Возможность научного прогнозирования неизвестных элементов стала реальностью лишь после открытия периодического закона и периодической системы элементов. Д. И. Менделеев предсказал существование 11 новых элементов : экабора, экасилиция, экаалюминия и др. «Координаты» элемента в периодической системе (порядковый номер, группа и период) позволяли ориентировочно предсказать атомную массу, а также важнейшие свойства прогнозируемого элемента. Точность этих предсказаний возрастала особенно тогда, когда прогнозируемый элемент находился в окружении известных и достаточно изученных элементов.
Благодаря этому в 1875 г. во Франции Л. де Буабодран открыл галлий (экаалюминий); в 1879 г. Л. Нильсон (Швеция) открыл скандий (экабор); в 1886 г. в Германии К. Винклер открыл германий (экасилиций).
В отношении неоткрытых элементов девятого и десятого рядов высказывания Д. И. Менделеева были более осторожными, ибо их свойства были изучены крайне слабо. Так, после висмута, на котором обрывался шестой период, были оставлены два прочерка. Один соответствовал аналогу теллура, другой принадлежал неизвестному тяжелому галогену. В седьмом же периоде были известны лишь два элемента - торий и уран. Д. И. Менделеев оставил несколько клеток с прочерками, которые должны были принадлежать элементам первой, второй и третьей групп, предшествующих торию. Пустая клетка была оставлена и между торием и ураном. За ураном было оставлено пять свободных мест, т.е. почти за 100 лет были предвидены трансурановые элементы.
Для подтверждения точности прогнозов Д. И. Менделеева относительно элементов девятого и десятого рядов можно привести пример с полонием (порядковый номер 84). Предсказывая свойства элемента с порядковым номером 84, Д. И. Менделеев обозначил его как аналог теллура и назвал двителлуром. Для этого элемента он предположил атомную массу 212 и способность образовывать оксид типа ЭО э. Этот элемент должен иметь плотность 9,3 г/см 3 и быть легкоплавким, кристаллическим и труднолетучим металлом серого цвета. Полоний, который в чистом виде был получен лишь в 1946 г., представляет собой мягкий легкоплавкий металл серебристого цвета с плотностью 9,3 г/см 3 . По свойствам во многом напоминает тел- лур.
Периодический закон Д. И. Менделеева, будучи одним из важнейших законов природы, имеет исключительное значение. Отражая естественную взаимосвязь, существующую между элементами, ступенями развития материи от простого к сложному, этот закон положил начало современной химии. С его открытием химия перестала быть описательной наукой.
Периодический закон и система элементов Д. И. Менделеева являются одним из надежных методов познания мира. Так как элементы объединены общностью свойств или строения, то это свидетельствует о закономерностях взаимосвязи и взаимообусловленности явлений.
Все элементы составляют в совокупности одну линию непрерывного развития от самого простейшего водорода до 118-го элемента. Такая закономерность впервые была подмечена Д. И. Менделеевым, сумевшим предсказать существование новых элементов, показав тем самым непрерывность развития материи.
Сопоставлением свойств элементов и их соединений внутри групп легко можно обнаружить проявление закона о переходе количественных изменений в качественные. Так, внутри любого периода имеется переход от типичного металла к типичному неметаллу (галогену), однако переход от галогена к первому элементу следующего периода (щелочному металлу) сопровождается появлением резко противоположных этому галогену свойств. Открытие Д. И. Менделеева заложило точный и надежный фундамент теории строения атома, оказав огромное влияние на развитие всех современных знаний о природе вещества.
Работа Д. И. Менделеева по созданию периодической системы положила начало научно обоснованному методу целенаправленного поиска новых химических элементов. Примерами могут служить многочисленные успехи современной ядерной физики. За последние полвека с небольшим синтезированы элементы с порядковыми номерами 102-118. Изучение их свойств, так же как и получение, было бы невозможно без знаний закономерностей взаимосвязи между химическими элементами.
Доказательством подобного утверждения являются результаты исследований по синтезу элементов 114, 116, 118 .
Изотоп 114-го элемента получен взаимодействием плутония с изотопом 48 Са, а 116-го - взаимодействием кюрия с изотопом 48 Са:
Стабильность полученных изотопов столь высока, что они спонтанно не делятся, а испытывают альфа-распад, т.е. расщепление ядра с одновременным испусканием альфа-частиц.
