Конспект урока: Периодическая система химических элементов и учение о строении атома. Становление и развитие периодического закона и теории химического строения

Историческая справка

Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) — рус­ский химик, придумал закон, отражённый в таблице: похожие по свойствам химические элементы объедине­ны в колонки — периоды. Поэтому система и называется периодиче­ской. Многие химические элементы ещё не были открыты во време­на Менделеева, поэтому учёный оставил некоторые клетки таблицы пустыми, чтобы они заполнились, когда подходящие хими­ческие элементы будут открыты. Сегодня таблица заполнена, и хими­ческий элемент с атомным номером 101 в честь великого учёного на­зван менделевием.

Предпосылки открытия периодического закона

Идея классификации химических элементов давно интересовала многих учёных.

Михаил Васильевич Ломоносов заложил основу атомно-молекулярного учения.

Антуан Лоран Лавуазье разделил все известные ему простые тела на группы в соответствии с тем, какие соединения они образуют с кислородом.

Джон Дальтон создал модель атомной структуры и ввёл понятие атомной массы (как говорили тогда атомность веса).

Рис. 1. М. В. Ломоносов, А. Л. Лавуазье, Дж. Дальтон

Иоганн Вольфганг Дёберейнер ввёл понятие о триадах — группах из трёх сходных элементов, внутри которых существует закономерное изменение атомных масс. Позднее было установлено наличие групп из четырёх и более сходных элементов.

Александр Эмиль Шанкуртуа разместил элементы по спирали, пытаясь связать изменение свойств с атомной массой. 

Джон Александр Ньюлендс установил закон октав: он нашёл, что свойства повторяются каждые семь элементов, подобно повторению звуков в музыкальной октаве.

Юлиус Лотар Мейер первым построил периодическую систему элементов, которая представляла собой построение в основе, в которой не было ясно выраженной закономерности.

Рис. 2. И. В. Дёберейнер, А. Э. Шанкуртуа, Д. А. Ньюлендс, Ю. Л. Мейер

В сентябре 1860 года в Карлсруэ состоялся первый Международный конгресс химиков, в котором участвовал Д. И. Менделеев. На конгрессе впервые была принята система расчёта атомных масс.

Рис. 3. Международный съезд Химиков в Карлсруэ 1860 г. (Д. И. Менделеев во втором ряду справа)

Открытие периодического закона и периодической системы Д. И. Менделеевым

Первый вариант своей таблицы Д. И. Менделеев создал 17 февраля (1 марта) 1869 г. Тогда же был впервые сформулирован периодический закон. На тот момент Дмитрию Ивановичу было известно всего 63 элемента. У многих элементов их относительные атомные массы были определены неправильно. Д. И. Менделеев написал на карточках названия всех известных ему элементов и их главные свойства. Затем расположил карточки вертикально друг под другом в порядке возрастания относи­тельных атомных масс и подметил повторяемость свойств эле­ментов через неодинаковые интервалы. Далее он разделил вер­тикальный ряд элементов на отрезки неодинаковой длины (этим он избежал ошибок предшественников) и расположил их так, чтобы карточки элементов с близкими свойствами располагались рядом (по горизонтали). Наконец, он провёл операцию, которую до него никто не догадался осуществить: он сопоставил несход­ные группы элементов — галогенов и щелочных металлов, и уже к этим группам пристроил группы элементов с соответствующими близкими атомными массами и с валентным состоянием, изменяю­щимся на единицу.

Сопоставление именно несходных элементов и близость их атомных масс привели Д. И. Менделеева к открытию законо­мерности: периодической зависимости свойств элементов от их атомной массы.

Первый вариант таблицы представлен на рисунке 4. 

Рис. 4. Первый вариант периодической системы Д. И. Менделеева, разосланный им перед докладом некоторым членам русского химического общества и помещённый в начале первого издания «Основ химии» в 1869 г.

В таблице элементов 1869 г. сходные элементы расположены в 19 горизонтальных рядах, которые более или менее соответ­ствуют группам и подгруппам современных таблиц. Эти ряды были разделены на 6 столбцов — тех самых частей последовательности элементов, составленной по возрастанию атомной массы. Этим столбцам соответствуют периоды современной таблицы.

