Текст книги "Закон Менделеева"

Автор книги: А. Колесников

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 3 страниц) [доступный отрывок для чтения: 1 страниц]

Колесников А. Л
Закон Менделеева
издание третье, переработанное

ВВЕДЕНИЕ

Вспомните, не задавали ли вы себе вопросов: Из чего состоит вселенная? Из чего состоят отдельные тела – стол, хлеб, одежда, камень, поднятый на дороге? Есть ли между этими столь различными вещами что-либо общее?

Наверное, задавали. Вопрос о природе окружающих нас вещей неизбежно возникает у каждого мыслящего человека. Много веков человечество искало ответ на эти вопросы. Более двух тысяч лег назад философы древней Греции учили, что всё существующее на земле происходит от немногих начал – «элементов». Такими началами считались огонь, вода, воздух, земля. Эти элементы – неизменные, основные вещества мироздания. Из них состоят все окружающие нас тела. Позднее, в средние века, широкое распространение получила алхимия. Алхимики пытались превратить недрагоценные металлы в драгоценные (золото, серебро). Они считали, что многообразные тела природы строятся только из трёх «философских элементов» – «серы», «ртути» и «соли». «Ртуть» алхимиков – это носитель металлических свойств вещества, «сера» – горючих свойств, а «соль» придаёт телам способность растворяться в воде, придаёт им твёрдость и вкус.

Современная наука установила, что все окружающие нас тела действительно состоят из немногих «начал» – основных веществ вселенной, или, как их теперь называют, химических элементов. Но эти химические элементы не имеют ничего общего с «философскими элементами» учёных прошлых веков, когда думали, что «элементы» нематериальны, что они только характеризуют свойства различных тел, являются лишь суммой отдельных ощущений человека.

Передовая материалистическая наука отвергает такие ненаучные взгляды.

«Философский материализм Маркса исходит из того, что мир по природе своей материален», – писал И. В. Сталин. «В противоположность идеализму, утверждающему, что реально существует лишь наше сознание, что материальный мир, бытие, природа существует лишь в нашем сознании, в наших ощущениях, представлениях, понятиях, – марксистский философский материализм исходит из того, что материя, природа, бытие представляет объективную реальность, существующую вне и независимо от сознания, что материя первична, так как она является источником ощущений, представлений, сознания, а сознание вторично, производно, так как оно является отображением материи, отображением бытия, что мышление есть продукт материи, достигшей в своём развитии высокой степени совершенства, а именно – продукт мозга, а мозг – орган мышления, что нельзя поэтому отделять мышление от материи, не желая впасть в грубую ошибку» (Сталин).

Всё объективно существующее в мире материально. Материальны и все основные вещества мироздания – химические элементы.

Развитие науки об основных веществах вселенной тесно связано с именем великого русского учёного-химика Дмитрия Ивановича Менделеева, открывшего периодический закон химических элементов.

Этому закону и посвящена наша книжка.

ТЕЛА СЛОЖНЫЕ И ПРОСТЫЕ

Если через воду пропускать электрический ток, она разлагается на два новых вещества – на водород и кислород. Нагревая на огне известняк, можно разложить его на углекислый газ и негашёную известь. Полученные вещества можно в свою очередь разложить дальше: углекислый газ – на кислород и углерод, а негашёную известь – на кислород и металл кальций.

Различными способами – действием электричества, нагреванием, воздействием других веществ – можно разложить большинство тел природы, получить из одного вещества несколько других, более простых.

Вещества, которые можно разложить на другие, более простые, называются веществами сложными.

Однако не каждое вещество удаётся разложить на более простые. Есть группа таких веществ, которые далее не разлагаются, остаются неизменными. Так, не разлагаются углерод, кислород, водород и кальций. Нельзя разложить на более простые и некоторые другие вещества, например железо и медь, азот и хлор и ряд других. Это – простые вещества. Такие химически простые вещества называют также химическими элементами.

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

Около двух с половиной тысяч лет назад древнегреческие учёные-материалисты Левкипп и Демокрит высказали предположение, что все тела в мире состоят из мельчайших материальных частиц, далее неделимых, которые они назвали атомами. Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть, поэтому тела и кажутся нам сплошными.

В средние века учение об атомах было запрещено. В этом учении церковь увидела серьёзную опасность для религии. Таинственные, загадочные явления природы, для объяснения которых привлекались божественные силы, материалистическое учение об атомах объясняет естественными причинами, и церковь объявляет его противным религии, греховным.

