Периодический закон и периодическая система химических элементов д.И. Менделеева

В середине ХIХ в. были известны 63 химических элемента, изучены их свойства и соединения. Ученые предполагали, что существует какая-то закономерность в изменении свойств элементов (повторяемость). Предшественниками Менделеева предпринимались попытки систематизировать элементы, выделялись группы элементов, сходных по свойствам, например: щелочные металлы, галогены. Но только открытие Менделеевым одного из фундаментальных законов природы - периодического закона - позволило создать единую систему химических элементов.

Менделеев разграничил понятия "простое вещество" и "химический элемент" (в то время их часто отождествляли) и пришел к выводу, что атомная масса является характеристикой элемента. Сопоставив атомные массы и свойства элементов, он установил закономерную связь между возрастанием атомной массы и изменением свойств элементов. Работа ученого заключалась в последовательном систематическом изучении элементов, расположении их внутри группы сходных элементов и затем в исследовании взаимосвязи групп.

В 1869 г. Менделеев так сформулировал периодический закон: свойства простых тел (так в ХIХ в. называли простые вещества), а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости от величины атомных весов (так называли атомные массы) элементов. Тогда же он представил первый вариант графического изображения периодического закона - периодической таблицы элементов, над совершенствованием которой затем работал до 1905 г.

Расположив элементы в один ряд в порядке возрастания их относительных атомных масс, Менделеев обнаружил, что периодически происходит изменение свойств элементов от типичных металлов к типичным неметаллам. Так на отрезке общего ряда от Li до F (инертные газы в то время еще не были открыты) происходит переход от щелочного металла лития через постепенное усиление неметаллических свойств к типичному неметаллу - галогену фтору, затем качественный скачок и на следующем отрезке - похожий переход от Na к Cl. Затем опять качественный скачок и опять похожий, но более постепенный переход от K к Br на более длинном отрезке. Затем такой же переход от Rb к I. А оксиды и гидроксиды элементов на этих отрезках меняют свойства от основных через амфотерные к кислотным.

Эти отрезки, в которых периодически наблюдается изменение свойств элементов, Менделеев назвал периодами. В современной таблице они располагаются горизонтально один под другим, начинаются щелочным металлом и заканчиваются инертным элементом. При этом по вертикали получаются группы элементов со сходными свойствами.

Работу Менделеева затрудняло то, относительные атомные массы многих элементов в то время были определены неверно. Например, у бериллия атомная масса считалась 13,5 вместо 9, т.е. его надо было поместить не на 4-ом, а на 6-ом месте. Но ученый был убежден, что масса Be определена неверно и по совокупности свойств поместил его на 4 место. Подобным образом Менделеев исправил массы и валентности 20 элементов.

Кроме того, энциклопедичность знаний и научная интуиция Менделеева позволили ему оставить в таблице много свободных мест для еще не открытых элементов. Для трех таких элементов, названных им условно экабор, экаалюминий и экасилиций (т.е. подобный B, Al и Si), он подробно описал предполагаемые свойства. Предсказанные свойства блестяще подтвердились у открытых еще при жизни Менделеева скандия, галлия и германия. Всего Менделеев спрогнозировал свойства 11 элементов (Sc, Ga, Ge, Hf, Tc, Re, At, Fr, Ra, Ac, Pd).

Расположив таким образом элементы, Менделеев присвоил каждому элементу порядковый, или атомный, номер. Гениальный ученый предвидел, что этот номер имеет более важное значение, чем атомная масса, т.к. поставил Ar перед K, Co перед Ni, Te перед I (хотя массы первых из этих элементов больше масс вторых соответственно) для того, чтобы сохранялась повторяемость свойств по группам. Правоту Менделеева подтвердил открытый в 1914 гг. Г.Мозли закон: величина зарядов ядер атомов последовательно возрастает от элемента к элементу на единицу. Т.е. был установлен физический смысл понятия "атомный номер": атомный номер элемента равен заряду ядра его атома.

Открытие периодического закона и создание периодической системы элементов Д.И.Менделеевым оказали огромное влияние на развитие химии. Ученые обобщили и систематизировали сведения об известных веществах и занялись поиском новых элементов. На основании закона были исправлены атомные массы ряда элементов и заполнены все клетки периодической системы до 92-го элемента (урана), самого тяжелого из существующих на Земле, затем открыты последующие - трансурановые. И сегодня закон используется для предсказания свойств вновь открываемых элементов. Подтвердились слова Менделеева, написанные в 1905 г.:"По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройкой, и развитие обещается".

Теоретическое обоснование (и подтверждение правильности расположения элементов таблице) закон получил с развитием знаний о строении атома, когда была вскрыта взаимосвязь электронной структуры атомов с периодическим изменением их свойств.

Современная формулировка периодического закона: свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер атомов элементов.