Систематизация элементов. Периодический закон

Одной из важнейших проблем теоретической химии XIX в. после разрешения проблемы атомных весов(масс) оставалась систематизация химических элементов. Со времен античности и средних веков были известны 14 элементов (хотя собственно элементами их стали счи­тать лишь в конце XVIII в.). В XVIII в. к ним добавляется 19 но­вых элементов; к 1860 г. число элементов возрастает до шестиде­сяти. Проблема упорядочения элементов и отыскания закономер­ности в изменении их свойств становится весьма актуальной.

Первую попытку систематизации элементов предпринимает не­мецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780-1849), сформулировавший в 1829 г. закон триад. Дёберейнер обратил внима­ние на то, что в сходных по свойствам рядах элементов наблюда­ется закономерное изменение атомного веса. В выделенных Дёберейнером триадах элементов атомный вес среднего элемента триа­ды примерно равен полусумме атомных весов двух крайних элементов:

Хотя разбить все известные элементы на триады Дёберейнеру, естественно, не удалось, тем не менее, закон триад явно указывал на наличие взаимосвязи между атомным весом и свойствами эле­ментов и их соединений. Все дальнейшие попытки систематиза­ции основывались на размещении элементов в порядке возраста­ния их атомных весов.

В 1843 г. Леопольд Гмелин привёл таблицу химически сход­ных элементов, расставленных по группам в порядке возрастания ″соединительных масс″. Вне групп элементов, вверху таблицы, Гмелин поместил три ″базисных″ элемента – кислород, азот и водород. Под ними были расставлены триады, а также тетрады и пентады (группы из четырёх и пяти элементов), причём под кислородом расположены группы металлоидов (неметаллов по терминологии Берцелиуса), то есть электроотрицательных элементов. В таблице Гмелина электроположительные и электроотрицательные свойства групп элементов плавно изменялись сверху вниз. Несколько вариантов таблиц предложил в 1857-1868 гг. английский химик Уильям Одлинг (1829-1921).

Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа (1820-1886) в 1862 г. предложил винтовой график элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов – так называемая ″земная спираль″ (vis tellurique). Шанкуртуа нанёс на боковую поверхность цилиндра, размеченную на 16 частей, линию под углом 45°, на которой поме­стил точки, соответствующие элементам. Таким образом, элемен­ты, атомные веса которых отличались на 16 или на число, кратное 16, располагались на одной вертикальной линии. При этом точки, отвечающие сходным по свойствам элементам, часто оказывались на одной прямой. Винтовой график Шанкуртуа фиксирует законо­мерные отношения между атомными весами элементов, однако данная система не могла быть признана удовлетворительной.

Джон Александр Рейна Ньюлендс (1837-1898) в 1864 г. публи­кует таблицу элементов, отражающую предложенный им закон октав. Ньюлендс показывает, что в ряду элементов, размещённых в порядке возрастания атомных весов, свойства восьмого элемента сходны со свойствами первого. Такая зависимость действительно имеет место для лёгких элементов, однако Ньюлендс пытается придать ей всеобщий характер (табл. 1).

Таблица 1

Таблица Ньюлендса

В таблице Ньюлендса сходные элементы располагаются в горизонтальных рядах, однако в том же ряду оказываются и элементы совершенно непохожие. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, табли­ца Ньюлендса не содержит свободных мест. Вследствие присущих системе Ньюлендса недостатков современники отнеслись к закону октав чрезвычайно скептически.

В том же году Уильям Одлинг, пересмотрев предложенную им в 1857 г. систематику элементов, основанную на эквивалентных весах, предлагает следующую таблицу, не сопровождаемую каки­ми-либо пояснениями (табл. 2).

Таблица 2

Таблица Одлинга, 1864 г.

Следующий этап связан с исследованиями, которые проводил в

60-е гг. XIX в. немецкий химик Юлиус Лотар Мейер (1830-1895) (табл. 3).

Таблица 3

Таблица Мейера, 1864 г. (фрагмент)

В 1864 г. Мейер публикует первую таблицу, в которую включе­ны 42 элемента (из 63), размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер намеренно ограничивает число элементов в таб­лице, чтобы подчеркнуть закономерное (аналогичное триадам Дёберейнера) изменение атомного веса в рядах подобных элементов,

В 1870 г. выходит работа Мейера, содержащая новую таблицу и график зависимости атомного объёма элементов от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид (рис. 1).

