Классификации химических элементов и открытие периодического закона (дополнительный материал к § 12)

Определения и обозначения

Классификация химических элементов — объединение элементов в группы по сходству строения и свойств. Это не просто список: классификация помогает увидеть, какие элементы похожи и как их можно упорядочить. Благодаря ей учёные искали закономерности, которые нельзя заметить, рассматривая элементы по одному.

Триады Дёберейнера — группы из трёх сходных элементов, в которых относительная атомная масса среднего приблизительно равна среднему арифметическому масс двух крайних. Например, элементы в группе должны быть похожи не только по числам, но и по химическим свойствам. Сравнение масс помогало проверить, есть ли между такими элементами количественная связь.

Закон октав Ньюлендса — наблюдение, что при расположении элементов по возрастанию атомных масс сходные свойства повторяются у каждого восьмого элемента. Название связано с музыкальной октавой, в которой похожее звучание повторяется через восемь ступеней. Эта идея показывала, что свойства элементов могут меняться не случайно, а циклически.

Периодический закон — закономерность повторения свойств химических элементов и их соединений при увеличении зарядов атомных ядер. Периодическая система представляет собой удобное расположение элементов, отражающее эту закономерность. По положению элемента в системе можно сравнивать его свойства со свойствами других элементов.

Как это устроено

Когда химики открывали всё больше элементов, их стало трудно запоминать и сопоставлять без общего порядка. Одни вещества оказывались похожими по химическим свойствам, другие заметно отличались, а простого списка было недостаточно. Поэтому учёные стали искать признаки, по которым элементы можно объединить и расположить. Так возникла задача классификации: найти порядок, который не только описывает известное, но и помогает замечать закономерности.

Дёберейнер объединял в триады элементы, похожие по свойствам, а затем сравнивал их относительные атомные массы. Он заметил, что масса среднего элемента часто близка к полусумме масс двух крайних. Например, в триаде Li, Na и K средняя масса Na равна 23, а среднее арифметическое масс Li и K составляет (7 + 39) / 2 = 23. Такое совпадение указывало, что между элементами может существовать не только внешнее сходство, но и числовая связь.

Позднее Ньюлендс расположил элементы в ряд по возрастанию атомных масс и сопоставил последовательность с музыкальным рядом. Он заметил, что сходные свойства повторяются через семь элементов, то есть у каждого восьмого, если считать исходный элемент первым. Например, в ряду Li, Be, B, C, N, O, F, Na восьмым будет Na, свойства которого похожи на свойства Li. Такая идея стала важным шагом: она предполагала периодическое, то есть повторяющееся, изменение свойств.

Однако закон октав не подходил ко всем элементам, известным Ньюлендсу. При продолжении ряда сходство каждого восьмого элемента нарушалось, а расположение в жёсткие последовательности не позволяло правильно учесть все различия. Кроме того, закон не оставлял свободных мест для элементов, которые ещё не были открыты. Поэтому наблюдение Ньюлендса было полезным, но не могло стать универсальной системой.

Менделеев сопоставлял атомные массы элементов с их химическими свойствами и стремился расположить сходные элементы друг под другом. Если для сохранения закономерности подходящего элемента не находилось, он оставлял пустое место, предполагая, что элемент ещё предстоит открыть. По положению пропуска и свойствам соседей Менделеев предсказывал характеристики неизвестного элемента и его соединений. Его формулировка связывала периодическое изменение свойств с атомными массами, тогда как современная формулировка связывает его с зарядом ядра: это уточнение стало возможным после изучения строения атома.

Основные этапы классификации химических элементов

Читайте строки сверху вниз, чтобы увидеть, как менялись способы классификации. Сравнивайте принцип расположения с ограничениями: так понятнее, почему наблюдения ранних учёных были важны, но не завершали поиск. Последняя строка показывает современное основание периодичности.

Разбор задач

Задача 1. Даны Li, Na и K с относительными атомными массами 7, 23 и 39. Проверим, образуют ли они триаду Дёберейнера. Нужно учесть два признака: элементы должны быть сходны по свойствам, а масса среднего — приблизительно равна среднему арифметическому масс крайних. Одного совпадения чисел недостаточно.

1. Крайними элементами в заданном порядке являются Li и K, их массы равны 7 и 39.
2. Находим среднее арифметическое: (7 + 39) / 2 = 23.
3. Сравниваем результат с массой среднего элемента Na: она тоже равна 23.

