Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Предпринималось большое число попыток систематизировать известные элементы и построить их классификацию. В результате были установлены группы химических элементов, сходных по свойствам, таких, как, например, щелочные металлы Li , Na , K , ( Rb , Cs , Fr были открыты значительно позднее), галогены F , Cl , Br , I , At . Галогены («рождающие соль») – это элементы, у которых наиболее ярко выражены свойства неметаллов (появление кислотных свойств у соединений галогенов). Ни одна из попыток классифицировать химические элементы не выявила основной закономерности в их расположении и, следовательно, не могла привести к созданию естественной системы, охватывающей все химические элементы и отражающие природу их сходства и различия.

Решение этой задачи оказалось доступно лишь нашему соотечественнику, сибиряку, Д.И. Менделееву. Д.И. Менделеев исходил из убеждения, что в основу классификации должна быть положена фундаментальная количественная характеристика элементов – атомная масса, от которой «должны находиться в зависимости все остальные свойства». Но найти эту зависимость было крайне трудно, поскольку а) далеко не все химические элементы были известны, б) атомные массы некоторых химических элементов были установлены не точно и их формальное сопоставление приводило к недоразумениям. Д.И. Менделеев сопоставил между собой несходные элементы, расположив все известные элементы в порядке возрастания атомных масс.

Приведем последовательность первых четырнадцати элементов: Li – Be – Br – C – N – O – F _ Na – Mg – Al – Si – P – S – Cl … и было подмечено, что при переходе от лития Li к фтору F происходит закономерное ослабление металлических свойств элементов и усиление неметаллических с одновременным увеличением валентности.

Переход от фтора F к следующему по значению атомной массы к элементу натрию Na сопровождается скачкообразным изменением свойств и валентности.

Причем натрий Na во многом повторяет свойства лития Li будучи типичным одновалентным металлом хотя и более активным.

Следующий за натрием магний Mg во многом сходит с бериллием Be (оба двухвалентны, проявляет металлические свойства, но химическая активность обоих выражена слабее, чем у пары литий – натрий). Алюминий Al , следующий за магнием, напоминает бор B (валентность равна трем). Как близкие родственники похожи друг на друга кремний Si и углерод C , фосфор F и азот N , сера S и кислород O , хлор Cl и фтор F . При переходе к следующему за хлором Cl в последовательности увеличения атомной массы элементу калию K опять происходит скачок в изменении валентности и химических свойств. Калий, подобно литию и натрию открывает ряд элементов (третий по счету), представители которого показывают глубокую аналогию с элементами первых двух рядов. И так, в естественном ряду элементов, расположенных в порядке возрастания атомной массы, и химические свойства изменяются не монотонно, а периодически, то есть сходные в химическом отношении элементы встречаются в естественном ряду через правильные интервалы и, следовательно, повторяются периодически. Это замечательная закономерность, обнаруженная Д.И. Менделеевым и названная им законом периодичности, была сформулирована следующим образом: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Открытый закон периодичности Д.И. Менделеев использовал для создания периодической системы элементов. 18 февраля 1869 года Д.И. Менделеевым был составлен первый удачный вариант таблицы химических элементов. Но настоящий триумф периодической системы Д.И. Менделеева был связан с открытием предсказанных им химических элементов. После этого периодический закон получил всемирное признание, а периодическая система стала неотъемлемой частью любого учебника химии. В настоящее время существует несколько графических построений периодической системы. Рис.4.: Лестничная форма таблицы Д.И. Менделеева. Рис.5.: Длинная форма таблицы Д.И. Менделеева.

Наиболее распространенный вариант таблицы «Периодическая система элементов Д.И. Менделеева» - короткопериодный. Эта таблица состоит из десяти горизонтальных рядов (семь периодов, периоды с четвертого по шестой состоят из двух рядов) и из восьми вертикальных столбцов, называемых группами. В первом (горизонтальном) ряду два элемента – водород H и гелий He . Второй и третий ряды образуют периоды по восемь элементов.