Церковь запрещала научное исследование природы, справедливо считая, что оно подрывает веру в бога.

С XV–XVI веков наступает эпоха быстрого развития производительных сил. Наука восстаёт против религии. В книге, вышедшей в первой половине XVII века, французский учёный Гассенди возрождает учение древнегреческих мыслителей-материалистов об атомах. Атомы отличаются друг от друга формой, величиной и весом, – учит он, – но различных атомов в природе немного. Как же строится из них всё многообразие тел природы? Гассенди пишет, что подобно тому, как из трёх десятков букв составляются десятки тысяч различных слов, так из разных атомов строятся все тела мира. Атомы объединяются в различных соединениях в небольшие устойчивые группы – молекулы. В различных телах эти молекулы различны. Они отличаются друг от друга как числом входящих в их состав атомов, так и видом последних.

Представление об атомах и молекулах позволяет убедительно объяснять многие явления природы.

Почему, например, мы чувствуем запах цветов и различных пахучих веществ на расстоянии? Если предположить, что эти вещества не сплошные, а состоят из мельчайших частиц, тогда можно дать ответ на этот вопрос: от пахучих веществ отлетают отдельные частички, которые попадают к нам в нос, и мы чувствуем запах.

Просто объясняются и такие всем известные явления, как испарение воды при нагревании или растворение сахара в воде. Если предполагать, что вода и сахар являются сплошными телами, то очень трудно понять, как может в воде растворяться сахар, а сама вода при нагревании превращаться в пар. Если же допустить, что эти тела состоят из отдельных мельчайших частичек, то растворение сахара в воде и испарение воды станет легко объяснимым. Кусок сахара, попадая в воду, распадается в ней на мельчайшие, невидимые глазом частички, которые расходятся по всей жидкости. При испарении воды отдельные её частички отрываются от поверхности жидкости и поднимаются в воздух.

Дальнейшее развитие учение об атомах получает в трудах великого русского учёного М. В. Ломоносова. В своих сочинениях он подробно объяснил, как из невидимых, «нечувствительных», как он их называл, частичек вещества строятся различные тела природы.

Каждое тело состоит из молекул (или, как их называл Ломоносов, «корпускул»). Молекулы бывают однородными и разнородными. Однородная молекула состоит из одинаковых атомов. Разнородная молекула состоит из атомов, отличных друг от друга.

Из однородных молекул строятся простые тела. Сложные тела состоят из молекул разнородных.

Ломоносов считал также, что атомы в молекулах сложных тел могут располагаться по-разному; от различного расположения одних и тех же атомов зависят свойства сложных тел.

Теперь мы знаем, что различные тела природы строятся из атомов именно таким образом, как указывал Ломоносов.

Каждому химическому элементу соответствует определённый вид атомов, причём атомы разных химических элементов отличаются друг от друга своей массой. Атом каждого химического элемента имеет свой собственный, отличный от других атомов, вес.

СКОЛЬКО В МИРЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ?

Изучая состав различных тел, встречающихся в природе, химики уже в конце XVIII века насчитывали более 20 веществ, неразложимых далее химическим путём, более 20 различных химических элементов. В начале XIX века было открыто много новых химических элементов – калий, натрий, барий, стронций, магний и другие.

Дальнейшие поиски приводят учёных к открытию всё новых и новых элементов.

Химики изучают вновь найденные элементы, определяют их свойства, устанавливают атомные веса.

Вес отдельных атомов в граммах ничтожно мал. Так, например, вес атома водорода равен 0,000 000 000 000 000 000 000 167 грамма; вес каждого из атомов кислорода примерно в 16 раз больше: он равен 0, 000 000 000 000 000 000 002 657 грамма.

Такие числа трудно запоминать, они неудобны для расчётов. Поэтому в химии принят не вес атомов химического элемента в граммах, а его атомный вес. Атомный вес химического элемента – число относительное; оно показывает, во сколько раз вес атомов какого-либо элемента тяжелее или легче атомов другого химического элемента, вес которого уже известен.

В качестве единицы для сравнения химики взяли сначала самый лёгкий элемент – водород; вес его атомов был условно принят равным единице. Естественно, что атомные веса всех других химических элементов были больше атомного веса водорода и, следовательно, превышали единицу. Например, атомный вес натрия был равен 23, железа– 56, золота– 197 и т. д.

