В се­ре­дине XIX века по­яви­лось много работ уче­ных, ко­то­рые пы­та­лись клас­си­фи­ци­ро­вать хи­ми­че­ские эле­мен­ты. Фран­цуз­ский гео­лог и химик А.Э. Шан­кур­туа в 1862 году пред­ло­жил свою клас­си­фи­ка­цию хи­ми­че­ских эле­мен­тов.

Рис. 1. Спи­раль Шан­кур­туа

Он рас­по­ло­жил все из­вест­ные к тому вре­ме­ни хи­ми­че­ские эле­мен­ты  в по­ряд­ке воз­рас­та­ния их атом­ных масс, а по­лу­чен­ный ряд нанес на по­верх­ность ци­лин­дра, по линии ис­хо­дя из его ос­но­ва­ния под углом 45к плос­ко­сти ос­но­ва­ния, так на­зы­ва­е­мая зем­ная спи­раль. Рис.1.

После раз­вер­ты­ва­ния этого ци­лин­дра ока­за­лось, что на вер­ти­каль­ных ли­ни­ях, па­рал­лель­ных оси ци­лин­дра, на­хо­дят­ся хи­ми­че­ские эле­мен­ты со сход­ны­ми хи­ми­че­ски­ми свой­ства­ми. Так на одну вер­ти­каль по­па­да­ли Li, Na, K; а также Be, Mg, Ca. Кис­ло­род, сера, тел­лур. Недо­стат­ком спи­ра­ли Шан­кур­туа было то, что в  вер­ти­каль­ную груп­пу хи­ми­че­ских эле­мен­тов по­па­да­ли не име­ю­щие ни­че­го сход­но­го с ними хи­ми­че­ские эле­мен­ты. Так в груп­пу ще­лоч­ных ме­тал­лов, по­па­дал мар­га­нец. А в груп­пу кис­ло­ро­да и серы, по­па­дал титан.

В 1865 году 18 ав­гу­ста ан­глий­ский уче­ный  Дж.А.Нью­лендс рас­по­ло­жил хи­ми­че­ские эле­мен­ты в по­ряд­ке воз­рас­та­ния их атом­ных масс. В ре­зуль­та­те он за­ме­тил, что каж­дый вось­мой эле­мент на­по­ми­на­ет по свой­ствам пер­вый эле­мент. Най­ден­ную за­ко­но­мер­ность, он на­звал за­ко­ном октав по ана­ло­гии с семью ин­тер­ва­ла­ми му­зы­каль­ной гаммы.Рис.2.Закон октав он сфор­му­ли­ро­вал сле­ду­ю­щим об­ра­зом:

Рис. 2. Ок­та­вы Нью­ленд­са

«Но­ме­ра ана­ло­гич­ных эле­мен­тов, как пра­ви­ло, от­ли­ча­ют­ся или на целое число семь или на крат­ное семи; дру­ги­ми сло­ва­ми члены одной и той же груп­пы со­от­но­сят­ся друг с дру­гом в том же от­но­ше­нии, как и край­ние точки одной или боль­ше октав в му­зы­ке».

Он рас­по­ло­жил эле­мен­ты по семь в груп­пы. Таким об­ра­зом, он за­ме­тил, что вер­ти­каль­ные ряды, по­лу­чен­ные после та­ко­го рас­по­ло­же­ния, вклю­ча­ют в себя эле­мен­ты, схо­жие по своим хи­ми­че­ским свой­ствам. Дж.А. Нью­лендс был пер­вым, кто со­от­нес атом­ные массы хи­ми­че­ских эле­мен­тов и их хи­ми­че­ские свой­ства и при­сво­ил каж­до­му эле­мен­ту по­ряд­ко­вый номер. Но все же в его таб­ли­це не было сво­бод­ных мест. Он огра­ни­чил себя семью клет­ка­ми в каж­дом пе­ри­о­де ,и неко­то­рые клет­ки ему при­ш­лось по­ме­стить по несколь­ко эле­мен­тов. По­это­му на­уч­ный мир от­нес­ся скеп­ти­че­ски к его от­кры­тию.

В 1864 году  ан­глий­ский химик У. Од­линг опуб­ли­ко­вал таб­ли­цу, в ко­то­рой эле­мен­ты были раз­ме­ще­ны, со­глас­но их атом­ным весам и сход­ствам хи­ми­че­ских свойств. Но он не дал ни­ка­ких ком­мен­та­ри­ев к своей ра­бо­те, и она не была за­ме­че­на.