Полученные экспериментальные данные полностью подтверждают теоретические расчеты: по мере последовательных альфа-распадов образуются ядра 112-го и 110-го элементов, после чего начинается спонтанное деление:
Сравнивая свойства элементов, мы убеждаемся, что они взаимосвязаны общностью структурных признаков. Так, сопоставляя строение внешних и предвнешних электронных оболочек, можно с высокой точностью предсказать все типы соединений, характерные для данного элемента. Такая четкая взаимосвязь очень хорошо иллюстрируется на примере 104-го элемента - резерфордия. Химиками было предсказано, что если данный элемент является аналогом гафния (72 Hf), то его тетрахлорид по свойствам должен быть примерно таким же, что и HfCl 4 . Экспериментальные химические исследования подтвердили не только прогноз химиков, но и открытие нового сверхтяжелого элемента 1(M Rf. Такая же аналогия прослеживается в свойствах - Os (Z = 76) и Ds (Z = 110) - оба элемента образуют летучие оксиды типа R0 4 . Все это говорит о проявлении закона взаимосвязи и взаимообусловленности явлений.
Сравнение свойств элементов как в пределах групп, так и периодов, и сопоставление их со строением атома указывают на закон перехода количества в качество. Переход количественных изменений в качественные возможен лишь через отрицание отрицания. Внутри периодов с увеличением заряда ядра происходит переход от щелочного металла к благородному газу. Следующий период вновь начинается со щелочного металла - элемента, который полностью отрицает свойства предшествующего ему благородного газа (например, Не и Li; Ne и Na; Аг и Кг и т.д.).
В каждом периоде заряд ядра последующего элемента возрастает на единицу но сравнению с предыдущим. Этот процесс наблюдается от водорода до 118-го элемента и свидетельствует о непрерывности развития материи.
Наконец, совмещение в атоме разноименных зарядов (протон и электрон), проявление металлических и неметаллических свойств, существование амфотерных оксидов и гидроксидов есть проявление закона единства и борьбы противоположностей.
Необходимо также отметить, что открытие периодического закона явилось началом фундаментальных исследований, касающихся свойств материи.
По выражению Нильса Бора, периодическая система является «путеводной звездой для исследований в области химии, физики, минералогии, техники».
- Элементы 112, 114, 116, 118 получены в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна, Россия). Элементы 113 и 115 получены совместно российскими и американскими физиками. Материал любезно предоставлен академиком РАН Ю. Ц. Оганесяном.
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 неизвестнгы.
Так, был неизвестен элемент 4 периода скандий. По атомной массе вслед за
Ca шел Ti, но Ti нельзя было поставить сразу после Ca, т.к. он попал бы
в 3 группу, но по свойствам Ti должен быть отнесен к 4 группе. Поэтому
Менделеев пропустил одну клетку. На том же основании в 4 периоде между
Zn и As были оставлены две свободные клетки. Свободные места остались и в
других рядах. Менделеев был не только убежден, 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.
Были даны этим элементам и названия экабор(так как свойства его должны были напоминать бор), экаалюминий, экасилициум..
Открытие Ga, Sc, Ge было величайшим триумфом периодического закона. Большое значение имела периодическая система также при установлении валентности и атомных масс некоторых элементов. Точно так же периодическая система дала толчок к исправлению атомных масс некоторых элементов. Например, Cs раньше приписывали атомную массу 123,4. Менделеев же, располагая элементы в таблицу, нашел, что по своим свойствам Cs должен стоять в главной подгруппе первой группы под Rb и поэтому будет иметь атомную массу около 130. Современные определения показывают, что атомная масса Cs равна 132,9054..
И в настоящее время периодический закон остается путеводной звездой химии. Именно на его основе были искусственно созданы трансурановые элементы. Один из них- элемент №101, впервые полученный в 1955 г., - в честь великого русского ученого был назван менделевием..
Последующее развитие науки позволило, опираясь на периодический закон, гораздо глубже познать строение вещества, чем это было возможно при жизни Менделеева.
.Блестящее подтверждение нашли пророческие слова Менделеева:"Периодическому закону не грозит разрушение, а обещаются только надстройка и развитие" .
Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907)
Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, по 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. Так, был неизвестен элемент четвертого периода скандий. По атомной массе вслед за кальцием шел титан, но титан нельзя было поставить сразу после кальция, так как он попал бы в третью группу, тогда как титан образует высший оксид , да и по другим свойствам должен быть отнесен к четвертой группе. Поэтому Менделеев пропустил одну клетку, т. е. оставил свободное место между кальцием и титаном. На том же основании в четвертом периоде между цинком и мышьяком были оставлены две свободные клетки, занятые теперь элементами галлием и германием. Свободные места остались и в других рядах. Менделеев был не только убежден, 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. Одному из них, которому в будущем предстояло занять место между кальцием и титаном, он дал название экабор (так как свойства его должны были напоминать бор); два других, для которых в таблице остались свободные места между цинком и мышьяком, были названы эка-алюминием и экасилицием.
