Периодическое повторение свойств элементов с увеличением атомного номера становится особенно наглядным, если расположить элементы в виде таблицы, называемой периодической таблицей или периодической системой элементов. Было предложено и используется несколько форм периодической таблицы. В данной книге рассмотрение элементов и их свойств проведено на основании табл. 5.1.
Разработка периодической системы
Разделение химических веществ на две группы — элементы и соединения— было проведено в конце XVIII ст. Потребовалось длительное время для установления того факта, что элементы можно классифицировать на основании периодического закона.
Таблица 5.1. Периодическая система элементов.
Наиболее важный шаг в разработке периодической системы был сделан в 1869 г., когда русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) провел тщательное изучение зависимости между атомными массами элементов и их химическими и физическими свойствами. Менделеев предложил периодическую таблицу, содержащую 17 колонок, в общем похожую на табл. 5.1, но не включавшую последнюю колонку (в то время эти элементы — благородные газы — еще не были открыты). В 1871 г. Менделеевым и независимо от него немецким химиком Лотаром Мейером (1830—1895) была предложена таблица из восьми колонок; такой вид таблица приобрела после разделения каждого длинного периода на период из семи элементов, на восьмую группу, содержащую триады элементов »средней части длинного периода (подобных триаде железо, кобальт, никель), и на второй период из семи элементов. Принадлежность элементов длинных периодов ко второму или третьему короткому периоду из семи элементов позже стали обозначать буквами «а» и «б», добавляемыми к номерам групп, обозначаемых римскими цифрами. Такое обозначение (Iа, IIа,IIIa, IVa, Va, VIa, VIIa, VIII, Iб, IIб, IIIб, IV6, V6, VI6, VIIб) с небольшими изменениями сохраняется в периодической таблице и в настоящее время.
Предложенная Менделеевым таблица (в форме «коротких периодов») в течение многих лет была весьма популярной*, однако теперь все больше пользуются развернутой таблицей (в форме «длинных периодов»), приведенной в этой книге (табл. 5.1). Такая таблица лучше согласуется с новыми данными об электронной структуре атомов.
Периодический закон был принят сразу же после того, как его предложил Менделеев, что объясняется правильностью его предсказаний, основанных на использовании периодического закона; позже эти предсказания были подтверждены опытными данными. В 1871 г. Менделеев изменил положение семнадцати элементов в периодической таблице, которые были расположены в »соответствии с принятыми тогда для них атомными массами; в результате такой перестановки было достигнуто лучшее соответствие между свойствами этих и других элементов. Он указал, что необходимость внесения таких изменений обусловлена наличием небольших ошибок в принятых ранее значениях атомных масс некоторых элементов и больших ошибок в »случае ряда других элементов, соединениям которых приписывали неправильные формулы. Дальнейшие экспериментальные работы подтвердили правильность сделанных Менделеевым исправлений.
Д. И. Менделеев нашел поразительное применение периодическому закону. Он смог предсказать существование шести элементов, которые в то время еще не были открыты и которые должны были занять незаполненные клетки в его таблице. Менделеев назвал эти элементы эка- бором, экаалюминием, экасилицием, экамарганцем, двимарганцем и экатанталом (в санскрите эка означает первый, дви — второй).
Три элемента из предсказанных Менделеевым вскоре были открыты (исследователи, открывшие их, назвали эти элементы скандием, галлием и германием), и было установлено, что их свойства и свойства их соединений очень близки к предсказанным Менделеевым соответственно для экабора, экаалюминия и экасилиция. Впоследствии были открыты или получены искусственно элементы технеций, рений и полоний, и было установлено, что они обладают свойствами, аналогичными свойствам, предсказанным Менделеевым для экамарганца, двимарганца и экатантала. Ниже приведено сравнение свойств, предсказанных Менделеевым для экасилидия, и свойств германия, установленных опытным путем.
| Свойства экасилидия (Еs), предсказанные Менделеевым (в 1871 г.) | Экспериментально установленные свойства германия (открытого в 1886 г.) |
| Атомная масса примерно 72 | Атомная масса Ge 72,59 |
| Es будет получен из EsO2 или К2ЕsF2 восстановлением натрием | Ge получен восстановлением K2GeF6 натрием |
| Еs будет представлять собой темно-серый металл с высокой температурой плавления и плотностью 5,5 г·см-3 | Ge — металл серого цвета с температурой плавления 958°С и плотностью 5,36 г·см-3 |
| Еs будет подвергаться незначительному действию кислот, таких, как соляная кислота НСl; он будет устойчив к действию щелочи, например NаОН | Ge не растворяется в НСl и в NaOH, но растворяется в концентрированной азотной кислоте HNO3 |
| При нагревании Еs будет давать окисел ЕsO2 с высокой температурой плавления и плотностью, равной 4,7 г·см-3 | Gе реагирует с кислородом, образуя окисел GеO2 с температурой плавления 1100°С, обладающий плотностью 4,70 г·см-3 |
| Гидратированный окисел ЕsO2 будет растворим в кислоте, и можно ожидать, что он будет легко осаждаться вновь | Gе(ОН)4 растворяется в разбавленной кислоте и вновь выпадает в осадок при дальнейшем разбавлении или при добавлении основания |
| Сульфид EsS2 будет нерастворим в воде, но будет растворяться в сульфиде аммония | GeS2 нерастворим в воде и разбавленных кислотах, но легко растворяется в сульфиде аммония |
| ЕsCl4 будет представлять собой летучую жидкость с температурой кипения немного ниже 100°С и плотностью 1,9 г·см-3 | GeCl4 — летучая жидкость с температурой кипения 83°С и плотностью 1,88 г·см-3 |
Пример 5.1.
В статье «Химия», опубликованной в девятом издании Британской энциклопедии (вышедшем в 1878 г.), Г. А. Армстронг писал, что Менделеев недавно предложил приписать урану атомную массу 240 вместо прежнего значения 120, которое было установлено Берцелиусом; автор статьи Армстронг отдает предпочтение значению 180. Менделеев был прав. Точная формула урановой смолки, уранита, — важной руды урана — имеет вид U3O8. Какую формулу принимали для урановой смолки: а) Берцелиус и б) Армстронг?
Решение. Если приписать урану атомную массу 120, как это сделал Берцелиус, то атомы урана будут составлять только половину массы, приписанной им Менделеевым и соответственно формула U3O8 должна быть записана в виде U6O8 или, упрощенно, U3O4. По аналогичным соображениям значение атомной массы 180 (три четверти от 240), предложенное Армстронгом, приводит к формуле UO2.
* Современная периодическая таблица в ее короткой форме воспроизведена на форзаце книги. В таком виде таблица вполне соответствует современным научным данным о строении атомов. — Прим. перев.