Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

§ 8. Значение Периодического закона. Научная прозорливость Д. И. Менделеева

Исправление неправильно определенных относительных атомных масс

Открытие Периодического закона и создание Периодической системы химических элементов — величайшее достижение фундаментальной науки XIX в. Периодичность изменения свойств элементов была известна и до Менделеева. Идея расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс была также не новой. Но никому из ученых до Менделеева не удавалось, даже с использованием определенных знаний о химических свойствах, выстроить систему для всех известных к тому времени элементов. Прежде всего из-за того, что свойства многих элементов были определены неправильно или не определены вообще.

Гениальность Д. И. Менделеева заключается в том, что он первым увидел в периодичности изменений свойств элементов фундаментальный закон природы и заложил его в основу составленной им таблицы.

Основываясь на Периодическом законе, Менделеев также выявил, что атомные массы некоторых элементов были установлены неправильно. Он провел многочисленные эксперименты по определению атомных масс элементов и исправил относительные атомные массы некоторых из них.

Рис. 8.1. Д. И. Менделеев в рабочем кабинете

Так, большинство ученых принимали относительную атомную массу Бериллия равной 13,5. Но по совокупности свойств Бериллий должен находиться в Периодической системе между Литием (относительная атомная масса 7) и Бором (относительная атомная масса 11). Поэтому Менделеев сделал вывод, что Бериллий на самом деле имеет относительную атомную массу, промежуточную между относительными атомными массами этих элементов, т. е. около 9. Со временем экспериментальные исследования подтвердили правильность предположения Д. И. Менделеева.

Предвидение существования еще не открытых химических элементов

Открытый закон природы обретает научное значение только после того, как подтверждается практикой и дальнейшим развитием науки. Закон должен не только объяснять факты и явления, но и предопределять новые открытия. Глубоко убежденный в правильности открытого им закона, Д. И. Менделеев приложил немало усилий для его признания. Он показал, как пользоваться законом для проверки уже известных фактов и для предвидения новых.

На момент открытия Периодического закона было известно только 63 химических элемента (рис. 8.2), но этот закон позволил Менделееву предсказать существование не известных еще в то время элементов.

Рис. 8.2. В одном из первых вариантов таблицы Менделеев оставил свободные места для еще неизвестных элементов и предсказал их свойства

Так, не были известны элементы с атомными массами от 65 (Цинк) до 75 (Арсен). Однако по значению высшей валентности Цинк — это элемент II группы (оксид ZnO), а Арсен — V группы (высший оксид As2O5). Менделеев предположил, что между Цинком и Арсеном должны быть расположены еще два пока не известных элемента: один из них по свойствам должен быть подобен Алюминию, а другой — Силицию. Он назвал их Экаалюминием (т. е. «подобный Алюминию») и Экасилицием («подобный Силицию»).

Предсказание свойств элементов и их соединений

Д. И. Менделеев не только предсказал существование неизвестных элементов, но и подробно описал свойства некоторых из них. Многие ученые сначала скептически относились к предсказаниям Менделеева. Но после обнаружения этих элементов в природе гениальная прозорливость Д. И. Менделеева получила блестящее подтверждение. Свойства новых открытых элементов — их назвали Галлием и Германием — практически совпали с предсказанными Менделеевым свойствами Экаалюминия и Экасилиция (табл. 4). Это подтвердило истинность Периодического закона.

Таблица 4. Предсказанные и экспериментально подтвержденные свойства Германия

Характеристика элемента и образованных им веществ

Экасилиций, существование которого предсказано Менделеевым в 1871 г.

Германий, открытый Винклером в 1886 г.

Относительная атомная масса

Около 72

72,6

Свойства простого вещества

Серый тугоплавкий металл, плотность — ок. 5,5 г/см3

Серый тугоплавкий металл, плотность — 5,35 г/см3

Характеристика оксида

Формула оксида — ЕO2, плотность — ок. 4,7 г/см3, оксид должен умеренно легко восстанавливаться до металла

Формула оксида — GeO2, плотность — 4,7 г/см3, оксид восстанавливается до металла при нагревании в струе водорода

Характеристика хлорида

Хлорид ЕСl4 должен быть жидкостью с температурой кипения ок. 90 °С и плотностью ок. 1,9 г/см3

Германий хлорид GeCl4 является жидкостью с температурой кипения 83 °С и плотностью 1,887 г/см3

Д. И. Менделеев определял свойства какого-либо неизвестного элемента как средние между свойствами элементов, окружающих его в Периодической системе. Так, слева и справа от Германия расположены соответственно Галлий и Арсен, а сверху и снизу — Силиций и Станнум. По методу Менделеева, относительная атомная масса Германия должна быть равна среднему арифметическому относительных атомных масс этих четырех элементов. Полученное число — 72,85 — близко к значению относительной атомной массы Германия (72,59).

