Окислы различных элементов, имеющие отличные друг от друга химические свойства, размещаются в периодической таблице также закономерно. В первых двух группах располагаются окислы металлов, которые при химическом соединении с водой дают особую группу химических соединений, так называемые основания. Большинство оснований в воде нерастворимо. Но немногие, растворяясь, образуют щёлочи, например:
Na2O + H2O = 2NaOH
окисел натрия + вода = две молекулы едкого натра
К2O + Н2O = 2КОН
окисел калия + вода = две молекулы едкого кали
Щёлочи называются едкими потому, что они разрушают большое число органических веществ, например жиры, сахар и многое другое.
Окислы металлоидов, соединяясь с водой, образуют другие химические соединения — кислоты, которые обладают кислым вкусом и разъедают металлы. Все кислоты имеют в своём составе атомы водорода, например:
SO3 + Н2O = H2SO4
окисел серы + вода = серная кислота
CO2 + Н2O = H2CO3
окисел углерода + вода у + угольная кислота
К кислотным окислам относятся главным образом окислы IV–VIII групп периодической таблицы элементов.
Таким образом, в таблице Менделеева слева располагаются щелочные окислы, а справа — типичные кислотные. У серединных элементов наблюдается постепенное снижение щелочных и нарастание кислотных свойств. Так, у элементов III и IV групп слабо выражены как кислотные, так и основные свойства.
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, объединив в одно целое разрозненные до этого химические элементы, показала их естественную последовательность. До открытия Менделеева химические элементы казались ничем не связанными друг с другом, независимыми друг от друга. Периодический закон показал, что это не так. Все химические элементы взаимно обусловливают друг друга; именно поэтому они располагаются в периодической таблице в определённом естественном порядке.
Закон Менделеева показал, что химические элементы, т. е. основные вещества, из которых строятся все окружающие нас тела, едины по своей природе.
Вместе с тем периодическая система элементов позволила научно предсказывать существование в природе новых, ещё не известных химических элементов и их свойств! Слепым поискам неизвестных простых тел природы был положен конец.
ПРЕДВИДЕНИЕ УЧЁНОГО
В поисках всеобъемлющей связи между химическими элементами Д. И. Менделеев взял за основу их атомный вес. Но при изучении построенной им таблицы элементов великий учёный стремился прежде всего найти естественную, действительно существующую закономерность в изменении свойств элементов в зависимости от массы их атомов.
Составляя свою знаменитую таблицу, Менделеев руководствовался не только атомным весом, но и всей совокупностью свойств каждого отдельного элемента.
Найдя основную закономерность, определив периодическую зависимость свойств химических элементов от их положения в периодической системе, Д. И. Менделеев сделал отсюда замечательный вывод. Он понял, что знание того, как должны изменяться свойства химических элементов в периоде, какова периодическая повторяемость свойств у разных элементов, даёт в руки химика необыкновенные возможности проверять правильность атомных весов элементов; более того, видеть, где, в каком из периодов таблицы нет «полного набора» элементов, и таким образом строго научно предсказывать существование в природе ещё не открытых элементов!
«Каждый естественный закон, — писал Д. И. Менделеев, — однако, тогда только приобретает особое научное значение, когда из него есть возможность извлекать практические, если можно так выразиться, следствия, то есть такие логические заключения, которые объясняют не объяснённое ещё, указывают на явления, до тех пор неизвестные, и, особенно, когда он даёт возможность делать такие предсказания, которые возможно подтвердить опытом. Тогда очевидной становится польза закона и получается возможность испытать его справедливость».
Убеждённый в правоте своих выводов, он приступает к исправлению и дополнению своей таблицы.
Так, если считать, что атомный вес урана равен 120, то его место должно находиться где-то посредине периодической таблицы. Но Менделеев видит, что уран по его свойствам должен находиться не в середине, а в самом конце таблицы, и учёный смело исправляет принятый в то время вес урана — увеличивает его вдвое. Проверка атомного веса устанавливает, что Менделеев прав. Точно так же учёный исправил атомные веса элементов индия, церия и других.
Изучая свойства элементов по периодам, Менделеев увидел далее, что периодическая последовательность в изменении свойств химических элементов в отдельных местах нарушается. Так, на месте элемента, родственного алюминию (Al), стоял согласно атомному весу титан (Ti). Но этот элемент обладает совершенно иными свойствами. Более того, если всё же оставить титан на этом месте, то тем самым нарушается последовательность в периодичности свойств и у других элементов.
