Глава IV.29 Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым

Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева – величайшие открытия конца XIX в., основа современной химии, динамичное и развивающееся учение. Они отражают явления, реально существующие в природе, и поэтому никогда не потеряют своего значения.

Открытие Периодического закона и Периодической системы было подготовлено всем ходом истории развития химии, однако потребовалась гениальность Менделеева, его дар научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и графически представлены в виде таблицы.

В основу своей работы по классификации химических элементов Менделеев положил два основных и постоянных признака химических элементов: величину их относительной атомной массы и свойства образованных ими веществ. Он выписал на карточки все известные сведения об открытых и изученных в то время 63 химических элементах и их соединениях.

Расположив все химические элементы в порядке возрастания их относительных атомных масс (раньше эту величину называли атомными весами), Д. И. Менделеев заметил, что в такой последовательности имеются участки, в которых свойства элементов и образованных ими веществ изменяются сходным образом.

Рассмотрим эти закономерности, используя современные термины.

1. Металлические свойства простых веществ, наиболее ярко выраженные у щелочных металлов, ослабевают и сменяются неметаллическими, которые наиболее ярко выражены у галогенов.
2. Валентность элементов в высших оксидах возрастает от I до VII (VIII только для осмия и рутения).
3. Валентность неметаллов в летучих водородных соединениях сначала возрастает, а затем уменьшается. Например, для элементов II периода:

$\stackrel{\mathrm{III}}{\mathrm{В}}{\mathrm{H}}_3 \to \stackrel{\mathrm{IV}}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_4 \to \stackrel{\mathrm{III}}{\mathrm{N}}{\mathrm{H}}_3 \to {\mathrm{H}}_2\stackrel{\mathrm{II}}{\mathrm{O}} \to \mathrm{H}\stackrel{\mathrm{I}}{\mathrm{F}}$

4. Осно́вные оксиды элементов начала периода сменяет амфотерный оксид и далее – кислотные, свойства которых усиливаются. Например:

$\begin{array}{c}{\mathrm{Na}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{MgO}\\ \mathrm{основные} \mathrm{оксиды}\\ \end{array} \begin{array}{c}\to \\ \\ \end{array} \begin{array}{c}{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3\\ \mathrm{амфотерный}\\ \mathrm{оксид}\end{array} \begin{array}{c}\to \\ \\ \end{array} \begin{array}{c}{\mathrm{SiO}}_2 \to {\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5 \to {\mathrm{SO}}_3 \to {\mathrm{Cl}}_2{\mathrm{O}}_7\\ \mathrm{кислотные} \mathrm{оксиды}\\ \end{array}$

5. Гидроксиды-основания через амфотерный гидроксид сменяются всё более сильными кислотами. Например:

$\begin{array}{cc}\mathrm{NaOH}& \to \\ \mathrm{щёлочь}& \\ & \\ & \end{array}\begin{array}{cccc}\mathrm{Mg}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2& \to & \mathrm{Al}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3& \to \\ \mathrm{основание}& & \mathrm{амфотерный}& \\ & & \mathrm{гидроксид}& \\ & & & \end{array}\begin{array}{cccccc}{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SiO}}_3& \to & {\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4& \to & {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4& \to \\ \mathrm{слабая}& & \mathrm{кислота}& & \mathrm{сильная}& \\ \mathrm{кислота}& & \mathrm{средней}& & \mathrm{кислота}& \\ & & \mathrm{силы}& & & \end{array}\begin{array}{c}{\mathrm{HClO}}_4\\ \mathrm{очень}\\ \mathrm{сильная}\\ \mathrm{кислота}\end{array}$

На основании анализа закономерностей Д. И. Менделеев сформулировал Периодический закон, который в современных терминах звучит так:

Днём рождения периодической таблицы считается 1 марта 1869 г.

Значение Периодического закона. Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева являют собой триумф российской химической науки. Подумайте сами, ведь все учёные, которые занимались поиском естественной классификации химических элементов, находились в равных условиях, имели одни и те же научные предпосылки для обобщения. Почему же ни одному из них, кроме Менделеева, не удалось открыть Периодический закон?

