Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №20/1999

О содержании периодического закона и периодической системы Д.И.Менделеева

В учебниках химии для средней общеобразовательной школы периодический закон обычно относят к простым веществам. Так, например, в учебнике «Химия-8», которым пользовались в 1970–1980-е гг., периодический закон был сформулирован так: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов» [1, с. 143]. Так же сформулирован периодический закон и в ныне действующем учебнике «Химия-8»: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов» [2, c. 108]. Эти формулировки закона имеют по меньшей мере три существенных недостатка:

– Они не согласуются с определением понятия элемента, которое дается в учебниках. В них элемент определяется как вид атомов, т. е. как классификационная единица, которая не является реальным материальным объектом и поэтому не может образовывать соединений и иметь атомный вес (массу).

– В периодической системе, являющейся графическим выражением периодического закона, нет формул простых веществ, например галогенов F2,Cl2, Br2, F2, халькогенов О2 и S8 и т. п. В ней химическими знаками обозначены атомы, образующие молекулы и кристаллы простых веществ.

– В современной периодической системе число содержащихся в ней клеточек в 4–4,5 раза меньше числа известных простых веществ, и поэтому периодическая система не может классифицировать простые вещества.

Эти противоречия свидетельствуют о необходимости установления действительного научного содержания как периодического закона, так и его графического выражения, которым является периодическая система.

О невозможности классификации простых веществ Д.И.Менделеев впервые высказался в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов» (1869), положившей начало большой серии его работ, посвященных периодическому закону. Невозможность их классификации он объясняет тем, что «числовые данные, относящиеся до простых тел, в настоящее время ограничены. Если физические свойства некоторых и определены с достоверностью, то это относится до весьма небольшого числа элементарных тел» [3, с. 16–17]. Затем показывается, что в качестве классификационного признака нельзя использовать массу молекул, потому что молекулы любых веществ состоят из разного числа атомов.

Далее говорится о том, что классифицировать нужно не сами простые вещества, а те материальные частицы, из которых они состоят: «А между тем всякий из нас понимает, что, при всей перемене в свойствах простых тел, в свободном их состоянии, нечто остается постоянным, и при переходе элемента в соединения это нечто – материальное и составляет характеристику соединений, заключающих данный элемент» [см. 3, с. 17]. Таким материальным «нечто», составляющим молекулы веществ, только что принятое атомно-молекулярное учение считало атомы.

В этой же статье впервые в литературе по теоретической химии показано, что атомный вес не относится к физико- химическим свойствам веществ: «Величина атомного веса, по самому существу предмета, есть данное, относящееся не к самому состоянию отдельного простого тела, а к той материальной части, которая обща и свободному простому телу, и всем его соединениям. Атомный вес принадлежит не углю и алмазу, а углероду».

Отметив, что по способу Ш.Жерара и С.Канниццаро атомные веса элементов (атомов. – Авт. В.Ш.) определены с большой точностью, Менделеев утверждает, что «вот по этой-то причине я и старался основать систему на величине атомного веса элементов» [см. 3, с. 18]. Таким образом, классифицировали именно атомы, что подтверждается и местоположением элемента в системе: «В прилагаемой системе основой для определения места элемента служит атомный вес, ему свойственный».

Окончательное разделение понятий о простом веществе и химическом элементе произведено в статье «Периодическая законность химических элементов» (1871), которую Менделеев оценил как «лучший свод своих взглядов и соображений о периодичности элементов и оригинал, по которому писалось так много про эту систему» [4, с. 701]. В этой статье, назвав атомы химическими элементами, он так определяет основную цель химии: «В настоящем состоянии химия имеет главною целью изучение зависимости между коренными свойствами элементов и составом, реакциями и свойствами тех простых и сложных тел, которые они образуют. Химики стремятся изучить и выразить основные свойства элементов и по ним предугадывают состав и свойства тел, образуемых элементами» [см. 3, с. 102]. В статье под свойствами элементов подразумеваются свойства атомов: «Говоря, что углерод четырехатомен (четырехвалентен. – Авт. В.Ш.), желают выразить основное свойство атомов углерода, проявляющееся в его соединениях».

Далее в статье показывается, что в основу классификации атомов положены их атомные веса и валентность: «Из всех свойств элементов, подлежащих точному измерению, накопился большой запас данных только для двух: для атомных весов и для способности к образованию различных форм соединений. Эта последняя формулируется ныне в учении об атомности элементов».

В заключение статьи показано, что образованные элементами (атомами. – авт. В.Ш.) простые тела классифицировать невозможно: «Изучение тех физических свойств (например, сцеплений, теплоемкостей, плотностей, показателей преломления, спектральных явлений и т. п.), которые сообщаются элементами своим соединениям, ныне еще не находится на такой высоте точности и общности, какая позволила бы создать из этой области сведений целую научную систему».

