Какое свойство элемента менделеев положил в основу классификации
Классификация элементов периодический закон Д.И. Менделеева
После утверждения атомно-молекулярной теории важнейшим событием в химии было открытие периодического закона химических элементов. Это открытие, сделанное в 1868 г. гениальным русским ученым Д. И. Менделеевым, создало новую эпоху в химии, определив пути ее развития на много десятков лет вперед. Опирающаяся на периодический закон , классификация химических элементов, которую Менделеев выразил в форме периодической системы, сыграла очень важную роль в изучении свойств химических элементов и дальнейшем развитии учения о строении вещества. Поэтому рассмотрению современной теории строения атома должно предшествовать ознакомление с периодической системой элементов.
Начало классификации элементов
Сравнение свойств химических элементов с давних пор привело к делению их на две большие группы — металлы и неметаллы или металлоиды . Это деление было основано в первую очередь на различии во внешних, физических свойствах простых веществ.
Металлы отличаются характерным «металлическим» блеском, ковкостью, тягучестью, могут прокатываться в листы или вытягиваться в проволоку, обладают хорошей тепло- и электропроводностью. При обыкновенной температуре все металлы (кроме ртути) твердые вещества.
Металлоиды не имеют перечисленных выше свойств. Они не обладают характерным для металлов блеском, хрупки, очень плохо проводят тепло и электричество. Многие из них при обычных условиях газообразны.
Но гласным критерием для отнесения элемента к той или другой группе служат его химические свойства, особенно характер его окислов: окислы металлов имеют преимущественно основной характер, окислы металлоидов — кислотный.
Ярко выраженными металлическими или металлоидными свойствами обладают, однако, далеко не все представители указанных двух групп. В действительности мы наблюдаем постепенный переход от типичных металлов к типичным металлоидам. Поэтому провести резкую границу между теми и другими не представляется возможным. Относя данный элемент к металлам или к металлоидам, мы лишь отмечаем, какие его свойства — металлические или металлоидные — выражены в большей степени.
Деление элементов на металлы и металлоиды являлось по существу первой и самой простой их классификацией. Но с течением времени такая классификация перестала удовлетворять химиков. Появляются попытки разделить элементы по сходству их свойств на более мелкие группы, причем большинство исследователей невольно наталкивается на мысль установить связь между химическими свойствами элементов и их атомными весами и этот принцип положить в основу классификации.
В 1829 г. Деберейнер опубликовал опыт группировки элементов по сходству их химических свойств. Он нашел, что сходные по свойствам элементы могут быть сгруппированы по три, причем атомный вес одного из них оказывается приблизительно равным среднему арифметическому из атомных весов двух других элементов, например:
Такие группы Деберейнер назвал триадами. Он полагал, что найденные им соотношения могут послужить основой для систематической группировки элементов. Однако из всех известных в то время элементов ему удалось выделить только четыре триады.
Не останавливаясь на ряде других попыток подобного же рода, упомянем лишь о непосредственных предшественниках Менделеева.
В 1863 г. Ньюлэндс, располагая элементы последовательно, в порядке возрастания их атомных весов, заметил, что восьмой по счету элемент, начиная с любого, приблизительно повторяет свойства первого, подобно восьмой ноте в музыке. Ньюлэндс назвал эту закономерность «законом октав» и, исходя из нее, попытался разбить все известные ему элементы на группы (октавы).
Для иллюстрации системы Ньюлэндса приводим первые три октавы:
Н | Li | Be | В | С | N | О |
F | Na | Mg | Аl | Si | Р | S |
Сl | К | Са | Сr | Ti | Мn | Fe |
Размещая элементы в октавах, Ньюлэндс действовал очень произвольно: иногда он переставлял их, искусственно подгоняя под свою схему, иногда ставил на одно место два элемента; при этом он совершенно не учитывал возможности открытия новых элементов. Система Ньюлэндса содержала много противоречий, однако в ее основе лежала правильная мысль о периодическом изменении свойств элементов с увеличением их атомного веса.
В следующем 1864 г. появилась работа Лотара Мейера, в которой дана таблица, содержащая некоторые химические элементы, распределенные по валентности на шесть групп. Отмечая, что разности величин атомных весов последовательно расположенных элементов каждой группы характеризуются определенным постоянством, Мейер заканчивает свою работу словами: «Нельзя сомневаться, что имеется закономерность в числовых величинах атомных весов». Однако более определенных выводов, выражающих характер и значение этой закономерности, Мейер не сделал.
