Доповідь: Періодична система та її значення у розвитку хімії Д. Менделєєва

Періодична система елементів дуже вплинула на подальший розвиток хімії.

Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907)

Вона не тільки була першою природною класифікацією хімічних елементів, що показала, що вони утворюють струнку систему і знаходяться в тісному зв'язку один з одним, і стала могутнім знаряддям для подальших досліджень.

У той час, коли Менделєєв на основі відкритого ним періодичного закону складав свою таблицю, багато елементів ще невідомі. Так був невідомий елемент четвертого періоду скандій. По атомній масі слідом за кальцієм йшов титан, але титан не можна було поставити відразу після кальцію, оскільки він потрапив би в третю групу, тоді як титан утворює вищий оксид, та й за іншими властивостями повинен бути віднесений до четвертої групи. Тому Менделєєв пропустив одну клітину, тобто залишив вільне місце між кальцієм та титаном. На тій самій підставі в четвертому періоді між цинком і миш'яком залишили дві вільні клітини, зайняті тепер елементами галієм і германієм. Вільні місця залишились і в інших лавах. Менделєєв був не тільки переконаний, що повинні існувати ще невідомі елементи, які заповнять ці місця, а й заздалегідь передбачив властивості таких елементів, ґрунтуючись на їхньому становищі серед інших елементів періодичної системи. Одному з них, який у майбутньому мав зайняти місце між кальцієм і титаном, він дав назву екабор (бо властивості його мали нагадувати бор); два інших, для яких у таблиці залишилися вільні місця між цинком та миш'яком, були названі ека-алюмінієм та екасиліцієм.

Протягом наступних 15 років передбачення Менделєєва блискуче підтвердилися: всі три очікувані елементи було відкрито. Спочатку французький хімік Лекок де Буабодран відкрив галій, що має всі властивості екаалюмінію; Після цього у Швеції Л. Ф. Нільсоном було відкрито скандій, що мав властивості екабору, і, нарешті, ще через кілька років у Німеччині К. А. Вінклер відкрив елемент, названий їм германієм, який виявився тотожним екасилицію.

Щоб судити про дивовижну точність передбачення Менделєєва, зіставимо передбачені ним у 1871 р. властивості екасилиція з властивостями відкритого у 1886 р. германію:

Відкриття галію, скандію та германію було найбільшим тріумфом періодичного закону.

Велике значення мала періодична система також при встановленні валентності та атомних мас деяких елементів. Так, елемент берилій довгий час вважався аналогом алюмінію та його оксиду приписували формулу . Виходячи з відсоткового складу та передбачуваної формули оксиду берилію, його атомну масу вважали рівною 13,5. Періодична система показала, що для берилію в таблиці є тільки одне місце, а саме над магнієм, так що його оксид повинен мати формулу , звідки атомна маса берилію виходить рівною десяти. Цей висновок незабаром був підтверджений визначеннями атомної маси берилію за щільністю пари його хлориду.

Точно І в даний час періодичний закон залишається дороговказом і керівним принципом хімії. Саме на його основі були штучно створені останні десятиліття трансуранові елементи, розташовані в періодичній системі після урану. Один з них – елемент № 101, вперше отриманий у 1955 р., – на честь великого російського вченого був названий менделевієм.

Відкриття періодичного закону та створення системи хімічних елементів мало велике значення не тільки для хімії, але й для філософії, для всього нашого світорозуміння. Менделєєв показав, що хімічні елементи становлять струнку систему, основу якої лежить фундаментальний закон природи. У цьому виявилося положення матеріалістичної діалектики про взаємозв'язок і взаємозумовленість явищ природи. Розкриваючи залежність між властивостями хімічних елементів та масою їх атомів, періодичний закон став блискучим підтвердженням одного з загальних законів розвитку природи – закону переходу кількості до якості.

Подальший розвиток науки дозволив, спираючись на періодичний закон, набагато глибше пізнати будову речовини, ніж це було можливо за життя Менделєєва.

Розроблена у XX столітті теорія будови атома у свою чергу дала періодичному закону та періодичній системі елементів нове, глибше висвітлення. Блискуче підтвердження знайшли пророчі слова Менделєєва: «Періодичному закону не загрожує руйнація, а обіцяють лише надбудову та розвиток».

