Химические элементы предсказанные д и менделеевым. Cтроение атома и периодический закон д

План:

1 Приставки
2 Первоначальные предсказания, 1870
- 2.1 Экабор и скандий
- 2.2 Экаалюминий и галлий
- 2.3 Экамарганец и технеций
- 2.4 Экасилиций и германий
3 Предсказания 1871 года
4 Более поздние предсказания

6 Для дополнительного чтения

Введение

В 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев опубликовал Периодическую таблицу элементов, в которой химические элементы были расположены в соответствии с наличием у них сходных свойств, в порядке возрастания атомной массы. При этом Менделеевым были оставлены в таблице пустые ячейки для ещё не открытых элементов и предсказаны их свойства.

1. Приставки

Чтобы дать предсказанным элементам «временные» названия, Менделеев использовал приставки «эка», «дви» и «три», в зависимости от того, на сколько позиций вниз от уже открытого элемента с похожими свойствами находился предсказанный элемент. Так, германий до своего открытия в 1886 году носил название «экасилиций», а рений, открытый в 1926 году, назывался «двимарганец».

Приставки для обозначения неоткрытых элементов Менделеев образовал от санскритских слов «один», «два» и «три». Существует мнение, что на выбор Менделеевым санскритских слов повлияло сходство Периодической системы и санскритской абугиды, которую обычно записывают в виде таблицы.

В наше время приставку «эка» (реже «дви») используют для описания трансурановых или ещё не открытых элементов: экасвинец (унунквадий), экарадон (унуноктий), экаактиний или двилантан (унтриенний). Официальная практика ИЮПАК состоит в том, чтобы давать ещё не открытым или только что открытым элементам предварительное систематическое название, основанное на их зарядовом числе, а не на положении в Периодической таблице.

2. Первоначальные предсказания, 1870

Четыре более лёгких, чем редкоземельные, элемента - экабор (Eb ), экаалюминий (Ea ), экамарганец (Em ) и экасилиций (Es ) - достаточно хорошо совпали по свойствам с открытыми позже элементами: скандием, галлием, технецием и германием соответственно.

В первоначальной версии Периодической таблицы редкоземельные элементы располагались иначе, чем сейчас, и это объясняет, почему предсказания Менделеева для более тяжёлых элементов сбылись не так точно, как для лёгких, и почему эти предсказания не так широко известны.

2.1. Экабор и скандий

Оксид скандия был выделен в конце 1879 года шведским химиком Ларсом Фредериком Нильсоном. Позже Пер Теодор Клеве доказал совпадение свойств предсказанного экабора и только что открытого скандия и известил об этом Менделеева. Менделеев предсказал для экабора атомную массу 44, а атомная масса скандия оказалась равна 44,955910.

2.2. Экаалюминий и галлий

В 1871 Менделеев предсказал существование ещё не открытого элемента, который он назвал экаалюминием. Ниже в таблице сравниваются свойства, предсказанные Менделеевым, с действительными характеристиками галлия, открытого в 1875 году.

2.3. Экамарганец и технеций

Технеций был выделен Карло Перье и Эмилио Джино Сегре в 1937 году, уже после смерти Менделеева, из образцов молибдена, которые бомбардировал ядрами дейтерия в циклотроне Эрнест Лоуренс. Менделеев предсказал для экамарганца атомную массу порядка 100, а наиболее стабильным изотопом технеция является 98 Tc.

2.4. Экасилиций и германий

Германий был впервые выделен в 1886 году. Его открытие оказалось лучшим на то время подтверждением теории Менделеева, поскольку германий по своим свойствам значительно резче отличается от соседних элементов, чем два предсказанных ранее элемента.

3. Предсказания 1871 года

В 1871 году Менделеев предсказал существование элемента, расположенного между торием и ураном. Тридцатью годами позже, в 1900 году, Уильям Крукс выделил протактиний как неизвестную радиоактивную примесь в образце урана. Различные изотопы протактиния затем выделяли в Германии в 1913 и 1918 годах, но современное название элемент получил только в 1948 году.