Рис. 3. Таб­ли­ца хи­ми­че­ских эле­мен­тов Мей­е­ра

В 1870 году по­яви­лась пер­вая таб­ли­ца немец­ко­го хи­ми­ка Ю.Л. Мей­е­ра под на­зва­ни­ем « При­ро­да эле­мен­та, как функ­ция их атом­но­го веса». В неё были вклю­че­ны 28 эле­мен­тов, раз­ме­щен­ные в 6 столб­цов, со­глас­но их ва­лент­но­сти. Ю.Л. Мейер на­ме­рен­но огра­ни­чил число эле­мен­тов в таб­ли­це, чтобы под­черк­нуть за­ко­но­мер­ные из­ме­не­ния атом­ной массы в рядах сход­ных эле­мен­тов. Рис. 3.Сход­ные эле­мен­ты рас­по­ла­га­ют­ся в вер­ти­каль­ных рядах таб­ли­цы. Неко­то­рые ячей­ки Ю.Л. Мейер оста­вил неза­пол­нен­ны­ми.

В марте 1869 года рус­ский химик Д. И. Мен­де­ле­ев пред­ста­вил рус­ско­му хи­ми­че­ско­му об­ще­ству со­об­ще­ние об от­кры­тии им пе­ри­о­ди­че­ско­го за­ко­на хи­ми­че­ских эле­мен­тов. В том же году вышло пер­вое из­да­ние Мен­де­ле­ев­ско­го учеб­ни­ка «Ос­но­вы химии», в ко­то­ром была при­ве­де­на его пе­ри­о­ди­че­ская таб­ли­ца.

В конце 1870 года Д. И. Мен­де­ле­ев де­ла­ет до­клад рус­ско­му хи­ми­че­ско­му об­ще­ству под на­зва­ни­ем «Есте­ствен­ные си­сте­мы хи­ми­че­ских эле­мен­тов и при­ме­не­ние её к ука­за­нию свойств еще неиз­вест­ных эле­мен­тов». В этом до­кла­де Д. И. Мен­де­ле­ев пред­ска­зы­ва­ет су­ще­ство­ва­ние трех еще неиз­вест­ных эле­мен­тов: эка­си­ли­ций, эка­бор и эка­а­лю­ми­ний. Он утвер­жда­ет, что свой­ства хи­ми­че­ских эле­мен­тов, сто­я­щих в одной груп­пе, будут нечто сред­ним между свой­ства­ми эле­мен­тов, сто­я­щих свер­ху и снизу дан­но­го эле­мен­та. Если рас­смат­ри­вать этот эле­мент в пе­ри­о­де, то он будет об­ла­дать сред­ни­ми свой­ства­ми эле­мен­тов, сто­я­щи­ми слева и спра­ва от него.

Рис.  4. Таб­ли­ца хи­ми­че­ских эле­мен­тов Мен­де­ле­е­ва

Еще алхимики пытались найти закон природы, на основе которого можно было бы систематизировать химические элементы. Но им недоставало надежных и подробных сведений об элементах. К середине XIX в. знаний о химических элементах стало достаточно, а число элементов возросло настолько, что в науке возникла естественная потребность в их классификации. Первые попытки классификации элементов на металлы и неметаллы оказались несостоятельными. Предшественники Д.И.Менделеева (И. В. Деберейнер, Дж. А. Ньюлендс, Л. Ю. Мейер) многое сделали для подготовки открытия периодического закона, но не смогли постичь истину. Дмитрий Иванович установил связь между массой элементов и их свойствами.

Дмитрий Иванович родился в г. Тобольске. Он был семнадцатым ребенком в семье. Закончив в родном городе гимназию, Дмитрий Иванович поступил в Санкт-Петербурге в Главный педагогический институт, после окончания которого с золотой медалью уехал на два года в научную командировку за границу. После возвращения его пригласили в Петербургский университет. Приступая к чтению лекций по химии, Менделеев не нашел ничего, что можно было бы рекомендовать студентам в качестве учебного пособия. И он решил написать новую книгу – «Основы химии».

Открытию периодического закона предшествовало 15 лет напряженной работы. 1 марта 1869 г. Дмитрий Иванович предполагал выехать из Петербурга в губернии по делам.

Видео-фильм о Д.И. Менделееве

II. Открытие Периодического закона

Периодический закон был открыт на основе характеристики атома – относительной атомной массы.

Менделеев расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных масс и заметил, что свойства элементов повторяются через определенный промежуток – период, Дмитрий Иванович расположил периоды  друг под другом., так, чтобы сходные элементы располагались друг под другом – на одной вертикали, так была построена периодическая система элементов.

1 марта 1869г. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева.

Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

К сожалению, сторонников периодического закона сначала было очень мало, даже среди русских ученых. Противников – много, особенно в Германии и Англии.
Открытие периодического закона – это блестящий образец научного предвидения: в 1870 г. Дмитрий Иванович предсказал существование трех еще неизвестных тогда элементов, которые назвал экасилицием, экаалюминием и экабором. Он сумел правильно предсказать и важнейшие свойства новых элементов. И вот через 5 лет, в 1875 г., французский ученый П.Э. Лекок де Буабодран, ничего не знавший о работах Дмитрия Ивановича, открыл новый металл, назвав его галлием. По ряду свойств и способу открытия галлий совпадал с экаалюминием, предсказанным Менделеевым. Но его вес оказался меньше предсказанного. Несмотря на это, Дмитрий Иванович послал во Францию письмо, настаивая на своем предсказании.
Ученый мир был ошеломлен тем, что предсказание Менделеевым свойств экаалюминияоказалось таким точным. С этого момента периодический закон начинает утверждаться в химии.
В 1879 г. Л. Нильсон в Швеции открыл скандий, в котором воплотился предсказанный Дмитрием Ивановичем экабор.
В 1886 г. К. Винклер в Германии открыл германий, который оказался экасилицием.

Но гениальность Дмитрия Ивановича Менделеева и его открытия — не только эти предсказания!

В четырёх местах периодической системы Д. И. Менделеев расположил элементы не в порядке возрастания атомных масс:

Ar – K,    Co – Ni,    Te – I,    Th - Pa

Ещё в конце 19 века Д.И. Менделеев писал, что, по-видимому, атом состоит из других более мелких частиц. После его смерти в 1907 г. было доказано, что атом состоит из элементарных частиц.  Теория строения атома подтвердила правоту  Менделеева, перестановки данных элементов не в соответствии с ростом атомных масс полностью оправданы.

Современная формулировка периодического закона.

Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов, выражающейся в периодической повторяемости структуры внешней валентной электронной оболочки.
И вот спустя более 130 лет после открытия периодического закона мы можем вернуться к словам Дмитрия Ивановича, взятым в качестве девиза нашего урока: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются». Сколько химических элементов открыто на данный момент? И это далеко не предел.

III. Периодическая система химических элементов

Графическим изображением периодического закона является периодическая система химических элементов. Это краткий конспект всей химии элементов и их соединений.

Изменения свойств в периодической системе с ростом величины атомных весов в периоде (слева направо):

1. Металлические свойства уменьшаются

2. Неметаллические свойства возрастают

3. Валентность элементов в формулах высших оксидов возрастает от I до VII, а в формулах летучих водородных соединений уменьшается от IV до I.

Основные принципы построения периодической системы

На се­го­дняш­ний день от­кры­то 118 хи­ми­че­ских эле­мен­тов, каж­дый из ко­то­рых занял свою ячей­ку в Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­ме. Новые от­кры­ва­е­мые эле­мен­ты имеют боль­шую от­но­си­тель­ную атом­ную массу, чем уже из­вест­ные и по­па­да­ют в конец таб­ли­цы. В на­сто­я­щее время ис­поль­зу­ют­ся длин­ная и ко­рот­кая формы пе­ри­о­ди­че­ских таб­лиц.

В ячей­ке таб­ли­цы за­пи­сы­ва­ет­ся сим­вол хи­ми­че­ско­го эле­мен­та, его на­зва­ние и по­ряд­ко­вый номер, зна­че­ние от­но­си­тель­ной атом­ной массы.

Рис. Ин­фор­ма­ция о хи­ми­че­ском эле­мен­те кис­ло­ро­де

При изу­че­нии школь­но­го курса химии, как пра­ви­ло, поль­зу­ют­ся ко­рот­кой фор­мой Пе­ри­о­ди­че­ской таб­ли­цы. Она со­дер­жит 8 вер­ти­каль­ных столб­цов (групп), ко­то­рые ну­ме­ру­ют­ся рим­ски­ми циф­ра­ми. Каж­дая груп­па вклю­ча­ет в себя глав­ную (А) и по­боч­ную (В) под­груп­пы.

У эле­мен­тов глав­ных под­групп выс­шая ва­лент­ность, как пра­ви­ло, равна но­ме­ру груп­пы. Од­ни­ми из ис­клю­че­ний этого пра­ви­ла яв­ля­ют­ся кис­ло­род (его ва­лент­ность все­гда равна II) и фтор (выс­шая ва­лент­ность ко­то­ро­го – I).