Деберейнер, Ньюлэндс, Мейер и другие предшественники Менделеева в области систематики химических элементов преследовали только узко классификационные цели и не шли дальше распределения отдельных элементов по группам на основании их химического сходства. При этом каждый элемент рассматривался ими как нечто совершенно обособленное, не стоящее в какой-либо связи с другими элементами.
Что мы узнали классификации элементов
Что все химические элементы разделены на две категории металлы и не металлы, все металлы имеют «металлический» блеск, ковкость, тягучесть электропроводность и некоторые другие свойства характерные для определенного металла.
Не металлы же имеют противоположное значение металлам, но некоторые (водород) при изменении условий могут проявлять к примеру электропроводность, становясь сверхпроводников при очень низких температурах. Поэтому некоторые неметаллы могут проявлять как металлические так и не металлические свойства.
Вы читаете, статья на тему Классификация элементов
Источник
Сегодня новый выпуск «Химии для чайников». Тема сложная, но мы постараемся объяснить все просто не залезая в научные дебри. В прошлой беседе мы познакомились с атомами, узнали их строение, что атомы и образуют химические элементы.
И как же запомнить все 118 элементов?
Современная таблица (озон ру)
Это долгое время было сложным вопросом. Над проблемой, как упорядочить элементы, бились лучшие умы. У кого-то получалась стройная картинка, у других выходили винтовые лестницы и другие фигуры. Давно было замечено, что свойства элементов повторяются с ростом атомной массы, есть некая зависимость и цикличность. Один из ученых смог создать таблицу, но в качестве главного свойства взял валентность и при проверке все рассыпалось. А он так близко был к решению задачи.
Что такое «валентность»?
Свойство элементов вступать в связи, создавать вещества. Если просто, то со сколькими другими атомами этот элемент может образовывать соединения. В электронных облаках вокруг ядра есть области меньшей плотности, в эти дыры могут залетать электроны другого элемента. И тогда возникает связь между ними. От количества таких «пустых» областей зависит активность того или иного элемента. Но не забывайте, что в наших статьях мы стараемся все упрощать. Сейчас химики не любят слово валентность, но используя его легче запомнить сколько потенциальных связей может установить элемент.
И так, что там химик Менделеев?
Вообще, Дмитрий Иванович не был химиком в нашем понимании. Он был ученым, специалистом в разных областях, он придумал транспортировку нефти по трубопроводу. Считается, что он изобрел русскую водку. Это не совсем правда. Бухали и до него. Ему приписывается оптимальная крепость напитка в 40 градусов. Менделеев почти двадцать лет искал способ классификации элементов, раскладывая карточки с их именами то так, то эдак. Есть легенда, что таблица приснилась ему во сне. Когда десятки лет обдумываешь загадку, еще не то приснится.
И ему удалось все поставить на свои места?
И да и нет. Дело в том, что в 1869 году были известны только 63 элемента и в таблице оставались пустые места, а некоторые элементы не хотели вписываться в свои ячейки. Таблица получилась наглядной, учитывала множество характеристик, и доказала периодичность свойств элементов. Мало того, с развитием науки были обнаружены новые элементы. Они встали на места, зарезервированные ученым, и имели те свойства, которые он предсказал. А некоторым элементам Менделеев изменил ошибочные атомные массы, например урану. И оказался прав!
И как пользоваться такой таблицей?
Со времен Менделеева она претерпела изменения, но главная идея – периодичность свойств осталась неизменной. По вертикальным колонкам расположены группы элементов, которые обладают похожими свойствами, по горизонтали сами «периоды». От щелочных металлов до «благородных газов». Удивительно, но имеющие разные атомные массы элементы так похожи! Многие слышали о натрии и калии? Они образуют похожие соединения, их химические свойства почти одинаковы, несмотря на то, что их атомные массы различаются намного. Та же история и в правой таблице фтор и хлор однотипные газы.
Как он смог это установить?
Мы знаем, что свойства химического элемента полностью зависят от строения его атома, а 150 лет назад об этом не знали. Все это результат смекалки и десятилетий упорного труда.
Таблица какая-то рваная в ней есть дырки и отдельные блоки снизу.
В природе нет ничего идеального. Даже в нижних блоках есть своя периодичность, например уменьшение электронной оболочки и уровень ионизации. Лантаноиды и актиноиды вынесли в нижний ряд, чтобы сделать таблицу компактнее. Даже в том, что таблица становится шире есть своя периодичность, это повторяется и в соседнем ряду.