Причем каждый из периодов начинается щелочным металлом (литий Li , натрий Na ) и заканчивается инертным газом (неон Ne , аргон Ar ). Четвертый ряд также начинается щелочным металлом (калием K ), но, в отличии от предыдущих рядов, он не заканчивается инертным газом. В пятом ряду продолжается последовательное изменение свойств элементов начавшееся в четвертом ряду так, что эти два ряда образуют один так называемый большой период из 18 элементов. Как и предыдущие два периода, этот период начинается щелочным металлом (калием K ) и заканчивается инертным газом (криптоном Kr ) Один большой период (из 18 элементов) составляют и последующие два ряда – шестой и седьмой (от рубидия Rb до ксенона Xe ). В восьмом ряду, который начинается щелочным металлом цезием Cs , дополнительное осложнение связано с тем, что после лантана La идут 14 элементов, чрезвычайно сходные с ним по свойствам. Эти элементы называются лантаноидами. В приведенной таблице они размещены в виде отдельного ряда (второй ряд снизу таблицы), хотя подразумевается, что все они находятся в той же клетке таблицы Д.И. Менделеева, что и лантан La . Таким образом, восьмой и девятый ряды образуют большой период, содержащий 32 элемента (от цезия Cs до радона Rn ). Наконец, десятый ряд элементов составляет незавершенный седьмой период. Он содержит лишь 21 элемент, из которых 14 очень сходны по своим свойствам с актинием Ac . Они выделены в отдельный ряд актиноидов, хотя на самом деле они должны размещаться в той же ячейке таблицы Д.И. Менделеева, что и актиний Ac . Отсутствие химических элементов, завершающих 10 ряд, дает основание предполагать, что далеко не все химические элементы открыты, что и подтверждается на практике. Такая структура периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева является отражением их фундаментальных свойств, связанных с особенностями строения их атомов. В вертикальных столбцах таблицы – группах, - располагаются элементы, обладающие одинаковой валентностью в высших солеобразующих оксидах (высшие окислы приведены в четвертой снизу таблицы строке). Валентность указана римской цифрой (как номер группы элементов). Каждая группа химических элементов разделена на две подгруппы, одна из которых (главная) включает элементы малых периодов и четных рядов больших периодов. А другая подгруппа (побочная) образована элементами нечетных рядов больших периодов.

Различие между главными побочными подгруппами ярко проявляются в крайних группах таблицы (прежде всего в группах I и VII ). Так главная подгруппа I группы включает очень активные щелочные металлы, которые энергично разлагают воду ( Li , Na , K , Rb , Cs , Fr ). Побочная подгруппа I группы состоит из меди Cu , серебра Ag , золота Au , малоактивных в химических отношениях. В группе VII главную подгруппу составляют активные неметаллы фтор F , хлор Cl , бром Br , йод I , астат At . У элементов побочной подгруппы VII группы – марганец Mn , технеций Tc , рений Re и, возможно, борий Bh – преобладают металлические свойства. VIII группа элементов занимает особое положение. Она состоит из основной подгруппы благородных (инертных) газов гелий He , неон Ne , аргон Ar , криптон Kr , ксенон Xe , радон Rn ; и побочной подгруппы, включающей 9 элементов (по горизонтали), разделенных на три триады очень сходных друг с другом элементов: Fe – Co – Ni ; Ru – Rh – Pd ; Os – Ir – Pt . (О мейтнерии Mt сведения не найдены). У элементов главных подгрупп при увеличении атомной массы наблюдается усиление металлических свойств и ослабление неметаллических. **** Согласно формулировке закона Д.И. Менделеева периодичность изменения свойств касается не только химических элементов, но и образуемых ими простых и сложных веществ.

Периодичность изменения свойств обнаружена для молярных объемов, температур плавления и кипения, для магнитных и электрических свойств, характеризующих простые и сложные вещества.

Открытие Д.И. Менделеева обогатило человеческое знание одной из фундаментальных закономерностей природы: закон о переходе количества в качество.

Предсказывая свойства неизвестных химических элементов, Д.И. Менделеев использовал правило звездности, которое вытекает из периодического закона. В соответствии с этим правилом свойства любого химического элемента находятся в закономерной связи со свойством соседних элементов, расположенных по горизонтали (справа, слева), по вертикали (над и под) и диагоналям. Например, соседями химического элемента магния являются 1) по горизонтали (справа, слева) натрий Na и алюминий Al; 2) по вертикали (над и под) находятся бериллий Be (над) и кальций Ca (под); 3) по диагонали (из левого угла вверху в нижний угол справа внизу) находятся литий Li и скандий Sc; по другой диагонали – калий K и бор B. В 1875 году французский химик П. Лекок де Буабодран, исследуя цинковые руды, открыл новый элемент – галлий, и опубликовал его физические характеристики.