Вариант таблицы 1869 г.  уже в 1871 г. был изменён. Путём поворота на 90° зеркального отражения варианта 1869 г. был получен новый вариант классической короткой формы таблицы ПСХЭ. Бывшие столбцы превратились в периоды, а горизонтальные ряды, сдвоенные на основе проявляемой элементами максимальной валентности по кислороду, образовали группы элементов (состоящие из двух подгрупп).

Первый вариант таблицы (1869) был озаглавлен Д. И. Менделеевым «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Это название указывает, что Д. И. Менделеев создавал систему не только на основе атомной массы, но и сходстве химических свойств. Атомная масса элемента стала для учёного основным признаком систематизации, а химическое поведение — основой классификации (в ряде случаев принцип химического поведения исправлял систематизацию на основе атомных масс).

Уже первый вариант таблицы Менделеева — это не просто таблица элементов, а система, выражающая всеобщую взаимосвязь элементов и отражающая законы развития вещества. Система элементов едина. Во времена Д. И. Менделеева она была по объективным причинам состояния науки несовершенна. Эти отдельные несовершенства системы привели к открытию новых элементов и к развитию химической науки в целом.

В то же время на основе системы элементов, может быть, и было создано много различных вариантов таблиц. Любая таблица носит черты идей того исследователя, который её предлагает, и вмещает то или иное количество информации, которое он желает в неё вложить.

Сравните таблицу 1869 г. с современной и вы поймете труд­ности, с которыми столкнулся Д. И. Менделеев при её создании. Ему пришлось расположить некоторые элементы $(\mathrm{Os}, \mathrm{Ir}, \mathrm{Pt}, \mathrm{Au}, \mathrm{Те}, \mathrm{I}, \mathrm{Ni}, \mathrm{CO})$ не по значениям их атомных масс. Более того, ему потребовалось изменить атомные массы нескольких элементов $(\mathrm{In}, \mathrm{La}, \mathrm{Y}, \mathrm{Ег}, \mathrm{Се}, \mathrm{Th}, \mathrm{U}).$ И наконец, Д. И. Менделеев пред­сказал существование и свойства некоторых ещё не открытых элементов. В результате уже через два года учёный опублико­вал другой вариант таблицы, мало чем отличающийся от совре­менной.

Наиболее важными были предсказания Д. И. Менделеева в 1871 г. элементов галлия, скандия и германия. Галлий был открыт в 1875 г., скандий в 1879 г., а германий только в 1886 г., т. е. через 15 лет после предсказания учёного.

Изучение этих элементов и их соединений показало прекрасное совпадение предсказанных свойств с найденными экспериментально. Например, для германия.

Открытие предсказанных Д. И. Менделеевым элементов принесло признание его системе элементов. В 1875 г. во Франции был открыт элемент галлий, и в сообщении среди других свойств упоминалось о плотности, равной 4,7. 
Д. И. Менделеев немедленно направил письмо открывшему галлий учёному, где писал, что плотность галлия определена неверно, должна быть 5,9–6, и просил провести новые эксперименты с более чистыми образцами. Повторное определение дало значение плотности 5,96. После этого французский учёный познакомился с работами Д. И. Менделеева и написал об огромном значении подтверждения теоретических выводов Менделеева.

На начальном этапе работы над таблицей (1870) Менделеев обратил внимание на сравнительно большую разницу в атомных массах между соседними в то время элементами: водородом и литием, а также фтором и натрием. Учёный пришёл к выводу, что в природе должны сосуществовать элементы с атомными массами равными 4 и 20 соответственно. В системе Д. И. Менделеева их следовало расположить между водородом и литием и между фтором и натрием. Очевидно, что свойства этих элементов (особенно с атомной массой 20, располагающегося между типичными неметаллом и металлом) должны быть особыми, и Менделеев их, разумеется, попытался предсказать. Это предсказание оправдалось значительно позже.

