Пятница, 19.01.2018, 10:39
Сайт Николаева Александра Викторовича
учителя истории и обществознания МБОУ СОШ г.Курильска
Главная | RSS
Меню сайта
Категории раздела
Мои статьи [64]
ЕГЭ по истории [0]
материалы по ЕГЭ - история
ЕГЭ по обществознанию [1]
материалы по ЕГЭ- обществознание
Новости
Музыка
Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 340
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Форма входа
 конкурс сайтов  anstars.ru - Учительский портал - 
 Методические пособия, документы, презентации. Классные часы. Коллекция сценариев - более 1000 Школьные песни - переделки. Каталог учительских сайтов. Анимации и шаблоны для PowerPoint. Презентации. Каталог сайтов и статей iLinks.RU Рейтинг@Mail.ru Top-uCoz Каталог сайтов :: Развлекательный портал iTotal.RU

Главная » Статьи » Мои статьи

13 марта 1869 — Химик Д. И. Менделеев закончил составление своей Периодической таблицы.

Периодическая система химических элементов

Периодическая система химических элементов

Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов (табли́ца Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от их атомного веса (по-современному, от атомной массы). Всего предложено несколько сотен вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и т. п.). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в определённой мере подобные друг другу.

История

К середине XIX века были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. В 1829 году Дёберейнер опубликовал найденный им «закон триад»: атомный вес многих элементов близок к среднему арифметическому двух других элементов, близких к исходному по химическим свойствам (стронций, кальций и барий; хлор, бром и йод и др.). Первую попытку расположить элементы в порядке возрастания атомных весов предпринял Александр Эмиль Шанкуртуа (1862), который разместил элементы вдоль винтовой линии и отметил частое циклическое повторение химических свойств по вертикали. Обе указанные модели не привлекли внимания научной общественности.

В 1866 году свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, модель которого («закон октав») внешне немного напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована настойчивыми попытками автора найти в таблице мистическую музыкальную гармонию. В этом же десятилетии появились ещё несколько попыток систематизации химических элементов; ближе всего к окончательному варианту подошёл Юлиус Лотар Мейер (1864). Д. И. Менделеев опубликовал свою первую схему периодической таблицы в 1869 году в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов» (в журнале Русского химического общества); ещё ранее (февраль 1869 г.) научное извещение об открытии было им разослано ведущим химикам мира.

По легенде, мысль о системе химических элементов пришла к Менделееву во сне, однако известно, что однажды на вопрос, как он открыл периодическую систему, учёный ответил: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».

Написав на карточках основные свойства каждого элемента (их в то время было известно 63, из которых один — дидим Di — оказался в дальнейшем смесью двух вновь открытых элементов празеодима и неодима), Менделеев начинает многократно переставлять эти карточки, составлять из них ряды сходных по свойствам элементов, сопоставлять ряды один с другим. Итогом работы стал отправленный в 1869 году в научные учреждения России и других стран первый вариант системы («Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве»), в котором элементы были расставлены по девятнадцати горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по шести вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). В 1870 году Менделеев в «Основах химии» публикует второй вариант системы («Естественную систему элементов»), имеющий более привычный нам вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп; шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинавшиеся щелочным металлом и заканчивающиеся галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.
Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Например, натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото похоже на серебро и медь. Разумеется, свойства не повторяются в точности, к ним добавляются и изменения. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две — атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеевым были предприняты очень смелые шаги: он исправил атомные массы некоторых элементов (например, бериллия, индия, урана, тория, церия, титана, иттрия), несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими (например, таллий, считавшийся щелочным металлом, он поместил в третью группу согласно его фактической максимальной валентности), оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. В 1871 году на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.

Научная достоверность Периодического закона получила подтверждение очень скоро: в 1875—1886 годах были открыты галлий (экаалюминий), скандий (экабор) и германий (экасилиций), для которых Менделеев, пользуясь периодической системой, предсказал не только возможность их существования, но и, с поразительной точностью, целый ряд физических и химических свойств.

