Очередной предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в г. Карлсруэ в 1860 г., когда окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который теперь называется относительной атомной массой. Именно это понятие как неизменную характеристику атомов химических элементов Д.И. Менделеев положил в основу своей классификации. Предшественники ученого сравнивали между собой только сходные элементы, а поэтому не смогли открыть Периодический закон.
Рассмотренные выше предпосылки можно назвать объективными, то есть не зависящими от личности ученого, так как они были обусловлены историческим развитием химии как науки.
Но без личностных качеств великого химика, которые составляют последнюю, субъективную предпосылку открытия Периодического закона, вряд ли он бы открыт в 1869 г. Энциклопедичность знаний, научная интуиция, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого, дар научного предвидения Д.И. Менделеева сыграли свою немалую роль в открытии Периодического закона.
2.2 Открытие периодического закона
В основу своей работы по классификации химических элементов Д.И. Менделеев положил два их основных и постоянных признака: величину атомной массы и свойства. Он выписал на карточки все известные сведения об открытых и изученных в то время химических элементах и их соединениях. Сопоставляя эти сведения, ученый составил естественные группы сходных по свойствам элементов, сравнение которых между собой показало, что даже элементы несходных групп имеют объединяющие их признаки. Например, близки по значениям атомные массы фтора и натрия, хлора и калия (инертные газы еще не были известны), следовательно, щелочные металлы и галогены можно поставить рядом, выстраивая химические элементы в порядке возрастания атомных масс. Так Д.И. Менделеев объединил естественные группы химических элементов в единую систему. При этом он обнаружил, что свойства элементов изменяются в пределах определенных их совокупностей линейно (монотонно возрастают или убывают), а затем повторяются периодически, то есть через определенное число элементов встречаются сходные. Ученый выделил периоды, в которых свойства химических элементов и образованных ими веществ закономерно изменяются.
На основании этих наблюдений Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон, который в соответствии с принятой в настоящее время терминологией звучит так: «Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс».
Днем рождения великого закона считается 1 марта 1869 г.
Периодический закон и Периодическая система богаты периодическими закономерностями: кроме упоминаемой горизонтальной (по периодам) периодичности есть также периодичность вертикальная (по группам) и диагональная. Именно учет всех видов периодичности позволил Д.И. Менделееву не только предсказать, описать свойства веществ, образованных еще не открытыми химическими элементами, но и указать путь их открытия, природные источники (руды и соединения), из которых могли быть получены соответствующие простые вещества.
2.3 Периодический закон и строение атома
Формулировка закона, данная Д.И. Менделеевым, не могла быть точной и полной с современной точки зрения, так как она соответствовала состоянию науки на тот период времени, когда не было известно строение атома. Поэтому новые научные открытия вступили с ней в противоречие.
Так, были открыты изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа. Очевидно, что ядра изотопов одного химического элемента имеют одинаковое число протонов, но различаются числом содержащихся в них нейтронов.
Изотопы известны для всех химических элементов. В природе большинство их существует в виде смеси изотопов. Относительная атомная масса элемента равна среднему значению относительных атомных масс всех его природных изотопов с учетом их распространенности. В таблице Периодической системы под символами химических элементов приведены средние значения их относительных атомных масс.
Наличие изотопов доказывает, что свойства химических элементов определяются не столько их атомной массой, как предполагал Д.И. Менделеев, сколько зарядом атомных ядер. Этим и объясняется положение в Периодической системе нескольких пар элементов, размещенных с нарушением принципа возрастания относительных атомных масс. В том-то и гениальность, проявление научной интуиции великого русского химика, что он в этих случаях предпочел расположить элементы по сходству в свойствах, предугадал истинный порядок размещения химических элементов по возрастанию зарядов их атомных ядер, хотя о строении их атома ничего не знал.
Открытие изотопов позволило дать другое, современное определение Периодического закона: «Свойства химических элементов и образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер».
