После утверждения атомно-молекулярной теории важнейшим событием в естествознании стало открытие в 1869 году русским учёным Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов. Этот факт в истории науки сыграл очень важную роль при исследовании свойств химических элементов. Также исследователи в докладах и рефератах отмечают огромное значение периодического закона Менделеева на развитие учений о внутреннем строении веществ.
Химические аспекты
Периодическая система химических элементов Менделеева (сокращённо ПСХЭ) оказала глобальное влияние на дальнейшее развитие химической науки. Это была не только первая естественная классификация элементарных веществ, которая показала, что они образуют гармоничную систему и тесно связаны между собой, но и эффективный инструмент для последующих практических исследований.
В тот период, когда Дмитрий Иванович Менделеев работал над своей таблицей, основанной на постулатах периодического закона, большое количество элементарных веществ было ещё неизвестно. Поэтому при составлении периодической таблицы учёный пропускал места для неоткрытых ещё элементов. На том же основании, к примеру, он оставил два свободных места между Zn и As в 4 периоде.
Также пустыми остались табличные клетки и в других рядах периодической системы. Русский учёный был не только уверен в том, что ещё появятся новые элементы, которые заполняют эти места, но и сделал прогноз возможных свойств вновь открытых элементов. Основывались предположения Менделеева на размещении их мест в уже построенной периодической таблице.
Научное предсказание
Возможность научного предсказания неизвестных элементов стала реальностью только после открытия закона о периодах и составления периодической таблицы. Д. И. Менделеев предсказывал существование новых элементов в периодической таблице (серийный номер, группа и период) и называл их, добавляя приставку «эка» к названию уже известных на то время элементарных химических веществ, с похожими свойствами.
Это позволило, используя прогностическую функцию, делать грубые предположения об атомной массе и наиболее важных свойствах новых элементов. Точность этих прогнозов возросла, особенно когда предсказанный элемент был окружён известными и уже достаточно исследованными элементами.
Уже на протяжении пары десятилетий после даты опубликования периодического закона Менделеева многим учёным удалось обнаружить новые химические элементы:
- Л. де Буа Бододран открыл галлий (экаалюминий) во Франции в 1875 году.
- В 1879 г. Л. Нильсон (Швеция) — скандий (экабор).
- 1886 год — Германия. К. Винклер объявил об открытии германия (экасилиция).
Обнаружение Ga, Sc, Ge стало грандиозным триумфом закона о периодах в химии.
Периодическая таблица также сыграла важную роль при определении валентности и атомной массы многих химических веществ. Она также стала своеобразным толчком к процессу исправления значений атомных масс некоторых элементов. К примеру, Cs ранее был присвоен атомный вес 123,4. А Менделеев обнаружил по расположению элементов в таблице, что, согласно своим свойствам, Cs в основной подгруппе первой группы был ниже Rb, следовательно, его атомная масса — около 130. По современным данным, атомная масса Cs составляет 132,9054.
Что касается неоткрытых элементов 9 и 10 серий, сообщения Д. И. Менделеева были более осторожными, поскольку их свойства были изучены крайне плохо. После висмута, на котором закончился шестой период, остались две линии. Один соответствовал аналогу теллура, другой — неизвестному тяжёлому галогену.
В 7 периоде были известны только два — торий и уран. Русский химик оставил несколько клеток с линиями, которые должны заключаться среди элементов первой, второй и третьей группы перед торием. Между торием и ураном осталась пустая ячейка. За ураном осталось пять вакансий, т. е. трансурановые вещества были запланированы почти на 100 лет.
Чтобы подтвердить точность научных прогнозов Д. И. Менделеева для элементов 9 и 10 серий, можно привести пример с полонием (серийный номер 84). Учёный предсказал свойства химического вещества с порядковым номером 84 и назвал его аналогом теллура и двителлуром. Для него химик предложил атомную массу 212 и способность образовывать оксид.
Такой химический элемент должен иметь плотность 9,3 г/см3 и быть легкоплавким, кристаллическим и нелетучим серым металлом. Полоний, который был получен в чистом виде только в 1946 году, представляет собой мягкий легкоплавкий металл серебристого цвета с плотностью 9,3 г/см3. Свойства аналогичны свойствам теллура.