Версия Периодической таблицы, изданная в 1869, предсказывала существование более тяжёлого аналога титана и циркония, но в 1871 году Менделеев поместил на это место лантан. Открытие в 1923 году гафния подтвердило первоначальное предположение Менделеева.

4. Более поздние предсказания

В 1902 году, после открытия гелия и аргона, Менделеев поместил их в нулевую группу таблицы. Сомневаясь в правильности атомной теории, объясняющей закон постоянства состава, он не мог априори считать водород легчайшим из элементов и полагал, что гипотетический, ещё более лёгкий член химически инертной нулевой группы мог оказаться незамеченным. Существованием этого элемента Менделеев пытался объяснить радиоактивность.

Более тяжёлый из двух догелиевых элементов Менделеев отождествлял с коронием, получившим название по ассоциации с необъяснённой спектральной линией солнечной короны. Ошибочная калибровка прибора дала длину волны 531,68 нм, которая позже была исправлена на 530,3 нм. Эту длину волны Гротриан и Эдлен в 1939 году соотнесли с линией железа.

Легчайшему из газов нулевой группы, первому в Периодической таблице, приписывалась теоретическая атомная масса между 5,3·10 −11 и 9,6·10 −7 . Частицам этого газа Менделеев приписал кинетическую скорость порядка 2,5·10 6 м/с. Почти невесомые, частицы обоих этих газов, по Менделееву, должны были легко проходить через толщу материи, практически не вступая в химические реакции. Высокая подвижность и очень малая атомная масса трансводородных газов приводила бы к тому, что они могли быть очень разреженными, по внешним признакам оставаясь при этом плотными. Менделеев был настолько уверен в существовании трансводородных элементов, что включил их в поздние издания Периодической таблицы. [источник? ]

Позже Менделеев опубликовал теоретическую разработку об эфире, решавшую [источник? ] многие из противоречий существовавшей тогда физики. Книга, называвшаяся «Химическая концепция эфира», вышла в 1904 году, и в ней вновь содержалось упоминание о двух газа легче водорода. Под «эфирным газом» Менделеев понимал межзвёздную атмосферу, состоящую из двух трансводородных газов с примесями других элементов и образовавшуюся в результате внутренних процессов, идущих на звёздах.

Примечания

Kaji, Masanori (2002). «D.I.Mendeleev"s concept of chemical elements and The Principles of Chemistry - www.scs.uiuc.edu/~mainzv/HIST/awards/OPA Papers/2005-Kaji.pdf». Bulletin for the History of Chemistry 27 (1): 4–16.
Массовое число 98 отличается от атомной массы тем, что оно учитывает нуклоны в ядре одного изотопа и не явлется массой среднего образца (содержащего природный набор изотопов) по отношению к 12 C. Атомная масса изотопа 98 Tc равна 97,907214. Для элементов, которые слишком нестабильны, чтобы находиться в земной коре с самого появления Земли, атомную массу наиболее распространённого в природе набора изотопов заменяют атомной массой наиболее стабильного изотопа. - chemlab.pc.maricopa.edu/PERIODIC/Tc.html
Emsley John Nature"s Building Blocks. - (Hardcover, First Edition). - Oxford University Press, 2001. - P. 347. - ISBN 0198503407
Менделеев Д. Основы химии. - 7-е издание.
Swings, P. (July 1943). «Edlén"s Identification of the Coronal Lines with Forbidden Lines of Fe X, XI, XIII, XIV, XV; Ni XII, XIII, XV, XVI; Ca XII, XIII, XV; a X, XIV - adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?1943ApJ....98..116S». Astrophysical Journal 98 (119): 116–124. DOI:10.1086/144550 - dx.doi.org/10.1086/144550. и - laserstars.org/spectra/Coronium.html
Менделеев Д. Попытка химического понимания мирового эфира. - Санкт-Петербург, 1903.
Английский перевод:
Mendeléeff D. An Attempt Towards A Chemical Conception Of The Ether / G. Kamensky (translator). - Longmans, Green & Co., 1904.
См. также
Bensaude-Vincent, Bernadette (1982). «L’éther, élément chimique: un essai malheureux de Mendéleev en 1904». British Journal for the History of Science 15 : 183–188. DOI:10.1086/144550 - dx.doi.org/10.1086/144550.