Рис. 1. Кривая атомных объёмов Мейера

Предложенная Мейером таблица ″Природа элементов как фун­кция их атомного веса″ состояла из девяти вертикальных столб­цов, а сходные элементы располагались в горизонтальных рядах; некоторые ячейки таблицы Мейер оставил незаполненными (табл. 4).

Таблица 4

Таблица Мейера, 1870 г.

В марте 1869 г. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) представил Русскому химическому обществу (РХО) периоди­ческий закон химических элементов, сформулированный в нескольких основных положениях.

1. Элементы, расположенные по возрастанию их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств.

2. Сходные по свойствам элементы имеют или близкие атом­ные веса (Os, Ir, Pt), или последовательно и однообразно увеличивающиеся (К, Rb, Cs).

3. Сопоставление элементов или их групп по величине атом­ного веса отвечает их валентности.

4. Элементы с малыми атомными весами имеют наиболее рез­ко выраженные свойства, поэтому они являются типичес­кими элементами.

5. Величина атомного веса элемента может быть иногда ис­правлена, если знать аналоги данного элемента.

6. Следует ожидать открытия ещё многих неизвестных элемен­тов, например, сходных с А1 или Si, с паем (атомным весом) 65–75.

В 1869 г. выходит первое издание учебника ″Основы химии периодической системы″, где была приведена первая таблица Д.И. Мен­делеева (рис. 2).

Рис. 2. "Опыт системы элементов, основанной на их атомном

весе и химическом сходстве".

Таблица опубликована Д.И. Менделеевым отдельным

изданием 17 февраля (1 марта по новому стилю) 1869 г.

В конце 1870 г. Менделеев докладывает РХО статью ″Есте­ственная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов″, в которой предсказывает свойства неот­крытых ещё элементов – аналогов бора, алюминия и кремния (со­ответственно экабор, экаалюминий и экасилиций).

В 1871 г. Менделеев в итоговой статье ″Периодическая закон­ность химических элементов″ даёт формулировку Периодического закона:

″Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимос­ти от атомного веса″.

Тогда же Менделеев придает своей системе классический вид (так называемая короткая таблица) (табл. 5).

В связи с периодической системой химических элементов часто поднимается вопрос о приоритете. Здесь следует чётко отделять пе­риодическую таблицу и периодический закон химических элемен­тов. В таблицах Одлинга 1864 г., Менделеева 1869 г. и Мейера 1870 г. нельзя не отметить несомненного сходства; во всех табли­цах оставлены места для неоткрытых элементов и все они не лишены недостатков.

Работа Мейера была сдана в печать в 1869 г.; пос­ле выхода работ Менделеева Мейер добавил в свою статью ссылку на Менделеева, где, в частности, особо указал, что предлагаемый им график прекрасно иллюстрирует предложенный Менделеевым термин ″периодичность″. Таким образом, поскольку Менделеев и Мейер независимо друг от друга предложили весьма близкие вари­анты таблицы, используемое в некоторых странах название ″таб­лица Менделеева-Мейера″ можно считать не лишённым оснований.

Вместе с тем приоритет Менделеева в открытии периодического закона химических элементов является совершенно неоспоримым (сам Мейер на него никогда и не претендовал). Мейер, Шанкуртуа, Ньюлендс и Одлинг систематизировали элементы, указывая на наличие несомненной закономерности в численных величинах атомных весов. Однако никто до Менделеева не решился счесть эти закономерности общим законом природы. Заслуга Менделеева состоит в том, что он не просто расположил элементы в опреде­лённом порядке, но взял на себя смелость на основании предполо­жения, что именно атомный вес предопределяет свойства эле­мента, изменить принятые атомные веса некоторых элементов и подробно описать свойства неоткрытых ещё элементов. Сам Менделеев по это­му поводу высказался следующим образом: ″Утверждение закона возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и не ожидаемых, и оправдание тех следствий в опытной проверке. Потому-то, увидев периодический закон, я со своей стороны вывел из него такие логические следствия, кото­рые могли показать – верен ли он или нет. Без такого способа испытания не может утвердиться ни один закон природы».

Таблица 5

Формулировка Менделеевым периодического закона и построе­ние периодической системы означали лишь начало развития уче­ния о периодичности свойств элементов. Предсказания Менделеева вначале были встречены с известным скепсисом; лишь после того, как были открыты предсказанные элементы и обнаружено совпа­дение их реальных свойств с предсказанными, периодический за­кон был признан в качестве одного из фундаментальных законов химии. В развитии периодического закона принято выделять два этапа – химический и физический.