§ 40. Открытие Периодического закона

Определения и обозначения

Относительная атомная масса — величина, по возрастанию которой Менделеев в основном располагал известные элементы. Она помогала сравнивать элементы и искать порядок в их свойствах. Но это не единственный признак, которым руководствовался учёный: при несоответствии химических свойств он мог отступить от порядка масс.

Периодический закон — закономерность, согласно которой свойства химических элементов и образуемых ими веществ повторяются при упорядочении элементов по относительной атомной массе. В первоначальной формулировке Менделеева свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от атомных весов. Закон помог увидеть за отдельными наблюдениями общую связь.

Периодическая система — упорядоченное расположение химических элементов, в котором отражено периодическое изменение их свойств. Это не сам закон, а его наглядное представление: по таблице можно сравнивать элементы и находить сходство между ними. Система позволяет представить большой набор сведений в организованном виде.

Период — ряд элементов в периодической системе, расположенных так, что их свойства закономерно изменяются. При переходе по ряду свойства меняются, а сходство, характерное для определённых элементов, повторяется в других местах системы. Понятие периода помогает проследить эту смену и не смешивать ряд элементов с группой сходных элементов.

Как это устроено

К середине XIX века было открыто уже много химических элементов, и сведения о них становились всё труднее запоминать и сравнивать по отдельности. Химики знали, что элементы образуют разные вещества и обладают разными свойствами, но без упорядочения было сложно заметить связи между ними. Поэтому требовалась система, которая не просто перечисляла бы элементы, а помогала объяснять их сходство и различия. Поиск общей закономерности мог также подсказать, каких элементов ещё не хватает.

Менделеев сопоставлял свойства элементов и их соединений, а для упорядочения располагал элементы главным образом по возрастанию относительной атомной массы. При таком сравнении он учитывал, какие вещества образует элемент и насколько их свойства похожи на свойства соединений других элементов. Масса давала последовательность для наблюдений, а химические свойства помогали понять, действительно ли соседство элементов имеет смысл. Так учёный искал не просто удобную сортировку, а взаимосвязь между порядком элементов и их поведением.

Сравнение показало, что некоторые свойства не меняются от элемента к элементу случайным образом: после определённого изменения вновь встречаются элементы с похожими свойствами. Это повторение позволило объединять элементы в группы и располагать группы в общей последовательности. Если бы сходство было случайным, оно не проявлялось бы закономерно у разных элементов и в их соединениях. Повторяемость и стала основанием для открытия периодичности, а не просто совпадением нескольких отдельных признаков.

В системе Менделеева обнаруживались места, которым не соответствовал ни один из известных тогда элементов. Учёный не заполнял их наугад, потому что это нарушило бы выявленную закономерность. Он предположил, что такие элементы ещё предстоит открыть, а по положению пустого места оценивал их возможные свойства и свойства их соединений. Позднее открытие предсказанных элементов показало, что система могла не только упорядочивать известное, но и направлять новые исследования.

Не всегда элементы, поставленные строго по возрастанию атомной массы, оказывались рядом с теми, на которые они были похожи по химическим свойствам. Если следовать одной только массе, сходные элементы могли оказаться в разных группах, а элементы с разным поведением — рядом. Менделеев в таких случаях отдавал предпочтение химическому сходству и уточнял положение элемента. Это показывает, что он проверял порядок масс закономерностью свойств, а не механически переписывал числа.

Попытки классификации элементов и открытие периодического закона

Сравните, какие закономерности замечали учёные и насколько широко их удалось применить. Таблица показывает постепенный переход от отдельных наблюдений к системе, отражающей общую периодичность свойств. Её удобно читать по строкам: так видно и достижение каждого подхода, и его ограничение или значение.

Разбор задач

Даны триады литий — натрий — калий и хлор — бром — йод. Объясните, какой признак позволял Дёберейнеру объединять элементы в триады.

1. Сначала сравним элементы внутри каждой тройки не по названию, а по свойствам. Литий, натрий и калий имеют сходные химические свойства; сходство есть также у хлора, брома и йода. Значит, в каждой триаде элементы образуют группу по химическому поведению.
2. Теперь проверим относительные атомные массы. У Дёберейнера масса среднего элемента была близка к среднему значению масс двух крайних. Для лития, натрия и калия натрий занимает среднее положение; для хлора, брома и йода таким элементом является бром.
3. Соединим оба наблюдения. Одного сходства свойств было недостаточно для самой идеи триады, но близкое соотношение масс поддерживало найденную группировку. Это была закономерность для отдельных троек, а не универсальное правило для всех элементов.