Для Менделеева, убеждённого в правоте своего закона, было ясно, что на месте титана должен стоять какой-то другой элемент. Но какой? Среди известных элементов, близких по атомному весу к титану, таких элементов не было.
Учёный был уверен, что такой элемент должен существовать в природе. И он оставляет в своей таблице для этого ещё не открытого элемента пустое место с вопросительным знаком, Менделеев даёт этому элементу условное название — экаалюминий.
Он подробно описывает свойства этого «ещё ни одному человеку в мире неизвестного элемента. В статье, напечатанной в журнале Русского химического общества за 1871 год, учёный пишет, что атомный вес экаалюминия близок к 68, его удельный вес около 6,0, температура плавления очень низка — в чистом виде этот металл должен плавиться в руке человека; химическое соединение неизвестного элемента с кислородом — его окись — очень летуче, поэтому всего вероятнее, что новый элемент должен быть открыт при помощи спектрального анализа (об этом особом способе физического исследования см. далее, стр. 26).
Помимо экаалюминия, Менделеев предсказывает также открытие экабора и экакремния — элементов, родственных по их свойствам бору и кремнию.
«Это применение закона периодичности показывает всю его силу и новизну, потому что, должно сознаться, до сих пор мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения. И оттого-то только слепой случай и особая прозорливость и наблюдательность вели к открытию новых элементов. Теоретического интереса в открытии новых элементов вовсе почти не было и от того важнейшая область химии, а именно, изучение элементов, до сих пор привлекала к себе только немногих химиков. Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь…», — так определяет Д. И. Менделеев значение периодического закона для научного предсказания существования в природе неизвестных ещё химических элементов.
КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЁН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
20 сентября 1875 года на заседании Парижской Академии наук было зачитано письмо французского химика Лекок-де-Буабодрана об открытии им нового химического элемента — галлия. Галлий был обнаружен в минерале цинковая обманка при помощи спектрального анализа.
Первые же испытания нового элемента показали, что по своим свойствам он очень похож на алюминий.
Это был предсказанный Д. И. Менделеевым в 1871 году экаалюминий.
6 ноября 1875 года в протокол заседания Русского химического общества заносится: «Менделеев обратил внимание на то, что элемент, открытый недавно Лекок-де-Буабодраном…, совпадает с долженствующим существовать экаалюминием, свойства которого указаны четыре года назад и выведены Менделеевым на основании периодического закона. Если галлий тождественен с экаалюминием, то он будет иметь атомный вес 63, плотность 5,9…».
Все предсказанные Менделеевым свойства нового элемента подтвердились!
Интересно отметить, что Буабодран на первых порах неверно определил удельный вес галлия. Д. И. Менделеев тут же написал в Париж письмо, указав, что Буабодран ошибся. Французский химик повторил опыт и убедился, что Менделеев прав, — удельный вес галлия оказался равным, как и предсказывал русский химик, около 6, а именно 5,94.
В 1880 году было получено новое подтверждение закона Менделеева: в Швеции был открыт экабор — скандий (Sc). Нильсон, открывший этот новый элемент, писал: «Не остаётся никакого сомнения, что в скандии открыт экабор… Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперёд указать его важнейшие свойства».
Третий из предсказанных Д. И. Менделеевым в 1871 году элементов — экакремний (германий) — был найден немецким учёным Винклером в 1886 году. Свойства нового элемента почти в точности совпали с предсказанными.
Оценивая это открытие, Ф. Энгельс писал, что Менделеев совершил научный подвиг.
Менделеевым было предсказано открытие и других химических элементов, в том числе полония, рения, протактиния и других. Все они позднее были найдены.
Рис. 2. Современная периодическая система элементов.
В конце прошлого века были открыты упомянутые нами ранее инертные, недеятельные газы — аргон и другие. По своим свойствам эти газы отличались от всех известных элементов. Они не давали никаких химических соединений с другими элементами (в наше время некоторые из таких газов — аргон и неон — используются в газосветных трубках для светящихся реклам).
Встал вопрос: куда поместить их в таблице Менделеева? Затруднение было разрешено просто. Инертные газы — всего их было открыто шесть — были помещены в отдельную, нулевую группу. Заканчивая периоды, эти газы как бы закрывают разрыв в свойствах между последним в периоде наиболее активным металлоидом и первым в следующем периоде наиболее активным металлом. Что в природе должны существовать эти элементы, об этом говорил сам Менделеев. В 1870 году он писал, что заметно отсутствие элементов между водородом и литием и между натрием и фтором. Именно на этих места