Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Сборник вопросов и задач по Периодическому закону

Таланов В. М., Житный Г. М.,

1.1 Варианты Периодической системы и проблема размещения элементов

1.1. Первые биологические классификации основывались на несущественных признаках, например, на способах передвижения: летают - птицы; бегают- звери; ползают - гады; плавают - рыбы; не двигаются - растения.

Такая классификация была искусственной, хотя и давала в целом правильное представление о биологических объектax. Правда, были и исключения: кит - это не рыба, летучая мышь - не птица, губки и кораллы - не растения и т.д.

а) Почему Периодический закон, является основой естественной системы элементов?

б) Какие признаки химического элемента являются суще­ственными?

в) Могут ли быть построены принципиально иные естественные системы элементов?

г) Существуют ли ограничения (если существуют - то какие) на число и тип существенных признаков химического элемента?

д) Какие известны Вам подходы к систематике химических соединений? На основе каких параметров строились эти системы?

1.2. Первая попытка создания системы элементов, точнее - системы простых тел, имеющая большое историко-химическое значение, принадлежит А.Л. Лавуазье. В своем труде «Элементарный курс химии» он привел таблицу, в которой собрал все известные в то время простые тела.

Таблица простых тел Лавуазье (табл. 1) основана на классификации их по химическим свойствам (элементы, неметаллы и не известные еще радикалы кислот, металлы и земли). Классификация Лавуазье в целом отобразила сложившееся в эпоху флогистона представление об основных, сходных по химическим свойствам, группах простых тел. Однако эта таблица по форме и содержанию, конечно, очень далека от Периодической системы. Важно, тем не менее, что таблица Лавуазье - первый пример классификации по группам «элементов» со сходными химическими свойствами. Она оказала существенное влияние на все дальнейшие попытки классификации и систематизации элементов.

Почему таблица Лавуазье, будучи выдающимся обобщением химических знаний эпохи флогистона, тем не менее не является законом природы?

1.3. После работ Одлинга и Ньюлендса, посвященных созданию системы элементов, наиболее интересной была попытка француза Шанкуртуа (1862 г.), получившая в литературе название «винтовой линии Шанкуртуа». Он воспользовался «винтовой линией», т. е. линией, нанесенной на образующую поверхность цилиндра под углом 45 ° к его основа­нию. Поверхность цилиндра разделена на 16 частей (16- атомный вес кислорода), т. е. на части в 22,5 ° окружности. Атомные веса элементов отделены на кривой в соответствующем масштабе (за единицу принят атомный вес кислорода). Если теперь развернуть цилиндр, то на плоскости из «винтовой линии» получится ряд отрезков прямых, параллельных друг другу. Первый сверху отрезок прямой (от 0 до 16) фиксирует характерные точки для элементов с атомными весами от 1 до 16, второй - от 16 до 32, третий - от 32 до 48 и т. д.

Постройте график Шанкуртуа.

Известный русский химик Л.А. Чугаев, анализируя систему Шанкуртуа, писал: «При таком расположении сходные элементы часто, но не всегда попадают на одну и ту же образующую цилиндра (из числа 16 «главных» образующих, проведенных через деления окружности), а атомные веса их вы­ражены общей формулой А = n+16.

Таблица 1*

________________________________________

*Цитируется по кн.: Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии. М.: Наука, 1969. С.365.

Продолжение табл. 1

Известный русский химик Л.А. Чугаев, анадизируя систему Шанкуртуа, писал: "При таком расположении сходные элементы часто, но не всегда, попадают на одну и ту же образующую цилиндра ( из числа 16 "главных" образующих, проведенных через деления окружности ), а атомные веса их выражены общей формулой А = n + 16. Таким образом, ясно выступает периодическое чередование свойств... Ясно, что в этой системе заключается уже зародыш Периодического закона. Но система де Шанкуртуа дает обширный простор произволу. С одной стороны, среди элементов-аналогов попада­ются нередко элементы совершенно посторонние. Так, за кислородом и серой между S и Те попадает титан; Мn попадает в число аналогов Li, Na и К; железо помещается на одну образующую с Са и т. д. С другой стороны, та же система дает два места для углерода: одно для С с атомным весом 12, другое - отвечающее атомному весу 44».