Ответ: Дёберейнер объединял элементы по сходству химических свойств и учитывал соотношение относительных атомных масс: масса среднего элемента была близка к среднему значению масс крайних.

Ньюлендс заметил повторение сходных свойств через определённое число элементов. Объясните, почему его правило октав работало не для всех известных элементов.

1. Правило октав возникло, когда элементы располагали по возрастанию относительной атомной массы и сравнивали их свойства по порядку. Ньюлендс заметил, что через семь элементов, то есть у каждого восьмого, свойства некоторых элементов повторяются. Это наблюдение действительно указывало на возможную периодичность.
2. Затем нужно проверить, сохраняется ли такая последовательность для всего списка. В ряду известных элементов сходство не повторялось одинаково через каждые восемь позиций. Поэтому нельзя было без ограничений применять правило ко всем элементам и считать его универсальным объяснением.
3. Наконец, оценим значение идеи. Ограниченность октав не отменяет того, что Ньюлендс заметил повторяемость свойств. Но для общей системы требовалось учитывать больше элементов и строить классификацию, которая согласуется с химическими свойствами.

Ответ: правило октав работало не для всех элементов, потому что повторение сходных свойств не сохранялось строго через каждые восемь позиций во всём ряду. Оно стало важным наблюдением, но не универсальной системой.

В системе Менделеева для элемента оставлено свободное место. Объясните, почему это не считалось недостатком таблицы и что можно было предсказать.

1. Проверим, почему возникла пустая ячейка. Если поставить туда известный элемент с неподходящими свойствами, нарушится сходство элементов в группе или порядок изменения свойств в периоде. Поэтому пустое место могло сохранять закономерность лучше, чем случайно выбранный элемент.
2. Затем предположим, что неизвестный элемент ещё не открыт. Если расположение системы закономерно, ячейка показывает, где он должен находиться относительно известных элементов. Значит, отсутствие элемента может означать не ошибку, а то, что исследования пока не завершены.
3. Наконец, используем положение ячейки для предсказания. По соседям и группе можно ожидать, на какие элементы будет похож будущий элемент, а также предположить свойства его соединений. Эти ожидания можно было проверить после открытия нового элемента.

Ответ: свободное место оставляли, чтобы не нарушать периодическую закономерность и обозначить место ещё не открытого элемента. По его положению Менделеев предсказывал предполагаемые свойства элемента и его соединений.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что Менделеев просто расположил элементы строго по возрастанию атомной массы. Так думают, потому что масса действительно была основой первоначального порядка. Но при противоречии с химическими свойствами учёный мог изменить положение элемента. Проверьте себя: объясняет ли выбранный порядок сходство элементов в одной группе, а не только последовательность чисел?

Ошибка: приписывать открытие Периодического закона одному составлению таблицы. Таблица сама по себе лишь расставляет элементы, тогда как закон выражает выявленную повторяемость их свойств. Путаница возникает, потому что таблица наглядно показывает открытие Менделеева. Проверьте себя: можете ли вы отдельно назвать закономерность и способ её представить?

Ошибка: считать пустые места признаком неполноты или неверности системы. Такая мысль возникает, если воспринимать таблицу как список только уже известных элементов. Менделеев оставлял ячейки для ещё не открытых элементов, сохраняя порядок свойств. Проверьте себя: можно ли по месту пустой ячейки предположить, каким будет будущий элемент?

Ошибка: путать периодический закон с периодической системой. Слова похожи, а таблица обычно первой приходит на ум, поэтому понятия легко смешать. Закон описывает повторение свойств, а система упорядочивает элементы и показывает эту закономерность. Проверьте себя: если речь идёт о самой связи между свойствами, это закон; если о расположении элементов — система.

Связь с другими темами

Для понимания открытия нужны понятия химического элемента, простого вещества, относительной атомной массы и свойств химических соединений: именно их Менделеев сравнивал. Периодический закон и система помогают объяснять строение атомов и периодическое изменение свойств элементов и их соединений. В дальнейшем расположение элементов в системе связывают с особенностями строения атома. История предсказаний показывает, что научная закономерность позволяет предполагать существование ещё не открытых веществ и проверять эти предположения опытом.

Что запомнить

• Менделеев искал закономерность в свойствах известных химических элементов и их соединений.
• При составлении системы элементы в основном располагались по возрастанию относительной атомной массы.
• Сходные свойства элементов повторялись через определённые промежутки.
• Периодичность позволила объединить элементы в группы и периоды.
• Менделеев оставлял места для ещё не открытых элементов и предсказывал их свойства.
• Химические свойства помогали Менделееву уточнять положение элементов в системе.