В начале XX века с открытием строения атома было установлено, что периодичность изменения свойств элементов определяется не атомным весом, а зарядом ядра, равным атомному номеру и числу электронов, распределение которых по электронным оболочкам атома элемента определяет его химические свойства.
Дальнейшее развитие периодической системы связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались всё новые и новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоактивные элементы. В 2010 году, с синтезом 117 элемента, седьмой период периодической системы был завершён, проблема нижней границы таблицы Менделеева остаётся одной из важнейших в современной теоретической химии.

В 1902 году в работе «Попытка химического понимания мирового эфира» Дмитрий Иванович Менделеев признавался: «Никогда мне в голову не приходило, что именно водородом должен начинаться ряд элементов, хотя легче нет ни одного другого элементарного или сложного газа». «Вожатый» естественного ряда элементов, водород действительно не сразу удостоился этой роли.

Судьба нулевого периода

В этом были свои резоны. Действительно, водород – единственный элемент в первом периоде. После него не было других элементов, и неизвестно, сколько их должно бы быть. Атомная масса водорода принята за 1, но почему ему не могут предшествовать элементы с меньшими атомными массами? Однако если не водород возглавляет таблицу, то какая же другая материальная структура предназначена на эту роль?!
Что же особенно беспокоит Менделеева? Мировой эфир, некая невесомая жидкость, наполняющая пространство, проникающая во все тела, являющаяся причиной света, тепла и электричества. Эфир должен иметь материальную природу и определенную «весомость» – полагал Менделеев, считая его наилегчайшим химическим элементом, к тому же наиболее инертным.

Менделееву в поисках эфира способствовали два обстоятельства. Во-первых, открытие плеяды благородных газов и включение их в периодическую систему в качестве нулевой группы. Во-вторых, обнаружение в спектрах солнечной короны линий, якобы принадлежащих гипотетическим, неизвестным на Земле элементам, названных коронием и небулием. Открытие земного гелия (1895) позволяло надеяться, что их ожидает такое же признание. Причем именно они могли оказаться легче водорода.

Менделеев ввел в таблицу нулевой период, в котором разместил два элемента: элемент Х (для него ученый предложил название ньютоний и считал наилегчайшим и химически наиболее инертным элементом) и элемент Y, гипотетический газ короний.

Ученый немного не дожил до фундаментальных физических открытий. Виктор Гесс начал изучать космические лучи; Бор реабилитировал резерфордовскую модель атома, применив к ней квантовую теорию Планка; Мозли, изучая характеристические рентгеновские спектры элементов, сформулировал закон, открывающий путь к физическому обоснованию периодического закона и периодической системы. Порядковый номер элемента в ней оказывался равным заряду ядра (Z) соответствующего атома. Минимальный заряд ядра имел водород. Эти выводы окончательно похоронили представления о мировом эфире и разрушили надуманную конструкцию нулевого периода. Но «фантомные боли» остались...

Нулевой период стали использовать в различных попытках модификаций периодической системы или «наполнять» его элементарными частицами: электронами, протонами, нейтронами и т.п.

Страж верхней границы

В отношении верхней границы дело обстояло далеко не так просто. Часто принято считать, что она соответствует заряду ядра того элемента, который к настоящему времени был синтезирован последним (Z=118).

Открытый 220 годами ранее немцем Мартином Клапротом уран в минерале «смоляная обманка» не привлек фактически внимания. То было время, когда многие металлы извлекались из минералов в виде оксидов. Лишь в 1843 году француз Эжен Пелиго пришел к выводу, что Клапрот также допустил ошибку. Пелиго извлек из оксидов черный порошок, считая, что получил металл, но неверно определил его атомную массу (120).
В менделеевском «Опыте системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» (1869) уран располагался в третьем столбце, под бором, алюминием и неизвестным элементом с атомной массой 68, над индием и таллием. Развивая представления о периодичности, Менделеев увеличил атомные массы нескольких элементов (в том числе урана) примерно в два раза. Тем самым уран оказался естественной верхней границей системы с наибольшей атомной массой 240.

Но нет ли в природе элементов тяжелее урана? Имеются ли основания считать, что Менделеев предсказывал их существование?