Проанализировав построением графиков изменение высшей валентности атомов по кислороду с увеличением их массы, Менделеев формулирует периодический закон так: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса» [см. 3, с. 111].

Исходя из того, что элементами названы атомы, а «химические свойства элементов суть периодические функции атомного их веса» [cм. 3, с. 58], периодический закон следует в учебниках химии формулировать так: химические свойства атомов, следовательно, и химические свойства образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от их массы.

В последующих работах Менделеев повторяет, что открытый им периодический закон относится к атомам. Например, во втором издании «Основ химии» (1873): «Закон, в смысле точных наук, есть точная зависимость (функция в алгебраическом смысле) двух переменных, напр. закон периодичности есть зависимость веса атома от свойств, напр. от способности к соединениям» [5, с. 317].

В пятом издании «Основ химии» (1889) природа периодического изменения химических свойств атомов объясняется тем, что «ни один атом не удерживает более 4-х атомов водорода и на 2 атома элемента более 8-ми атомов кислорода. Этим определяется восемь групп элементов» [см. 5, с. 384]. Далее изменение свойств атомов обусловлено их массой: «Так и свойства атомов определяются преимущественно их массою, весом. Только здесь есть особенности в зависимости свойств от массы. Эта зависимость определяется периодическим законом».

В лекции, прочитанной в Лондонском химическом обществе 4 июня 1889 г., было сказано, что «периодическая функция для элементов оказалась явной в зависимости от массы или веса атомов».

Здесь же эта мысль повторяется в таком виде: «Периодический закон уловил способность наших химических индивидуумов (атомов. – Авт. В.Ш.) производить гармоническую – в зависимости от масс – повторяемость свойств» [см. 5, с. 215].

Не к простым веществам, а к атомам относится периодический закон и в отечественной научной литературе. Например, в Большой Советской Энциклопедии написано следующее: «Таким образом, оказалось, что два важнейших свойства атомов... – атомный вес и валентность – связаны между собой функциональной зависимостью» [6, c. 426].

Поскольку периодическая система является графическим выражением периодического закона, то следует считать, что в ней обозначены атомы, химические свойства которых изменяются периодически. Но в таком случае следует признать, что периодическая система имеет и самостоятельное значение. Ее следует считать классификацией атомов, научным обоснованием которой является периодический закон: «Глубоко диалектическая по своему содержанию атомистика Менделеева характеризуется тем, что отныне, согласно периодич. системе элементов, атомы стали рассматриваться как: 1) органически связанные между собой общей закономерностью, 2) обнаруживающие переход количественных изменений атомного веса в качественные изменения их химич. индивидуальностей, 3) свидетельствующие о том, что противоположность металлич. и неметаллич. свойств у атомов носит не абсолютный, как считалось раньше, а лишь относительный характер» [cм. 6, с. 426].

Создание теории строения атома на новом научно-теоретическом уровне подтвердило обоснованность разработанной Менделеевым классификации атомов. Так, номер клетки периодической системы показывает число протонов в ядре и число электронов на электронных оболочках обозначенного в ней атома. Номер периода показывает число энергетических уровней на электронных оболочках обозначенных в нем атомов. В главных подгруппах периодической системы обозначены атомы, у которых заполняются электронами внешние энергетические уровни их электронных оболочек, в побочных подгруппах – внутренние энергетические уровни их электронных оболочек.

С точки зрения теории строения атома классификационным признаком атомов вместо массы стал заряд ядра. Это требует соответствующего изменения формулировки периодического закона: химические свойства атомов, следовательно, и химические свойства образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их ядер.

Научную обоснованность такого содержания периодического закона можно показать учащимся построением графиков, выражающих периодическое изменение высшей валентности изолированных атомов или высшей степени окисления химически связанных атомов с увеличением зарядов их ядер. Но это тема уже следующей статьи.

Именно это менделеевское содержание периодического закона и периодической системы и следует раскрывать и использовать в обучении химии.

 

Л и т е р а т у р а

1. Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. Неорганическая химия. Учебник для 7–8 классов. 16-е изд., перераб. М.: Просвещение, 1985.
2. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия. 8 класс. М.: Просвещение, 1989.
3. Менделеев Д.И. Периодический закон. М.: Изд-во АН СССР, 1958.
4. Менделеев Д.И. Собр. соч. Т. XXV. Л.–М., 1952.
5. Менделеев Д.И. Периодический закон. Дополнительные материалы. М.: Изд-во АН СССР, 1960.
6. Большая Советская Энциклопедия. 2-е изд. Т. 3. М., 1950.

В.Я.Шевцов,
кандидат педагогических наук
(г. Кривой Рог)