Д.И.Менделеев. Из лекций о периодическом законе

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 18Следующая ⇒

Можно сделать заключения о следующих, чрезвычайно важных обстоятельствах, которые оправдываются при рассмотрении всех элементов, а именно: свойства вещества или данного соединения зависят не только от того или от тех элементов, которые в нем содержатся, не только от свойств атомов, которые в нем содержатся, не только от того, что находится хлор или кислород и ртуть, не только от того, как они расположены, т. е. от изомерии известного рода, но и от того, какого рода типу они отвечают, например типу металлов, подобных магнию, или типу металлов, подобных калию.

А если это так, то невольно рождается вопрос о том, от чего зависят те формы, в которые выливаются соединения данного металла? Отчего калий — КХ? В чем тут дело? …Основной способ познания в истинном смысле или, правильнее сказать, обладание предметом, предвидение того, что будет, так или иначе определяется отношениями, значит, надобно узнать, от чего зависит эта способность элементов давать одноатомные соединения или представляться элементами двухатомными.

Вообще, законом природы называется отношение или функция, т. е. зависимость переменных величин, по крайней мере, двух. В этом простейшем виде всякую законность можно представить геометрически, откладывая на плоскости по одной из осей, например перпендикулярных, одну переменную, а по другой восставляя перпендикуляры, соответствующие величинам другой переменной. Вершины восстановленных перпендикуляров и дадут, собственно говоря, выражение закона: это будет или прямая, или кривая; или прогнутая периодически, или какая-нибудь другая линия.

Большинство явлений природы таково, что выражается сплошными кривыми, например, изменение внутреннего сопротивления цепи и силы тока. Малейшие изменения одной переменной влекут за собой тотчас и малейшие изменения другой. Или, скажем, переменяется температура, с ее переменой изменяется объем тела и это идет последовательно, так что малейшая прибавка в изменении температуры отвечает столь же малой перемене объема. Нет скачков: маленькое изменение одной переменной не влечет за собой быстрых скачков в значениях другой переменной, быстрых или резких.

Но, кроме такого рода законов, имеются законы или явления природы, выражающиеся периодическими кривыми. Ну, самый простейший пример представляет в натуре, например, изменение температуры воздуха с возрастанием времени: от начала дня температура возрастает, примерно, до часу или до двух, затем падает, затем minimum температуры настает в известный час ночи, затем опять начинается поднятие, пока не дойдет опять до максимума в определенный час дня. И кроме этих маленьких волн, дням отвечающих, есть еще и большие волны, отвечающие временам года. Словом, во всех частях, — с переменою годов повторяется и этот вид периодов, — следовательно, в натуре предмета лежит существование периодической законности.

Все это нужно напомнить, когда мы приступаем к одному из законов химии, который и получил свое название от того, что его свойство главное, выдающееся, можно сказать, состоит именно в том, что он представляет случай периодического закона и закон этот так и называется периодическим законом, к нему мы теперь и обратимся.

Но, чтобы понять периодический закон, нужно обратить внимание и на то, что в химических явлениях наблюдаются разрывные законы. Так, например, один из первых, закон кратных отношений, представляет следующее: на данное количество некоторого вещества количество другого вещества в определенном соединении, ими образуемом, является не во всех возможных пропорциях, а только в определенных, только скачками. Очевидно, что здесь есть разрывы, не все возможные промежуточные формы здесь существуют, а существуют только некоторые, отрывочные, единичные.

Таков и периодический закон; он в одно и то же время представляет явление периодичности и явление разрывности.

Из всех открытий химии, можно сказать, особо выдающимся, характернейшим, после закона вечности вещества Лавуазье, самоважнейшим должно считаться открытие дальтоновского закона кратных отношений, приведшее к понятиям атомистическим, обнимающим всю химию. То есть мы пришли к тому, что самое простейшее представление о природе химических соединений получается тогда, когда мы представим себе, что атомы или малейшие доли простых тел уже далее не делимы и представляют целиком входящую в состав соединения массу, которая может быть выделена в другие соединения и выделена из других. А следовательно, относительный атомный вес, или то, что называется проще атомным весом, есть величина, характеризующая, кроме, например, способности атомов хлора давать кислоты, а атомов натрия только щелочи, еще и другие химические свойства. Химические свойства выражаются, следовательно, в величине веса атомов.

Следовательно, за одну переменную, относящуюся к элементам, удобнее, возможнее и проще всего принять величины атомных весов, потому, что это величины несомненные. Это и будет основная переменная; за тот х в координатах, которыми выражаются свойства элементов в разных их соединениях, за одну переменную следует выбрать их атомные веса.

По прямой линии отложим возрастающие величины атомных весов и восставим перпендикуляры, выражающие то или иное свойство, элементам принадлежащее, например кислотность или основность. Тогда мы сумеем их мерить, например кислотность выражать вниз, отрицательными величинами, а основность — положительными; более основные элементы — большими перпендикулярами, менее основные — меньшими перпендикулярами. Мы получим известное отношение. Точно так же можно выразить и всякие другие химические и физические свойства.

