Помоги проекту - поделись книгой:
Такую же картину мы наблюдаем в других периодах. Таким образом, в то время как атомные веса в таблице беспрерывно растут, валентность элементов периодически колеблется.
Окислы различных элементов, имеющие отличные друг от друга химические свойства, размещаются в периодической таблице также закономерно. В первых двух группах располагаются окислы металлов, которые при химическом соединении с водой дают особую группу химических соединений, так называемые основания. Большинство оснований в воде нерастворимо. Но немногие, растворяясь, образуют щёлочи, например:
Na2O + H2O = 2NaOH
окисел натрия + вода = две молекулы едкого натра
К2O + Н2O = 2КОН
окисел калия + вода = две молекулы едкого кали
Щёлочи называются едкими потому, что они разрушают большое число органических веществ, например жиры, сахар и многое другое.
Окислы металлоидов, соединяясь с водой, образуют другие химические соединения — кислоты, которые обладают кислым вкусом и разъедают металлы. Все кислоты имеют в своём составе атомы водорода, например:
SO3 + Н2O = H2SO4
окисел серы + вода = серная кислота
CO2 + Н2O = H2CO3
окисел углерода + вода у + угольная кислота
К кислотным окислам относятся главным образом окислы IV–VIII групп периодической таблицы элементов.
Таким образом, в таблице Менделеева слева располагаются щелочные окислы, а справа — типичные кислотные. У серединных элементов наблюдается постепенное снижение щелочных и нарастание кислотных свойств. Так, у элементов III и IV групп слабо выражены как кислотные, так и основные свойства.
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, объединив в одно целое разрозненные до этого химические элементы, показала их естественную последовательность. До открытия Менделеева химические элементы казались ничем не связанными друг с другом, независимыми друг от друга. Периодический закон показал, что это не так. Все химические элементы взаимно обусловливают друг друга; именно поэтому они располагаются в периодической таблице в определённом естественном порядке.
Закон Менделеева показал, что химические элементы, т. е. основные вещества, из которых строятся все окружающие нас тела, едины по своей природе.
Вместе с тем периодическая система элементов позволила научно предсказывать существование в природе новых, ещё не известных химических элементов и их свойств! Слепым поискам неизвестных простых тел природы был положен конец.
ПРЕДВИДЕНИЕ УЧЁНОГО
В поисках всеобъемлющей связи между химическими элементами Д. И. Менделеев взял за основу их атомный вес. Но при изучении построенной им таблицы элементов великий учёный стремился прежде всего найти естественную, действительно существующую закономерность в изменении свойств элементов в зависимости от массы их атомов.
Составляя свою знаменитую таблицу, Менделеев руководствовался не только атомным весом, но и всей совокупностью свойств каждого отдельного элемента.
Найдя основную закономерность, определив периодическую зависимость свойств химических элементов от их положения в периодической системе, Д. И. Менделеев сделал отсюда замечательный вывод. Он понял, что знание того, как должны изменяться свойства химических элементов в периоде, какова периодическая повторяемость свойств у разных элементов, даёт в руки химика необыкновенные возможности проверять правильность атомных весов элементов; более того, видеть, где, в каком из периодов таблицы нет «полного набора» элементов, и таким образом строго научно предсказывать существование в природе ещё не открытых элементов!
«Каждый естественный закон, — писал Д. И. Менделеев, — однако, тогда только приобретает особое научное значение, когда из него есть возможность извлекать практические, если можно так выразиться, следствия, то есть такие логические заключения, которые объясняют не объяснённое ещё, указывают на явления, до тех пор неизвестные, и, особенно, когда он даёт возможность делать такие предсказания, которые возможно подтвердить опытом. Тогда очевидной становится польза закона и получается возможность испытать его справедливость».
Убеждённый в правоте своих выводов, он приступает к исправлению и дополнению своей таблицы.
Так, если считать, что атомный вес урана равен 120, то его место должно находиться где-то посредине периодической таблицы. Но Менделеев видит, что уран по его свойствам должен находиться не в середине, а в самом конце таблицы, и учёный смело исправляет принятый в то время вес урана — увеличивает его вдвое. Проверка атомного веса устанавливает, что Менделеев прав. Точно так же учёный исправил атомные веса элементов индия, церия и других.
Изучая свойства элементов по периодам, Менделеев увидел далее, что периодическая последовательность в изменении свойств химических элементов в отдельных местах нарушается. Так, на месте элемента, родственного алюминию (Al), стоял согласно атомному весу титан (Ti). Но этот элемент обладает совершенно иными свойствами. Более того, если всё же оставить титан на этом месте, то тем самым нарушается последовательность в периодичности свойств и у других элементов.
