Предсказание Д.И. Менделеевым новых химических элементов. (Дополнительный материал к главе 2)

Определения и обозначения

Периодический закон связывает свойства химических элементов с их положением в периодической системе: при изменении порядкового номера свойства закономерно повторяются. Это позволило Менделееву искать в таблице закономерности и делать выводы о свойствах элементов, которые ещё не были известны. Закон оказался не только способом упорядочить сведения, но и инструментом научного прогноза.

Экаэлемент — историческое обозначение элемента, существование и свойства которого Менделеев предсказал по свободному месту в периодической системе. Приставка «эка-» указывала, что элемент расположен на один период ниже известного аналога в таблице. Это обозначение помогало рассуждать о будущем элементе до его открытия и получения собственного названия.

Экаалюминием Менделеев назвал предсказанный элемент, находившийся под алюминием в той же группе. Позднее этот элемент открыли и назвали галлием. Название «экаалюминий» важно как пример того, что свойства можно было вывести из положения элемента ещё до его обнаружения.

Экасилицием Менделеев назвал предсказанный элемент, расположенный под кремнием. Впоследствии его открыли как германий. Сопоставление расчётов для экасилиция с опытами над германием стало одной из ярких проверок возможностей периодического закона.

Как это устроено

В первоначальном варианте периодической системы Менделеев оставлял свободные места, потому что некоторые известные элементы не удавалось разместить без нарушения закономерности. Если расположить их только по массе, похожие по свойствам элементы могли оказаться в разных группах. Учёный считал, что систематический порядок важнее заполнения каждой клетки. Поэтому пропуск мог означать не ошибку, а неизвестный элемент, который ещё предстояло открыть.

Свободное место не было изолированной догадкой: его окружали элементы с известными свойствами. Положение в периоде показывало, с какими соседями будущий элемент должен иметь сходство, а группа указывала на аналогов с похожим строением соединений. Так можно было оценить, будет ли он металлом и какой характер соединений окажется для него типичным. Чем больше закономерностей указывало на одну и ту же клетку, тем весомее становилось предположение.

Атомную массу Менделеев оценивал по положению элемента между известными соседями и по сравнению с аналогами в группе. Затем он предполагал валентность — способность атома образовывать определённое число связей. Если будущий элемент должен был проявлять валентность III, его высший оксид записывали в виде E₂O₃, где E обозначает неизвестный элемент. Аналогично по характеру элементов группы выводили возможные формулы других соединений.

Положение в таблице помогало прогнозировать и физические свойства. Например, плотность можно было приблизительно оценить по значениям у близких элементов, учитывая направление изменения свойств в группе и периоде. Сходство с соседями также позволяло предположить, будет ли соединение твёрдым или летучим и какие химические свойства ему свойственны. Это были расчётные оценки, а не результаты прямого измерения, поэтому они могли быть неточными.

Позднее открыли скандий, галлий и германий, которые заняли предсказанные Менделеевым места. Их свойства сопоставили с прогнозами: проверяли не только массы, но и плотности, формулы оксидов и другие характеристики. Совпадение по нескольким независимым признакам показало, что предсказания опирались на закономерность, а не на случайную догадку. Так открытия подтвердили плодотворность периодического закона.

Предсказания Менделеева и свойства открытых элементов

В таблице сравниваются оценки Менделеева и свойства, установленные после открытия элементов. Обозначение E в формуле означает соответствующий элемент, а тире — что показатель не приводится или не сопоставляется в данном сравнении. Значения округлены: расчётные прогнозы не были точными измерениями.

Сначала сравнивайте положение в таблице и формулы: они показывают, удалось ли предсказать химическое сходство. Затем сопоставляйте численные значения, помня об округлении и различии между оценкой и измерением. Наиболее убедителен общий результат по нескольким свойствам сразу.

Разбор задач

Задача 1. Свободное место под алюминием

Условие. В таблице Менделеева оставлено место ниже алюминия. Объясните, почему оно указывает на существование неизвестного элемента, и назовите элемент, который позднее занял это место.

1. Определяем, что пустая клетка находится в той же группе, что алюминий. Элементы одной группы обладают сходными свойствами, поэтому клетка соответствует ожидаемому члену этого ряда.
2. Проверяем периодичность: последовательность свойств показывает, что между соседними элементами должно находиться ещё одно место. Если его не заполнить, закономерность группы нарушится.
3. Связываем это место с предсказанием Менделеева. Он назвал неизвестный элемент экаалюминием, а после открытия тот получил название галлий.