Закономерности в таблице
Периодический закон и система Д. И. Менделеева являются одним из надёжных методов познания мира. Поскольку элементы в ней связаны общим свойством или структурой, это указывает на законы взаимосвязи и взаимозависимости явлений. Все составляющие системы образуют единую линию непрерывного развития от простейшего водорода до 118-го элемента. Такая закономерность и была впервые замечена Д. И. Менделеевым. Он смог предсказать существование новых веществ и тем самым продемонстрировать непрерывность эволюции материи.
Сравнивая свойства и связи внутри групп, легко найти проявление закона о переходе от количественных к качественным изменениям. Переход от типичного металла к типичному неметаллу (галогену) происходит в течение любого периода времени. Однако переход от галогена к первому элементу следующего периода (щелочной металл) можно охарактеризовать сопровождением появившихся свойств, совершенно противоположных этому галогену.
Открытие Д. И. Менделеевым периодического закона заложило точную и надёжную основу для теории строения атома и оказало большое влияние на развитие всех современных знаний о природе материи.
Влияние на ядерную физику
Работа Д. И. Менделеева по созданию периодической таблицы положила начало научно обоснованному методу целевого поиска новых химических элементарных веществ. А многочисленные достижения в современной ядерной физике могут служить тому яркими примерами.
За последние полвека были синтезированы новые вещества с порядковыми номерами 102−118. Изучение их свойств, а также сохранение свойств было бы невозможно без знания законов взаимоотношений между химическими элементами. Свидетельством такого утверждения является: результаты исследований по синтезу элементов 114 и 116:
- Изотоп 114-го элемента был получен взаимодействием плутония с изотопом 48 Ca.
- Из-за взаимодействия кюрия с изотопом 48 Ca был получен № 116 в периодической таблице:
Стабильность полученных изотопов настолько высока, что они не делятся самопроизвольно, а испытывают альфа-распад, т. е. деление ядер с испусканием альфа-частиц. Полученные экспериментальные данные полностью подтверждают теоретические расчёты: ядра 112-го и 110-го элементов образуются при последовательных альфа-распадах, после которых начинается спонтанное расщепление:
Сравнивая свойства химических элементов, учёные убедились, что они связаны общей чертой структурных особенностей. А сопоставляя структуры внешней и внешней электронных оболочек, можно с большой точностью предсказать все типы соединений, характерные для конкретного вещества.
Такое чёткое соединение очень хорошо иллюстрируется на примере резерфордия. Химики предсказали, что если он является аналогом гафния (72 Hf), свойства тетрахлорида должны приближаться к свойствам HfCl4. И экспериментальные химические исследования не только подтвердили предсказания химиков, но и открыли новый сверхтяжёлый элемент Rf.
По той же аналогии можно проследить в свойствах — Os (Z \ u003d 76) и Ds (Z \ u003d 110) — оба химические вещества образуют летучие оксиды типа R04. Всё это говорит о проявлении закона взаимосвязи и взаимозависимости явлений. Сравнение их свойств как внутри групп, так и внутри периодов, а также их сравнение со структурой атома подтверждают закон перехода от количества к качеству.
Переход от количественных к качественным изменениям возможен только путём отрицания отрицания. Так, переход от щелочного металла к благородному газу происходит в периоды с увеличением заряда ядра. Следующий период начинается снова со щелочного металла — элемента, который полностью отрицает свойства предыдущего благородного газа. Например:
- He и Li;
- Ne и Na;
- Ar и Kr.
В каждом периоде заряд ядра последующего вещества увеличивается на единицу, по сравнению с предыдущим. Этот процесс наблюдается от водорода до 118-го элемента и свидетельствует о непрерывности развития материи.
И, наконец, сочетание разных зарядов в одном атоме (протон и электрон), проявление металлических и неметаллических свойств, наличие амфотерных оксидов и гидроксидов является проявлением закона единства и борьбы противоположностей.
Путеводная звезда
Следует также отметить, если кратко, открытие периодического закона Менделеева стало началом фундаментальных исследований свойств материи. По словам Нильса Бора, периодическая таблица является «путеводной звездой для исследований в области химии, физики, минералогии и технологии».
Закон периода и теперь остаётся ведущей звездой химии. На его основе трансурановые элементы создавались искусственно. И один из них (№ 101), впервые полученный в 1955 году, был назван в честь великого русского учёного.
Дальнейшее развитие науки позволило гораздо глубже понять структуру материи на основе закона периода, чем было возможно при жизни Менделеева. А его пророческие слова были блестяще подтверждены: «Периодическому закону не грозит разрушение, обещана только надстройка и развитие».