6. Для дополнительного чтения

Scerri Eric The Periodic Table: Its Story and Its Significance. - New York: Oxford University Press, 2007. - ISBN 0195305736

Были расположены в соответствии с наличием у них сходных свойств в порядке возрастания атомного веса .

В отличие от работ предшественников Менделеев исходил из допущения существования еще не открытых элементов на основе периодического изменения физических и химических свойств известных элементов. Им были оставлены в таблице пустые ячейки для ещё не открытых элементов и предсказаны их свойства. Чтобы дать предсказанным элементам «временные» названия, Менделеев использовал приставки «эка», «дви» и «три» (от санскритских слов «один», «два» и «три»), в зависимости от того, на сколько позиций вниз от уже открытого элемента с похожими свойствами находился предсказанный элемент. Так, германий до своего открытия в 1886 году носил название «экасилиций», а рений , открытый в 1926 году, назывался «двимарганец».

Уже в первом варианте Периодической таблицы, опубликованном Д. И. Менделеевым в 1869 году, включено больше элементов, чем их было открыто на тот момент. В нём оставлены четыре свободные ячейки для еще неизвестных элементов и указаны их атомные веса (в «паях», близких по значению к массе атома водорода).

Развивая в 1869-1871 годах идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. Для предсказания свойств простых веществ и соединений он исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы, двух соседних элементов в периоде и элементов по диагонали - так называемое «правило звезды». На этой основе, в частности, опираясь на результаты изучения последовательности изменения стеклообразующих оксидов, исправил значения атомных масс 9 элементов. Предсказал в 1870 году существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов - «экаалюминия», «экабора» и «экасилиция» . Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе «двителлура» - полония , «экаиода» - астата , «экамарганца» - технеция , «экацезия» - франция .

Предсказания Менделеева вызвали в научном мире скепсис и острую критику. Так, немецкий физикохимик Вильгельм Оствальд , будущий лауреат Нобелевской премии, утверждал, что открыт не закон, а принцип классификации «чего-то неопределенного». Роберт Бунзен , первооткрыватель рубидия и цезия , писал, что Менделеев увлекает химиков «в надуманный мир чистых абстракций », а Герман Кольбе в 1870 г. назвал работу Менделеева спекулятивной. Правота Менделеева была убедительно доказана, когда были открыты предсказанные им элементы: галлий (Поль Лекок де Буабодран, 1875), скандий (Ларс Нильсон, 1879) и германий (Клеменс Винклер, 1886) - соответственно экаалюминий, экабор и экасилиций.

Я думаю, нет необходимости настаивать на огромном значении подтверждения теоретических выводов господина Менделеева

Легчайшему из газов нулевой группы, первому в Периодической таблице, приписывалась теоретическая атомная масса между 5,3·10 −11 и 9,6·10 −7 . Частицам этого газа, названного им ньютонием , Менделеев приписал кинетическую скорость порядка 2,5·10 6 м/с. Почти невесомые, частицы обоих этих газов, по Менделееву, должны были легко проходить через толщу материи, практически не вступая в химические реакции. Высокая подвижность и очень малая атомная масса трансводородных газов приводила бы к тому, что они могли быть очень разреженными, по внешним признакам оставаясь при этом плотными.

Позже Менделеев опубликовал теоретическую разработку об эфире . Книга, называвшаяся «Химическая концепция эфира», вышла в 1904 году, и в ней вновь содержалось упоминание о двух гипотетических инертных газах легче водорода, коронии и ньютонии . Под «эфирным газом» Менделеев понимал межзвёздную атмосферу, состоящую из двух трансводородных газов с примесями других элементов и образовавшуюся в результате внутренних процессов, идущих на звёздах.

При этом Менделеевым были оставлены в таблице пустые ячейки для ещё не открытых элементов и предсказаны их свойства. В статье, датированной 11 декабря (29 ноября по старому стилю) 1870 года Д. И. Менделеевым предсказаны свойства экабора (скандий), экаалюминия (галлий) и экасилиция (германий) .