Для Менделеева, убеждённого в правоте своего закона, было ясно, что на месте титана должен стоять какой-то другой элемент. Но какой? Среди известных элементов, близких по атомному весу к титану, таких элементов не было.
Учёный был уверен, что такой элемент должен существовать в природе. И он оставляет в своей таблице для этого ещё не открытого элемента пустое место с вопросительным знаком, Менделеев даёт этому элементу условное название — экаалюминий.
Он подробно описывает свойства этого «ещё ни одному человеку в мире неизвестного элемента. В статье, напечатанной в журнале Русского химического общества за 1871 год, учёный пишет, что атомный вес экаалюминия близок к 68, его удельный вес около 6,0, температура плавления очень низка — в чистом виде этот металл должен плавиться в руке человека; химическое соединение неизвестного элемента с кислородом — его окись — очень летуче, поэтому всего вероятнее, что новый элемент должен быть открыт при помощи спектрального анализа (об этом особом способе физического исследования см. далее, стр. 26).
Помимо экаалюминия, Менделеев предсказывает также открытие экабора и экакремния — элементов, родственных по их свойствам бору и кремнию.
«Это применение закона периодичности показывает всю его силу и новизну, потому что, должно сознаться, до сих пор мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения. И оттого-то только слепой случай и особая прозорливость и наблюдательность вели к открытию новых элементов. Теоретического интереса в открытии новых элементов вовсе почти не было и от того важнейшая область химии, а именно, изучение элементов, до сих пор привлекала к себе только немногих химиков. Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь…», — так определяет Д. И. Менделеев значение периодического закона для научного предсказания существования в природе неизвестных ещё химических элементов.
КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЁН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
20 сентября 1875 года на заседании Парижской Академии наук было зачитано письмо французского химика Лекок-де-Буабодрана об открытии им нового химического элемента — галлия. Галлий был обнаружен в минерале цинковая обманка при помощи спектрального анализа.
Первые же испытания нового элемента показали, что по своим свойствам он очень похож на алюминий.
Это был предсказанный Д. И. Менделеевым в 1871 году экаалюминий.
6 ноября 1875 года в протокол заседания Русского химического общества заносится: «Менделеев обратил внимание на то, что элемент, открытый недавно Лекок-де-Буабодраном…, совпадает с долженствующим существовать экаалюминием, свойства которого указаны четыре года назад и выведены Менделеевым на основании периодического закона. Если галлий тождественен с экаалюминием, то он будет иметь атомный вес 63, плотность 5,9…».
Все предсказанные Менделеевым свойства нового элемента подтвердились!
Интересно отметить, что Буабодран на первых порах неверно определил удельный вес галлия. Д. И. Менделеев тут же написал в Париж письмо, указав, что Буабодран ошибся. Французский химик повторил опыт и убедился, что Менделеев прав, — удельный вес галлия оказался равным, как и предсказывал русский химик, около 6, а именно 5,94.
В 1880 году было получено новое подтверждение закона Менделеева: в Швеции был открыт экабор — скандий (Sc). Нильсон, открывший этот новый элемент, писал: «Не остаётся никакого сомнения, что в скандии открыт экабор… Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперёд указать его важнейшие свойства».
Третий из предсказанных Д. И. Менделеевым в 1871 году элементов — экакремний (германий) — был найден немецким учёным Винклером в 1886 году. Свойства нового элемента почти в точности совпали с предсказанными.
Оценивая это открытие, Ф. Энгельс писал, что Менделеев совершил научный подвиг.
Менделеевым было предсказано открытие и других химических элементов, в том числе полония, рения, протактиния и других. Все они позднее были найдены.
Рис. 2. Современная периодическая система элементов.
В конце прошлого века были открыты упомянутые нами ранее инертные, недеятельные газы — аргон и другие. По своим свойствам эти газы отличались от всех известных элементов. Они не давали никаких химических соединений с другими элементами (в наше время некоторые из таких газов — аргон и неон — используются в газосветных трубках для светящихся реклам).
Встал вопрос: куда поместить их в таблице Менделеева? Затруднение было разрешено просто. Инертные газы — всего их было открыто шесть — были помещены в отдельную, нулевую группу. Заканчивая периоды, эти газы как бы закрывают разрыв в свойствах между последним в периоде наиболее активным металлоидом и первым в следующем периоде наиболее активным металлом. Что в природе должны существовать эти элементы, об этом говорил сам Менделеев. В 1870 году он писал, что заметно отсутствие элементов между водородом и литием и между натрием и фтором. Именно на этих местах теперь и стоят инертные газы: гелий и неон.
На рис. 2 приведена современная периодическая система химических элементов. В ней все элементы расположены в десяти горизонтальных рядах, составляющих семь периодов — коротких и длинных, и в девяти вертикальных столбцах — группах.