а) Проверьте, имеют ли место на построенном Вами графике Шанкуртуа те особенности, о которых пишет Л. А. Чугаев.

б) Приведите другие критические замечания, относящиеся к системе Шанкуртуа.

в) Можно ли усовершенствовать эту систему, устранив указанные недостатки?

г) Попытайтесь придумать свою форму Периодической системы.

1.4. Среди многочисленных вариантов изображения Периодической системы особое место занимают спиральные формы. Впервые такую необычную форму, содержащую все известные на то время элементы, предложил в 1870 г. Баумгауэр. Спираль Баумгауэра появилась после первых сообщений Д.И. Менделеева, на которые Баумгауэр и ссылается. По мнению Д.И. Менделеева, эта форма принципиального новшества не содержит. "Г-н Баумгауэр применяет даже упомянутое мною спиральное распределение элементов, которое я считаю мало принятым и в значительной мере искусственным"

Несмотря на это высказывание автора периодического закона, в дальнейшем предпринимались неоднократные попытки спирального изображения Периодической системы. Одной из последних является спиральная периодическая таблица Т. Бенфи (1960  г.) (рис.1). Её отличительная особенность состоит в том, что в ней нашли своё место как d-элементы (переходные металлы), так и f-элементы (лантаноиды и актиноиды), кроме того, оставлены места для еще неоткрытых элементов.

а) Какие достоинства таблицы Бенфи Вы може отметить?

б) Согласны ли вы с утверждением о том, что эта форма более естественно согласуется с идей развития, усложнения состав элементов, чем более распространенная короткопериодная форма Периодической систем?

в) Разрешаются ли проблемы размещения водорода, лантаноидов, актиноидов и других элементов на таком графике?

г) Внесите номера ещё не открытых элементов в пустые клетки спиральной периодической таблицы Бенфи.

1.5. Известны предложения о расширении Периодической системы за счет введения нулевого периода, состоящего из двух элементов - нейтрона и электрона. Один из аргументов в пользу этой идеи состоит в том, что все периоды в системе, кроме первого, парные: второй и третий, четвертый и пятый, шестой и седьмой. Первый период в сочетании с нулевым окажется тоже парным.

Правомерно ли включение элементарных частиц в качестве полноправных элементов системы? Приведите все возможные доводы «за» и «против».

Рис. 1. Спиральная периодическая таблица  (разработана проф. T. Бенфи в 1960 г.)

1.6. В западной научной и учебной литературе, посвященной Периодическому закону, иногда не упоминается имя Д.И. Менделеева. Это, в частности, связано с притязаниями некоторых ученых на приоритет открытия Периодического закона. В связи с этим обстоятельством укажем на имя немецкого химика Лотара Мейера. Уже через несколько месяцев после появления первых сообщений Д. И. Менделеева об открытии им Периодического закона, Мейер выступил с заявлениями на приоритет этого открытия и с большой настойчивостью в течение ряда лет продолжал выступать с претензиями по этому вопросу.

а) Найдите в литературе по истории химии таблицу, предложенную Л.Мейером.

б) Содержится ли в этой таблице идеи периодичности свойств химических элементов?

1.7. Водород в различных вариантах Периодической таблицы расположен в первой или седьмой группах или же, значительно реже, над углеродом в четвертой группе.

Приведите теоретические соображения, расчетные и. экспериментальные данные, как подтверждающие, так и опровергающие эти известные варианты размещения водорода.

1.8. d-элементы восьмой группы обычно классифицируют двояким образом: их либо делят на элементы семейства железа и платиновые металлы, либо делят на триады: железо - рутений - осмий; кобальт - родий - иридий; никель - палладий - платина.

Какие принципы при этом кладутся в основу того или иного варианта деления? Строго ли обосновано электронным строением атомов и высшими степенями окисления элементов размещение их в виде триад?