Приставки

Чтобы дать предсказанным элементам «временные» названия, Менделеев использовал приставки «эка», «дви» и «три», в зависимости от того, на сколько позиций вниз от уже открытого элемента с похожими свойствами находился предсказанный элемент. Так, германий до своего открытия в 1886 году носил название «экасилиций», а рений , открытый в 1926 году, назывался «двимарганец».

Приставки для обозначения неоткрытых элементов Менделеев образовал от санскритских слов «один», «два» и «три».

В наше время приставку «эка» (реже «дви») используют для описания трансурановых или ещё не открытых элементов: экасвинец (флеровий), экарадон (оганесон), экаактиний или двилантан (унтриенний). Официальная практика ИЮПАК состоит в том, чтобы давать ещё не открытым или только что открытым элементам предварительное систематическое название, основанное на их зарядовом числе , а не на положении в Периодической таблице.

Первоначальные предсказания, 1870

Экасилиций и германий

Более тяжёлый из двух догелиевых элементов Менделеев отождествлял с коронием, получившим название по ассоциации с необъяснённой спектральной линией солнечной короны . Ошибочная калибровка прибора дала длину волны 531,68 нм, которая позже была исправлена на 530,3 нм. Эту длину волны Гротриан и Эдлен в 1939 году соотнесли с линией железа .

Позже Менделеев опубликовал теоретическую разработку об эфире. Книга, называвшаяся «Химическая концепция эфира», вышла в 1904 году, и в ней вновь содержалось упоминание о двух гипотетических инертных газах легче водорода, коронии и ньютонии . Под «эфирным газом» Менделеев понимал межзвёздную атмосферу, состоящую из двух трансводородных газов с примесями других элементов и образовавшуюся в результате внутренних процессов, идущих на звёздах.

Примечания

Kaji, Masanori (2002). «D.I.Mendeleev"s concept of chemical elements and The Principles of Chemistry ». Bulletin for the History of Chemistry 27 (1): 4–16.

Эксперты из американского института, изучающего новые материалы - AIMMPE (American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers) признали разработанную в конце XIX-го века Дмитрием Менделеевым периодическую систему самым важным для человечества открытием в истории эволюции материалов. А много ли о ней знаете вы?

Поисковая система Google посвятила сегодняшний дудл 182-летию Дмитрия Менделеева, «отца» периодической системы. В 1869-м году русский химик сформулировал периодический закон, который упорядочил все существующие химические элементы. Периодическая система стала его графическим выражением.

Изначально она состояла из 56-ти элементов, однако, с развитием в XX-м веке фундаментальной и прикладной науки (в том числе ядерного синтеза) число открытых на данный момент элементов достигло 118-ти. 113-й, 115-й, 117-й и 118-й элементы были задекларированы ИЮПАК (Международным союзом теоретической и прикладной химии) совсем недавно, 30-го декабря 2015 года.

Всего же за последние 50 лет Периодическая таблица Д.И.Менделеева пополнилась 17-ю новыми элементами (с 102-го по 118-й), 9 из которых были синтезированы в в подмосковной Дубне.

Портал Independent собрал пять фактов о периодической таблице, о которых вы могли не знать.

№1: элемент 115 живет меньше секунды

Большинство изотопов сверхтяжелых элементов (элементов с порядковым номером >100) являются нестабильными и подвергаются распадам в течение очень короткого промежутка времени. Так, недавно открытый унунпентий, также известный как элемент 115 и эка-висмут, имеет период полураспада всего около 220-ти миллисекунд.

№2: Менделеев любил карточные игры

Открытию периодической системы поспособствовала любовь Менделеева к раскладыванию пасьянсов. Ученый указывал атомные веса тех или иных элементов на игральных картах, а затем раскладывал их так, как если бы он играл в карточную игру. Таким образом он визуализировал свое предположение о том, что элементы с похожими свойствами должны быть одинаковых «мастей». В дальнейшем эти «масти» должны были быть разложены в «стопки» в соответствии с их атомными весами.