Периоды заключают в себе разное число элементов: в первом периоде всего два элемента — водород и гелий; во втором и третьем — по восьми элементов; в четвёртом и пятом — по восемнадцати; в шестом, самом большом периоде таблицы заключено тридцать два химических элемента; здесь в клетке под № 57 помещается сразу 15 элементов — от лантана до лютеция, очень похожих по химическим свойствам друг на друга; это — так называемые «редкоземельные» элементы, или лантаниды (лантаноиды); они выделяются обычно в отдельную группу (см. внизу таблицы на рис. 2); и, наконец, последний, седьмой, неполный период включает в себя двенадцать химических элементов; сюда входят особой группой так называемые актиниды (актиноиды), в числе которых находятся и все элементы с атомным весом, большим атомного веса урана; начинается этот период с искусственно полученного элемента франция и обрывается калифорнием.
Таким образом, всего до настоящего времени получено искусственно 10 химических элементов; это — технеций (№ 43), прометий (№ 61), астатин (№ 85), франций (№ 87) и шесть заурановых элементов (см. о них далее, стр. 39). Все эти элементы являются продуктами превращений других элементов, осуществлённых в лабораториях учёными.
Каждый из первых шести периодов заканчивается инертным газом.
ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВСЕЛЕННАЯ
Закон Менделеева явился могучим помощником человека в познании природы. И в первую очередь он показал материальное единство вселенной.
Из каких химических элементов состоят различные окружающие нас тела — воздух, вода, земля, горные породы, растения и животные? Из чего состоят Солнце и звёзды?
Эти вопросы давно интересовали человека.
Уже в прошлом веке были произведены детальные анализы многочисленных горных пород, составляющих земной шар. Результат оказался неожиданным. При всём разнообразии встречающихся в земной коре горных пород оказалось, что они состоят главным образом из немногих химических элементов — кремния и кислорода, железа и алюминия, кальция и магния, натрия и калия и некоторых других. Эти элементы входят в состав земной коры в виде соединений с кислородом.
Более всего в составе земной коры (до глубины 16 километров) кислорода; он составляет около 50 процентов всего её вещества. Четвёртую часть коры земного шара занимает кремний. Около семи-восьми процентов её вещества по весу падает на долю алюминия и около четырёх — на долю железа. Магний, кальций, калий и натрий, вместе взятые, составляют немного более 10 процентов от массы земной коры; и всего несколько процентов вещества земной коры состоит из остальных восьми десятков химических элементов. Некоторые из этих элементов, такие, как железо, олово, медь, хром, никель и другие, находятся в земле в виде рудных скоплений — рудных залежей.
Другие элементы рассеяны в земной коре.
К таким относятся, например, скандий, гафний и другие. Эти элементы носят название «редкие», хотя общее количество таких «редких» элементов в земле не так уж мало. Часто их больше, чем обычных, «нередких» элементов. Так, «редкого» элемента циркония в земной коре во много раз больше, чем свинца.
«Редкими» такие элементы называют потому, что они рассеяны в земле и извлечение их из горных пород — очень трудоёмкое дело [2].
С глубиной процентное содержание химических элементов меняется. Увеличивается содержание железа и магния, уменьшается количество кислорода, натрия, калия, алюминия, кремния.
Изучением распространения и истории химических элементов в земной коре занимается особая наука — геохимия.
Очень «беден» химический состав веществ и органического, «живого» происхождения. Десятки тысяч разнообразнейших органических тел природы состоят главным образом из 6–8 веществ — углерода, азота, кислорода, водорода и некоторых других.
Был определён и состав воздуха. Главными составными его частями являются азот и кислород (помимо этих элементов, в составе воздуха находятся газы аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и углекислый газ).
Таким образом, химические элементы, которые входят в менделеевскую таблицу, образуют разнообразные вещества живой и неживой природы.
В настоящее время химикам хорошо известно, например, какие химические элементы входят в состав тел животных. И здесь, оказывается, мы встречаемся с теми же элементами — с кислородом и углеродом, с азотом и кальцием, серой и фосфором, с натрием и калием.
В прошлые века многие из учёных полагали, что тела живой и неживой природы — это несравнимые вещи. Одно дело, например, «мёртвый» камень и совсем другое — какой-нибудь растительный или животный организм. Камень и любое другое тело неживой природы можно научиться создавать искусственным путём. Получать же искусственно вещества живой природы якобы невозможно, так как в их создании участвует особая «жизненная сила».
Такие взгляды особенно рьяно поддерживала церковь. Она видела в них подтверждение существования бестелесной, таинственной и неуловимой души.
Наука опровергла эти ненаучные взгляды. Около 130 лет назад была впервые искусственно получена мочевина — вещество, которое до того создавалось только живыми организмами.
