Периодический закон. Есть ли граница системы элементов Менделеева?

В 1869 г. уже было известно 63 химических элемента. В этом же году Д.И.Менделеев открыл фундаменталь­ный закон распределения элементов в систему, которую он назвал периоди­ческой системой химических элементов.

До этого на протяжении более ста лет в научном мире господствовала картина мира, которую вполне выразил 1808 году своим трудом «Новая система химической философии» Джон Дальтон.

Уже было известно, что водород, кислород, сера и другие вещества – простые тела состоят из атомов одного сорта, а вода, аммиак, углекислый газ и др. – сложные, созданы комбинацией атомов разных веществ. Это вполне подтверждалось опытами того времени.

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молеку­лы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., по­добно тому как танцоры, переходя от одного танца к другому; образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение.

«Каждая частица воды,— гово­рит Дальтон в своей „Химической философии",— в точ­ности похожа на любую другую частицу воды; каждая частица водорода в точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое разложение и хи­мическое соединение означают лишь то, что атомы уда­ляются друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться приба­вить еще одну планету к Солнечной системе или уничто­жить какую-нибудь из существующих планет. Все, что мы можем сделать,— это разъединить атомы, соединив­шиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соеди­нить те атомы, которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».

«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического эле­мента, невозможность превращения одних атомов в дру­гие — все это было необходимым выводом из всего огром­ного опытного материала, на котором основывалась науч­ная химия.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остают­ся неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в дру­гие.

Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантази­ей: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга.

В 1816 грду неожиданно нашелся один сторонник Бойля, пытавшийся под­твердить ее фактами. Это был Уильям Праут, который напечатал в жур­нале «Философские анналы» статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон, выража­ются целыми числами. Это — очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических эле­ментов были первичными, основными частицами, подлин­ными «кирпичами мироздания», неразложимыми на частя и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислоро­да — ровно в семь раз?

Мнение Праута вот ка­кое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода,— это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода — это семь атомов водорода, тесно сцеп­ленных друг с другом; атом ртути—это 167 тесно при­жавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на свете состоит в конечном счете из водо­рода.

А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить мо­лекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но ни как не удается разложить атом кислорода на семь атомов водорода.

Статья Праута была очень убедительна,— многие по­верили в то, что водород есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете. Одна только была беда — те химические анализы, основываясь на ко­торых Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны. Если провести анализы тщательнее и вычис­лить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-преж­нему целыми числами?

За грандиозную работу точного определения атомных масс взялся знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. В течение своей жизни Берцели­ус проанализировал больше двух тысяч различных хими­ческих соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1—2%.

Берце­лиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число хи­мических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трех — одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырех атомов — одного азотного и трех водородных, и т. д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее под­тверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры — атомные массы — оказа­лись сплошь неверны.

Таким образом, гипотеза Праута, ко­торая была основана на том, что атомные массы элемен­тов — точные целые числа в то время не подтвердилась.

Заметим все же, что очень многие атомные массы, особенно в начале табли­цы, весьма близки к целым числам, иногда в точности им равны, например, у фтора и углерода, а иногда от­личаются от них меньше чем на 0,01, например, у водо­рода, гелия, азота, натрия и т. д. Это странное обстоя­тельство заставляет как будто отнестись с некоторым вни­манием к гипотезе Праута, так как трудно себе предста­вить, чтобы это могло быть результатом чистого случая, но тем не менее такие атомные массы, как у магния или хлора, не говоря уже о многочисленных элементах с большими атомными массами, все-таки принуждают от­бросить предположение о том, что все атомы состоят из атомов водорода.

Поэтому в XIX столетии совершенно укрепилось и распространилось представление о том, что все тела в мире состоят из этих нескольких десятков сортов атомов которые являются совершенно независимыми друг от дру­га основными элементами мироздания. Атомы вечны и неразрушимы и не могут превращаться друг в друга.

И все же, несмотря на все это, среди физиков и хи­миков продолжало жить смутное убеждение в том что между атомами различных химических элементов имеют­ся какие-то связи, что эти атомы образуют какую-то ес­тественную систему.

В 1786 году немец Н. Г. Марне напечатал книгу, озаглавленную «О числе элементов». В этой книге мистической и странной, он выражает свое глубокое убеждение в том, что «от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений» и что атомы химических элементов тоже являются ступенями этой лестницы.

Эта идея Марне не могла привести ни к каким по­следствиям, пока химические элементы не были в доста­точной мере выделены и изучены. Но после того, как Каннипцаро опубликовал (в 1858 году) свою таблицу атомных масс, стремление к естественной классификации химических элементов должно было принести свои плоды.

В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовав­шись атомными массами Канниццаро, нашел, что если расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы, т. е. на строчки по семь элементов в каж­дой, где каждый элемент обладает большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и после­дующей октав. Приведем первые три октавы Ньюлендса:

Н, Li, Be, В, С, N, О;

F, Na, Mg, Al, Si, P, S;

С1, К, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными металлами, обра­зующими соединения по одному и тому же типу, напри­мер дающими соли LiCI, NaCl, KC1; элементы, стоящие на третьем месте в октаве (бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щелочноземельными металла­ми, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа соединения, например соли BeCl,MgCl, CaCl. Фтор весьма похож по своей химической природе на стоя­щий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые анало­гии с фосфором, кислород — с серой и т. д. Заметим, впро­чем, что все получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для ее устранения Ньюлендс позволил себе отступить от приня­того им плана и располагать элементы не совсем в поряд­ке возрастания атомной массы.

Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена двумя другими учеными, работав­шими над вопросом естественной классификации элемен­тов совершенно независимо друг or друга. Одним из них был Юлиус Мейер, другим—Дмитрий Ивано­вич Менделеев, профессор университета в Санкт-Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и элементы, еще не открытые химиками, а поэтому, если этого требует классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие еще не открытым элементам.

Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с ее одинаковыми строчками чрезмерно узкой и допустили, что строчки (пе­риоды) могут становиться длиннее к концу таблицы.

Уже в четвертой строке таблицы классифика­ция потребовала оставления пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то еще не открытые эле­менты. Три таких элемента Менделеев заочно точно описал и позже они были открыты.

Также нет ничего невозможного в существовании в природе элементов с атомной массой, большей урана. В наши дни такие «трансурановые» элементы были получены искусственно.

Вполне можно утверждать, что предела таблицы не существует и получение или нахождение других трансурановых элементов – это дело будущего.

Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное Дальтоном и определившее все даль­нейшее развитие химии в XIX столетии.

, с помощью которого в итоге был рас­шифрован периодический закон. Испускание а-частицы приводит к смещению радиоэлемента на два места влево в периодической си­стеме (в направлении уменьшения массы). Но прохождение радио­активных рядов через периодическую систему не прямолинейное, а зигзагообразное, так что превращающийся радиоэлемент часто возвращается назад—на то же место, которое занимал ранее в периодической системе его материнский продукт. Когда это происходит, то оказывается, что материнский радиоэлемент и его последующий продукт распада — изотоп (занимающий то же с, мое место в периодической системе) имеют одинаковые химические свойства, несмотря на различие в их атомных массах.