2.4 Периодическая система химических элементов и строение атома
Таблица Периодической системы химических элементов графически отображает Периодический закон. Каждое число в ней характеризует какую-либо особенность в строении атомов:
а) Порядковый (атомный) номер химического элемента указывает на заряд его атомного ядра, то есть на число протонов, содержащихся в нем, а так как атом электронейтрален, то и на число электронов, находящихся вокруг атомного ядра;
б) Номер периода соответствует числу энергетических уровней (электронных слоев) в атомах элементов данного периода;
в) Номер группы соответствует числу электронов на внешнем уровне для элементов главных подгрупп и максимальному числу валентных электронов для побочных подгрупп.
В свете строения атома можно объяснить причины изменения свойств химических элементов и образованных ими веществ. В периоде с увеличением зарядов атомных ядер элементов (слева направо) металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. В группах (главная подгруппа) с увеличением зарядов атомных ядер элементов (сверху вниз) металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают.
Природа каждого химического элемента, то есть определенные, присущие только ему свойства атомов, простых веществ, соединений, зависит прежде всего от заряда ядра его атомов. Заряд обусловливает и строение электронной оболочки атома. Но величины зарядов ядер атомов химических элементов в Периодической системе Д.И. Менделеева изменяются монотонно, поэтому прямой причиной периодического изменения свойств элементов это явление быть не может. Оказывается, причина периодичности – изменение строения внешних электронных слоев атома.
Таким образом, из вышесказанного можно сделать вывод: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от строения внешних электронных слоев атомов.
2.5 Роль открытия
Д.И. Менделеев писал: «До периодического закона элементы представляли лишь отрывочные случайные явления природы; не было повода ждать каких-либо новых, а вновь находимые были полной неожиданной новинкой. Периодическая закономерность первая дала возможность видеть не открытые еще элементы в такой дали, до которой невооруженное этой закономерностью зрение до тех пор не достигало».
С открытием Периодического закона химия перестала быть описательной наукой – она получила инструмент научного предвидения. Этот закон и его графическое отображение – таблица периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева – выполнили все три важнейшие функции теоретического знания: обобщающую, объясняющую и прогностическую. На их основе ученые:
а) Систематизировали и обобщили все сведения о химических элементах и образуемых ими веществах;
б) Дали обоснование различным видам периодической зависимости, существующим в мире химических элементов, объяснив их на основе строения атомов элементов.
в) Предсказали, описали свойства еще не открытых химических элементов и образованных ими веществ, а также указали пути их открытия.
На основе закона и таблицы Д.И. Менделеева были предсказаны и открыты благородные газы. И сейчас этот закон служит путеводной звездой для открытия или искусственного создания новых химических элементов.
Открытие Периодического закона и создание таблицы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым стимулировало поиск причин взаимосвязи элементов, способствовало выявлению сложной структуры атома и развитию учения о строении атома. Это учение, в свою очередь, позволило вскрыть физический смысл Периодического закона и объяснить расположение элементов в Периодической системе. Оно привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человечества.
Таким образом, Периодический закон и система открыли новую эру в химии и физике, явились исходным пунктом для новых изысканий и открытий. Также периодический закон сыграл большое значение и как основной закон природы в развитии материалистической философии.
3. Работы в области органической химии
Д.И. Менделеев относится к числу выдающихся химиков-органиков второй половины XIX столетия. Работая над учебным курсом органической химии, он обнаружил отсутствие в русской литературе учебника по этому предмету. К этому периоду относится создание Д.И. Менделеевым учебника по органической химии. В учебнике, получившем широкое признание на родине и за рубежом, современная наука дана с учетом работ русских ученых. Книга была удостоена Демидовской премии. К. А. Тимирязев так отзывается о ней: «Его превосходный по ясности и простоте изложения учебник, «Органическая химия», не имел себе подобного в европейской литературе, и, кто знает, насколько именно эта книга способствовала тому, что в этом, главным образом, направлении двинулось вперед ближайшее поколение молодых русских химиков».