№3: Менделеев предсказал существование элементов, которые еще предстояло открыть

Одной из важных особенностей, которая делает периодическую таблицу выдающимся открытием, является ее предсказательная сила. В таблице на момент ее появления оставались пустые ячейки для элементов, которые, согласно предположениям Менделеева, должны существовать, но еще не были открыты. К примеру, свойства галлия, скандия и магния Менделеев описал еще до их открытия.

№4: некоторые атомы могут «любить друг друга»

Если взять современную периодическую таблицу, вырезать из ее середины столбцы и сложить их пополам группами по 4 элемента, то группы, которые соприкоснутся («поцелуются»), в химическом смысле могут «любить друг друга», то есть взаимодействовать. Элементы из этих групп будут иметь комплиментарные (т.е. дополняющие друг друга) структуры, что и делает возможными реакции между ними.

№5: радиоактивные элементы двигаются по таблице

К сожалению, у Менделеева не было возможности встроить в периодическую систему часы, а ведь изменение некоторых элементов во времени - самое обычное дело. Так, своей нестабильностью отличаются ядра атомов радиоактивных элементов. Благодаря ней, претерпевая цепочки распадов, эти элементы могут «гулять» по таблице. Например, в продуктах деления урана-235, обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от цинка до гадолиния.

Д. И. Менделеев точно предсказал свойства тех еще не открытых элементов, которые в группах периодической системы следуют за бором, алюминием и кремнием и которые русский ученый обозначил как экабор, экаалюминий и экасилиций. Великий поиск предсказанных элементов можно было начинать.

Когда 5 лет спустя, в августе 1875 года, французский ученый П. Э. Лекок де Буабодран известил об открытии им нового элемента - галлия, который он обнаружил в цинковой обманке спектральным путем, Менделеев сразу высказал мнение, что это, возможно, и есть экаалюминий. Для нового элемента Менделеев предсказал атомную массу 68 и плотность от 5,9 до 6,0 г/см. Французский ученый сначала нашел плотность равной 4,7 г/см. Только позднее, после настойчивых указаний Менделеева, когда в распоряжении оказались большие количества чистого галлия, Буабодран смог дать более точные сведения: плотность 5,96 г/см; атомная масса 69,9.

Химик К. Винклер так описывает ситуацию того времени: "Чтобы оценить, с каким напряжением все ожидали, когда будут установлены свойства галлия, необходимо представить себе, что до того времени не было ни одного доказательства справедливости и важности выводов, сделанных из закона периодичности".

В марте 1879 года Нильсон, профессор химии шведского университета в Упсале, обнаружил еще один неизвестный элемент, который он окрестил скандием.

Нильсон работал с соединениями скандия. Впервые металлический Sc получен и исследован в 1937 году.

Когда стало известно, что физико-химические свойства скандия близки к предсказанным свойствам экабора, Менделеев радостно воскликнул: "Я никак не ожидал, что еще при жизни дождусь такого блестящего подтверждения периодического закона!"

Д. И. Менделеев наиболее детально предсказал свойства экасилиция.

Менделеев не только предсказал свойства экасилиция и его соединений, но и сам пытался экспериментально открыть этот элемент в титановых и ниобиевых рудах. Однако его попытки не имели успеха.

Поэтому ученый мир с особым интересом ожидал открытия этого элемента.

В сентябре 1885 года на фрейбергском руднике "Химмельсфюрст" горняки наткнулись на необычную серебряную руду. Неизвестный дотоле минерал получил название аргиродит. Профессор неорганической химии Горной академии Фрейберга, Клеменс Винклер, проанализировал эту загадочную руду.

Однако, определив ее химический состав - 74,7 % серебра, 17,3 % серы и свыше 1 % примесей, он обнаружил, что не хватает почти 7 %. Кроме того, из расчетного атомного соотношения серебро: сера, равного 1,3, следовало, что это отнюдь не чистый сульфид серебра Ag2S. Расчеты Винклера привели к соединениям: 2Ag2S*XS или 4Ag2S*YS2. В первом случае Х - двухвалентный элемент, как, например, свинец, во втором случае Y - четырехвалентный элемент, как олово.. Однако Винклер как опытный аналитик сразу определил, что в аргиродите не содержатся ни эти металлы, ни другие известные к тому времени. Различие в аналитических данных могло означать лишь одно: в этой новой серебряной руде находится неизвестный элемент!

