Предсказание новых элементов и их свойств

Итак, мы кратко ознакомились с содержанием периодического закона. Напомним, что Менделеев впервые сформулировал его в процессе систематизации химических знаний при написании «Основ химии». Автор сразу оценил не только, его значение с точки зрения этой первоначальной задачи как путеводной нити для общего курса химии, но и осознал его предсказательную силу. «Гораздо более достойна разбора другая сторона предмета или другие выгоды, которые доставляет периодический закон, — говорил Менделеев в одной из лекций. — Он дозволяет предвидеть то, чего фактически мы не знаем, чего органы не воспринимали, например, существование таких элементов, которые еще не известны, или таких свойств, которые еще не измерены. Чтобы понять возможность этого, достаточно сказать следующие немногие слова в этом отношении.

Представим себе, что мы знали в одной из строк один элемент из первой группы, один из второй, один из четвертой, пятой, шестой и седьмой и знали бы их на основании уже известных соединений. Так как атомные веса возрастают, то, если элемент третьей группы неизвестен, мы сейчас узнаем атомный вес этого элемента: ведь он средний между атомными весами элемента второй и четвертой группы, и, кроме того, он средний между атомным весом верхнего и нижнего. Следовательно, взяв эти два средних, мы найдем число, отвечающее атомному весу этого недостающего элемента. Точно так же мы узнаем все его свойства, например, его формы соединений, прямо по периодической системе, а следовательно, и плотность паров. Свойства химические, кислотные или основные идут последовательно: натрии совсем щелочной, а хлор совершенно кислотный. На этом основании мы узнаем химические и физические свойства промежуточного элемента".

Уже в первых вариантах периодической таблицы Менделеев оставил пустые места и предсказал значения для трех таких промежуточных элементов, которые он назвал экаалюминием, экасилицием и экабором (приставка «эка» означает «один» на санскрите). Развернутое описание свойств этих элементов он дал в 1871 г. в первой подробной статье «Периодическая законность химических элементов».

Первые сообщения о периодическом законе и эта статья Менделеева прошли почти незамеченными, и до 1875 г. об этом открытии в мировой химической литературе почти не упоминалось. В 1875 г. французский химик Лекок де Буабодран сообщил об открытии нового элемента, который он назвал галлием в честь Франции. Менделеев сразу же сообщил на заседании Русского химического и Русского физического обществ, что галлий — это предсказанный им в 1871 г. экаалюминий и написал об этом в Парижскую академию наук, дополнив первое краткое описание галлия де Буабодраном. Более того, он указал, что плотность металлического галлия должна быть не 4,7 г/см³, как нашел Буабодран, а 5,9−6,0 г/см^э. Буабодран тщательно очистил галлий и определил, что его плотность составляет 5,96 г/см³. Естественно, Буабодран, до этого не знакомый с работами Менделеева, сразу оценил значимость периодического закона и стал его горячим приверженцем и пропагандистом.

Уважаемый проницательный чмтатель! Попробуйте сейчас во всеоружии науки конца XX в. предсказать свойства галлии, не обращаясь к его непосредственному описанию.

Вот как сделал это Менделеев в 1871 г.:

Предсказано Менделеевым Экаалюмюшй Атомный вес должен быть близок к 68 Простое тело должно быть низкоплавко Удельный вес его близок к 6 Удельный объем 11,5 Не должен окисляться на воздухе Должен разлагать воду при краснокалильном жаре Формулы соединений:

Е*С1"* Ёа₂0, Ba₃(S0₄),.

Должен образовывать квасцы: Ea,(S04), • М, S04 • 24Н, 0 Окись Еа, 0, должна легко восстанавливаться и давать металл более летучий, чем А1, а потому можно ожидать, что Еа будет открыт путем спектрального анализа Найдено де Буабодраном Галлий Атомный вес 69,9 Температура плавления 30 °C Удельный вес 5,96 Удельный объем 11,7 Слегка окисляется только при красном калении Разлагает воду при высокой температуре Формулы соединений:

GaG, Gaa О, Gaa (S04),.

