Страница 9 из 83
Так и периодическая система. Она может более или менее точно выражать сущность периодического закона. Она может меняться по форме. Элементы можно располагать веером и по спирали, концентрическими кругами или «волнами», можно придумать массу вариантов периодической системы, но нельзя изменить ее основы — периодического закона.
Итак, перед нами периодическая система. Любой химик уверенно ориентируется в Стране элементов, глядя на ее карту. Вся левая и вся нижняя часть таблицы — это металлы, причем стоящий в левом нижнем углу франций — «самый металличный», самый активный из них. В правом верхнем углу расположился фтор — царь неметаллов, а царство их — правая верхняя часть таблицы. Сразу видно, что металлов значительно больше. Есть в системе и элементы, сочетающие в себе свойства как металлов, так и неметаллов. Они расположены в середине таблицы.
Глубокий смысл имеет номер группы: он указывает высшую возможную валентность для элементов каждой группы. Самые легкие, имеющие низкий удельный вес металлы — литий, натрий и их ближайшие соседи; самый тяжелый металл — осмий, расположенный в противоположном углу таблицы. Наиболее схожи между собой элементы, расположенные в одной группе и особенно в одной подгруппе. Например, помещающиеся в одной подгруппе второй группы периодической системы щелочноземельные металлы кальций, стронций, барий и радий настолько похожи друг на друга, что можно без особого труда охарактеризовать любой из них, хорошо зная химические свойства какого-нибудь одного и умея пользоваться периодической системой.
Но это, разумеется, не означает, что умение пользоваться периодической системой избавляет нас от детального изучения каждого элемента. Нет, конечно. Ведь любой из них обладает множеством свойств, характерных только для него одного.
Каждый школьник знает, что с помощью периодической системы можно охарактеризовать любой элемент. Однако не всегда это легко сделать.
Как рассказать о свойствах элемента, если, например, водород занимает в таблице два места (его можно поставить и в группу щелочных металлов и в группу галогенов) и, наоборот, сразу 14 элементов-лантаноидов теснятся в одной-единственной клеточке лантана? Чем объяснить необычный вид восьмой группы? А с другой стороны, какое «волшебство» позволяет химикам предсказать, что будет особенно трудно отделить цирконий от гафния, а ниобий от тантала?
На все эти и множество других вопросов нельзя ответить до тех пор, пока не ясно, на чем основан столь строгий порядок в мире элементов, отражением которого является периодическая система. Другими словами, нам необходимо выяснить, в чем причина периодичности изменения свойств элементов. На этот вопрос мы и постараемся ответить.
Представим себе, что должен был чувствовать химик первой половины XIX века, оказавшись лицом к лицу с морем научных фактов. Естественно прежде всего попытаться привести эти факты в систему. В противном случае заниматься химией было бы так же трудно, как, скажем, пользоваться огромным словарем, в котором слова расположены не по алфавиту, а в полном беспорядке.
Если мы заглянем в старые книги по химии, то увидим, что каждый ученый строил такую систему, как хотел. Одному казалось правильным брать за основу некоторые физические свойства элементов (теплопроводность, удельный вес, твердость). Другие пытались расположить элементы в один непрерывный ряд, руководствуясь при этом величиной и знаком заряда, обнаруживаемого при электрохимических опытах. И так далее. Короче говоря, каждый старался найти то единственное свойство, опираясь на которое можно было бы привести в порядок накопленные знания. Но химия не желала вмещаться в прокрустово ложе бесчисленных искусственных систем, так как ни одна из них не могла охватить всего многообразия взаимоотношений между элементами.
Менделеев и поставил перед собой задачу найти, наконец, то свойство элемента, которое бы теснейшим образом было связано со всеми остальными и тем самым могло послужить основой естественной системы элементов.
Долгие годы, предшествовавшие открытию периодического закона, ученый занимался этим вопросом и, наконец, пришел к выводу: свойства химических элементов должны определяться их массой, атомным весом. Но как? Какому закону должна подчиняться эта зависимость? Ведь сказать, например, что объем и давление газов — величины взаимосвязанные, значит сказать очень мало. Другое дело, если мы скажем, что они связаны (по закону Бойля — Мариотта) обратной зависимостью. Мало утверждать, что зависимость существует. Важно найти, по какому закону химические свойства связаны с атомным весом.
Менделеев прежде всего сгруппировал элементы по признаку их химического сходства. Получилось 19 групп. Некоторые из этих групп состояли только из 2 элементов, другие — из 3 и 4. В группе щелочных металлов оказалось 5 элементов.
Затем группы были помещены рядом друг с другом, и в каждой из них элементы расположены в порядке возрастания атомных весов. Получившаяся картина была не новой. Сходные по химическим свойствам группы элементов были известны давно. Теперь задача заключалась в том, чтобы найти связь между несходными группами. И вот тут-то, меняя местами уже целые группы, размещая их так, чтобы рядом оказывались несходные элементы с близкими атомными весами, Менделеев, наконец, нашел, что искал. Получилась та самая картина, которую мы видим на цветной вклейке.
Отсюда ясно: свойства элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов, повторяются через определенные интервалы, периоды.
«Свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов», — так сформулировал Менделеев вновь открытый закон природы. Днем рождения периодического закона мы считаем 1 марта 1869 года.
Однако может возникнуть вопрос: неужели до Менделеева никто не заметил, что существует связь между атомным весом и химическими свойствами? В том-то и дело, что замечали. И даже многие. Доберейнер — в Германии, де Шанкуртуа — во Франции, Ньюлендс — в Англии… Известно более трехсот попыток создания классификации химических элементов, основанной на этом принципе. Ближе всех к цели был немецкий ученый Лотар Мейер. Почти одновременно с Менделеевым он построил таблицу, в общем сходную с периодической системой. Правда, опубликовать ее он решился несколько позже. Но Мейер в своих работах повторил ошибку ученых, работы которых предшествовали открытию периодического закона. В найденной закономерности Мейер не разглядел глубокого закона природы, он считал свою таблицу лишь удобным учебным пособием и не отважился делать из нее далеко идущие выводы. Понадобился гений Менделеева, чтобы увидеть за недостаточно ясной еще закономерностью великий закон природы. И не только увидеть, но и сразу же поставить его на службу науке.
Найдите в таблице элемент бериллий, Be. Именно с этим металлом связано первое практическое применение периодического закона, первая трудность и первый триумф.
До 1869 года бериллий считался трехвалентным, и для этого были все основания. Ведь он по своим химическим свойствам во многом похож на алюминий. Как и алюминий, он не реагирует с концентрированной азотной кислотой, но легко растворяется в щелочах с выделением водорода. Гидроокись бериллия, так же как и Al(OH)3, амфотерна (проявляет и щелочные и кислые свойства), а потому для нее характерны соли типа алюминатов — бериллаты и т. д.
Но если бериллий трехвалентен, то атомный вес его должен быть 13,5, так как эквивалент Be равен 4,5 (атомный вес равен эквиваленту, умноженному на валентность). Вот тут-то и начались трудности. Имея такой атомный вес, Be «не хотел» размещаться в периодической системе.
Помещенный между углеродом и азотом (как того требовал его атомный вес), бериллий сразу же нарушал закономерное изменение свойств элементов, опровергая тем самым периодический закон.