Періодична система елементів дуже вплинула на подальший розвиток хімії. Вона була першою природною класифікацією хімічних елементів, яка показала, що вони утворюють струнку систему і у тісному зв'язку друг з одним, а й стала могутнім знаряддям для подальших досліджень.
У той час, коли Менделєєв на основі відкритого ним періодичного закону складав свою таблицю, багато елементів ще невідомі. Так, був невідомий елемент 4 періоду скандій. По атомній масі за Ca ішов Ti, але Ti не можна було поставити відразу після Ca, т.к. він потрапив би в 3 групу, але за властивостями Ti повинен бути віднесений до 4 групи. Тому Менделєєв пропустив одну клітку. На тій же підставі в 4 період між Zn і As були залишені дві вільні клітини. Вільні місця залишились і в інших лавах. Менделєєв був не тільки переконаний, що повинні існувати ще невідомі елементи, які заповнять ці місця, але й заздалегідь передбачив властивості таких елементів, ґрунтуючись на їхньому становищі серед інших елементів періодичної системи.Були дані цим елементам і назви екабор (бо властивості його повинні були нагадувати бор), екаалюміній, екасиліціум.

Д. І. Менделєєв писав: «До періодичного закону елементи представляли лише уривчасті випадкові явища природи; не було приводу чекати будь-яких нових, а знову знаходилися були повною несподіваною новинкою. Періодична закономірність перша дала можливість бачити ще не відкриті елементи в такій далині, до якої неозброєний цією закономірністю зір доти не досягав ».

З відкриттям Періодичного закону хімія перестала бути описовою наукою – вона отримала інструмент наукового передбачення. Цей закон та його графічне відображення - таблиця Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва - виконали всі три найважливіші функції теоретичного знання: узагальнюючу, пояснювальну та прогностичну. На їх основі вчені:

• систематизували та узагальнили всі відомості про хімічні елементи та утворювані ними речовини;
• дали обґрунтування різним видам періодичної залежності, що існують у світі хімічних елементів, пояснивши їх на основі будови атомів елементів;
• передбачили, описали властивості ще не відкритих хімічних елементів та утворених ними речовин, а також вказали шляхи їх відкриття.

Систематизувати та узагальнити відомості про хімічні елементи довелося самому Д. І. Менделєєву, коли він відкривав Періодичний закон, будував та вдосконалював свою таблицю. Причому помилки у значеннях атомних мас і наявність ще не відкритих елементів створювали додаткові труднощі. Але великий учений був упевнений у істинності відкритого їм закону природи. Ґрунтуючись на подібності у властивостях і вірячи в правильність визначення місця елементів у таблиці Періодичної системи, він суттєво змінив прийняті на той час атомні маси та валентність у сполуках із киснем у десяти елементів та «підправив» їх ще у десяти інших. Вісім елементів він розмістив у таблиці всупереч прийнятим на той час уявленням про їхню схожість з іншими. Наприклад, талій він виключив з природного сімейства лужних металів і помістив у III групу відповідно до вищої валентності; берилій з невірно визначеною відносною атомною масою (13) і валентністю III він перевів із III групи у II, змінивши значення його відносної атомної маси на 9 та вищу валентність на II.

Більшість вчених сприйняли поправки Д. І. Менделєєва як наукову легковажність, необґрунтовану зухвалість. Періодичний закон і таблиця хімічних елементів розглядалися як гіпотеза, тобто припущення, що потребує перевірки. Вчений розумів це і саме для перевірки правильності відкритого ним закону та системи елементів докладно описав властивості не відкритих ще елементів і навіть способи їх відкриття, виходячи з передбачуваного місця у системі. За першим варіантом таблиці він зробив чотири прогнози про існування невідомих елементів (галій, германій, гафній, скандій), а за вдосконаленим, другим - ще сім (технецій, реній, астат, францій, радій, актіній, протактиній).