В дальнейшем для сравнения был взят атом кислорода, вес которого был принят равным точно 16; за единицу атомного веса была принята ¹/ ₁₆веса атома кислорода (атомный вес водорода при этом равен 1,008).

В первой четверти XIX века были установлены единые условные обозначения известных в то время химических элементов. Каждый элемент стали обозначать одной или двумя латинскими буквами (первой или первой и одной из последующих букв латинского названия элемента). Например, латинская буква N обозначает азот (от слова Nitrogenium – азот), Cu – медь (Cuprum), Sn – олово (Stannum), Au – золото (Aurum), Pb – свинец (Plumbum) и т. д.

К середине прошлого века химикам было уже известно более 50 простых, неразлагаемых тел природы – более 50 различных видов атомов, из которых строится мироздание.

Но сколько в мире ещё неоткрытых химических элементов?

Ответа на этот вопрос никто дать не мог.

Не могли ответить химики прошлого века и на другой вопрос: связаны ли различные элементы друг с другом? Большинство учёных первой половины прошлого века считало, что различные химические элементы вообще не имеют между собой никакой связи, что бесцельно поэтому искать нечто единое, общее среди того разнообразия простых тел, какое мы наблюдаем в природе. Химические элементы, по мнению этих учёных, представляют собой совершенно независимые друг от друга, не имеющие между собой ничего общего вещества.

Но так ли это в действительности?

К этому времени в химии был накоплен большой опытный материал. Были изучены различные свойства не только всех известных к тому времени химических элементов, но и свойства многочисленных соединений этих элементов друг с другом. Таких соединений насчитывалось уже несколько тысяч.

Во всём этом множестве химических соединений необходимо было разобраться. Химия нуждалась в единой стройной системе, которая объединила бы и упорядочила это многообразие.

ВЕЛИКИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ

К концу 60-х годов прошлого века былоизвестно уже 63 химические элемента.

Открытия новых элементов совершались случайно. Изучая те или иные вещества, химик обычно не подозревал, где и когда он может натолкнуться на новый вид атомов.

Так, химик Балар исследовал рассолы соляных промыслов Средиземного моря. Пропуская однажды через рассол газ хлор, он заметил, что цвет рассола изменился, стал бурым. Учёный заинтересовался этим явлением и ему удалось установить, что эту окраску сообщала рассолу неизвестная жидкость бурого цвета с резким неприятным запахом. Оказалось, что им был открыт новый химический элемент, названный бромом.

Столь же случайно открыты были иод, кадмий и другие химические элементы.

Так обстояло дело до 1869 года.

В марте месяце 1869 года на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге была зачитана работа молодого русского химика Д. И. Менделеева об открытой им зависимости свойств химических элементов от их атомного веса. Менделеев был в то время болен; его сообщение прочёл за него известный русский химик Н. А. Меншуткин. Д. И. Менделеев писал, что он создал естественную систему всех химических элементов, в которой они располагались друг за другом в порядке возрастания их атомных весов. В такой системе наблюдается замечательная закономерность: химические свойства элементов повторяются через определённые, правильные промежутки, повторяются периодически. Учёный так и назвал свою систему – периодической системой элементов.

Таким образом, Менделеев показал, что каждый химический элемент – это вид атомов, характеризующийся не только величиной атомного веса, но и местом, занимаемым в периодической таблице.

Великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (родился в 1834 году, умер в 1907 году).

Менделеев не был первым учёным, который искал единство в разнообразии химических элементов. Мысль о закономерной связи между свойствами химических элементов возникла ещё в XVIII веке. Однако попытки химиков найти закономерность среди химических элементов до Менделеева были безуспешными.

Представьте себе ряд химических элементов, расположенных в порядке возрастания их атомных весов.

При первом взгляде на такой ряд не видно никакой последовательности в изменении свойств химических элементов. Ни один элемент не походит на своих соседей. Сходство, однако, имеется, но не у элементов, стоящих рядом, а у элементов, разделённых другими, несходными химическими элементами.

ОПЫТЪ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВЪ,

ОСНОВАННОЙ НА ИХЪ АТОМНОМЪ ВѢСѢ И ХИМИЧЕСКОМЪ СХОДСТВѢ,

Д. Менделеев!» Рис. 1. Периодическая система химических элементов в том виде, в каком она была впервые опубликована (в 1869 году).