В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтвердились: все три ожидаемых элемента были открыты. Вначале французский химик Лекок де Буабодран открыл галлий, обладающий всеми свойствами экаалюминия; вслед за тем в Швеции Л. Ф. Нильсоном был открыт скандий, имевший свойства экабора, и, наконец, спустя еще несколько лет в Германии К. А. Винклер открыл элемент, названный им германием, который оказался тождественным экасилицию.
Чтобы судить об удивительной точности предвидения Менделеева, сопоставим предсказанные им в 1871 г. свойства экасилиция со свойствами открытого в 1886 г. германия:
Открытие галлия, скандия и германия было величайшим триумфом периодического закона.
Большое значение имела периодическая система также при установлении валентности и атомных масс некоторых элементов. Так, элемент бериллий долгое время считался аналогом алюминия и его оксиду приписывали формулу . Исходя из процентного состава и предполагаемой формулы оксида бериллия, его атомную массу считали равной 13,5. Периодическая система показала, что для бериллия в таблице есть только одно место, а именно - над магнием, так что его оксид должен иметь формулу , откуда атомная масса бериллия получается равной десяти. Этот вывод вскоре был подтвержден определениями атомной массы бериллия по плотности пара его хлорида.
Точно И в настоящее время периодический закон остается путеводной нитью и руководящим принципом химии. Именно на его основе были искусственно созданы в последние десятилетия трансурановые элементы, расположенные в периодической системе после урана. Один из них - элемент № 101, впервые полученный в 1955 г., - в честь великого русского ученого был назван менделевием.
Открытие периодического закона и создание системы химических элементов имело огромное значение не только для химии, но и для философии, для всего нашего миропонимания. Менделеев показал, что химические элементы составляют стройную систему, в основе которой лежит фундаментальный закон природы. В этом нашло выражение положение материалистической диалектики о взаимосвязи и взаимообусловленности явлений природы. Вскрывая зависимость между свойствами химических элементов и массой их атомов, периодический закон явился блестящим подтверждением одного из всеобщих законов развития природы - закона перехода количества в качество.
Последующее развитие науки позволило, опираясь на периодический закон, гораздо глубже познать строение вещества, чем это было возможно при жизни Менделеева.
Разработанная в XX веке теория строения атома в свою очередь дала периодическому закону и периодической системе элементов новое, более глубокое освещение. Блестящее подтверждение нашли пророческие слова Менделеева: «Периодическому закону не грозит разрушение, а обещаются только надстройка и развитие».
Периодический закон и периодическая система химических элементов в свете теории строения атома
1 марта 1869г. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева.
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
Ещё в конце 19 века Д.И. Менделеев писал, что, по-видимому, атом состоит из других более мелких частиц, и периодический закон это подтверждает.
Современная формулировка периодического закона.
Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов, выражающейся в периодической повторяемости структуры внешней валентной электронной оболочки.
Периодический закон в свете теории строения атомов
Понятие | физ. смысл | характеристика понятия |
Заряд ядра | Равен порядковому номеру элемента | Основная характеристика элемента, определяет химические свойства, так как с ростом заряда ядра увеличивается количество электронов в атоме, в том числе и на внешнем уровне. Следовательно, изменяются свойства |
Периодичность | С увеличением заряда ядра наблюдается периодическая повторяемость строения внешнего уровня, следовательно, периодически изменяются свойства. (Внешние электроны – валентные) |
Периодическая система в свете теории строения атома
Понятие | Физ. смысл | Характеристика понятия |
Порядковый номер | Равен числу протоновв ядре. Равен числу электронов в атоме. | |
Период | Номер периода равен числу электронных оболочек | Горизонтальный ряд элементов. 1,2,3 – малые; 4,5,6 – большие; 7 – незавершенный. В 1 периоде всего два элемента и больше быть не может. Это определяется формулой N = 2n 2 Каждый период начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Первые два элемента любого периода s - элементы, последние шесть р – элементы, между ними d - и f – элементы. В периоде слева направо: 1. 2. заряд ядра – увеличивается 3. количество энерг. уровней – постоянно 4. кол-во электронов на внеш.уровне - увеличивается 5. радиус атомов – уменьшается 6. электроотрицательность – увеличивается Следовательно, внешние электроны удерживаются сильнее, и металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются В малых периодах этот переход происходит через 8 элементов, в больших – через 18 или 32. В малых периодах валентность увеличивается от 1 до 7 один раз, в больших – два раза. В том месте, где происходит скачок в изменении высшей валентности, период делится на два рядя. От периода к периоду происходит резкий скачок в изменении свойств элементов, так как появляется новый энергетический уровень. |