Литий, натрий и калий — сходные по химическим свойствам элементы. Оба условия выполнены, поэтому они образуют триаду Дёберейнера. Ответ: Li, Na и K — триада.

Задача 2. Расположите Li, Be, B, C, N, O, F, Na по возрастанию относительных атомных масс и определите, какой элемент в ряду сходен с Li по закону октав. В условии элементы уже приведены в порядке возрастания масс. Остаётся правильно отсчитать восьмое место, считая Li первым элементом, а не пропуская его.

1. Записываем ряд: Li, Be, B, C, N, O, F, Na.
2. Считаем элементы подряд: Li — первый, Be — второй, B — третий, C — четвёртый.
3. Продолжаем счёт: N — пятый, O — шестой, F — седьмой, Na — восьмой.

По закону октав сходные свойства должны повториться у каждого восьмого элемента, если исходный элемент считается первым. Значит, с Li в этом ряду сходен Na. Ответ: Na.

Задача 3. Менделеев предсказал элемент, похожий на кремний, с относительной атомной массой около 72 и высшим оксидом EO₂. Нужно найти открытый позднее элемент, которому соответствуют эти признаки. Сравним не один признак, а одновременно предполагаемые положение и состав соединения.

1. Ищем элемент с относительной атомной массой, близкой к 72.
2. Проверяем, образует ли он высший оксид формулы EO₂.
3. Сопоставляем результат с элементом, который по свойствам относится к сходным с кремнием.

Этим условиям соответствует германий Ge: его относительная атомная масса близка к 72, а формула его высшего оксида — GeO₂. Следовательно, прогноз Менделеева подтвердился после открытия германия. Ответ: германий.

Типичные ошибки

Считать триадой любую тройку элементов — неверно: в триаде элементы должны быть сходны по свойствам, а масса среднего приблизительно равняться среднему арифметическому масс крайних. Ошибка возникает, когда обращают внимание только на количество элементов или на одно совпадение чисел. Проверьте оба признака отдельно: свойства и соотношение масс. Для Li, Na и K расчёт выполняется так: (7 + 39) / 2 = 23.

Считать, что закон октав точно работал для всех элементов, тоже ошибка. Ньюлендс заметил сходство каждого восьмого элемента в расположенном по массам ряду, но закономерность не сохранялась на всём известном наборе. Её легко принять за строгое правило из-за названия и сравнения с музыкой. Проверка проста: уточните, относится ли утверждение к наблюдению Ньюлендса или к универсальному закону; это было ограниченное наблюдение.

Приписывать Менделееву расположение элементов только по атомным номерам нельзя. В его время главным ориентиром служили относительные атомные массы, а также химические свойства элементов и их соединений. Путаница возникает потому, что современная таблица упорядочена по заряду ядра, который связан с порядковым номером. Чтобы проверить себя, различайте исторический способ Менделеева и современный принцип построения системы.

Смешивать формулировку Менделеева с современной — значит не замечать, как развивалась наука. Менделеев связывал периодическое изменение свойств с атомными массами, а современный закон — с увеличением заряда атомного ядра. Часто эти формулировки смешивают, потому что обе описывают одну и ту же периодичность. Проверяйте, какой именно критерий назван: атомная масса или заряд ядра.

Связь с другими темами

Перед изучением классификаций полезно знать, что такое химический элемент, относительная атомная масса, простые вещества и сходство химических свойств. Эти понятия помогают понять, почему учёные сравнивали элементы и каким образом проверяли свои предположения. Далее тема пригодится при изучении периодической системы, строения атома и связи свойств элементов со строением электронных оболочек. История прогнозов Менделеева показывает, как классификация помогает науке: закономерности позволяют не только упорядочивать известное, но и искать новые элементы.

Что запомнить

• Классификация объединяет элементы по общим признакам.
• Дёберейнер предложил триады сходных элементов.
• Ньюлендс обнаружил повторение свойств каждого восьмого элемента.
• Закон октав не объяснял расположение всех известных элементов.
• Менделеев оставлял пропуски для ещё не открытых элементов.
• Менделеев предсказывал свойства неизвестных элементов по их положению.
• Современная периодичность определяется увеличением заряда атомного ядра.