--PAGE_BREAK--
2.3
Периодическая система и закон Д. И. Менделеева
и его значение
Имя и труды Менделеева пользуются мировой славой. Периодический закон, открытый Менделеевым, сопутствует каждому химику любой страны на всем протяжении его деятельности. Этот закон является могучим обобщением и орудием анализа огромнейшего арсенала химических знаний, накопленного человечеством и сильно обогащающегося с каждым годом.
Периодический закон послужил и продолжает служить путеводной звездой для тысяч новых исследований и творческих исканий в области химических, физических, геологических, технических и других наук.
Периодический закон принадлежит к числу тех законов природы, открытие которых влечет за собой многочисленные и разнообразные следствия и приложения и творческое развитие их вширь и вглубь.
Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что у всех элементов, при всем их различии, есть нечто общее; это — их масса, выраженная в атомном весе. Каждый элемент обладает своим атомным весом; например, у хлора он равен 35,5, у натрия — 23,0 и т.д. Значит, заключил Менделеев, все элементы можно сравнивать между собой по их атомному весу. А так как все элементы обладали общим свойством — атомным весом, Менделеев расположил в один ряд в порядке возрастания атомного веса у элементов. Первое место занял самый легкий элемент — водород, за ним шел немного более тяжелый — литий, потом еще более тяжелые элементы и так до самых тяжелых, которыми заканчивался весь ряд. Когда после этого Менделеев посмотрел, как расположились отдельные элементы в общем ряду, то обнаружил замечательное явление. Оказалось, что элементы с одинаковыми химическими свойствами повторяются периодически, через 7 или 17 мест. Так, например, после щелочного металла лития через 7 элементов снова появляется щелочной металл натрий, а еще через 7 элементов — тоже щелочной металл калий; затем период становится длиннее: щелочной металл рубидий стоит на 18-м месте после калия, цезий — на 18-м месте после рубидия. Та же правильность обнаружилась и у других элементов, например, у галоидов: на 8-м месте после фтора стоит хлор, на 8-м после хлора — бром, на 18-м месте после брома — йод. Заметив это, Менделеев разделил весь ряд элементов на части (периоды) и поместил один период под другим — так, чтобы химически сходные элементы попали в один вертикальный столбец и стояли друг под другом; в результате получилась таблица, в которой элементы располагались в порядке возрастания их атомного веса, причем элементы с одинаковыми свойствами периодически повторялись на одном и том же месте от начала или от конца каждого периода.[11]
Таким образом, в пределах каждого периода химический характер элементов из резко выраженного металлического постепенно превращается в такой же резко выраженный неметаллический, а затем скачком, через недеятельный газ, снова возвращается к резко выраженному металлу, которым начинается новый период. Соответственно этому, по мере роста атомных весов, наивысшая валентность по кислороду последовательно увеличивается в пределах каждого периода: она равна 1 у щелочного металла, 2 — у щелочно-земельного металла и т.д. до галоида, у которого она равна 7. После этого она внезапно падает до нуля у недеятельного газа, который вообще неспособен к химическому соединению, а затем снова начинает расти от 1 до 2, до 3 и т.д. до 7, после чего снова падает до 0. Таким образом, в то время как атомные веса растут непрерывно, валентность сначала увеличивается от 0 до 7, а затем падает до своего исходного значения; такое изменение совершается периодически, несколько раз на протяжении всей менделеевской системы; подобно этому и соответственно этому периодически несколько раз совершается переход от металлических свойств элементов к противоположным им неметаллическим свойствам; после недеятельного газа металлические свойства появляются снова, а затем вновь также постепенно происходит переход к неметаллическим свойствам.
Вот как определяет смысл периодического закона сам Менделеев в своей замечательной книге «Основы химии»: «… Если все элементы расположить в порядке по величине их атомного веса, то получится периодическое повторение свойств. Это выражается законом периодичности: свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от величины атомных весов элементов».