С по­мо­щью Пе­ри­о­ди­че­ской таб­ли­цы можно опре­де­лить и низ­шую ва­лент­ность эле­мен­та. Для этого из 8 (мак­си­маль­но­го числа групп) надо вы­честь номер груп­пы, в ко­то­рой на­хо­дит­ся эле­мент. На­при­мер, выс­шая ва­лент­ность фос­фо­ра равна V (т. к. фос­фор на­хо­дит­ся в V груп­пе), а низ­шая равна III. Толь­ко это пра­ви­ло при­ме­ни­мо для эле­мен­тов глав­ных под­групп V–VII групп.

Го­ри­зон­таль­ные ряды хи­ми­че­ских эле­мен­тов в Пе­ри­о­ди­че­ской таб­ли­це на­зы­ва­ют­ся пе­ри­о­да­ми. Пока их 7. Пер­вые три пе­ри­о­да на­зы­ва­ют ма­лы­ми (пер­вый пе­ри­од со­дер­жит всего 2 хим. эле­мен­та, а 2 и 3 – по 8 эле­мен­тов). Пе­ри­о­ды 4, 5, 6, 7 на­зы­ва­ют­ся боль­ши­ми.

По по­ло­же­нию эле­мен­та в Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­ме можно опре­де­лить его при­над­леж­ность к ме­тал­лам или неме­тал­лам. Для этого в ко­рот­кой форме таб­ли­цы нужно про­ве­сти диа­го­наль от бе­рил­лия к аста­ту. Эле­мен­ты глав­ных под­групп, на­хо­дя­щи­е­ся выше этой диа­го­на­ли (плюс во­до­род), от­но­сят­ся к неме­тал­лам. Все осталь­ные эле­мен­ты – ме­тал­лы. Инерт­ные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn не от­но­сят ни к ме­тал­лам, ни к неме­тал­лам.

В длин­ной форме таб­ли­цы можно про­ве­сти диа­го­наль от бора к аста­ту. Все эле­мен­ты, ко­то­рые на­хо­дят­ся ниже этой диа­го­на­ли, об­ра­зу­ют про­стые ве­ще­ства ме­тал­лы.

Рис. Длин­ная форма пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы хи­ми­че­ских эле­мен­тов

По по­ло­же­нию эле­мен­та в пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­ме можно по­лу­чить ин­фор­ма­цию о его выс­шем ок­си­де и гид­рок­си­де. У неме­тал­лов выс­ший оксид и гид­рок­сид имеют кис­лот­ный ха­рак­тер, у ме­тал­лов – ос­нов­ный, у пе­ре­ход­ных ме­тал­лов оксид и гид­рок­сид, как пра­ви­ло, ам­фо­тер­ные (см. рис.).

Рис. Связь свойств эле­мен­тов и об­ра­зо­ван­ных ими со­еди­не­ний

От­кры­тие новых хи­ми­че­ских эле­мен­тов

В 1875 году П.Л. Бу­а­бо­дран от­крыл гал­лий. В 1879 году Л.Ф. Ниль­сон от­крыл скан­дий, а в 1886 году  К.Вин­клер от­кы­ва­ет гер­ма­ний. Это со­от­вет­ствен­но были эка­бор , эка­а­лю­ми­ний, эка­си­ли­ций, пред­ска­зан­ные Д. И. Мен­де­ле­е­вым.

С этого мо­мен­та пе­ри­о­ди­че­ский закон и пе­ри­о­ди­че­ская си­сте­ма Д. И. Мен­де­ле­е­ва ста­но­вит­ся об­ще­при­знан­ной всем ми­ро­вым хи­ми­че­ским со­об­ще­ством. Осо­бая за­слу­га Д. И. Мен­де­ле­е­ва за­клю­ча­ет­ся в том, что он не толь­ко рас­по­ло­жил хи­ми­че­ские эле­мен­ты в опре­де­лен­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти, но и дал опи­са­тель­ную ха­рак­те­ри­сти­ку своей пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы. При по­мо­щи её можно было пред­ска­зы­вать хи­ми­че­ские свой­ства раз­лич­ных хи­ми­че­ских эле­мен­тов.

По этому по­во­ду Д. И. Мен­де­ле­ев писал: « Утвер­жде­ние за­ко­на воз­мож­но толь­ко при по­мо­щи вы­во­да из него след­ствий, без него невоз­мож­ных и неожи­да­е­мых, 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».

Д. И. Мен­де­ле­ев взял на себя сме­лость оста­вить пу­стые клет­ки в своей таб­ли­це и ис­пра­вить неко­то­рые зна­че­ния атом­ных масс хи­ми­че­ских эле­мен­тов, пред­ска­зать свой­ства еще неот­кры­тых целых групп со­еди­не­ний. Таким об­ра­зом, Д. И. Мен­де­ле­ев яв­ля­ет­ся пер­во­от­кры­ва­те­лем од­но­го из глав­ных за­ко­нов при­ро­ды.