Образует квасцы:

Ga₃(S0₄), (NH₄)jS0₄ 24Н, 0 Ga восстанавливается из окиси прокаливанием в токе водорода. Открыт при помощи спектрального анализа

Еще через четыре года в 1879 г. швед Л. Нильсен открыл новый элемент скандий, свойства которого с высокой точностью — до растворимости и цвета солей — совпали с предсказанными Менделеевым свойствами экабора. Статью, посвященную открытию скандия, Нильсен заключил словами: «Следовательно, не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор… как подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед дать его важнейшие свойства».

Третий из предсказанных Менделеевым элементов — экасилиций — был открыт в 1885 г. немцем К. Винклером и назван им германием. И вновь предсказанные свойства с поразительной точностью совпали с найденными на опыте: в частности, были предсказаны плотности экасилиция Es- 5,5, Es0₂ -4,7, EsCU — 1,9 г/см³ и найдены соответственно 5,47,4,703 и 1,887 г/см³.

Эти три успешных предсказания привели к широкому международному признанию, к триумфальному шествию периодического закона, открывшему современный новый этап в химии, этап, определяющей чертой которого является применение периодического закона не только при преподавании химии, но и при исследованиях и обобщениях свойств различных элементов и их соединений, которые всегда так или иначе опираются на зависимость от положения элемента в периодической системе.

Открытием германия не закончилось пополнение списка элементов при жизни Менделеева. В 1869 г. в первом сообщении о периодическом законе он писал: «Если можно выразить пожелание, глядя на прилагаемую таблицу, то именно наиболее желательным мне кажется пополнить число элементов, стоящих ближе к водороду. Те элементы, которые представят переход от водорода к бору и углероду, составят, конечно, наиболее важное научное приобретение, какого можно ждать при знакомстве с вновь открываемыми простыми телами**. Это предсказание Менделеева исполнилось через четверть века: гелий, имеющий атомную массу 4,00 между водородом и литием, был обнаружен на Земле в 1895 г. (до этого в 1868 г. он был открыт спектроскопически на Солнце, но его атомная масса и другие свойства оставались неизвестными). Англичане В. Рамзай и лорд Релей (Дж. У. Стратт) кроме гелия практически одновременно открыли целую группу инертных — химически неактивных — газов: неон, аргон, криптон и ксенон. После некоторых колебаний Менделеев дополнил периодическую систему особой нулевой группой, куда поместил эти элементы. В 7-м и 8-м (последнем прижизненном, 1906 г.) изданиях «Основ химии'* он также предусмотрел в нулевой группе место для наиболее тяжелого инертного газа — радиоактивного элемента.

К концу XIX века периодический закон стал прочной общепринятой основой систематизации химических знаний, фундаментом дальнейшего их развития. Однако глубинные причины, обусловливающие периодичность свойств элементов, оставались еще недосягаемыми для ученых.

Это хорошо понимал и Менделеев: «Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину ныне еще нет средства охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и молекул». В «Основах химии» он также вполне определенно говорит о сложном строении атомов: «Легко предположить, что атомы простых тел суть сложные существа, образованные сложением некоторых еше меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами… выставленная мной периодическая зависимость между свойствами и весом, по-видимому, подтверждает такое предчувствие.

Как и ожидал Менделеев, причины периодичности были раскрыты на основе изучения строения атома.

Контрольные вопросы

I Используя периодическую таблицу, определите, насколько атомные массы элементов третьего периода близки к среднему арифметическому из атомных масс элементов-аналогов второго и четвертого периодов.

• 2. Найдите разность атомных масс элементов — аналогов второго и третьего периодов (A_N#-A_Li и т. д.) и покажите, что эта разность постоянна.
• 3. Свойства элементов Менделеев определенно делил на качественные и количественные. Сможете ли Вы перечислить хотя бы по пять качественных и количественных свойств, отличающих элементы друг от друга?
• 4. Перечислите свойства, которые а) позволяют считать С1 и 1 аналогами и б) указывают на их различия.

5. Следует ли отнести гелий к типическим элементам?

леева?

6. Сколько элементов вошло в периодическую таблицу после смерти Менде;