Исходя из того, что свойства элементов меняются так же закономерно, как и атомные веса, Менделеев наперед вычислил предполагаемые свойства не открытых еще элементов; он предсказал, таким образом, не только то, что должны быть открыты новые элементы, но и то, какими свойствами они будут обладать. Более того, он предсказал даже и то, каким способом, вероятнее всего, будут открыты эти никем еще доселе не виданные и даже не ожидаемые элементы. Эти предсказания были сделаны в 1871 г. В то время, пожалуй, никто из химиков не отнесся серьезно к открытию Менделеева. «Поживем, увидим», — говорили скептики.
Вскоре последовали новые замечательные подтверждения предсказаний Менделеева. Были открыты элементы скандий и германий, наперед описанные Менделеевым. Оправдывались все предложенные Менделеевым изменения атомных весов. Теперь периодический закон полностью был доказан; более того, он совершил триумфальное шествие в мировой науке. Имя великого ученого, открывшего этот закон, было заслуженно вписано в один ряд с именами величайших ученых мира всех веков.
Далее, Менделеев показал, что качественная химическая характеристика каждого элемента зависит от количественной характеристики его важнейшего свойства — атомного веса; постепенное нарастание атомного веса в ряду элементов каждый раз приводит к качественному изменению, обусловливая переход от одного элемента к другому, причем этот переход происходит не плавно, не постепенно, а резким скачком, путем перерыва постепенности. На этот по существу диалектический характер изменений свойств элементов, расположенных согласно периодическому закону, много раз обращал внимание сам Менделеев.
Все богатство диалектических связей и переходов, скачков и противоречий, заключенных в периодической системе, было открыто Менделеевым, хотя сам Менделеев не был сознательным диалектиком-материалистом, а применял диалектику бессознательно, стихийно. Тем не менее, именно фактическое применение диалектического метода позволило Менделееву открыть периодический закон, построить систему элементов и сделать свои замечательные предсказания, обессмертившие его имя. Менделеев исходил из убеждения, что количественные изменения свойств растут строго закономерно, каждый раз обусловливая собой качественные изменения элементов (т.е. «переходя» в качество).
Периодический закон вместе с построенной на его базе системой Менделеева является фундаментальным законом природы, которому подчиняются строение, свойства и поведение атомов и элементов, их рождение, их жизнь, их гибель. Поэтому-то смысл отдельных физических открытий, касающихся атомов, становится понятным только после того, как эти открытия приводятся в связь с законом Менделеева, освещаются им, как прожектором.[11]
2.4.
Химическая связь и строение молекул вещества.
Атомистические воззрения возникли первоначально на Древнем Востоке, в античных Греции и Риме. Первоначально атомное учение предполагало существование только одного вида частиц — атомов, из которых образуются все тела окружающего мира. Учение об атомах является учением о прерывистом дискретном строении материи. Это учение выступало как материалистическое учение. Поэтому борьба вокруг него отражала прежде всего борьбу между материализмом и идеализмом в науке. При этом материалистическое течение здесь исходит из тезиса, согласно которому атомы материальны, существуют объективно и познаваемы. Идеалистическая позиция выражается в отрицании реальности атомов, в объявлении их средством систематизации опытных данных, отрицании их познаваемости.[7]
Английский ученый Дальтон, введя в химию в начале ХIХ века понятие об атомах, в сущности применил к учению о веществе старые атомистические воззрения, возникшие еще в древней — индийской и греческой — философии за много лет до нашей эры. Согласно атомному учению, вещество дискретно, т. е. состоит из мельчайших невидимых и неделимых частиц — атомов. Все свойства вещества зависят от расположения, взаимодействия, перемещения атомов.[8]
Атомистика Дальтона основывалась на обширном эмпирическом и теоретическом материале, накопленном в науке к началу XIXвека. Назначение ее состояло в том, что при помощи представлений об атомах разных элементов и о простейших способах их объединения в молекулы объяснить дискретность химических отношений, скачкообразность перехода от одного соединения с неизменным составом к другому соединению с иным также постоянным составом. Сущность атомистики Дальтона можно выразить в следующих положениях:
* все вещества состоят из громадного числа чрезвычайно малых частиц или атомов;
* одним из свойств атомов является их полное тождество в одном и том же простом веществе, т.е. все атомы одного и того же химического элемента тождественны друг другу;
* важнейшим свойством атомов, наличие которого объясняет все стехиометрические отношения, является атомная масса;
* атомы разных элементов способны соединяться друг с другом по закону наибольшей простоты (один атом А с одним, двумя, тремя или четырьмя атомами В) и образовывать «сложные атомы» (так Дальтон называл молекулы);
*атомная прерывность строения вещества служит основой дискретности всех химических отношений.[6]
Центральным узловым пунктом в системе атомно-молекулярной химической теории стало также понятие о молекуле.Более чем двухвековой период формирования представлений о молекулах как индивидуальных формах дискретности вещества, их составе и строении, сопровождался непрерывной борьбой между метафизическим и диалектическими методами мышления. На основе его или в тесной связи с ним сформировались и другие важнейшие химические принципы и понятия (например, химическое соединение, химическое строение, валентность, химическая связь и т. д.). Наименьшая частица вещества (химического соединения ), сохраняющая его основные свойства, — вот чем считалась молекула. Такое определение основывается на представлении о том, что молекула — универсальная микроформа существования химического соединения атома и что все сложные вещества (химические соединения) как макротела состоят из молекул. Этот принцип универсальности молекулярной формы вещества — один из важнейших в атомно молекулярной химической теории, где исследование химических превращений вещества выступало как исследование изменений молекул.[2]
Вместе с понятием о молекуле как сложном, целостном образовании, качественно отличным от атомов, в химию и в теоретическое мышление химиков вошел и новый принцип подхода к изучению вещества Это структурный принцип — положение о том, что свойства вещества зависят не только от элементарного состава, но и от строения, т. е. от того, какова организация, упорядоченность взаимодействия элементарных частей в системе целого. В старой атомистике свойства вещества ставились в зависимость лишь от его состава — природы и количественного соотношения образующих его элементов (атомов). Чем отчетливее осознавалась в химии необходимость качественного различения атомов и молекул, тем яснее становилось и значение существования устойчивой упорядоченности отношений атомов в системе молекулы как единого целого, упорядоченности, особой для каждого вида молекул.[2]
Структурный принцип получил самое яркое выражение в разработанной А. М. Бутлеровым теории химического строения, Основанной на представлении о связи свойств каждого вида вещества с существованием устойчивого порядка химических взаимодействий атомов в молекулах данного вида. Принцип структурного подхода занял с тех пор прочное место в арсенале познавательных средств химика и методов химического научного мышления.
Поскольку организация вещества в атомно-молекулярной теории представлялась трехступенчатой: атом-молекула-макротело, то логически последовательное поведение структурного подхода предполагало бы, с одной стороны, исследование того, как свойства вещества зависят от внутреннего строения его молекул, а с другой — раскрытие зависимости свойств вещества от структуры самих макротел, от взаимодействий молекул в массе вещества.[2]
Пока в химии еще не сложилось четкое различие атомов и молекул и понятие о химическом строении, химические превращения рассматривались преимущественно как изменения состава, изменение количественного и качественного соотношения атомов в составе вещества.
Другой известный русский ученый В. В. Марковников отмечал, что закономерность о взаимном влиянии атомов в молекуле нельзя вывести на основе положений механики, а процесс надо рассматривать глубже. «Во взаимном влиянии атомов в молекуле мы видим проявление одного из законов диалектики, закона всеобщей взаимосвязи предметов и явлений природы. В сфере химических отношений этот закон выступает в своеобразных, специфических формах; с одной стороны, он охватывает межмолекулярные взаимодействия, с другой — отношения атомов внутри молекулы.»[10]
Такое диалектическое понимание молекулы позволило Бутлерову объяснить явление изомерии и предсказать существование неизвестных органических соединений, которые в дальнейшем были получены на практике..