Действительно, в некоторых опубликованных им таблицах после урана стоят прочерки. Например, в таблице из первого издания «Основ химии» под прочерками после урана проставлены величины атомных масс: 245, 246, 248, 249, 250. Число прочерков от издания к изданию колеблется от 1 до 11, но под ними не приведены величины атомных масс и никаких комментариев не следует. Только в восьмом издании «Основ химии» (1906) за ураном вообще нет прочерков. Высказывать какие-либо суждения по этому поводу не имеет смысла.
Почему же именно уран завершает систему? Вот какими словами ученый заканчивает статью «Периодическая законность химических элементов» (1871): «Судя по ограниченности и, так сказать, замкнутости системы известных поныне элементов, судя по тому, что в метеорных камнях, на Солнце и звездах существуют те же элементы, какие мы знаем, судя по тому, что при высоком атомном весе сглаживаются кислотные свойства элементов, я обращаю внимание на окисляемые и тяжелые металлы. Можно думать, что число доступных нам элементов очень ограниченно, и если существуют немногие новые тяжелые элементы внутри массы Земли, то число и количество их очень ограниченно». Из этой тяжело построенной фразы можно заключить, что Менделеев все же оставлял несколько мест для элементов с атомными массами, большими, чем у урана...
Уран продолжал оставаться естественной верхней границей системы.

Радиоэлементы в одной клетке

Открытие радиоактивности (1896) никак не повлияло на положение «стража» верхней границы системы. Между тем совершенно чистый уран не способен испускать невидимые лучи, которые, проникая через плотную бумагу, засвечивали бы фотопластинку – как это было в опыте Беккереля. Он пользовался старым, много раз использованным в других опытах урановым препаратом. В нем накопились продукты распада урана, более «энергичные», чем частицы, испускаемые самим элементом. Их излучения и вызывали почернение пластинки. Хотя в то время никто об этом и не подозревал.

Вскоре была обнаружена радиоактивность тория, выделены полоний и радий (1898). Число новых радиоактивных «веществ» (их стали называть радиоэлементами) быстро увеличивалось. Но каким образом это множество радиоэлементов (числом до 20) разместить в системе? Ведь от висмута до тория и урана оставалось ограниченное число вакансий.

Исследования показали, что некоторые радиоэлементы химически очень похожи как друг на друга, так и на свои стабильные аналоги в соответствующих группах таблицы. Вопрос можно было бы решить так: разместить «химических родственников» в одной клетке периодической системы. Так и поступил и назвал их изотопами Фредерик Содди (1913).

Спустя семь лет Фред Астон распространил представление об изотопии на все стабильные элементы. (Стоит заметить, что число изотопов стабильных элементов составляет примерно 280, тогда как количество искусственно полученных радиоактивных превышает 2000.)

Почему же радиоактивный уран занимает столь привилегированное положение? Периоды полураспада (Т) изотопов уран-238, уран-235 и тория-232 сопоставимы с возрастом нашей планеты (4,5 млрд. лет) или превосходят его (торий). Поэтому они сохранились до настоящего времени. Вот потому-то уран-238, как элемент с наибольшей атомной массой обозначающий верхнюю границу системы, остался непотревоженным.

Дальше, дальше, дальше...

Открытие нейтрона (Джеймс Чэдвик, 1932) фатально повлияло на судьбу 92-го элемента, урана. Энрико Ферми, обнаружил эффект замедления нейтронов, имевший большое значение для успехов ядерной физики. Бомбардировкой урана-238 медленными нейтронами несколько лет занимались Отто Ган и Лиза Мейтнер, но также без окончательных результатов, хотя позднее именно этот процесс позволил синтезировать первые трансурановые элементы – нептуний (Z=93) и плутоний (Z=94), а также ряд последующих.