А немного позже известный русский химик Н. Н. Зинин разработал получение из бензола основы красителей — анилина. Раньше анилин получали из природного красителя — индиго.
В наши дни химики создают искусственным путём не только многие сотни веществ «живого» происхождения, но получают и такие органические вещества, которых не создаёт живая природа!
Материальное единство окружающего нас мира теперь доказано наукой. Все многочисленные тела как живой, так и неживой природы состоят из мельчайших материальных частичек — атомов различных химических элементов. Их взаимосвязь определяется великим законом природы — периодическим законом Д. И. Менделеева.
Но возникает ещё один интересный вопрос: из какого вещества, из каких элементов состоят небесные тела, звёзды и планеты? Справедлив ли закон Менделеева и для вселенной?
Современная наука даёт ответ и на этот вопрос. Да, справедлив.
Уже издавна люди наблюдали падение на землю «небесных камней» — метеоритов.
Естественно, что очень интересно выяснить, из каких химических элементов состоят «небесные камни».
Многочисленные анализы метеоритов, как каменных, так и железных, показали, что вещество, попадающее к нам из глубин вселенной, состоит из тех же химических элементов, которые объединяет таблица Менделеева.
Ни одного нового, неизвестного нам на земле элемента в составе метеоритов нет!
Определён теперь и состав раскалённых небесных тел — солнца и звёзд. Об этом человеку рассказали лучи света, приходящие на Землю от далёких звёзд.
В середине прошлого века философ-идеалист О. Конт, пытаясь доказать, что наше познание природы ограничено, приводил такой пример: человек никогда не узнает, из чего состоят звёзды и солнце, какова температура этих небесных тел и т. д. Ведь солнце и звёзды — это раскалённые небесные тела.
Рис. 3. Стеклянная призма разлагает белый свет на цветные лучи.
Если даже предположить, что в отдалённом будущем люди построят межпланетные летательные аппараты, они всё равно не смогут приблизиться к поверхности солнца и звёзд, так как температура этих небесных тел очень высока.
Наука опровергла ложные доводы этого философа.
Всего несколько лет спустя после этого высказывания Конта был открыт новый плодотворный способ исследования небесных тел — спектральный анализ.
Сущность этого способа, коротко говоря, состоит в следующем: белый свет, который мы наблюдаем в жизни, при определённых условиях разлагается на цветные лучи. В этом можно убедиться при помощи очень простого опыта.
Поставьте на пути луча света кусок стекла, имеющий вид клина, так называемую трёхгранную призму (рис. 3).
Проходя через такую призму, свет меняет своё прямолинейное направление или, как говорят, преломляется в ней и одновременно разлагается на составляющие его цветные лучи. Образуется так называемый спектр цветных лучей. В спектре принято выделять семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый, переходящие друг в друга.
Объясняется это явление тем, что лучи разных цветов по-разному преломляются в трёхгранном куске стекла — менее других отклоняются в призме красные лучи, более всех других лучей — фиолетовые.
Изучая спектры света от различных источников, учёные обнаружили одну замечательную их особенность. Свет, который исходит от раскалённых твёрдых и жидких тел, даёт всегда сплошной спектр, т. е. цветные лучи-полоски следуют в нём друг за другом и всегда в одном и том же порядке.
Но совсем иной спектр получается, если свет испускают раскалённые пары какого-либо вещества. Этот спектр состоит из тонких цветных линий, разделённых тёмными полосками. Такой спектр называется линейчатым.
И вот оказывается, что каждый химический элемент имеет свой, отличный от других линейчатый спектр. Например, раскалённые пары натрия дают спектр, состоящий из двойной жёлтой линии; в спектре паров элемента лития имеются характерные — одна красная и одна оранжевая — линии; раскалённые пары калия показывают две характерные линии — красную и фиолетовую и т. д.
Открытие этой замечательной особенности — способности веществ давать свой, отличный от других спектр излучения, когда они находятся в состоянии раскалённых газов, и явилось основой необычайно чувствительного спектрального анализа[3]. С помощью этого способа исследования в первые же годы его применения было открыто несколько новых, ранее неизвестных химических элементов (в том числе упомянутый ранее галлий). Эти элементы встречаются только в рассеянном состоянии. Поэтому ранее они ускользали от внимания исследователя. Способ спектрального исследования тел природы позволил обнаруживать миллионные и миллиардные доли грамма вещества.
Каждое новое простое тело давало о себе знать новым сочетанием цветных линий в спектре, новым линейчатым спектром.
Спектральное исследование лучей света, идущих от небесных тел, и позволило определить, из каких элементов состоят звёзды.
Ещё до открытия линейчатых спектров было замечено, что спектр солнечных лучей, который долгое время считали сплошным, на самом деле не сплошной, а пересекается множеством тонких тёмных линий.
Поделиться книгой: