Периодический закон Менделеева

Главный закон, управляющий миром химических элементов, открыл великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев.

Ко времени этого открытия было известно 63 химических элемента. Накопилось огромное количество сведений и об их свойствах. Однако, изобилие не осмысленных с единой точки зрения фактов было источником трудностей и путаницы в химии. Гениальный русский химик, открыв закон, которому подчиняются свойства элементов, а также и строение атомов, разрешил эти трудности.

Дмитрий Иванович Менделеев.

Тщательно изучая и сопоставляя свойства химических элементов, он стремился раскрыть тайны далекого и близкого их родства.

Менделеев так описывает, свои искания: «...невольно зарождается мысль о том, что между массой и химическими особенностями элементов необходимо должна быть Связь... Искать же что-либо — хотя бы грибов или какую-либо 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 и привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса...»
Расположив элементы в порядке нарастания атомных весов, ученый получил ряды элементов; в каждом из рядов свойства элементов периодически повторяются.

По определению самого Менделеева, открытый им периодический закон заключается в том, что «свойства элементов (а следовательно, и образованных ими простых и сложных тел) находятся в периодической зависимости от их атомных весов».

Великую прозорливость проявил Менделеев, открыв периодичность в мире элементов, в то время когда множество элементов не было еще открыто, а атомные веса некоторых из известных элементов были определены неверно. Но доказать неопровержимо существование этой закономерности оказалось делом чрезвычайно трудным.

Когда Менделеев в своих изысканиях исходил из атомных весов, встречавшихся в работах того времени, периодичность нередко нарушалась.

Но ученый не стал в тупик. Он твердо был убежден в существовании периодической зависимости свойств элементов от их атомных весов. И когда он наблюдал нарушения периодичности, для него был возможен лишь один-единственный вывод, — очевидно, неверны или неполны данные, которыми располагала наука. Он исправлял на основании теоретических расчетов атомные веса некоторых элементов. Так было с индием, платиновыми металлами, ураном и другими элементами; позднейшие, более точные измерения их весов подтвердили правильность этих исправлений.

В 1869 году, опубликовав в журнале Русского химического общества свою работу «Соотношение свойств с атомным весом элементов», Менделеев познакомил ученый мир с открытым им периодическим законом. К статье была приложена таблица периодической системы элементов. Излагая сущность открытого закона, великий ученый указывал также на существование еще неизвестных науке элементов.

В таблице Менделеева химические элементы располагаются в порядке возрастания их атомного веса.

Много мест в своей системе Менделеев оставил для еще не открытых элементов, примерный атомный вес и другие свойства которых ученый высчитал, учитывая характер соседних элементов. Менделеев впервые в истории химии предсказал существование неизвестных элементов. Он писал, что должны существовать еще элементы, которые он назвал экаалюминием, экабором и экакремнием.

Ряд ученых отнесся к предсказанию русского ученого с большим недоверием.

Но вот в августе 1875 года французский ученый Лекок де Буа-бодран путем спектрального анализа обнаружил в цинковой обманке новый элемент, названный им галлием (Галлия — старинное наименование Франции).

В 1879 году известный шведский химик Нильсон открыл второй из предсказанных Менделеевым элементов. Свойства скандий, как назвал новый элемент Нильсон, полностью совпали со свойствами предсказанного Менделеевым экабора. Оправдались даже опасения русского ученого, что открытию экабора в минералах будет мешать присутствие другого химического элемента — иттрия.

«Таким образом, — заканчивает Нильсон свое сообщение об открытии нового элемента, — подтверждаются соображения русского химика, которые не только позволили  предсказать существование названных элементов — скандия и галлия, но и предвидеть заранее их важнейшие свойства».

Наконец в 1886 году немецкий ученый Винклер открыл третий предугаданный Менделеевым элемент. В своем сообщении об этом Винклер указывал, что новый элемент — германий — как раз и есть предсказанный Менделеевым экакремний.

Это было полное торжество открытия Менделеева.

Фридрих Энгельс писал, что открытием периодического закона Менделеев «совершил научный подвиг».