Группа | Номер группы равен числу электронов на внешнем уровне (для элементов главных подгрупп) | Вертикальный ряд элементов. Каждая группа делится на две подгруппы: главную и побочную. Главную подгруппу составляют s – ир – элементы, побочную -d - и f – элементы. Подгруппы объединяют наиболее сходные между собой элементы. В группе, в главной подгруппе сверху вниз: 1. относит. атомная масса – увеличивается 2. число электронов на внеш. уровне – постоянно 3. заряд ядра – увеличивается 4. кол – во энерг. уровней – увеличивается 5. радиус атомов - увеличивается 6. электроотрицательность – уменьшается. Следовательно, внешние электроны удерживаются слабее, и металлические свойства элементов усиливаются, неметаллические- ослабевают. Элементы некоторых подгрупп имеют названия: 1а группа – щелочные металлы 2а – щелочноземельные металлы 6а – халькогены 7а – галогены 8а – инертные газы (имеют завершённый внешний уровень) |
Выводы:
1. Чем меньше электронов на внешнем уровне и больше радиус атома, тем меньше электроотрицательность и легче отдавать внешние электроны, следовательно, тем сильнее выражены металлические свойства
Чем больше электронов на внешнем уровне и меньше радиус атома, тем больше электроотрицательность и тем легче принимать электроны, следовательно, тем сильнее неметаллические свойства.
2. Для металлов характерна отдача электронов, для неметаллов – прием.
Особое положение водорода в периодической системе
Водород в периодической системе занимает две клетки (в одной из них заключен в скобки) – в 1 группе и в 7 – ой.
В первой группе водород стоит потому, что у него, как и у элементов первой группы, на внешнем уровне один электрон.
В седьмой группе водород стоит потому, что у него, как и у элементов седьмой группы, до завершения энергетического
ЗНАЧЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА
Периодическая система Д.И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.
Этот закон обладал предсказательной силой. Он позволил вести целенаправленный поиск новых, еще не открытых элементов. Атомные веса многих элементов, определенные до этого недостаточно точно, подверглись проверке и уточнению именно потому, что их ошибочные значения вступали в противоречие с Периодическим законом.
Прогнозирующая роль периодической системы, показанная Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.
Принципиальная новизна Периодического закона, открытого и сформулированного Д.И. Менделеевым, заключалась в следующем:
1. Устанавливалась связь между НЕСХОДНЫМИ по своим свойствам элементами. Эта связь заключается в том, что свойства элементов плавно и примерно одинаково изменяются с возрастанием их атомного веса, а затем эти изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ.
2. В тех случаях, когда создавалось впечатление, что в последовательности изменения свойств элементов не хватает какого-нибудь звена, в Периодической таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ, которые надо было заполнить еще не открытыми элементами. Мало того, Периодический закон позволял ПРЕДСКАЗЫВАТЬ свойства этих элементов.
С момента появления Периодического закона химия перестала быть описательной наукой. Как образно заметил известный русский химик Н.Д. Зелинский, Периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».
Дальнейшие открытия в химии и физике многократно подтвердили фундаментальный смысл Периодического закона. Были открыты инертные газы, которые великолепно вписались в Периодическую систему - особенно наглядно это показывает длинная форма таблицы. Порядковый номер элемента оказался равным заряду ядра атома этого элемента. Многие неизвестные ранее элементы были открыты благодаря целенаправленному поиску именно тех свойств, которые предсказывались по Периодической таблице.
Периодическая система Менделеева явилась своего рода путеводной картой при изучении неорганической химии и исследовательской работе в этой области.
Появление периодической системы открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук -- взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях появилась стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.
В истории развития науки известно много крупных открытий. Но немногие из них можно сопоставить с тем, что сделал Менделеев. Периодический закон химических элементов стал естественнонаучной основой учения о веществе, о его строении и эволюции в природе.
Американские ученые (Г. Сиборг и др.), синтезировавшие в 1955 году элемент № 101, дали ему название Менделевий «… в знак признания приоритета великого русского химика, который первым использовал периодическую систему элементов. Для предсказания химических свойств тогда еще не открытых элементов». Этот принцип был ключом при открытии почти всех трансурановых элементов.
В 1964 году имя Менделеева занесено на Доску Почета науки Бриджпортского университета (США) в число имен величайших ученых мира.