За період з 1869 по 1886 р. було відкрито три передбачені елементи: галій (П. Е. Лекок де Буабодран, Франція, 1875 р.), скандій (Л. Ф. Нільсон, Швеція, 1879 р.) та германій (К. Вінклер, Німеччина, 1886 р.). Відкриття першого з цих елементів, що підтвердило правильність прогнозу великого російського вченого, викликало у його колег лише інтерес та здивування. А відкриття германія стало справжнім тріумфом Періодичного закону. К. Вінклер писав у статті «Повідомлення про Німеччину»: «Не підлягає жодному сумніву, що новий елемент є не що інше, як передбачений Менделєєвим за п'ятнадцять років до цього екасилицій. Бо навряд чи може бути дано більш переконливий доказ справедливості вчення про періодичність елементів, ніж втілення колишнього досі гіпотетичним екасиліцію, і воно є воістину чимось більшим, ніж просте підтвердження сміливо висунутої теорії, - воно означає видатне розширення хімічного поля зору, могутнє у сфері пізнання».

На основі закону та таблиці Д. І. Менделєєва були передбачені та відкриті шляхетні гази. І зараз цей закон служить дороговказом для відкриття чи штучного створення нових хімічних елементів. Наприклад, можна стверджувати, що елемент № 114 схожий на свинець (екасвинець), а № 118 буде благородним газом (екарадон).

Відкриття Періодичного закону та створення таблиці Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєвим стимулювало пошук причин взаємозв'язку елементів, сприяло виявленню складної структури атома та розвитку вчення про будову атома. Це вчення, своєю чергою, дозволило розкрити фізичний зміст Періодичного закону і пояснити розташування елементів у Періодичній системі. Воно призвело до відкриття атомної енергії та використання її для потреб людства.

Запитання та завдання до § 5

1. Проаналізуйте розподіл біогенних макроелементів за періодами та групами Періодичної системи Д. І. Менделєєва. Нагадаємо, що до них відносять С, Н, Про, N, Са, S, Р, К, Mg, Fe.
2. Чому елементи головних підгруп 2-го та 3-го періодів називають хімічними аналогами? У чому виявляється ця аналогія?
3. Чому водень, на відміну всіх інших елементів, записують у Періодичній таблиці Д. І. Менделєєва двічі? Доведіть правомочність двоїстого становища водню в Періодичній системі, порівнявши будову та властивості його атома, простої речовини та сполук з відповідними формами існування інших елементів – лужних металів та галогенів.
4. Чому такі схожі властивості лантану та лантаноїдів, актинія та актиноїдів?
5. Які форми з'єднань будуть однаковими у елементів головних та побічних підгруп?
6. Чому загальні формули летючих водневих сполук у Періодичній системі пишуть лише під елементами головних підгруп, а формули вищих оксидів – під елементами обох підгруп (посередині)?
7. Яка загальна формула вищого гідроксиду, що відповідає елементам VII групи? Який його характер?

У 1869 р. Д. І. Менделєєв на основі аналізу властивостей простих речовин та сполук сформулював Періодичний закон: «Властивості простих тіл та сполук елементів знаходяться в періодичній залежності від величини атомних мас елементів.»На основі періодичного закону було складено періодичну систему елементів. У ній елементи зі схожими властивостями виявилися об'єднані у вертикальні стовпці групи. У деяких випадках при розміщенні елементів у Періодичній системі доводилося порушувати послідовність зростання атомних мас, щоб дотримувалася періодичність повторення властивостей. Наприклад, довелося "поміняти місцями" телур та йод, а також аргон та калій. Причина полягає в тому, що Менделєєв запропонував періодичний закон у той час, коли не було нічого відомо про будову атома. Після того, як у XX столітті було запропоновано планетарну модель атома, періодичний закон формулюється таким чином:

«Властивості хімічних елементів та сполук перебувають у періодичній залежності від зарядів атомних ядер.»

Заряд ядра дорівнює номеру елемента в періодичній системі та числу електронів в електронній оболонці атома. Це формулювання пояснило "порушення" Періодичного закону. У Періодичній системі номер періоду дорівнює числу електронних рівнів в атомі, номер групи елементів головних підгруп дорівнює числу електронів на зовнішньому рівні.