В 1894 г. английскими учёными было обнаружено, что при нормальных условиях 
1 л азота, выделенного из воздуха (после удаления из него ${\mathrm{Н}}_2\mathrm{О}, {\mathrm{СО}}_2 \mathrm{и} {\mathrm{О}}_2$), имеет массу 1,2572 г, а 1 л азота, полученного разложением нитрида, имеет меньшую массу — 1,2505 г. Это не могло быть экспериментальной ошибкой, и было сделано предположение, что азот, полученный из воздуха, это — не чистый азот, а его смесь с неизвестным более тяжёлым газом. После того как эту смесь пропустили над магнием при высокой температуре и связали азот и нитрид магния, остался этот неизвестный газ. Его атомная масса, как было вскоре найдено, равна 40, а свойства таковы, что он не образует двухатомных молекул и не реагирует ни с одним из известных веществ. Так был открыт аргон (обратите внимание, что его атомная масса больше, чем у калия, и почти равна атомной массе кальция). Вскоре был открыт ещё один инертный газ — гелий, а затем неон, криптон и ксенон. Ранее эти газы входили в нулевую группу таблицы, а теперь они располагаются в VIII группе. 

В такой простой и предельно краткой форме Д. И. Менделеев высказал открытый им величайший закон природы и строения вещества. Формулировки закона, как и варианты таблиц, совершенствуются и изменяются. 

Эта форма закона отражает химическое поведение элементов, но на современном этапе развития науки она оказалась несовершенной, и сейчас обсудим почему. Речь пойдёт о строении атома и о том, как периодическая система стимулировала и направляла исследования в области строения атома.

Теория химического строения

Рис. 5. А. М. Бутлеров

Решающая роль в создании теории строения органических соединений принадлежит великому русскому учёному Александру Михайловичу Бутлерову. 

 

Количество известных органических веществ ко времени создания теории (от греч.  theoria —  рассмотрение, исследование) химического строения насчитывало десятки тысяч. Это многообразие веществ состояло лишь из нескольких элементов: углерода, водорода, кислорода, реже азота, фосфора и серы. Фридрих Вёлер в письме к Берцелиусу так описывал органическую химию того времени: «Органическая химия может сейчас кого угодно свести с ума. Она кажется мне дремучим лесом, полным удивительных вещей, безграничной чащей, из которой нельзя выбраться, куда не осмеливаешься проникнуть…»

Риc. 6. Фридрих Вёлер, Йонс Якоб Берцелиус Луи Гитон де Морво, Август Кекуле

При разработке своей теории на труды предшественников опирался и 
А. М.  Бутлеров. Так, французские химики Луи Гитон де Морво и Антуан Лавуазье ввели термин «радикал», а Йёнс Берцелиус, Юстус Либих, Жан Дюма предложили теорию радикалов.  Берцелиус ввёл термин «изомерия».  Не только предшественниками, но и соавторами теории химического строения органических соединений считаются немецкий химик Август Кекуле и шотландский химик Арчибальд Купер. В 1858 г.  А. Купер предложил обозначать химические связи между отдельными атомами в молекуле с помощью чёрточек.  В том же году А. Кекуле впервые обратил внимание на то, что углерод в органических соединениях всегда четырёхвалентен. Кекуле и Купер практически одновременно обнаружили способность атомов углерода соединяться друг с другом, образуя различные цепи: линейные, разветвлённые и циклические. Кекуле пришёл к выводу, что молекула бензола имеет циклическое строение с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако впервые термин «химическое строение», обозначавший порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности, предложил именно Бутлеров. Большое значение в становлении теории химического строения сыграли успехи синтеза органических соединений, в результате которых было развеяно учение о витализме, т. е. о «жизненной силе». 

Слова  А.  М. Бутлерова  созвучны  сказанному Д.  И.  Менделеевым: «Само  собой  разумеется, что, когда  мы  будем знать  ближе  натуру химической энергии, самый  род  атомного движения  —  когда законы механики  получат  и здесь  приложения,  тогда учение о химическом строении падёт, как падали прежние химические  теории. Но, подобно большинству этих теорий, она падёт не для того, чтобы исчезнуть, а  для того, чтобы войти в изменённом виде в круг новых и  более широких воззрений».

Основное направление развития теории химического строения — изучение  пространственного и электронного строения соединений.