Теория химического строения открыла путь к познанию химических функций (или реакционной способности) отдельных структурных фрагментов молекул. Она могла предсказать и объяснить существенно различную реакционную способность отдельных атомов Н, Сl, О и отдельных связей С-Н, С-Cl, О-Н и т. д.
Это означает, что теория химического строения выяснила генезис химического свойства вещества как макротела посредством изучения взаимного влияния атомов в молекуле и выяснения реакционной способности отдельных ее структурных фрагментов. Понятие свойств расчленялось, таким образом, на два понятия: химических свойств макротела и реакционной способности и отдельных структурных элементов, и всей молекулы в целом, и вещества как совокупности молекул. Отсюда следует, что теория химического строения позволила перейти к новому способу научного познания химических объектов: к выяснению причинной обусловленности формирования веществ через функции его структурных элементов. Схематически это может быть изображено следующим образом [6]:
структура функция
(реакционная способность)
состав свойства
Исследования показали, что образование химической связи можетпроисходить путем непрерывного перераспределения валентных электронов, а не только путем полного разрыва исходных связей между атомами. Короче говоря, диалектическое единство дискретности и непрерывности все громче заявляет о своем существовании, и теперь встает вопрос об отказе от односторонности традиционного чисто дискретного подхода, об учете момента непрерывности в химических явлениях.[12]
Современные представления о строении атома позволили по новому объяснить структуру вещества и многие природные явления, способствовали дальнейшей разработке научной картины и поэтому имеют большое философское значение.[13]
3.5
Химическое превращение есть главная задача химии.
«Химическое превращение, химическая реакция есть главный предмет химии»(Н. Н. Семенов). Следовательно, важнейшая задача химии — выяснить строение вещества, зависимость свойств вещества от строения получение вещества с заданными свойствами и выявление рациональных путей управления химическими процессами.[11]
Знания в практической деятельности человека являются своего рода инструментом, духовным орудием преобразования вещества, преобразования мира.
Знания обеспечивают умение придавать веществам нужные свойства и сдерживать или устранять действие вредных. Они неизмеримо расширяют власть над веществом. Достичь этого, отыскать скрытые механизмы превращений вещества, овладеть средствами этих превращений всегда было страстным стремлением людей, как бы не изменились их представления о природе, о характере этих средств.[8]
Обнаруживается прямая связь многих свойств вещества с определенным типом конструкции молекул (кольцо, простая цепь, цепь с ответлениями и т. д.), с наличием в молекулах определенных «строительных деталей», состоящих из отдельных атомов или групп атомов. Когда один вид вещества превращается в другой, происходит перестройка молекул, меняются число, характер строительных деталей и сам порядок их соединения. Изменения вещества и его свойств связаны с изменением состава перестройкой конструкции молекул.
Такое понимание превращений вещества внесло существенные коррективы в избранное на основе атомного учения направление исследования. Раз свойства вещества зависят не только от его состава., т. е. от количественного и качественного соотношения атомов, но и от строения, от того, как, в каком порядке эти виды атомов связаны друг с другом, как взаимодействуют, — значит, необходимо выяснять особенности строения, его связь со свойствами вещества. Только раскрыв это, можно было надеяться на сознательное управление преобразованиями вещества.[8]
Пока в химии еще не сложилось четкое различие атомов и молекул и понятие о химическом строении, химические превращения рассматривались преимущественно как изменения состава, изменения количественного и качественного соотношения атомов в составе вещества. Еще Гегель характеризовал химию как науку о качественных изменениях тел, происходящих под влиянием изменения количественного состава.[14]
На базе атомно-молекулярного учения и отвлечения от различий микро- и макроформ вещества сложилось новое представление о сущности химического движения материи как процессов превращения молекул. В химических превращениях вещества изменяются (образуются, перестраиваются, разрушаются) молекулы, изменяется их атомный состав и строение, атомы же при этом остаются неизменными — такое понимание сущности химизма стало господствующим.[2]