Открытие Менделеева явилось могучим подтверждением одного из основных законов диалектики — закона перехода количества в качество.

Свойства химических элементов зависят от атомных весов. Закон перехода количества в качество, как писал Фридрих Энгельс, «имеет силу... и для самих химических элементов».

Одним из укрепителей периодического закона Д. И. Менделеева был известный чешский ученый Богуслав Браунер (1855—1935). Браунер своими работами подтвердил, что место, указанное Менделеевым для химического элемента бериллия в системе, является правильным. Отсюда и атомный вес этого элемента, высчитанный русским ученым на основании периодического закона, тоже правилен.

Менделеев с благодарностью писал потом о работе Б. Ф. Браунера, вспоминая, как часто ему «приходилось слышать о том, что вопрос об атомном весе бериллия грозит поколебать общность периодического закона, может потребовать глубоких в нем преобразований».

Атомный вес церия Менделеев исправил на основании открытого им закона с 92, как было признано всеми, на 138. Это вызвало бурный протест со стороны некоторых ученых.

«Как, — писал химик Раммельсберг, — исправлять атомные веса, руководствуясь какой-то таблицей! Да это чистейшей воды спекуляция!—  шумел он. — Это подгон фактов под какую-то схему!»
Менделеев ответил на это: «Я полагаю, что ныне не должно, невозможно делать какие-либо точные соображения об элементах, минуя закон периодичности».

Позднее Браунер своими работами подтвердил правильность атомного веса церия, теоретически выведенного Менделеевым. Браунер же, а затем и английский физик Мозли указали на необходимость выделения в особое место так называемых редкоземельных элементов.

В 1884 году ученый-революционер Н. А. Морозов, находясь в заключении в Шлиссельбургской крепости, закончил там свою работу по анализу таблицы Менделеева. Он тоже теоретически предсказал существование группы химических элементов — инертных газов.

Принадлежность элемента к той или иной группе таблицы Менделеева указывает на количество протонов и нейтронов в ядре атома элемента и количество электронов в электронной оболочке.


Принадлежность элемента к тому или иному периоду таблицы Менделеева говорит о количестве слоев в электронной оболочке атома.

Там, где теперь в таблице Менделеева поставлены «благородные газы» — гелий, неон, аргон и другие, у Морозова были числа 4, 20, 40 и т. д., показывающие атомные веса недостающих элементов. Все эти химические элементы были выделены Морозовым в отдельную, нулевую группу.

Предвидение русских ученых было подтверждено работами английских ученых Релея и Рамзея, открывших инертные газы.

Неоспоримо величие русского гения — Менделеева. Но все же нашлись люди, которые пытались отнять у Менделеева право называться автором периодического закона. Менделеев вступил в борьбу за приоритет России в открытии периодического закона.

«Утверждение закона, — писал он, — возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и неожидаемых, и оправдания тех следствий в опытной проверке. Потому-то, увидев периодический закон, я со своей стороны (1869—1871 гг.) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать, верен ли он или нет... Без такого способа испытания не может утвердиться ни один закон природы. Ни Шанкуртуа, которому французы приписывают право на открытие периодического закона, ни Ньюлендс, которого выставляют англичане, ни Л. Мейер, которого цитировали иные как основателя периодического закона, не рисковали предугадывать свойства неоткрытых элементов, изменять «принятые веса атомов» и вообще считать периодический закон новым, строго постановленным законом природы, могущим охватывать еще доселе необобщенные факты, как это сделано мною с самого начала».

Предвосхищая позднейшие открытия естествознания, гениальный творец периодического закона предсказал, что атом неделим лишь химическим способом.

С помощью закона Менделеева русские ученые Б. Н. Чичерин и Н. А. Морозов (об их работах говорится ниже) предложили на основании умозрительных положений первую модель атома, в которой он изображается в виде системы тел, напоминающей солнечную систему. Позднейшие опытные исследования и математические расчеты показали, что такое уподобление имеет некоторые основания.

