Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

ТЕМА 1. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. СТРОЕНИЕ АТОМА

В этом разделе вы узнаете...

• по какому принципу классифицируют химические элементы;

• какие существуют группы химических элементов;

• что Периодическая система — не обычный перечень элементов;

• какую информацию можно узнать по месту химического элемента в Периодической системе;

• действительно ли Периодическая система Менделееву приснилась;

• что атом имеет сложное строение;

• что порядковый номер химического элемента имеет глубокий физический смысл;

• что электрон является одновременно и частицей, и волной;

• что именно строение электронной оболочки атомов предопределяет периодичность изменений характера химических элементов и свойств их соединений.

§ 4. Первые попытки классификации химических элементов

Семейства химических элементов

По мере открытия новых химических элементов ученые начали их классифицировать по определенным признакам. Одной из первых попыток было выделение семейств элементов.

Семейство химических элементов — это группа химических элементов, обладающих сходными свойствами.

Например, Калий по многим признакам похож на Натрий. В соединениях они одновалентны, а основания, которые они образуют, являются щелочами. Именно поэтому их называют щелочными. Также существуют и другие элементы, которые по свойствам сходны с Калием и Натрием. Их выделяют в отдельное семейство — семейство щелочных элементов.

По мере открытия химических элементов и изучения их свойств число семейств элементов увеличивалось. Некоторые семейства получили собственные названия и в современной химической литературе чаще упоминаются именно по ним (табл. 2).

Таблица 2. Семейства химических элементов (по короткому варианту Периодической системы)

Период

Группа

I

II

V

VI

VII

VIII

Щелочные элементы1

Щелочно-земельные элементы2

Пниктогены3

Халькогены4

Галогены5

Инертные элементы6

1

Не

2

Li

N

О

F

Ne

3

Na

Р

S

Сl

Аr

4

К

Са

As

Se

Вr

Кr

5

Rb

Sr

Sb

Те

I

Хе

6

Cs

Ва

Bi

Ро

At

Rn

7

Fr

Ra

Mc

Lv

Ts

Og

1 — образуют щелочи. 2 — образуют земли (так раньше называли оксиды), которые в воде превращаются в щелочи. 3 — образуют удушающие вещества. 4 — большинство элементов встречаются в природе в соединениях с Купрумом. 5 — образуют соли. 6 — являются инертными, т. е. неспособными вступать в реакции.

Все элементы, относящиеся к одному семейству, проявляют сходство в химических и физических свойствах образованных ими веществ. Объединение химических элементов в семейства положило начало классификации химических элементов и способствовало открытию одного из фундаментальных законов природы — Периодического закона Д. И. Менделеева.

Первые попытки классификации химических элементов

Триады Деберейнера

Иоганн Деберейнер — первый ученый, которому удалось установить определенные закономерности в характере химических элементов и их соединений. Основываясь на общих признаках химических элементов, он предложил объединить некоторые из них в группы по три элемента (триады). Первой триадой, предложенной Деберейнером в 1817 г., были щелочноземельные металлические элементы Кальций, Стронций и Барий. Через 12 лет он установил еще две триады: щелочных элементов (Литий, Натрий и Калий) и халькогенов (Сульфур, Селен и Теллур). Ученый заметил, что в пределах этих триад относительная атомная масса среднего элемента приблизительно равна среднему арифметическому масс двух других (рис. 4.1). Закон триад Деберейнера стал основой для дальнейшей систематизации элементов.

Рис. 4.1. Триады — группы химических элементов, предложенных Деберейнером. Под символами химических элементов приведены их относительные атомные массы

Иоганн Вольфганг Деберейнер (1780-1849)

Немецкий ученый, профессор химии и фармакологии Йенского университета. Родился в небольшом городке в Баварии, в бедной семье придворного кучера. С детства интересовался химией и начальные знания по химии получил самостоятельно, а в 14 лет стал помощником аптекаря. Несмотря на отсутствие химического образования, Деберейнер был советником по химии поэта Вольфганга Гете, который в то время возглавлял правительство Веймарского герцогства. Деберейнер трижды предпринимал попытки заняться коммерцией, но безуспешно. Работая в университете, он систематизировал химические элементы, группируя их в триады. Открыл каталитическое действие платины, чем основал новый раздел химии, который сегодня называют гетерогенным катализом.

Октавы Ньюлендса

В 1864 г. Джон Ньюлендс впервые расположил все известные к тому времени химические элементы в ряд по увеличению их относительных атомных масс. Он отметил, что в этой цепи периодически появляются химически подобные элементы. Пронумеровав все элементы и сопоставив номера с характером элементов, Ньюлендс сделал вывод, что каждый восьмой элемент является сходным по свойствам с первым элементом, так же, как в музыке восьмая нота в октаве является сходной с первой (рис. 4.2, с. 20). Свое открытие он назвал «закон октав»: номера сходных элементов отличаются на семь или на число, кратное семи.