Наукове значення періодичного закону. Періодичний закон дозволив систематизувати властивості хімічних елементів та його сполук. При складанні періодичної системи Менделєєв передбачив існування багатьох ще не відкритих елементів, залишивши для них вільні осередки, і передбачив багато властивостей невідкритих елементів, що полегшило їх відкриття. Перше з них було через чотири роки.

Але не лише у відкритті нового велика заслуга Менделєєва.

Менделєєв відкрив новий закон природи. Замість розрізнених, не пов'язаних між собою речовин перед наукою стала єдина струнка система, що об'єднала в єдине ціле всі елементи Всесвіту, атоми стали розглядатися як:

1. органічно пов'язані між собою загальною закономірністю,

2. виявляють перехід кількісних змін атомної ваги якісні зміни їх хіміч. індивідуальностей,

3. що свідчать про те, що протилежність металлич. та неметалліч. властивостей у атомів носить не абсолютний, як вважалося раніше, лише відносний характер.

24. Виникнення структурних теорій у розвитку органічної хімії. Атомно-молекулярне навчання як теоретична основа структурних теорій.

Органічна хімія.Протягом усього 18 ст. у питанні про хімічні взаємини організмів і речовин вчені керувалися доктриною віталізму - вчення, що розглядав життя як особливе явище, що підпорядковується не законам світобудови, а впливу особливих життєвих сил. Цей погляд був успадкований і багатьма вченими 19 ст, хоча його основи були похитнуті ще в 1777, коли Лавуазьє припустив, що дихання - процес, аналогічний горінню.

У 1828 німецький хімік Фрідріх Велер (1800–1882), нагріваючи ціанат амонію (ця сполука беззастережно зараховувалася до неорганічних речовин), отримав сечовину – продукт життєдіяльності людини та тварин. У 1845 Адольф Кольбе, учень Велера, синтезував оцтову кислоту з вихідних елементів – вуглецю, водню та кисню. У 1850-ті роки французький хімік П'єр Бертло розпочав систематичну роботу з синтезу органічних сполук та отримав метиловий та етиловий спирти, метан, бензол, ацетилен. Систематичне дослідження природних органічних сполук показало, що вони містять чи кілька атомів вуглецю і дуже багато – атоми водню. Теорія типів. Відкриття і виділення величезної кількості складних углеродсодержащих сполук гостро поставили питання склад їх молекул і призвели до необхідності ревізувати існуючу систему класифікації. До 1840-х років вчені-хіміки усвідомили, що дуалістичні ідеї Берцеліуса застосовні лише до неорганічних солей. У 1853 була спроба класифікувати всі органічні сполуки за типами. Узагальнена «теорія типів» була запропонована французьким хіміком Шарлем Фредеріком Жераром, Який вважав, що поєднання різних груп атомів визначається не електричним зарядом цих груп, а їх специфічними хімічними властивостями.

Структурна хімія. У 1857 Кекуле, виходячи з теорії валентності (під валентністю розумілося число атомів водню, що вступають у з'єднання з одним атомом даного елемента), припустив, що вуглець чотиривалентний і тому може з'єднуватися з чотирма іншими атомами, утворюючи довгі ланцюги - прямі або розгалужені. Тому органічні молекули стали зображати над вигляді комбінацій радикалів, а вигляді структурних формул – атомів і зв'язків з-поміж них.

У 1874 році датський хімік Якоб Вант-Гоффта французький хімік Жозеф Ашіль Ле Бель (1847–1930) поширили цю ідею на розташування атомів у просторі. Вони вважали, що молекули не плоскі, а тривимірні структури. Ця концепція дозволяла пояснити багато відомих явищ, наприклад просторову ізомерію, існування молекул однакового складу, але з різними властивостями. Дуже добре вписувалися до неї дані Луї Пастерапро ізомери винної кислоти.

Періодична система елементів дуже вплинула на подальший розвиток хімії.

Вона не тільки була першою природною класифікацією хімічних елементів, що показала, що вони утворюють струнку систему і знаходяться в тісному зв'язку один з одним, і стала могутнім знаряддям для подальших досліджень.