Винклер честно сознавался, что мысль о новом элементе, который находится у него в руках, вызвала у него головокружение и нервный подъем. Не переводя дыхания, работал он день и ночь. Всеми его мыслями и чувствами завладел неизвестный химический элемент. Уже грозило пошатнуться его железное здоровье, когда 6 февраля 1886 года Винклер неожиданно выделил сульфид неизвестного вещества. Последний оказался растворимым в воде. Вот почему при обычном промывании осадков сульфидов он так упорно ускользал из рук.

Исследователя всегда охватывает чувство удивительного счастья, когда он идет по следу нового элементарного кирпичика, из которого состоит наша планета. Узнав о предсказаниях Менделеева, Винклер, как и другие, лихорадочно искал недостающие элементы, чтобы заполнить "дырки" в периодической системе. Большие надежды он возлагал на анализ минералов и золы, выброшенных наружу из земных глубин при мощном извержении вулкана Кракатау в августе 1883 года. Однако удачи не было. И вот теперь в фрейбергской руде он нашел новый элемент. Это был предсказанный Менделеевым экасилиций. Когда Винклер изучил его свойства, он был поражен, ибо с великой точностью константы совпали с величинами, предсказанными Д. И. Менделеевым.

Для атомной массы экасилиция Менделеев предсказал значение 72, для плотности - 5,5 г/см. Винклер установил: 72,3 и 5,47. Немецкий исследователь смог подтвердить также валентность, равную IV.

Плотность диоксида германия, предсказанная Д. И. Менделеевым, составляла 4,7 г/см3. На опыте Винклер получил 4,70. Предсказанная Менделеевым плотность тетрахлорида 1,9. В эксперименте GeCl4 показал плотность 1,887.

Такая точность совпадения с химическими прогнозами поразила Винклера: "Едва ли можно найти более яркое доказательство правильности учения о периодичности свойств элементов, и это поистине не только простое подтверждение смелой теории, а означает также существенное расширение химического кругозора, крупный шаг в область познания".

Радость открытия элемента заставила Винклера с воодушевлением взяться за перо. Уже 26 февраля 1886 года он пишет Менделееву: "Я надеюсь, что вскоре смогу сообщить Вам подробнее об этом интересном веществе. Сегодня я ограничиваюсь тем, что ставлю Вас в известность о триумфе Вашего гениального исследования и хочу засвидетельствовать свое глубокое почитание и уважение".

"Поскольку германий, открытый Вами, является короной периодической системы, - скромно отверг похвалу Д. И. Менделеев, - то эта корона принадлежит Вам..., а я удовлетворюсь ролью предвестника".

В действительности эта история выглядела не столь гладко, как описано автором. После открытия германия Винклер предположил, что новый элемент является аналогом сурьмы и должен в периодической системе занять место между сурьмой и висмутом. Менделеев с этим не согласился и высказал иное предположение: германий - это экакадмий. Впервые отождествил германий с экасилицием В. Ю. Рихтер, который убедил в этом Менделеева и Винклера.

Дело поначалу осложнялось тем, что Винклер в первых сообщениях об открытии германия не указал его атомного веса. В письме к Менделееву от 5 марта (н. ст.) 1886 года он писал: "До сих пор мне еще не удалось установить атомный и удельный вес нового вещества и потому вопрос о том, какое место занимает оно в периодической системе, должен оставаться открытым...". Только к маю 1886 года Винклер выделил достаточное количество Ge и определил его атомный вес (72,75).

Обнаружение нового элемента напоминает открытие планеты Нептун. Ее существование было предсказано французским астрономом Леверье на основе аномальных орбит ее спутников. Вскоре после этого предсказания Нептун был обнаружен.. Однако, поскольку такое название уже было ранее использовано для ошибочно открытого элемента, он назвал элемент германием. Теперь состав аргиродита уже не был загадкой - 4Ag2S * GeS2 - и можно было утверждать, что научно обоснованные, целенаправленные предсказания возможны не только в астрономии.