А Суперактиноиды это что такое?
Вся нижняя часть таблицы с номера 119 – это гипотетические элементы, которые не открыты, но предсказаны, и их свойства описаны, как учил Менделеев. Были сообщения, что удалось синтезировать элемент с номером 122, но доказательств этому нет.
В следующий раз мы рассмотрим подробнее группы химических элементов, какие свойства им характерны, каковы их особенности. Пусть вас не пугает, что элементов много. Некоторые так редко встречаются в природе, что их изучение дело лабораторное, а часть элементов вообще если и существуют, то очень короткое время. Но они есть, и спасибо Дмитрию Ивановичу, что предсказал многое. И главное – дал нам в руки мощный инструмент.
Все выпуски
Поддержите проект!
Наши каналы в Telegram, Яндекс Дзен. Страницы в Facebook, VK, OK, Livejournal, G+, Tumblr, Twitter
Использованы материалы wikipedia.org и открытых источников.
Источник
Периодическая система Д. И. Менделеева (1871 год)
В 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев опубликовал Периодическую таблицу элементов, в которой химические элементы были расположены в соответствии с наличием у них сходных свойств в порядке возрастания атомного веса[1].
В отличие от работ предшественников Менделеев исходил из допущения существования еще не открытых элементов на основе периодического изменения физических и химических свойств известных элементов. Им были оставлены в таблице пустые ячейки для ещё не открытых элементов и предсказаны их свойства. Чтобы дать предсказанным элементам «временные» названия, Менделеев использовал приставки «эка», «дви» и «три» (от санскритских слов «один», «два» и «три»), в зависимости от того, на сколько позиций вниз от уже открытого элемента с похожими свойствами находился предсказанный элемент. Так, германий до своего открытия в 1886 году носил название «экасилиций», а рений, открытый в 1926 году, назывался «двимарганец».
Первоначальные предсказания (1869—1870 годы)[править | править код]
Уже в первом варианте Периодической таблицы, опубликованном Д. И. Менделеевым в 1869 году, включено больше элементов, чем их было открыто на тот момент. В нём оставлены четыре свободные ячейки для еще неизвестных элементов и указаны их атомные веса (в «паях», близких по значению к массе атома водорода).
Развивая в 1869—1871 годах идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений он исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы, двух соседних элементов в периоде и элементов по диагонали — так называемое «правило звезды». На этой основе, в частности, опираясь на результаты изучения последовательности изменения стеклообразующих оксидов, исправил значения атомных масс 9 элементов. Предсказал в 1870 году существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов — «экаалюминия», «экабора» и «экасилиция»[2]. Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе «двителлура» — полония, «экаиода» — астата, «экамарганца» — технеция, «экацезия» — франция.
Предсказания Менделеева вызвали в научном мире скепсис и острую критику. Так, немецкий физикохимик Вильгельм Оствальд, будущий лауреат Нобелевской премии, утверждал, что открыт не закон, а принцип классификации «чего-то неопределенного». Роберт Бунзен, первооткрыватель рубидия и цезия, писал, что Менделеев увлекает химиков «в надуманный мир чистых абстракций», а Герман Кольбе в 1870 г. назвал работу Менделеева спекулятивной. Правота Менделеева была убедительно доказана, когда были открыты предсказанные им элементы: галлий (Поль Лекок де Буабодран, 1875), скандий (Ларс Нильсон, 1879) и германий (Клеменс Винклер, 1886) — соответственно экаалюминий, экабор и экасилиций.
Триумф Периодического закона[править | править код]
В 1875 г. французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл в минерале вюртците — сульфиде цинка ZnS — предсказанный Менделеевым «экаалюминий» и назвал его в честь своей родины галлием Ga (латинское название Франции — Галлия). Он писал: «Я думаю, нет необходимости настаивать на огромном значении подтверждения теоретических выводов господина Менделеева». Менделеев точно предсказал свойства галлия: его атомную массу, плотность металла, формулу оксида, хлорида, сульфата. Менделеев предугадал, что это будет очень легкоплавкий металл. Ниже в таблице сравниваются свойства, предсказанные Менделеевым, с действительными характеристиками галлия.
