Михаил Бармин - Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач

Девиз: «ПЕРИОДИЧЕСКОМУ ЗАКОНУ

НЕ ГРОЗИТ РАЗРУШЕНИЕ, А ОБЕЩАЮТСЯ

ТОЛЬКО НАДСТРОЙКА И РАЗВИТИЕ». Д.И. Менделеев.

ЛЕКЦИЯ 3

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИCTЕМА

ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

План:

1. Открытие закона 2.  Структура таблицы

3.  Формирование закона 4.  Значение закона

I. Предпосылки открытия периодического закона. Попытки классификации химических элементов.

Периодический закон был открыт (сформулирован) в 1869 году Д.И. Менделеевым. К тому времени было уже известно более 60-ти химических элементов. По мере открытия новых элементов подтверждалась мысль о том, что многообразие окружающего мира обусловлено различными качественными и количественными сочетаниями химических элементов. Вполне закономерными были попытки исследователей выявить вза-имосвязь между химическими элементами как с качественной, так и с количественной стороны.

По мере накопления фактов об элементах возникла необходимость в их классификации. Вначале ученые пытались все химические элементы разделить на две группы – металлы и неметаллы (А.Лавуазье, Й.Я. Берцелиус). При изучении важнейших классов неорганических соединений выяснилось, что типичные металлы отличаются от типичных неметаллов не только по физическим, но и по химическим свойствам. Типичные металлы, как например кальций Ca, образуют основные оксиды, которым соответствуют основания:

2Ca + O 2→ 2CaO

металл основной оксид (кальций) (оксид кальция)

CaO + H 2O → Ca(OH) 2

основной оксид основание

Неметаллы, например сера S, образуют кислотные оксиды, которым соответствуют кислоты:

2S + 3O 2→ 2SO 3

неметалл (сера) – кислотный оксид (оксид серы)

SO 3+ H 2O → H 2SO 4

кислотный оксид – кислота (серная)

Металлы, как правило, реагируют с кислотами, замещая в них атомы водорода H, с образованием солей. Для неметаллов реакция с кислотами нехарактерна.

Позже выяснилось, что классификация химических эле-ментов на металлы и неметаллы является неполной. Так как, существуют химические элементы, которые проявляют двойственную природу. Оксиды и гидроксиды этих элементов способны реагировать и с кислотами и со щелочами (такие оксиды

гидроксиды называются амфотерными)

1817 году немецкий химик И.В. Деберейнер на основе сходства некоторых элементов расположил их отдельными триадами (Li, Na, K и Ca, Sr, Ba). При этом он впервые обнаружил, что атомная масса среднего элемента равна среднеарифметической сумме атомных масс крайних. Эта работа была одной из первых по систематизации элементов в зависимости от атомной массы, признанной основной количественной характеристикой элемента.

Предшественники Д.И. Менделеева обнаружили группы элементов, сходных по химическим свойствам, причем разница между атомными массами родственных элементов в группе равна некоторой постоянной величине.

Однако эти авторы не пошли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В одних случаях различные естественные группы сопоставлялись чисто эмпирически, в рамках единой таблицы, а в других делались попытки поиска конкретных закономерностей.

Работы предшественников подготовили почву для открытия Д.И. Менделеева.

II. Открытие периодического закона Д.И. Менделеевым, составление системы.

Как и предшественники, Д.И. Менделеев в качестве основной характеристики, однозначно определяющей химический элемент, выбрал атомную массу. Однако, Д.И. Менделеев искал закономерности в изменении атомных масс не только химичес-ки сходных элементов внутри одной естественной группы, но и между несходными элементами. Сопоставив крайне противоположные в химическом отношении, но близкие по величине атомной массы элементы таких групп, как щелочные металлы и галогены, и написав первые под вторыми, Д.И. Менделеев расположил под и над ними другие группы сходных элементов в порядке изменения их атомных масс. Оказалось, что элементы этих естественных групп образуют общий закономерный ряд, причем химические свойства элементов периодически повторяются. При этом обнаружилось, что распределение элементов по величине их атомной массы не только не противоречит их сходству, а наоборот, прямо на него указывает.

1 марта (18 февраля по старому стилю) 1869 года Д.И. Менделеев разослал химикам набросок периодической системы химических элементов под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Эта дата считается датой построения периодической системы элементов.

При изучении свойств химических элементов Д.И. Менделеев уделял особое внимание характеру изменения этих свойств у элементов аналогов и сходных соединений, которые вели к количественной оценке изучаемых явлений.

К таким свойствам относились атомная масса, кристаллическая форма, плотность, атомный объем и форма соединений.

Первый вариант системы элементов позволил Д.И.Менделееву сделать основные выводы из нее:

свойства элементов, расположенных в соответствии с величиной атомной массы, изменяются периодически;

величина атомной массы определяет характер элемента;

элементы с малыми атомными массами типические, они наиболее распространены в природе, свойства их выражены резко;

можно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел (элементов);

можно иногда уточнять атомные массы элементов, на основе их аналогов;

по величине массы атомов могут быть найдены аналоги элементов. На основании этих выводов и сформулирован закон.

Открытие, сделанное Д.И. Менделеевым, стало лишь на-чалом разработки естественной системы химических эле-ментов. Был установлен главный принцип: физические и химические свойства простых веществ и соединений составляют периодическую функцию атомной массы всех элементов. Д.И. Менделеев так сформулировал закон:

«Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от их атомного веса».

Периодическая система является графическим (табличным) изображением периодического закона.

В 1870 году Менделеев публикует второй вариант системы элементов под названием «Естественная система элементов». По своей форме этот вариант значительно отличался от первого. Горизонтальные ряды элементов–аналогов первого варианта превратились здесь в вертикальные. Кроме того, произошло уплотнение, сдваивание родственных рядов и образовалось 8 групп элементов, чего не было в первом варианте системы. Номера групп указывали на высшую валент-ность по кислороду элементов трех рядов, которые включены в эти группы.

Шесть вертикальных столбцов первого варианта прооб-разы периодов – превратились в периоды, более близкие к современным. Теперь каждый период начинался щелочным металлом и заканчивался типичным неметаллом–галогеном. Второй вариант системы, конструктивно более современный, позволил Д.И. Менделееву предсказать существование 11-ти новых не открытых элементов. Эти элементы Менделеевым были названы «экабор», «экасилиций», «эка-алюминий» и т. д. «Эка» означает подобный, одно и то же. Таким путем Д.И. Менделеев обозначал элементы, которые по своим свойствам должны быть близки бору (B), алюминию (Al), кремнию (Si) и т.д. Уже при жизни Менделеева были открыты новые элементы, которые подтвердили истинность закона и укрепили его в науке. Это было началом триумфа периодического закона.