Ответ. Свободная клетка указывала на пропущенный элемент группы алюминия и объяснялась периодичностью свойств, а не случайным пробелом. Позднее её занял галлий.

Задача 2. Формула высшего оксида

Условие. Для элемента, расположенного под алюминием, определите предполагаемую формулу высшего оксида, опираясь на свойства элементов той же группы.

1. Устанавливаем аналогию: элемент под алюминием должен относиться к той же группе и проявлять сходную валентность.
2. У алюминия и предполагаемого экаалюминия характерна высшая валентность III. Кислород в оксидах имеет валентность II, поэтому количества атомов подбирают так, чтобы общие валентности уравновесились.
3. Для двух атомов элемента E суммарная валентность равна 2 × 3 = 6, а для трёх атомов кислорода — 3 × 2 = 6. Получаем формулу E₂O₃; после открытия галлия это Ga₂O₃.

Ответ. Предполагаемая формула высшего оксида — E₂O₃. Для галлия формула записывается как Ga₂O₃.

Задача 3. Проверка прогноза для германия

Условие. Сопоставьте предсказанные Менделеевым и экспериментально установленные свойства германия. Объясните, почему совпадение нескольких независимых характеристик убедительнее случайного совпадения одной.

1. Собираем прогнозы для экасилиция: атомная масса около 72, плотность около 5,5 г/см³, высший оксид EO₂ и летучее водородное соединение EH₄.
2. Сравниваем их со свойствами германия: его масса около 72,6, плотность около 5,3 г/см³, оксид имеет формулу GeO₂, а гидрид — GeH₄. Численные значения близки к оценкам, а формулы соответствуют прогнозируемому типу.
3. Оцениваем совокупность результатов. Масса, плотность и состав двух соединений определяются разными измерениями; их согласованность сложнее объяснить случайностью, чем совпадение одного признака.

Ответ. Свойства германия в целом близки к прогнозам для экасилиция. Совпадение нескольких независимых характеристик стало сильной проверкой предположения, основанного на периодическом законе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать свободное место случайным пропуском. Так думают, если воспринимают таблицу только как перечень уже известных элементов. Но клетка появилась из-за закономерностей периодической системы и свойств соседей. Проверьте, поддерживает ли это место сходство элементов в группе и порядок изменения свойств в периоде.

Ошибка: считать «эка-» частью современного названия. Приставка выглядит как часть имени, поэтому её можно принять за официальный термин для элемента. На самом деле это историческое обозначение, которое использовали до открытия и наименования элемента. Самопроверка проста: сопоставьте экаалюминий с галлием, экасилиций с германием и экабор со скандием.

Ошибка: считать предсказания точными измерениями. Менделеев выводил свойства теоретически, опираясь на аналоги, поэтому отдельные численные значения могли отличаться от опыта. Эту ошибку допускают, когда округлённый прогноз сравнивают с точным современным измерением. Проверяйте и близость значений, и совпадение качественных свойств, не требуя полного равенства.

Ошибка: утверждать, что открытие одного элемента само по себе доказало периодический закон. Один удачный прогноз можно было бы принять за случайность. Подтверждением стала согласованность ряда свойств открытых элементов с расчётами, включая формулы соединений и физические характеристики. Проверяйте вывод по нескольким независимым данным, а не по одному факту открытия.

Связь с другими темами

Чтобы понять предсказания Менделеева, нужно знать строение периодической системы и различать период и группу. Полезно также помнить, как меняются свойства элементов при движении по таблице и почему элементы одной группы сходны. Эта тема показывает значение периодического закона и научного прогноза, а также помогает при изучении периодических изменений свойств элементов и истории химии.

Что запомнить

• Менделеев оставлял в периодической системе места для ещё не открытых элементов.
• Положение элемента позволяло предсказывать его свойства по аналогии с соседями и элементами той же группы.
• Менделеев оценивал не только атомную массу, но и физические свойства и формулы соединений.
• Экаалюминий оказался галлием, экасилиций — германием, экабор — скандием.
• Открытие предсказанных элементов и совпадение их свойств с расчётами подтвердили плодотворность периодического закона.