| Свойство | Экаалюминий | Галлий |
|---|---|---|
| Атомная масса | 68 | 69,72 |
| Плотность (г/см³) | 6,0 | 5,904 |
| Температура плавления (°C) | низкая | 29,78 |
| Формула оксида | Ea2O3 (плотность 5,5 г см−3, растворяется и в кислотах, и в основаниях) | Ga2O3 (плотность 5,88 г см−3, растворяется и в кислотах, и в основаниях) |
| Формула хлорида | Ea2Cl6 (летучий) | Ga2Cl6 (летучий) |
В 1879 г. шведский химик Ларс Нильсон открыл в сложном минерале гадолините скандий. Позже Пер Теодор Клеве доказал совпадение свойств предсказанного экабора и только что открытого скандия и известил об этом Менделеева. Менделеев предсказал для экабора атомную массу 44, а атомная масса скандия оказалась равна 44,955910. Нильсон писал: «Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор… Так подтверждаются нагляднейшим образом соображения русского химика, которые не только дали возможность предсказать существование скандия и галлия, но и предвидеть заранее их важнейшие свойства».
По поводу элемента экасилиция Менделеев писал: «Мне кажется, наиболее интересным из несомненно недостающих металлов будет тот, который принадлежит к IV группе аналогов углерода, а именно к III ряду. Это будет металл, следующий тотчас же за кремнием, и потому назовем его экасилицием». Германий был впервые выделен в 1886 году во Фрейбурге немецким химиком Клеменсом Винклером при анализе редкого минерала аргиродита. Его открытие оказалось лучшим на то время подтверждением теории Менделеева, поскольку германий по своим свойствам значительно резче отличается от соседних элементов, чем два предсказанных ранее элемента.
| Свойство | Экасилиций | Германий |
|---|---|---|
| Атомная масса | 72 | 72,61 |
| Плотность (г/см³) | 5,5 | 5,35 |
| Температура плавления (°C) | высокая | 947 |
| Цвет | серый | серый |
| Тип оксида | тугоплавкий диоксид | тугоплавкий диоксид |
| Плотность оксида (г/см³) | 4,7 | 4,7 |
| Реакция оксида | слабое основание | слабое основание |
| Температура кипения хлорида | ниже 100 °C | 86 °C (GeCl4) |
| Плотность хлорида (г/см³) | 1,9 | 1,9 |
Триумф предсказательной силы открытия Менделеева был настолько силён, что Винклер натолкнулся на неприятие со стороны некоторых химиков предложенного им названия «германий». Они стали обвинять Винклера в национализме и в присвоении открытия, которое сделал Менделеев, уже давший элементу имя «экасилиций». Обескураженный Винклер обратился за советом к самому Дмитрию Ивановичу. Тот объяснил, что именно первооткрыватель нового элемента должен дать ему название. Позже Винклер писал: «Едва ли можно найти иное более поразительное доказательство справедливости учения о периодичности, как во вновь открытом элементе. Это не просто подтверждение смелой теории, здесь мы видим очевидное расширение химического кругозора, мощный шаг в области познания».
Менделеев включил присланные ему портреты Лекока де Буабодрана, Нильсона и Винклера в общую рамку, озаглавив ее «Укрепители периодического закона». С конца 1880-х годов Периодический закон был окончательно признан в качестве одной из теоретических основ химии.
Никто из учёных, занимавшихся до Менделеева или одновременно с ним исследованиями соотношений между атомными весами и свойствами элементов, не смог сформулировать эту закономерность так ясно, как это сделал он. В частности, это относится к Дж. Ньюлендсу и Л. Мейеру. Предсказание ещё неизвестных элементов, их свойств и свойств их соединений является исключительно заслугой Д. И. Менделеева. …Наилучшим образом он смог применить свой метод горизонтальной, вертикальной и диагональной интерполяции в открытой им периодической системе для предсказания свойств…
— Анорганикум : В 2-х т. / [Блументаль Г., Энгельс З., Фиц И. и др.] ; Ред. Л. Кольдиц. – М. : Мир, 1984
.
В 1937 году был открыт 43-й элемент (экамарганец) — технеций[3].
Предсказания тяжёлых элементов[править | править код]
В 1871 году Менделеев предсказал существование элемента, расположенного между торием и ураном. Тридцатью годами позже, в 1900 году, Уильям Крукс выделил протактиний как неизвестную радиоактивную примесь в образце урана. Различные изотопы протактиния затем выделяли в Германии в 1913 и 1918 годах[4], но современное название элемент получил только в 1948 году.
Версия Периодической таблицы, изданная в 1869, предсказывала существование более тяжёлого аналога титана и циркония, но в 1871 году Менделеев поместил на это место лантан. Открытие в 1923 году гафния подтвердило первоначальное предположение Менделеева.