Очевидно, что объективных предпосылок (накопленного фактологического материала, работ предшественников, участия в съезде химиков в г. Карлсруэ, на котором победили идеи атомистики) было мало. Потребовался субъективный, личностный фактор. Д. И. Менделеев имел энциклопедические знания, умел обобщать факты и выдвигать на их основе гипотезы. Справедливы слова русского химика Л. А. Чугаева, сказанные им о Менделееве: «Гениальный химик, первоклассный физик, плодотворный исследователь в области гидродинамики, метеорологии, геологии, в различных отделах химической технологии (взрывчатые вещества, нефть, учение о топливе) и других сопредельных с химией и физикой дисциплинах, глубокий знаток химической промышленности и промышленности вообще, особенно русской, оригинальный мыслитель в области учения о народном хозяйстве, государственный ум, которому, к сожалению, не суждено было стать государственным человеком, но который видел и понимал задачи и будущность России лучше представителей нашей официальной власти…

Он умел быть философом в химии, в физике и других отраслях естествознания, которых ему приходилось касаться, и естествоиспытателем в проблемах философии, политической экономии и социологии».

Как признание заслуг русского химика перед мировой наукой следует отметить следующий факт. В 1955 г. группа американских химиков во главе с Г. Сиборгом получила новый, 101-й, элемент, которому в честь величайшего русского химика Менделеева единодушно присвоила название «менделевий».

Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева позволили:

1) установить взаимную связь между элементами и объединить их по свойствам;
2) расположить элементы в естественной последовательности;
3) обнаружить периодичность, т. е. повторяемость, общих свойств элементов и их соединений и объяснить причину этого;
4) исправить и уточнить значения относительных атомных масс некоторых элементов;
5) исправить и уточнить валентность некоторых элементов;
6) предсказать существование ещё не открытых элементов, описать их свойства и указать пути открытия.

Триумфом Периодического закона и Периодической системы стало открытие трёх предсказанных Менделеевым элементов – галлия, скандия и германия.

Это позволило одному из известных философов назвать открытие Менделеевым Периодического закона научным подвигом, подобным подвигу астронома Леверье, предсказавшего орбиту ещё неизвестной планеты Нептун. Почему так эмоционально характеризуется открытие русского химика? Это связано с открытием первого из предсказанных Д. И. Менделеевым элемента галлия, сделанным французским физиком П. Э. Лекоком де Буабодраном. Менделеев, блестяще владевший французским языком, прочитал статью об открытии галлия, а затем написал письмо, которое адресовал первооткрывателю этого элемента, и не только указал на ошибку Буабодрана (тот определил неверно плотность галлия), но и назвал причины этой ошибки (образец галлия был недостаточно очищен).

Видный философ Б. М. Кедров писал: «Можно представить первоначальное изумление, а возможно даже негодование любого строгого химика-аналитика, если бы он получил подобный совет. Как?! Он в Париже держит в руках новое, открытое им вещество, никому дотоле неизвестное, видит и осязает его, измеряет и определяет его свойства на аналитических весах, словом, является единственным в мире исследователем, имеющим дело с этим веществом как с реальным телом. И вдруг кто-то, находящийся в России, на расстоянии тысячи километров от его лаборатории, не видевший в глаза ни крупинки нового вещества, сомневается в том, хорошо ли оно очищено, и не смущаясь, высказывает свои советы, как это сделать».

Д. И. Менделеев оказался прав. Буабодран внял его совету и сообщил научному миру: «Я думаю, что нет нужды настаивать на исключительной важности теоретических взглядов г-на Менделеева относительно плотности нового элемента».

Шведский учёный Ф. Нильсон, открывший в 1879 г. скандий, предсказанный Менделеевым как экабор, прислал ему в подарок немного нового металла, а немецкий учёный К. А. Винклер, открывший предсказанный Менделеевым германий (экасилициум), восторженно писал: «…периодичность элементов тем самым уже не гипотеза, она стала фактом, и химическое исследование сделало таким образом новый, неисчислимо важный шаг в царство познания».

В заключение приведём слова Д. И. Менделеева из его статьи «Заметки по поводу открытия галлия», в которой он даёт советы Буабодрану: «Эта статья показывает как мою научную смелость, так и мою уверенность в Периодическом законе. Всё оправдалось. Это моё имя».