Плутоний-239 оказался наиболее эффективным ядерным горючим. Воздействие же медленных нейтронов на уран-235 привело к открытию ядерного деления (Ган и Мейтнер, 1939). В 1940 году советские ученые Георгий Флеров и Константин Петржак открыли новый вид радиоактивной превращаемости – спонтанное деление урана...
Но почему бы не попытаться искусственно расширить систему в область больших Z. Нептуний и плутоний были синтезированы в 1940 году. (Оказалось, что их периоды полураспада не такие уж маленькие: примерно 600 млн. лет у нептуния, 24 500 лет у плутония.) Немудрено, что последовали попытки синтеза элементов с большими порядковыми номерами Z? Менее чем за 15 лет было синтезировано 12 элементов. Главная заслуга принадлежала американским физикам во главе с Гленном Сиборгом. Отечественные ученые внесли наибольший вклад в дело синтеза элементов начиная со 102-го по 104-й.

В нейтронных потоках были получены все трансурановые элементы вплоть до фермия (Z=100). Так осуществлялся синтез элементов от америция (Z=95) вплоть до менделеевия (Z=101).

По мере увеличения Z приходилось преодолевать все большие трудности. Уменьшались периоды полураспада образующихся изотопов. Все труднее и продолжительнее становилось изготовление бомбардируемых нейтронными потоками мишеней. Особенно остро эта проблема проявилась при синтезе элемента с Z=101 – менделеевия. Чтобы попытаться осуществить реакцию, мишень из элемента эйнштейний (Es) необходимо было бомбардировать нейтронными потоками. Исследователи сумели «наскрести» всего несколько миллиардов атомов эйнштейния – количество невидимое и почти невесомое. В первой серии экспериментов было зарегистрировано всего 17 атомов первого элемента «второй сотни». Позднее получили изотоп менделеевия-256 с периодом полураспада примерно 1,5 часа.

«Искусственное наращивание» могло происходить за счет элементов с Z=91 – 99. Продукты синтеза обычно накапливались в лабораториях, и если они время от времени не пополнялись, то происходил их распад, «сжатие» системы, и все в конце концов возвращалось... к урану. А между тем новые горизонты открылись бы перед теми исследователями, кому довелось бы работать с трансуранами «второй сотни». Испытанные методы синтеза не срабатывали.

Принципиально новый метод был назван «методом тяжелых ионов». В качестве бомбардирующих частиц сначала использовались многозарядные ионы легких элементов (например, углерода, азота, кислорода и ряда других). Первыми из новых трансуранов, полученных таким образом, стали нобелий (Z=102), лоуренсий (Z=103), а также элементы с Z=104 и Z=105. Все последующие элементы были синтезированы также с помощью этого метода.

В методе «тяжелых ионов» возможно два варианта комбинаций: бомбардирующая частица – мишень. Согласно первому, уран или актиниды бомбардируют ионами относительно легких элементов (от кислорода-8 до кальция-20). Согласно другому варианту, тяжелые стабильные элементы (например, таллий, свинец, висмут) облучаются ионами элементов – от аргона до цинка. Скорость бомбардирующих ионов должна быть близка к 1/10 скорости света, для преодоления отталкивающих кулоновских барьеров мишеней.

В реакциях на тяжелых ионах первоначально образуются сильно возбужденные составные ядра, которые почти мгновенно распадаются на два примерно равных осколка. В очень редких случаях они успевают испустить несколько нейтронов (как говорят, происходит их «испарение»). В итоге образуются определенные изотопы тяжелых трансурановых элементов. Были разработаны специальные устройства – датчики для идентификации таких изотопов. Существуют также специальные сигнализаторы, вмонтированные в общую схему процесса, позволяющие приблизительно оценивать свойства получаемого изотопа...

Успехи синтеза тяжелых трансуранов зависят от предварительной оценки важнейших свойств этих элементов.

Смотрите также

Ссылки

Категория: Мои статьи | Добавил: AL-Nik (06.03.2012)
Просмотров: 3841 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Учительский портал СТЕНА ПАМЯТИ - интернет акция приурочена к 65-й годовщине Победы в ВОВ
участник интернет акции
Сайт Сайт Сайт
Друзья сайта
  • О(с)ОШ №6
  • Журнал "История в подробностях
  • ПРО ШКОЛУ интернет портал
  • Исторический клуб "КЛИО"
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Счетчик посещений Counter.CO.KZ - бесплатный счетчик на любой вкус!Сайт
    Copyright MyCorp © 2018
    Сделать бесплатный сайт с uCoz