7. Периодический закон Менделеева

Утверждение атомно-молекулярной теории на рубеже XVIII–XIX вв. сопровождалось бурным ростом числа известных химических элементов. Только за первое десятилетие XIX в. было открыто 14 новых элементов. Английский химик Г. Дэви (1778–1829) за один год с помощью электролиза получил шесть новых элементов– натрий, калий, магний, кальций, стронций, барий. К 1830 г. число известных элементов достигло 55.

Существование такого количества элементов, весьма разнообразных по свойствам, озадачивало химиков и требовало систематизации элементов. Некоторые ученые, заметив сходства нескольких элементов, объединяли их в отдельные группы, однако причины заметного изменения свойств не были установлены. Периодический закон химических элементов– фундаментальный закон природы – был открыт великим русским химиком Д.И. Менделеевым в 1869 г. в результате систематизации химических элементов в зависимости от их атомных весов: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

Несмотря на огромную значимость открытия Менделеева, оно представляло лишь гениальное эмпирическое обобщение фактов, а их физический смысл долго оставался непонятным. Причина заключалась в том, что в XIX в. отсутствовали какие-либо представления о сложном строении атома. Сам Менделеев по этому поводу писал: "Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину еще нет средств охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и частиц".

Данные о строении атомного ядра и распределении электронов в атомах позволяют по-новому рассмотреть периодический закон, который в современной формулировке гласит: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов (порядкового номера).

Такая формулировка закона не противоречит формулировке, данной Менделеевым. Она только базируется на новых данных, которые придают закону физическую обоснованность, и подтверждают его правильность. Примерами, иллюстрирующим проявление периодического закона химических элементов, может служить периодическая зависимость плотности простых веществ в твердом состоянии от порядкового номера элемента (заряда ядра), или же такие характеристики атома как его размер, энергия ионизации, электроотрицательность, степень окисления, имеющие периодическую зависимость от заряда атомного ядра (рис. 4.3).

Табличной формой представления периодического закона является периодическая система химических элементов, разработанная Менделеевым в 1869–1871 гг.

Рис. 4.3.Зависимость плотности простых веществ в твердом состоянии от порядкового номера.

В периодической системе химических элементов все известные в настоящее время химические элементы расположены в порядке возрастания зарядов их атомных ядер, численно равных порядковому номеру элемента, и образуют 7 горизонтальных периодов, каждый из которых, за исключением первого, начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом, причем, седьмой период является незавершенным. Первые три периода, состоящие из одного ряда, называются малыми, остальные – большими.

По вертикали химические элементы располагаются в 8 вертикальных столбцах-группах, причем каждая группа делится на две подгруппы – главную, состоящую из элементов второго и третьего периодов и сходных с ними элементов больших периодов, и – побочную, состоящую из металлов больших периодов. Отдельно внизу таблицы помещены элементы с порядковыми номерами 58–71, называемые лантаноидами, и – элементы с порядковыми номерами 90–103, называемые актиноидами. В каждой клетке периодической системы химических элементов, помимо наименования элемента и его порядкового номера, приведено значение относительной атомной массы элемента и показано распределение электронов по энергетическим уровням (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Фрагмент периодической системы химических элементов.

На основе периодического закона химических элементов и периодической таблицы Менделеев пришел к выводу о существовании новых элементов, свойства которых он подробно описал и дал им условные названия – экабор, экаалюминий и экасилиций. Предсказания Менделеева блестяще подтвердились, – все три элемента были открыты и получили названия тех стран, где были сделаны открытия и найдены минералы, содержащие эти элементы: галлий,скандий,германий. Таким образом, Менделеев провел блестящий теоретический анализ огромного числа экспериментальных данных, синтезировал свои результаты в виде общего закона и сделал на его основе предсказания, которые вскоре были подтверждены экспериментально. Эта работа является классическим примером научного подхода к познанию окружающего мира.