В первой половине 19 века появились различные попытки систематизировать элементы и объединить металлы в периодической системе. Именно в этот исторический период возникает такой метод исследования, как химический анализ.
Из истории открытия периодической системы элементов
Используя подобную методику определения специфических химических свойств, ученые того времени попытались соединять в группы элементы, руководствуясь их количественной характеристикой, а также атомным весом.
Использование атомного веса
Так, И. В. Дуберейнер в 1817 году определил, что у стронция атомный вес аналогичен соответствующим показателям бария и кальция. Также ему удалось выяснить, что между свойствами бария, стронция и кальция существует достаточно много общего. На основании этих наблюдений знаменитый химик составил так называемую триаду элементов. В похожие группы были объединены и другие вещества:
- сера, селен, теллур;
- хлор, бром, йод;
- литий, натрий, калий.
Классификация по химическим свойствам
Л. Гмелин в 1843 году предложил таблицу, в которой расставил сходные по химическим свойствам элементы в строгом порядке. Азот, водород, кислород он считал основными элементами, их данный химик поместил за пределами своей таблицы.
Под кислородом им были расставлены тетрады (по 4 знака) и пентады (по 5 знаков) элементов. Металлы в периодической системе были поставлены по терминологии Берцелиуса. По замыслу Гмелина, все элементы были установлены по уменьшению электроотрицательности свойств внутри каждой подгруппы периодической системы.
Объединение элементов по вертикали
Александр Эмиль де Шанкуртуа в 1863 году все элементы поставил по возрастанию атомных весов на цилиндр, разделив его на несколько вертикальных полос. В результате такого деления на вертикалях расположились элементы, обладающие сходными физическими и химическими свойствами.
Закон октав
Д. Ньюлендс обнаружил в 1864 году достаточно интересную закономерность. При расположении химических элементов по возрастанию их атомных весов у каждого восьмого элемента обнаруживается сходство с первым. Подобный факт Ньюлендс назвал законом октав (восьми нот).
Его система периодическая была весьма условно, поэтому задумку наблюдательного ученого стали называть «октавной» версией, связывая с музыкой. Именно вариант Ньюлендса был наиболее близок к современной структуре ПС. Но по упомянутому закону октав только 17 элементов сохраняли свои периодические свойства, у остальных же знаков подобной закономерности не обнаруживалось.
Таблицы Одлинга
У. Одлинг представил сразу несколько вариантов таблиц элементов. В первой версии, созданной в 1857 году, он предложил разделить их на 9 групп. В 1861 году химик внес некоторые корректировки в первоначальный вариант таблицы, объединив в группы знаки, имеющие сходные химические свойства.
Вариант таблицы Одлинга, предложенный в 1868 году, предполагал расположение 45 элементов по возрастанию атомных весов. Кстати, именно эта таблица в дальнейшем стала прототипом периодической системы Д. И. Менделеева.
Деление по валентности
Л. Мейер в 1864 году предложил таблицу, которая включала 44 элемента. Они были размещены в 6 столбиках, согласно валентности по водороду. В таблице было сразу две части. Основная объединяла шесть групп, включала в себя 28 знаков по возрастанию атомных весов. В ее структуре просматривались пентады и тетрады из сходных со химическим свойствам знаков. Оставшиеся элементы Мейер разместил во вторую таблицу.
Вклад Д. И. Менделеева в создание таблицы элементов
Современная периодическая система элементов Д. И. Менделеева появилась на основе таблиц Майера, составленных в 1869 году. Во второй версии Майер расставил знаки по 16 группам, поместил элементы пентадами и тетрадами, учитывая известные химические свойства. А вместо валентности им использовалась простая нумерация для групп. Не было в ней бора, тория, водорода, ниобия, урана.
Строение периодической системы в том виде, который представлен в современных редакциях, появилось не сразу. Можно выделить три основные этапа, на протяжении которых была создана периодическая система:
- Первая версия таблицы была представлена на структурных блоках. Прослеживался периодический характер связи между свойствами элементов и значениями их атомных весов. Данный вариант классификации знаков Менделеев предложил в 1868-1869 гг.
- Ученый отказывается от первоначальной системы, так как она не отражала критериев, по которым бы элементы попадали в определенный столбец. Он предлагает размещать знаки по сходству химических свойств (февраль 1869 г.)
- В 1870 году Дмитрием Менделеевым была представлена научному миру современная периодическая система элементов.
Версия русского химика учитывала и положение металлов в периодической системе, и особенности свойств неметаллов. За те годы, что прошли с момента первой редакции гениального изобретения Менделеева, таблица не претерпела каких-то серьезных изменений. А на тех местах, что были оставлены пустыми во времена Дмитрия Ивановича, появились новые элементы, открытые уже после его смерти.
Особенности таблицы Менделеева
Почему же считается, что описываемая система - периодическая? Это объясняется особенностями строения таблицы.
Всего в ней содержится 8 групп, причем в каждой есть две подгруппы: главная (основная) и побочная. Получается, что всего подгрупп 16. Располагаются они вертикально, то есть сверху вниз.
Кроме того, в таблице есть и горизонтальные ряды, называемые периодами. Они также имеют свое дополнительное разделение на малые и большие. Характеристика периодической системы подразумевает учет расположения элемента: его группу, подгруппу и период.