На рисунке 1 приведена периодическая система элементов в том виде, как она была впервые опубликована Д. И. Менделеевым. Вторым по порядку в этой таблице стоит элемент литий (Li). Это – лёгкий, так называемый щелочной металл; соединяясь с водой, он образует щёлочь. За ним следуют шесть элементов, свойства которых иные, чем у лития. Но седьмой элемент, натрий (Na), снова повторяет свойства лития; это – тоже щелочной металл. Ещё через шесть элементов, через период элементов, мы видим новый щелочной металл – калий (К).

Посмотрим, как повторяются свойства соседа лития – лёгкого металла бериллия (Be) – третьего по счёту химического элемента в таблице Менделеева. Оказывается, и здесь его свойства повторяются через тот же период – через шесть элементов находится химический элемент магний (Mg), тоже лёгкий металл, повторяющий в основных чертах свойства своего «родственника». Пропустите ещё шесть элементов, и вы увидите кальций (Са), напоминающий по своим свойствам бериллий и магний.

Таким же образом повторяются свойства бора (В) у элемента алюминия (Al), стоящего на седьмом после него месте, свойства фтора (F) – у хлора (Cl) и т. д.

Такая закономерность наблюдается, однако, не во всём ряду элементов. Начиная с калия, элементы с одинаковыми химическими свойствами располагаются уже не через шесть, а через шестнадцать мест друг от друга [1]1
  В современной периодической таблице Менделеева свойства химических элементов повторяются не через шесть и шестнадцать, а через семь и семнадцать элементов, так как позднее были открыты ещё так называемые инертные газы, занявшие в периодической системе особую группу (см. табл, на стр. 20–21).


[Закрыть].

Подметив эти закономерности, Менделеев разделил весь ряд химических элементов на несколько частей – периодов – и затем расположил эти части одну под другой таким образом, что элементы со сходными свойствами поместились друг под другом, образуя вертикальные столбцы – группы сходных элементов:

литий – 7

бериллий – 9,4

бор – 11

углерод – 12

азот – 14

кислород – 16

фтор – 19

натрий – 23

магний – 24

алюминий – 27,4

кремний – 28

фосфор – 31

сера – 32

хлор – 35,5

и т. д. (цифры обозначают атомные веса элементов).

Свойства элементов в одном периоде изменяются также не случайно. И здесь имеется вполне определённая закономерность. Возьмём тот же период – от лития до фтора. Первым в нём стоит химически активный металл (литий); он легко вступает в соединения с другими веществами; за ним идёт металл, менее химически активный (бериллий); далее стоит элемент ещё менее активный, его металлические свойства выражены ещё слабее (бор). Затем мы видим уже переход от металлов к неметаллам (углерод, азот). Здесь химическая активность элементов идёт по восходящей линии: первый из элементов – азот – наиболее неактивный, следующий – кислород – уже значительно более активный металлоид (металлоид – значит неметалл) и последним стоит очень активный металлоид – фтор.

Чтобы яснее представить, как именно изменяются в периодической таблице свойства элементов по мере увеличения атомного веса, посмотрим, как изменяются некоторые их химические свойства.

Возьмём, например, такое важное химическое свойство, как валентность. Валентностью называется способность атома какого-либо элемента соединяться с определённым числом атомов другого элемента. Наименьшей валентностью обладает атом водорода, поэтому его валентность принята за единицу.

Валентность других химических элементов выражается числом, показывающим, сколько атомов водорода может присоединять или замещать атом того или иного элемента. Если атом элемента присоединяет или замещает один атом водорода, его валентность также равна единице; другими словами, говорят, что данный химический элемент одновалентен; если атом элемента присоединяет или замещает два атома водорода, элемент двухвалентен, и т. д.

Однако не все элементы обладают постоянной валентностью.

Так, например, углерод в окиси углерода (СО) – двухвалентен, а в углекислом газе (СО ₂) 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 СО ₂), – 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 – Li ₂O, Na ₂O, К ₂O 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:

Na ₂O + H ₂O = 2NaOH

окисел натрия + вода = две молекулы едкого натра

К ₂O + Н ₂O = 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:

SO ₃+ Н ₂O = H ₂SO ₄

окисел серы + вода = серная кислота

CO ₂+ Н ₂O = H ₂CO ₃

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.