Закон Менделеева — мощное орудие познания природы и ее закономерностей. Все последующее развитие химии и физики шло в непосредственной связи с законом Менделеева и в зависимости от него. Все открытия в этих науках освещались его законом. С помощью этого закона показывался теоретический смысл открытий. В то же время каждое такое открытие приводило к уточнению и расширению закона, не затрагивая его принципиальных основ.

Руководствуясь периодическим законом, наука определила строение атомов всех элементов, которые, как установлено, состоят из электронной оболочки и ядра.

Число электронов возрастает от одного у атома водорода до 101 у атома менделеевия, открытого недавно и названного именем первооткрывателя периодического закона; число это находится в полном соответствии с порядковым номером элемента в системе Менделеева. Заряд ядра равен сумме зарядов электронов. Положительный заряд ядра, уравновешивающий отрицательные электроны, растет от 1 до 101. Положительный заряд ядра — это основное свойство атома, сообщающее ему химическую индивидуальность, так как от положительного заряда ядра зависит число электронов.

Ядро также оказалось сложным: оно состоит из протонов и нейтронов. Это основная масса атома; масса электрона в расчет не принимается, так как она в 1836,5 раза меньше массы протона.

Электроны у всех атомов одинаковы, но располагаются они вокруг ядра в различных слоях. Количество этих слоев раскрывает глубочайшее значение периодов, на которые разбиты все элементы в системе Менделеева. Каждый период отличается от другого наличием у атомов его элементов лишнего электронного слоя.

От строения электронной оболочки зависят химические свойства атома, так как химические реакции связаны с обменом внешних электронов. Кроме того, ряд физических свойств — электро- и теплопроводность, а также и оптические свойства тоже связаны с электронами.

Современная наука все шире и шире раскрывает значение гениального творения Менделеева.

Периодический закон указывал на сходство химических свойств элементов, расположенных в одной группе, то есть в одном и том же вертикальном столбце таблицы.

Теперь это прекрасно объясняется строением электронной оболочки атома. Элементы одной и той же группы имеют одинаковое количество электронов во внешнем слое: элементы первой группы — литий, натрий, калий и другие — имеют по одному электрону во внешнем слое; элементы второй группы — бериллий, магний, кальций и другие — по два электрона; элементы третьей группы — по три, и, наконец, элементы нулевой группы: гелий — два, неон, криптон и другие — по восемь электронов. Это максимальное из возможных количество электронов в наружном слое и обеспечивает данным атомам полную инертность: в обычных условиях они не вступают в химические соединения.

Изотопы.

Современная наука показала, что вес атомов одного и того же элемента может быть не одинаков, — это зависит от различного количества нейтронов в атомном ядре данного химического элемента. Поэтому в отдельной клетке менделеевской таблицы располагается не один тип атомов, а несколько. Такие атомы называются изотопами (в переводе с греческого «изотоп» означает «занимающий одно и то же место»). Химический элемент олово состоит, например, из 12 разновидностей, чрезвычайно близких по свойствам, но с разными атомными весами: средний атомный вес олова 118,7.

Изотопы имеются почти у всех элементов.

Пока обнаружено 300 естественных изотопов, искусственно удалось получить около 800. Но все они закономерно располагаются в 101 клетке таблицы Менделеева.

Все эти открытия, вызванные к жизни законом Менделеева, подчеркивают гениальность русского ученого, открывшего основной закон неживой природы, который, однако, имеет также колоссальное значение и для органического мира.

Системой Менделеева пользуются сейчас ученые и при расщеплении атомов и при создании новых элементов.

Этим атомным законом руководствуются и химики, и физики, и геологи, и агрономы, и строители, и механики, и электрики, и астрономы.

Спектроскоп показал, что элементы, которые существуют на Земле, есть и на других планетах. Те химические превращения, какие происходят у нас, могут протекать и в других частях вселенной.

Современная наука вторглась в недра атома. Родилась новая наука — физика атомного ядра. Воздействуя на атомное ядро, ученые теперь превращают одни элементы в другие, синтезируют такие элементы, которых в земной коре в настоящее время не встречается. К новым, искусственно созданным элементам относится группа заурановых химических элементов. Современная наука открыла путь и к использованию внутриядерной энергии. Все эти открытия неразрывно связаны с законом Менделеева.