В период создания первых вариантов периодической таблицы свойства редкоземельных элементов были изучены плохо и недостоверно. Кроме того, для тяжелых элементов периодическое изменение свойств имеет более сложный характер: критерий аналогии атомов не мог помочь Менделееву, как в случае экабора, экаалюминия и экасилиция; в этом случае этот критерий был лишен по крайней мере предсказательной силы, что снижало его научную ценность. Это объясняет, почему предсказания Менделеева для более тяжёлых элементов сбылись не так точно, как для лёгких, и почему эти предсказания не так широко известны.
Гипотеза об трансводородных элементах[править | править код]
В 1902 году после открытия гелия и аргона Менделеев поместил их в нулевую группу таблицы[5]. Сомневаясь в правильности атомной теории, объясняющей закон постоянства состава, он не мог априори считать водород легчайшим из элементов и полагал, что ещё более лёгкий член химически инертной нулевой группы мог оказаться незамеченным. Существованием этого элемента Менделеев пытался объяснить радиоактивность.
Более тяжёлый из двух гипотетических трансводородных элементов Менделеев отождествлял с коронием, получившим название по ассоциации с необъяснённой спектральной линией солнечной короны. Ошибочная калибровка прибора дала длину волны 531,68 нм, которая позже была исправлена на 530,3 нм. Эту длину волны Гротриан и Эдлен в 1939 году соотнесли с линией железа[6].
Легчайшему из газов нулевой группы, первому в Периодической таблице, приписывалась теоретическая атомная масса между 5,3·10−11 и 9,6·10−7. Частицам этого газа, названного им ньютонием, Менделеев приписал кинетическую скорость порядка 2,5·106 м/с. Почти невесомые, частицы обоих этих газов, по Менделееву, должны были легко проходить через толщу материи, практически не вступая в химические реакции. Высокая подвижность и очень малая атомная масса трансводородных газов приводила бы к тому, что они могли быть очень разреженными, по внешним признакам оставаясь при этом плотными.
Позже Менделеев опубликовал теоретическую разработку об эфире. Книга, называвшаяся «Химическая концепция эфира», вышла в 1904 году, и в ней вновь содержалось упоминание о двух гипотетических инертных газах легче водорода, коронии и ньютонии[7]. Под «эфирным газом» Менделеев понимал межзвёздную атмосферу, состоящую из двух трансводородных газов с примесями других элементов и образовавшуюся в результате внутренних процессов, идущих на звёздах.
Примечания[править | править код]
- ↑ Kaji, Masanori. D.I.Mendeleev’s concept of chemical elements and The Principles of Chemistry (англ.) // Bulletin for the History of Chemistry (англ.)русск. : journal. — 2002. — Vol. 27, no. 1. — P. 4—16. Архивировано 17 декабря 2008 года.
- ↑ Менделеев Д. И. Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов // Журнал Русского химического общества. — 1871. — Т. III. — С. 25—56. Архивировано 17 марта 2014 года.
- ↑ 1 2 Mendeleev’s Triumph (англ.)
- ↑ Emsley, John. Nature’s Building Blocks (англ.). — (Hardcover, First Edition). — Oxford University Press, 2001. — P. 347. — ISBN 0198503407.
- ↑ Менделеев, Д. Основы химии (рус.). — 7-е издание. — 1902.
- ↑ Swings, P. Edlén’s Identification of the Coronal Lines with Forbidden Lines of Fe X, XI, XIII, XIV, XV; Ni XII, XIII, XV, XVI; Ca XII, XIII, XV; a X, XIV (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1943. — July (vol. 98, no. 119). — P. 116—124. — doi:10.1086/144550. и [1]
- ↑ Менделеев, Д. Попытка химического понимания мирового эфира (рус.). — Санкт-Петербург, 1903.
Английский перевод:
Mendeléeff, D. (англ.)русск.. An Attempt Towards A Chemical Conception Of The Ether (англ.) / G. Kamensky (translator). — Longmans, Green & Co., 1904.
См. также
Bensaude-Vincent, Bernadette. L’éther, élément chimique: un essai malheureux de Mendéleev en 1904 (фр.) // British Journal for the History of Science (англ.)русск. : magazine. — 1982. — Vol. 15. — P. 183—188. — doi:10.1017/S0007087400019166.
Литература[править | править код]
- Scerri Eric. The Periodic Table: Its Story and Its Significance (англ.). — New York: Oxford University Press, 2007. — ISBN 0195305736.
Источник