1.9. Д.И. Менделеев так писал о проблеме размещения в системе редкоземельных элементов: «Тут я вижу одну из важнейших задач, представляемых Периодической законностью».

Автор Периодического закона не допускал даже мысли о возможности исключения из системы и выделения в отдельные подтабличные ряды (как это делается в некоторых современных таблицах) лантаноидов и актиноидов.

Проанализируйте все известные степени окисления этих элементов и попробуйте расположить их в качестве побочной подгруппы (наряду с подгруппами d-элсментов) в группы таблицы. Проанализируйте достоинства и недостатки полученной формы таблицы. А может быть, уВас есть аргументированные альтернативные варианты? Приведите их и обоснуйте как можно полнее.

1.10. Известный американский ученый Г. Сиборг, успешно работавший в области химии трансурановых элементов, предложил так называемую актиноидную гипотезу, согласно которой 5f-элементы являются аналогами трехвалентного элемента актиния.

Согласуется ли эта гипотеза с современными данными о степенях окисления актиноидов? Ответ обоснуйте, приведя как можно более полные данные о степенях окисления актиноидов, известных в настоящее время.

1.11. Одним из наиболее крупных мыслителей, увидевших в системе Менделеева принципиально новое, был англичанин Г. Мозли, вышедший из семьи талантливых натуралистов.

Судьба Мозли была трагична: он погиб молодым человеком в 1916 г. в Дарданеллах. Перед уходом на войну успел сдать в печать незаконченную работу (после его смерти друзья и сотрудники завершили ее).

Г. Мозли доказал, что в системе Менделеева основой является не атомный вес, а место, занимаемое элементами, порядок их чередования; этот порядок должен отвечать количеству электронов, движущихся вокруг ядра в атоме. Этот порядок распределения химических элементов в современной науке описывают с помощью порядковых (атомных) номеров элементов. Может быть, справедливо, как полагал еще В. И. Вернадский, называть эти номера числами Мозли. Кстати упомянем высказывание В. И. Вернадского о Г Мозли: «Я cчитаю нужным остановиться на несколько минут на гибели Г. Мозли. Это одно из величайших несчастий, и среди великих бедствий и ужасов, принесенных преступной мировой войной, его гибель не может быть оставлена без упоминания. Это надо помнить. Человеческая личность, как все в окружающем нас мире, не есть случайность, а создана долгим ходом прошлых поколений. И такие крупные умы, как Г. Мозли, являются редко и должны всячески оберегаться. Что погибло с его безвременной кончиной - мы не знаем».

Г. Мозли предложил простой способ определения порядковых номеров элементов, исходя из изучения рентгеновских спектров.

а) Сформулируйте закон Мозли и объясните, каким образом он связывает рентгеновские спектры элементов с их атомным номером.

б) На каком основании Мозли сделал вывод о существовании неизвестных в его время элементов?

1.12. Необычна судьба ученого-энциклопедиста Николая Александровича Морозова: самоучка, народник, почти 30 лет провел в царских тюрьмах. Внес существенный вклад в астрономию, математику, историю, химию. Писал стихи, повести. Широко известны его воспоминания «Повести моей жизни». Находясь в заключении за революционную деятельность в Шлиссельбургской крепости, увлекся исследованиями Периодического закона и Периодической системы Д.И. Менделеева. В частности, он заинтересовался: а не наблю­дается ли Периодическая повторяемость свойств среди углеводородов? Н.А. Морозов создает свою таблицу (табл. 2), состоящую из восьми вертикальных рядов - классов углеводородов, их радикалов и семи горизонтальных рядов.

Таблица 2

Рассматривая явное сходство своей таблицы и таблицы Д. И. Менделеева, он приходит к неожиданному, исключительно красивому научному прогнозу. Н. А. Морозову удалось предсказать то, что не удалось сделать самому автору Периодического закона. Он обратил внимание на то, что во всех группах его таблицы, за исключением нулевой, находятся химически активные вещества.

Продолжите ход этого рассуждения. Что же предсказал Н.А. Морозов?