Как меняются свойства в главных подгруппах
Все основные подгруппы в таблице Менделеева начинаются элементами второго периода. У знаков, относящихся к одной главной подгруппе, количество внешних электронов одинаковое, а вот расстояние между последними электронами и положительным ядром меняется.
Кроме того, сверху в них происходит и увеличение атомного веса (относительной атомной массы) элемента. Именно данный показатель является определяющим фактором при выявлении закономерности смены свойств внутри главных подгрупп.
Так как радиус (расстояние между положительным ядром и внешними отрицательными электронами) в основной подгруппе увеличивается, неметаллические свойства (способность в ходе химических превращений принимать электроны) снижается. Что касается изменения металлических свойств (отдачи электронов других атомам), то она будет возрастать.
Используя периодическую систему, можно сравнивать между собой свойства разных представителей одной главной подгруппы. В то время, когда Менделеевым создавалась система периодическая, еще не было сведений о строении вещества. Удивительным является тот факт, что после того как возникла теория строения атома, изучаемая в образовательных школах и профильных химических ВУЗах и в настоящее время, она подтвердила гипотезу Менделеева, а не опровергла его предположения по расстановке атомов внутри таблицы.
Электроотрицательность в главных подгруппах к низу уменьшается, то есть чем ниже в группе располагается элемент, тем его способность присоединять атомы будет меньше.
Изменение свойств атомов в побочных подгруппах
Так как у Менделеева система периодическая, то изменение свойств в подобных подгруппах происходит в обратной последовательности. В такие подгруппы входят элементы, начиная с 4 периода (представители d и f семейств). К низу в этих подгруппах снижаются металлические свойства, а вот количество внешних электронов одинаково у всех представителей одной подгруппы.
Особенности строения периодов в ПС
Каждый новый период, за исключением первого, в таблице русского химика начинается активным щелочным металлом. Далее поставлены амфотерные металлы, проявляющие в химических превращениях двойственные свойства. Затем имеется несколько элементов с неметаллическими свойствами. Завершается период инертным газом (неметалл, практический, не проявляющий химической активности).
Учитывая, что система периодическая, в периодах происходит изменение активности. Слева направо будет уменьшаться восстановительная активность (металлические свойства), увеличиваться окислительная активность (неметаллические свойства). Таким образом, самые яркие металлы в периоде располагаются слева, а неметаллы справа.
В больших периодах, состоящих из двух рядов (4-7), также проявляется периодичный характер, но из-за наличия представителей d или f семейства, металлических элементов в ряду гораздо больше.
Названия главных подгрупп
Часть групп элементов, имеющихся в таблице Менделеева, получила свои собственные названия. Представителей первой группы А подгруппы называют щелочными металлами. Подобному названию металлы обязаны своей активности с водой, в результате чего образуются едкие щелочи.
Вторую группу А подгруппу считают щелочно-земельными металлами. При взаимодействии с водой, такие металлы образуют оксиды, их когда-то называли землями. Именно с того времени и закрепилось за представителями данной подгруппы подобное наименование.
Неметаллы подгруппы кислорода именуют халькогенами, а представителей 7 А группы называют галогенами. 8 А подгруппа получила название инертных газов из-за своей минимальной химической активности.
ПС в школьном курсе
Для школьников обычно предлагается вариант таблицы Менделеева, в котором помимо групп, подгрупп, периодов, также указываются и формулы высших летучих соединений и высших оксидов. Подобная хитрость позволяет формировать у обучающихся навыки по составлению высших оксидов. Достаточно вместо элемента подставить знак представителя подгруппы, чтобы получить готовый высший оксид.
Если внимательно посмотреть на общий вид летучих водородных соединений, то видно, что они характерны только для неметаллов. В 1-3 группах стоят прочерки, так как типичными представителями данных групп являются металлы.
Кроме того, в некоторых школьных учебниках химии у каждого знака указывают схему распределения электронов по энергетическим уровням. Данной информации не существовало в период работы Менделеева, подобные научные факты появились гораздо позже.
Можно увидеть и формулы внешнего электронного уровня, по которой легко догадаться, к какому семейству отнести данный элемент. Такие подсказки недопустимы на экзаменационных сессиях, поэтому выпускникам 9 и 11 классов, решивших продемонстрировать свои химические знания на ОГЭ либо ЕГЭ, дают классические черно-белые варианты периодических таблиц, в которых отсутствуют дополнительные сведения о строении атома, формулах высших оксидов, составе летучих водородных соединениях.
Подобное решение вполне логично и понятно, ведь для тех школьников, что решили идти по стопам Менделеева и Ломоносова, не составит труда воспользоваться классической версией системы, им подсказки просто не нужны.
Именно периодический закон и система Д. И. Менделеева сыграли важнейшую роль в дальнейшем развитии атомно-молекулярного учения. После создания системы ученые стали уделять больше внимания изучению состава элемента. Таблица помогла уточнить некоторые сведения о простых веществах, а также о характере и свойствах тех элементов, которые ими образуются.
Сам Менделеев предполагал, что в скором времени будут открываться новые элементы, и предусмотрел положение металлов в периодической системе. Именно после появления последней, в химии началась новая эра. Кроме того, был дан серьезный старт для формирования множества смежных наук, которые связаны со строением атома и превращениями элементов.