Открытие инертных газов

Сложным «испытанием» для Периодического закона оказалось открытие инертных газов. Эти вещества содержатся в атмосфере в незначительных количествах. Первым был открыт аргон. Сообщение о его наличии в воздухе ошеломило ученых. Оказывается, воздух, который так тщательно исследован, содержит неизвестный газ! В дальнейшем в воздухе были обнаружены неон, криптон и ксенон. Исследование этих газов показало, что их молекулы одноатомны. Инертные газы не реагировали ни с одним веществом. Попытки получить соединения инертных элементов с другими элементами не давали результатов. Таким образом, появились элементы с неизвестными валентностями, и им не было места в Периодической системе.

Так как новые элементы были чрезвычайно химически инертны, Д. И. Менделеев расположил их между элементами групп галогенов и щелочных элементов в отдельную группу с номером 0 (в современной Периодической системе они расположены в VIII группе). Так периоды Периодической системы получили свое логическое завершение.

Экспериментальное подтверждение измененных Д. И. Менделеевым относительных атомных масс и открытие элементов с предсказанными заранее свойствами определило мировое признание Периодического закона.

Периодический закон открыл путь к изучению строения атома. Основываясь на Периодическом законе, ученые смогли получать вещества с заданными свойствами, открывать и синтезировать ранее неизвестные химические элементы. Периодический закон позволил ученым выдвигать и доказывать гипотезы о происхождении и превращениях химических элементов во Вселенной.

Выводы

Периодический закон — фундаментальный закон природы, который позволяет объяснить и предсказать свойства химических элементов и образованных ими соединений.

Контрольные вопросы

1. Опишите научное значение Периодического закона. Почему попытки классификации химических элементов, сделанные до Менделеева, нельзя считать фундаментальными законами природы?

2. Каким образом Периодический закон позволяет предсказать свойства химических элементов и образованных ими химических соединений? Приведите конкретные примеры.

3. Объясните, почему открытие инертных газов поставило под вопрос справедливость Периодического закона.

Задания для усвоения материала

1. На основе Периодического закона определите значения относительных атомных масс Галлия и Селена. Сравните полученные данные с приведенными в Периодической системе.

2. Составьте формулы соединений с Хлором тех элементов, существование которых было предсказано Д. И. Менделеевым (№ 21, 31, 32).

3. Назовите известные вам простые вещества, молекулы которых в газообразном состоянии являются: а) одноатомными; б) двухатомными.

4. Объясните на конкретных примерах, как можно предугадать характер элемента, а также физические и химические свойства его соединений, основываясь на Периодическом законе.

5. Какие нарушения в закономерном изменении свойств элементов второго периода будут возникать, если элемент Бериллий поместить в соответствии с его бывшим (неправильным) значением относительной атомной массы (13,5)?

6. Химические элементы А, Б и В относятся к главным подгруппам II, IV и VI групп соответственно. Химические элементы А и Б относятся к одному периоду и образуют друг с другом два соединения: одно способно гореть, а другое — нет. Соединения этих трех элементов распространены в природе и применяются в производстве строительных материалов. Назовите эти элементы.

7. Определите в Периодической системе элемент, высший оксид которого имеет валентность не больше IV и относительную молекулярную массу (с точностью до единицы): а) 94; б) 102. Докажите, что существует только один правильный ответ.

8*. Как вы считаете, смогут ли ученые обнаружить новые химические элементы, которые должны находиться в восьмом периоде? Сколько, по вашему мнению, может всего существовать химических элементов? Найдите в дополнительных источниках информацию, которая бы подтвердила вашу мысль.

• Изучая состав нефти, Менделеев установил, что намного рациональнее использовать ее для добывания ценных органических веществ, а не для сжигания. Он говорил, что сжигать нефть в печах — все равно, что топить их деньгами.

• Менделеев считал скромность самым бесполезным качеством человека и без стеснения выбивал деньги из правительства. Известна история о посещении лаборатории Менделеева одним из Великих князей. Менделеев, чтобы обратить внимание на затруднительное положение лаборатории и получить деньги на исследования, приказал завалить коридор всяким хламом. Князь проникся проблемами лаборатории и выделил средства.

• Люди, далекие от науки, знали Менделеева исключительно как «чемоданных дел мастера». В свободное время Дмитрий Иванович любил переплетать книги, клеить рамы для портретов, изготавливать чемоданы. Он сам себе шил одежду, так как готовую считал неудобной.

• У деда Менделеева была совсем другая фамилия — Соколов. Дело в том, что тот был священником, в семьях которых в те времена было заведено давать своим сыновьям другие фамилии. Поэтому отец Дмитрия Ивановича получил фамилию соседей-помещиков.