Закон Менделеева - А Колесников

Однако не все элементы обладают постоянной валентностью.

Так, например, углерод в окиси углерода (СО) — двухвалентен, а в углекислом газе (СО2) он четырёхвалентен. Это зависит от условий, при которых образуется соединение. Здесь валентность углерода определяют по кислороду, так как кислород всегда двухвалентен. Если с одним атомом кислорода соединяется один же атом какого-то другого элемента (как в случае СО), то, значит, этот элемент двухвалентен. Если же один атом элемента соединяется с двумя атомами кислорода (как в случае СО2), — валентность элемента равна четырём.

Кислород вступает в химические соединения с большинством химических элементов. Такие соединения носят название окислов. Изучая окислы, можно определить и валентность этих элементов, установить, как она изменяется в зависимости от положения элементов в периодической таблице.

Менделеев нашёл, что среди кислородных соединений можно выделить восемь основных групп. В соответствии с этим химические элементы можно разбить на группы, имеющие однотипные окислы. Так, литий, калий, натрий и некоторые другие образуют окислы, в которых с одним атомом кислорода соединяются два атома металла — Li2O, Na2O, К2O и т. д. Это — группа одновалентных элементов. Все они и входят как раз в первый вертикальный столбец периодической таблицы (см. табл, на стр. 20–21).

В другой группе элементы дают окислы, у которых на один атом кислорода приходится один атом металла, например CaO, ZnO. Эти элементы составляют второй столбец таблицы Все они имеют наивысшую валентность в кислородных соединениях, равную двум. В третий столбец входят трёхвалентные элементы и т. д.

В каждом периоде располагаются все восемь основных типов окислов Если мы рассмотрим вышеприведённые периоды — от лития до фтора и от натрия до хлора, то увидим, что наивысшая валентность в кислородных соединениях у этих элементов будет увеличиваться в периоде слева направо: 1, 2, 3, 4 и т. д, а затем в последней группе — инертных газов (см рис. 2) — она падает до нуля.

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.