Исследование строения атомов, законов связи их строения со свойствами вещества, как и исследование строения молекул, открыло широкие перспективы перед сознательным управлением преобразованиями вещества, причем еще более глубоком, чем химические превращения, уровне. Человек научился не только перестраивать химические соединения атомов и изменять связанные с химическим строением свойства вещества; ему стало доступно управление свойствами, обусловленными внутриатомным внутриядерным строением. Важнейшим руководящим прнципом практических действий стал проверенный и отлично зарекомендовавший себя в практике управления химическими превращениями структурный принцип: чтобы изменить в желаемом направлении свойства атомов, надо изменить их состав и строение. [8]
Основоположником учения о ведущей роли непрерывности по отношению к дискретности химической организации вещества был К. Л. Бертолле. Еще в 1801 г. он опубликовал итоги проведенных им исследований, в которых изложил основные положения своего учения. Положения эти сводятся к следующему:
*
эффект химического действия веществ определяется двумя факторами: а) взаимным сродством этих веществ и б) массой реагирующих веществ. Произведение силы взаимного сродства на массу реагирующих веществ Бертолле назвал химической массой;
* в подавляющем большинстве химических процессов — реакция обмена — одна составляющая часть вещества вытесняет другую не только благодаря большей силе своего сродства, но и благодаря большей массе, взятой в реакцию. Если бы отсутствовал фактор (б), то все реакции были бы направлены в одну сторону — в сторону вытеснения более сильным реагентом более слабой составной части. Например, чтобы получить азотную кислоту из ее солей, обычно применяют серную кислоту как более сильную в сравнении с азотной. Но Бертолле доказал, что возможна и обратная реакция, для чего следует только изменить соотношение действующих масс и условия реакции;
* химические реакции являются в принципе обратимыми. Степень обратимости зависит от действующих масс и условий процесса. Большинство реакций является обратимыми. Обратимые химические реакции представляют собой единство двух противоположных реакций — прямой и обратной. Единство и взаимодействие этих противоположностей составляет одно из противоречий любого обратимого химического процесса.
* все вещества состоят из мельчайших частиц, взаимодействие которых в зависимости от факторов (а) и (б) приводит к их объединению в частицы больших размеров (реакции присоединения) или к перегруппировке (реакции обмена);
* состав образующихся соединений зависит также от факторов (а) и (б) и в общем случае должен быть переменным, что особенно характерно для растворов и сплавов.[6]
Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры. Химический процесс сопровождается изменением состава веществ, их структуры и обязательно энергетическими изменениями в реагирующей системе. В химическом процессе происходит перегруппировка атомов, сопровождающаяся разрывом химических связей в исходных веществах и образованием химических связей в продуктах реакции. Вследствие взаимосвязанности форм движения материи и их взаимопревращаемости в результате химических реакций имеет место превращение химической энергии в теплоту, свет и др.[15]
Химические реакции — это превращение одних веществ (реагентов) в другие (продукты реакции), отличающиеся от исходных составом, строением и свойствами. Но при переходе от одних веществ к другим в процессе превращения в реакции может присутствовать переходное состояние. В нем имеет место протекание таких противоположных процессов, как соединение и распад, разложение и синтез, ассоциация и диссоциация. Именно в переходном состоянии наиболее отчетливо находят свое проявление единство прерывного и непрерывного в химической форме движения материи. В процессе химической реакции меняется взаиморасположение реагентов, перестраивается химическая связь (электронные орбитали). Разрываются связи в исходных веществах и образуются новые связи в продуктах реакции. При этом реакция протекает с выделением или поглощением энергии в зависимости от соотношений энергией разрыва и образования связей.[11]
С количественной стороны реакция может характеризоваться объемными или весовыми соотношениями между реагирующими веществами, их концентрацией, скоростью процесса и т.д. Качественные и количественные характеристики любой реакции находятся в неразрывной связи. Поэтому, зная закономерности такой взаимосвязи, можно контролировать процесс, управлять им, что широко используется на практике.
Знания, накопленные в процессе изучения химических реакций, а также учение о химической связи и строении вещества обогатили и углубили представления человека о диалектике природных явлений и этим способствовали совершенствованию научной картины мира.[16]
продолжение
--PAGE_BREAK--