s, p, d таблицы меняют свои качественные характеристики в зависимости от положения в периоде (периодичность внутреннего характера) и группе (периодичность вторичного характера). Например, внутренний процесс перехода элемента s от первой группы до восьмой к p-элементу сопровождается точками минимума и максимума на кривой линии энергии ионизированного атома. Данное явление показывает внутреннюю непостоянность периодичности изменения свойств атома по положению в периоде.

Итоги

Теперь читатель имеет четкое понимание и определение того, что являет собой периодический закон Менделеева, осознает его значение для человека и развития различных наук и имеет представление о его современных положениях и истории открытия.