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.