Систематизация и периодический закон (Часть 1)

К концу XVIII века было выявлено определенное сходство в свойствах некоторых элементов, закономерно изменяющихся с увеличением атомного веса. Немецкий ученый  Иеремия Вениамин Рихтер,  автор закона эквивалентов, определил, что металлы, обладающие схожими свойствами натрий (Na), калий (K), магний (Mg), кальций (Ca) различаются на 16 единиц массы. И хотя массы атомов кальция (Ca) и стронция (Sr) различались на большую величину, впервые была отмечена определенная закономерность, связывающая атомный вес и свойства элементов.

В XIX веке описали 63 химических элемента. В 1817 г. ученый из Германии Иоганн Дёбенрейнер объединил щелочноземельные элементы — кальций (Ca), стронций (Sr) и барий (Ba) в специальную группу основываясь на порядке увеличения массы атома. В 1829 г.  он предложил еще три триады, включающие литий (Li), натрий (Na), калий (K) и серу (S), селен (Se) и теллур (Te).

В основу такой классификации кроме атомного веса была положено характеристика свойств и отдельных признаков элементов и их соединений в группах — фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb) и хлор (Cl), бром (Br), йод (I).

В 1862 г. Александр де Шанкуртуа (химик из Франции) на основе фундаментальных  изменений атомного веса составил систематизацию элементов. Его труды получили название «Земная спираль» или «Теллуровый Винт».

Английский химик Джон Ньюлендс сравнил свойства элементов с весом атома и структурировал их по мере увеличения масс атомов. При этом, ученый обнаружил схожесть в характеристиках, повторяющиеся с периодичностью в 8 элементов.

В 1864 г. химиком Лотаром Мейером была сформирована первая таблица, содержащая 28 элементов. Ученый расположил их в 6 столбцах с учетом валентности и осознанно ограничил количество элементов в структуре. Этот прием был направлен на выделение фундаментального изменения атомного веса в рядах со схожими элементами.

Ученые всего мира пытались сгруппировать химические элементы. Но успех в этом деле имел русский ученый Д. И. Менделеев. Только он смог систематизировать описанные химические элементы и подчинить их общему универсальному закону.

Подробное строение таблицы Менделеева

В 1869 г. в публикацию вышел первоначальный вариант периодической системы. Она существенно отличалась от известной нам из уроков химии. Определение периодического закона впервые опубликовали в 1871 г. в статье «Периодическая закономерность химических элементов».

«Свойства элементарных тел, а также форма и характеристики соединений элементов, значит и особенности созданных ими простых и сложных тел, находятся в периодической зависимости от веса атома».

Научный авторитет Менделеева был огромен. Он был назначен почетным членом многих почитаемых зарубежных академий, университетов и научных обществ. Список титулов и званий гениального русского ученого включает более 100 наименований — профессор, обладатель энциклопедических знаний по химии, физике, географии, экономике,  член Академии Наук и прочее. Менделеев не только смог систематизировать химические элементы в общую стройную систему, но предугадал открытие еще 11 элементов.

На протяжении нескольких лет Менделеев вел борьбу за признание периодического закона. Таблица постоянно видоизменялась и совершенствовалась, улучшалась по мере появления новых научных данных. Известность периодический закон получил после описание новых элементов — галлия (Ga), скандия (Sc) и германия (Ge), предсказанных Менделеевым.

Последующее развитие периодического закона продолжалось по мере изучения физики. Со временем таблица приобрела окончательную структуру, которая сегодня считается классической. В современной науке периодический закон является одним из фундаментальных сводов мироздания, самое известное творение Менделеева.

Каждому химическому элементу присвоено индивидуальное название и символ, читающийся по определенным правилам. Каждая ячейка содержит символ элемента, наименование, порядковый номер и значение относительной массы атома.

