1. Химия в естествознании. Периодический закон и периодическая система химических элементов д.И.Менделеева

Многие химические свойства веществ можно объяснить с помощью законов физики. Но так было не всегда. Поэтому среди великих открытий важное место занимают периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Русский химик

Д. И. Менделеев сделал это открытие в 1869 г., совершив революцию в естествознании, т.к. оно не просто устанавливало связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов, но и взаимную связь между всеми химическими элементами. Группы и ряды периодической системы стали надежной основой для выявления семейств родственных элементов.

Первым практическим применением периодического закона были исправление величин валентности и атомных весов некоторых элементов, для которых в то время принимались неверные значения. Это относилось, в частности, к индию, церию, другим редкоземельным элементам: торию, урану.

Основным принципом, по которому Менделеев строил свою таблицу, было размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Основываясь на валентности и химических свойствах элементов, Менделеев расположил все элементы по 8 группам, в каждой из которых размещались элементы со сходными свойствами.

Практически за два года, в результате напряженной творческой работы ученый создал

(в основном) ту периодическую систему элементов, которой мы продолжаем пользоваться и до настоящего времени - уже более 100 лет! Он был глубоко убежден в том, что лучшим доказательством правильности основных положений периодического закона является осуществление предсказаний, из него вытекающих. Менделеев, в частности, предполагал существование неизвестных тогда аналогов бора, алюминия и кремния - экабора, экаалюминия и экасицилия. Все предсказанные великим ученым элементы действительно были вскоре открыты химиками. Ими оказались галлий, скандий и германий. Метод Менделеева по предсказанию свойств еще неоткрытых элементов с успехом применялся его последователями и в более поздние годы.

Какова же причина периодических изменений физических и химических свойств элементов? Наука дала ответ на этот непростой вопрос, - она кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов.

Как видно из таблицы 1 в начале каждого периода валентные электроны находятся на s-подуровнях соответствующих уровней энергии в атомах. Затем в малых периодах происходит заполнение электронами s- и p-подуровней, а в больших периодах также и d-подуровней. В VI и VII периодах, кроме того, наблюдается заполнение f-подуровней. Атомы инертных газов содержат наружные электроны всегда на полностью заполненных s- и р-подуровнях. Таким образом, химические элементы одинаковых подгрупп периодической системы характеризуются аналогичным строением электронных оболочек атома.

Одними из наиболее важных свойств атомов, связанных со строением их электронных оболочек, являются эффективные атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также периодически изменяются в зависимости от величины атомного номера элемента. Для элементов одного периода по мере увеличения порядкового номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а затем, к концу периода, их увеличение. Это просто объясняется: все дело в электростатике! Действительно, в начале периода на внешней электронной оболочке атома находятся небольшое количество электронов, которые располагаются на относительно больших расстояниях друг от друга - свободного места предостаточно, поэтому основным взаимодействием в этом случае будет притяжение электронов ядром атома, а не электростатическое отталкивание одноименно заряженных электронов.

Табл. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМАХ ЭЛЕМЕНТОВ НАЧАЛА И КОНЦА ПЕРИОДОВ СИСТЕМЫ МЕНДЕЛЕЕВА

э л е м е н т	п е р и о д	н о м е р т о м а	Число электронов на уровнях и подуровнях энергии в атомах
			К	L		М			N				O				P				Q
			s	s	р	s	р	d	s	р	d	f	s	р	d	f	s	р	d	f	s	p
Н	1	1	1
Не	1	2	2
Li	II	3	2	1
Не	II	10	2	2	6
Na	III	11	2	2	б	1
Aг	III	18	2	2	6	2	6
К	IV	19	2	2	б	2	6		1
Кг	IV	36	2	2	6	2	6	10	2	6
Rb	V	37	2	2	6	2	6	10	2	6			1
Хе	V	54	2	2	6	2	6	10	2	6	10		2	6
Cs	VI	55	2	2	6	2	6	10	2	6	10		2	6			1
Rn	VI	86	2	2	6	2	6	10	2	6	10	14	2	6	10		2	6
Fr	VII	87	2	2	6	2	6	10	2	6	10	14	2	6	10		2	6			1

Вот и получается, что при возрастании порядкового номера элемента увеличивается величина заряда ядра и величина общего отрицательного заряда электронной оболочки - значит возрастает и сила кулоновского притяжения между ядром и электронами -происходит "стягивание" электронной оболочки к центру атома и радиус этого атома уменьшается. По мере же заполнения электронной оболочки все большим количеством электронов, им становится все "теснее и теснее" на одной оболочке и поэтому у элементов, стоящих в конце любого периода таблицы Менделеева, радиусы атомов возрастают - отрицательно заряженные электроны как бы "расталкивают" друг друга, стремясь удалиться друг от друга на максимально возможные расстояния.

Благодаря аналогичным рассуждениям, нашли свое объяснение и другие периодически изменяющиеся физические свойства веществ: плотность, температура плавления, прочность связей электронов в атоме и т.д.

Но самое главное заключалось в том, что таблица Менделеева не просто давала объяснение физическим свойствам элементов, а ставила им в соответствие и их химические свойства. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке (поэтому эти электроны так и называются - валентные электроны). Важная роль периодического закона заключается именно в том, что в нем устанавливается связь между строением атомов и влиянием этого строения на физические и химические свойства элементов.

Великие открытия приводят к великим последствиям: благодаря периоди­ческому закону были сначала теоретически предсказаны, а затем и открыты и исследованы множество химических элементов и веществ, появилась возможность моделирования химических процессов - закон лег в основу теоретической химии.

В 1872 г. Д.И. Менделеев писал: "Основной задачей современной химии является установление зависимости состава, реакций и свойств простых и сложных тел от основных свойств входящих в их состав элементов, чтобы на основании известного характера данного элемента можно было заключить о неизвестном еще составе и свойствах его соединений". С тех пор минуло больше ста лет. На вооружении современных химиков для успешного решения этой задачи - ЭВМ с новейшими пакетами программ, рассчитывающих разнообразные свойства химических элементов и веществ на основе квантовой химии, работающих с огромными массивами данных. И как во времена Менделеева, результаты подобных теоретических исследований приводят к развитию синтеза сложных химических соединений, в том числе, органического синтеза. Задача, поставленная ученым в прошлом веке, по-прежнему остается актуальной и в наши дни.