Рис. 4.2. Примеры октав в музыке и октав химических элементов, предложенных Джоном Ньюлендсом

Джон Александр Рейна Ньюлендс (1837-1898)

Английский химик, эксперт в области сахарного производства. Родился в Лондоне, в семье священника. С 1864 г. занимался систематизацией химических элементов. После открытия «закона октав» в 1866 г. он доложил об этом Лондонскому королевскому обществу, но его открытие не поддержали. С насмешкой ему предложили расположить элементы по алфавиту — может, так он заметит еще одну закономерность. После открытия Менделеева Ньюлендс начал борьбу за признание своего приоритета в открытии Периодического закона, но так и не добился своего. В отличие от Ньюлендса, Менделеев не только открыл этот закон, но и сделал определенные предположения на его основании. Тем не менее, заслуги Ньюлендса были отмечены высочайшей на тот момент наградой — золотой медалью Дэви.

Таким образом, Ньюлендсом были впервые выдвинуты предположения о периодичности изменений характера элементов. Однако Ньюлендс не смог раскрыть физическую суть своего открытия.

Таблица Лотара Мейера

Немногим позже Ньюлендса, в 1864 г., свою первую таблицу химических элементов опубликовал немецкий химик Лотар Мейер. Она состояла из 43 элементов из 63 известных к тому времени (рис. 4.3). Мейер расположил элементы по увеличению отношения молярной массы простого вещества к его молярному объему. Анализируя полученные данные, он наблюдал периодическое изменение характера элементов. Но работа Мейера не была систематической и не могла претендовать на статус закона. В отличие от Менделеева, Мейер даже не заподозрил, что для некоторых элементов были неправильно определены атомные массы, а это, в свою очередь, вносило определенные погрешности в его открытие и не давало общего понимания классификации химических элементов.

Рис. 4.3. Фрагмент таблицы Лотара Мейера

Юлиус Лотар Мейер (1830-1895)

Немецкий химик. Родился в семье врача. Имел слабое здоровье, поэтому среднее образование получил только в 20 лет. Закончил медицинский факультет в Цюрихе. После этого изучал газообмен в крови в лаборатории Бунзена. Работал преимущественно в области физической химии: изучал каталитическое действие металлов. Впервые начал использовать кислородный эталон для определения относительных атомных масс. В своей таблице в 1870 г. Мейер правильно расположил элементы (оставил и пустые места), но, в отличие от Менделеева, не применил свои результаты ни для перерасчета атомных масс, ни для предположения свойств еще не открытых элементов. Однако в 1882 г. за это открытие был награжден золотой медалью Дэви вместе с Менделеевым.

В большинстве европейских стран, как и в Украине, Периодическую систему химических элементов называют именем Дмитрия Ивановича Менделеева. В некоторых странах ее называют просто Периодической системой без какого-либо имени, хотя признают приоритет ее открытия за Менделеевым. А в США Периодическую систему называют именем Лотара Мейера.

Лингвистическая задача

В переводе с греческого галос означает «соль», халько — «медь», пникто — «удушающий», генеа — «рождение». Какое значение, по вашему мнению, имеют названия семейств «галогены», «халькогены» и «пниктогены»? Почему семейства химических элементов были названы именно так?

Выводы

1. По мере открытия новых химических элементов химики пытались их классифицировать. Одной из первых удачных попыток было открытие Деберейнером триад — элементов со сходными свойствами, благодаря чему сегодня выделяют множество семейств химических элементов (щелочные, инертные и др.).

2. До открытия Периодического закона были сделаны еще две удачные попытки классификации химических элементов: октавы Ньюлендса и таблица Лотара Мейера. Но эти открытия не получили статуса закона, так как их авторы не смогли их использовать для формулирования общих закономерностей и предположения существования новых химических элементов.

Контрольные вопросы

1. Назовите известные вам семейства химических элементов и кратко охарактеризуйте одно из них.

2. Определите вклад Деберейнера, Ньюлендса и Мейера в классификацию химических элементов. Чем ценны их открытия? Почему они не заслуживают звания «закон»?

3. Как называют элементы первой группы Периодической системы: а) щелочные; б) щелочноземельные; в) редкоземельные?

4. Как называют элементы седьмой группы Периодической системы; а) халькогены; б) галогены; в) инертные?

Задания для усвоения материала

1. Из данного перечня химических элементов выпишите отдельно: а) щелочные элементы; б) щелочноземельные элементы; в) галогены; г) инертные элементы.

Br, Na, Al, Са, S, Хе, К, Cl, I, Li, Ва, Ne, Rb, Sr, F, Fe, He, H.

2. Используя Периодическую систему на форзаце, составьте формулы соединений с Гидрогеном: а) галогенов; б) халькогенов; в) пниктогенов. В этих соединениях все элементы проявляют низшую валентность.

3. Составьте в общем виде формулы оксидов и гидроксидов металлических элементов: а) щелочных; б) щелочноземельных. Используя эти формулы, составьте в общем виде уравнения реакций оксидов щелочных и щелочноземельных элементов с водой.

4. Найдите в Периодической системе три примера химических элементов, доказывающих установленные Деберейнером закономерности в относительных атомных массах элементов.

5. Как вы считаете, как бы назвал свой закон Джон Ньюлендс, если бы к тому времени были открыты инертные элементы?