Работы Антониуса Ван де Брука в 1911 г. доказали, что порядковый номер имеет физический смысл. Английский физик Джеймс Чедвиа в 1920 г. доказал это многочисленными экспериментами. Удалось установить, что порядковый номер элемента соответствует заряду атомного ядра.

После этого периодический закон приобрел более точную формулировку — характеристики элементарных веществ, а также формы и свойства соединений элементов состоят в периодической зависимости от заряда ядер атомов элементов.

Химический элемент и изотоп

Вид атомов с одинаковым зарядом ядер, то есть с одинаковым числом протонов в их ядрах называют химическим элементом.

Вес атома, то есть массовое число (А) определяется суммарным количеством протонов определяющих заряд ядра (Z) и нейтронов (N) в ядре. А масса электронов настолько мала, что нею можно пренебречь.

A = Z + N

При внимательном рассмотрении значения атомного веса в таблице, видно, что он не является целым числом. Все химические элементы, созданные природой, представляют собой смесь атомов, располагающих одинаковыми зарядами ядра, но разным атомным весом.

Изотопы — разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра, но разными массовыми числами.

К примеру, углерод (С) имеет 3 изотопа с массой 12, 13,14.

Кислород (О) 3 изотопа с массой 16, 17 и 18.

Представленный в периодической системе относительный атомный вес, как правило, является средним значением масс в природной смеси изотопов, с учетом их относительного содержания в природе.

Химические свойства изотопов большинства химических элементов совершенно одинаковы. Однако, изотопы водорода сильно отличаются по свойствам из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы. Им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки — протий  , дейтерий     и тритий

Химические элементы — это вещества, которые не могут быть разложены на более простые: из них состоят все остальные вещества, встречающиеся в природе. Для того, чтобы ученые могли изучать их свойства, были разработаны различные системы систематизации элементов. Познакомимся с ними поближе.

Закономерность между свойствами элементов и изменением атомных масс

Более тяжелые элементы имеют более сложные свойства и характеристики, чем легкие элементы. Это связано с тем, что с увеличением атомной массы увеличивается количество электронов и протонов в атоме.

Первый изотоп каждого элемента имеет наименьшую атомную массу, и свойства элемента в основном определяются этим изотопом. С увеличением атомной массы элемента, количество нейтронов в ядре также увеличивается, что может привести к изменению некоторых свойств элемента.

Например, в периодической системе элементов свойства металлов изменяются от легких металлов (например, литий) к тяжелым металлам (например, свинец). С увеличением атомной массы элемента увеличивается и его радиус, что приводит к изменению химических свойств элемента.

Изменение атомной массы может привести к изменению степени ионизации элемента и его электронной конфигурации. Это, в свою очередь, может привести к изменению химических свойств элемента, таких как его атомный радиус, электроотрицательность и способность образовывать соединения.

“Земная спираль” де Шанкуртуа

Систему классификации элементов под названием “Земная спираль” (Earth Spiral) разработал французский химик Александр Эмиль де Шанкуртуа в 1862 году. Согласно этой системе, элементы размещались на спирали, которая была разделена на 16 секторов. Элементы в каждом секторе имели сходные физические свойства.

“Октавы” Ньюлендса

“Октавы” Ньюлендса – это концепция классификации элементов, которую предложил английский химик Джон Александр Рейна Ньюлендс в 1864 году. Согласно этой концепции, элементы были разделены на группы, состоящие из восьми элементов, которые имели сходные физические и химические свойства.

Ньюлендс заметил, что многие элементы имели сходные свойства, которые повторялись с определенным интервалом, и он предположил, что это связано с их атомными весами. Он разместил элементы в порядке увеличения их атомных весов и выделил группы, состоящие из восьми элементов, которые он назвал “октавами”.

Концепция “октав” Ньюлендса была отвергнута научным сообществом, так как она не могла объяснить многие свойства элементов, которые были открыты позже. Однако она имела важное значение в развитии химии и помогла ученым понять связь между свойствами элементов и их атомными весами.