У той час, коли Менделєєв на основі відкритого ним періодичного закону складав свою таблицю, багато елементів ще невідомі. Так був невідомий елемент четвертого періоду скандій. По атомній масі слідом за кальцієм йшов титан, але титан не можна було поставити відразу після кальцію, оскільки він потрапив би до третьої групи, тоді як титан утворює вищий оксид, та й за іншими властивостями повинен бути віднесений до четвертої групи. Тому Менделєєв пропустив одну клітину, тобто залишив вільне місце між кальцієм та титаном. На тій самій підставі в четвертому періоді між цинком і миш'яком залишили дві вільні клітини, зайняті тепер елементами галієм і германієм. Вільні місця залишились і в інших лавах. Менделєєв був не тільки переконаний, що повинні існувати ще невідомі елементи, які заповнять ці місця, а й заздалегідь передбачив властивості таких елементів, ґрунтуючись на їхньому становищі серед інших елементів періодичної системи. Одному з них, який у майбутньому мав зайняти місце між кальцієм і титаном, він дав назву екабор (бо властивості його мали нагадувати бор); два інших, для яких у таблиці залишилися вільні місця між цинком та миш'яком, були названі ека-алюмінієм та екасиліцієм.

Протягом наступних 15 років передбачення Менделєєва блискуче підтвердилися: всі три очікувані елементи було відкрито. Спочатку французький хімік Лекок де Буабодран відкрив галій, що має всі властивості екаалюмінію; Після цього у Швеції Л. Ф. Нільсоном було відкрито скандій, що мав властивості екабору, і, нарешті, ще через кілька років у Німеччині К. А. Вінклер відкрив елемент, названий їм германієм, який виявився тотожним екасилицію.

Щоб судити про дивовижну точність передбачення Менделєєва, зіставимо передбачені ним у 1871 р. властивості екасилиція з властивостями відкритого у 1886 р. германію:

Відкриття галію, скандію та германію було найбільшим тріумфом періодичного закону.

Велике значення мала періодична система також при встановленні валентності та атомних мас деяких елементів. Так, елемент берилій довгий час вважався аналогом алюмінію та його оксиду приписували формулу. Виходячи з відсоткового складу та передбачуваної формули оксиду берилію, його атомну масу вважали рівною 13,5. Періодична система показала, що для берилію в таблиці є лише одне місце, а саме над магнієм, так що його оксид повинен мати формулу, звідки атомна маса берилію виходить рівною десяти. Цей висновок незабаром був підтверджений визначеннями атомної маси берилію за щільністю пари його хлориду.

Точно<гак же периодическая система дала толчок к исправлению атомных масс некоторых элементов. Например, цезию раньше приписывали атомную массу 123,4. Менделев же, располагая элементы в таблицу, нашел, что по своим свойствам цезий должен стоять в главной подгруппе первой группы под рубидием и потому будет иметь атомную массу около 130. Современные определения показывают, что атомная масса цезия равна 132,9054.

І в даний час періодичний закон залишається дороговказом і керівним принципом хімії. Саме на його основі були штучно створені останні десятиліття трансуранові елементи, розташовані в періодичній системі після урану. Один з них – елемент № 101, вперше отриманий у 1955 р., – на честь великого російського вченого був названий менделевієм.

Відкриття періодичного закону та створення системи хімічних елементів мало велике значення не тільки для хімії, але й для філософії, для всього нашого світорозуміння. Менделєєв показав, що хімічні елементи становлять струнку систему, основу якої лежить фундаментальний закон природи. У цьому виявилося положення матеріалістичної діалектики про взаємозв'язок і взаємозумовленість явищ природи. Розкриваючи залежність між властивостями хімічних елементів та масою їх атомів, періодичний закон став блискучим підтвердженням одного з загальних законів розвитку природи – закону переходу кількості до якості.

Подальший розвиток науки дозволив, спираючись на періодичний закон, набагато глибше пізнати будову речовини, ніж це було можливо за життя Менделєєва.

Розроблена у XX столітті теорія будови атома у свою чергу дала періодичному закону та періодичній системі елементів нове, глибше висвітлення. Блискуче підтвердження знайшли пророчі слова Менделєєва: «Періодичному закону не загрожує руйнація, а обіцяють лише надбудову та розвиток».