Но до тех пор, пока мы не систематически, а отрывочно будем искать отношение свойств, принадлежащих элементам и зависящих от величины их атомных весов, мы не уловим никакого общего, единообразного, всем элементам принадлежащего закона. Закон, очевидно, не должен представлять не только исключений, но и каких-нибудь частных случаев: иначе это не есть закон природы, а мнемоническое правило вроде грамматических, за которыми всегда следуют исключения. Как же в этом случае поступить? Нужно избрать некоторую величину, другую характерную для данного элемента величину и между величиной атомного веса и этой другой величиной, точно находимой для элемента, найти ту функциональную зависимость, которая связывает эти две различные переменные.

Рассматривая все то, что мы имеем в этом отношении, легко можно заметить, что, кроме величины атомного веса, твердо, несомненно, без всяких предвзятых предположений стоят лишь немногие в настоящее время несомненные свойства элементов. Но одно наиболее характерно из них — это свойство элементов давать те или другие формы соединений, выливаться в соединениях в те или другие формы атомных сложений или атомных конструкций, в которых участвуют элементы. Например, все соединения калия с галоидом X будут выражаться всегда тем, что мы назвали формой соединения одноэк-вивалентных металлов, т. е. будут иметь формулу КХ. Для кальция — все его соединения будут выражаться формулой СаХ₂. Заменяя галоид X по закону замещения соответствующим количеством кислорода, водным остатком, водородом, мы можем отсюда перейти ко всем частностям, как это было раньше высказано. И поэтому калий будет характеризоваться свойством 1, если кальций будет характеризоваться свойством 2 или величиной 2; точно так же, например, для углерода эта величина будет не 1, не 2, а 4, потому что углерод соединяется с 4 атомами водорода, с 2 атомами кислорода, которые также эквивалентны четырем атомам водорода. Следовательно, если для калия 1, для кальция 2, то для углерода 4 и т. д.

Но как же найти? Из чего видеть? В каких соединениях это число лучше всего выражено?

Кислород представляет элемент, который соединяется почти со всеми другими элементами и его соединения представляют главную массу веществ, в земной коре находящихся. Все кислородные соединения хорошо исследованы, следовательно, кислород представляет наиудобнейший элемент.

Например, азот образует не только закись N₂O, азотноватый ангидрид N₂O₄, но и окись N₂O₂, азотистый ангидрид N₂O₃ и азотный N₂O₅, следовательно, атомов кислорода при азоте может быть от одного до пяти. Какое же число атомов будет характерно для азота?

Чтобы выбрать, чтобы уловить здесь закон природы, надобно обратить внимание на следующее. Всякий элемент, соединяясь с кислородом, достигает известного рода предела, которого больше не переходит, и потому этот предел для разных элементов различный. Например, мы знаем, что углерод в высшей степени соединения дает СО₂, или, если мы будем для параллелизма писать 2 атома окисляемого элемента, то будет: С₂О₄. Но кроме этого углерод образует и окись углерода СО или С₂О₂, но более высоких степеней окисления углерода не образуется. Итак, существует высшая степень окисления. Следовательно, есть предел, к которому стремятся кислородные соединения каждого элемента.

На графике на каждой величине атомного веса восставим перпендикуляры, которые будут равны количеству кислорода т, присоединяющегося в высшей форме соединения к двум атомам данного элемента. Для азота будет этой величиной 5, для углерода 4, для хлора 7 и т. д.; таким образом, получится ряд перпендикуляров. Что же мы увидим? В этом случае выступает закон природы как закон периодический. Мы увидим, что вершины перпендикуляров будут представлять форму пилы, ибо количество кислорода т будет возрастать с атомным весом до 8 и затем снова приходить к 1. Следовательно, на графике будут периоды повторяющиеся, и притом те элементы, которые представляют аналогию между собою, будут находиться всегда в определенных местах периода или на известном месте зубцов этой пилы. Другие элементы будут находиться в других местах; например, щелочные в начале этих периодов, галоиды будут в конце. Сколько же элементов в периоде? Да нечего и обсуждать — 8. В каждом малом периоде, определяемом количеством кислорода (есть и большие периоды), будет содержаться наибольшее количество, 8 элементов, или, как увидим дальше, меньше. И это определяет суть периодического закона, потому что здесь видна, во-первых, повторяемость, а во-вторых, разрывы сплошности самой кривой, потому что вдруг от такого элемента, который имеет наибольшее содержание кислорода, например 7 или 8, вдруг мы переходим к элементу с малым содержанием кислорода. В-третьих, периодичность частная.

Ну вот и сущность периодического закона. Как же ее выразить в простейшем виде или формулировать после этого предварительного описания или введения? Где формулировка, чрезвычайно простая и связанная со всей историей изучения природы? Ведь в изучении природы надо отличить время классической древности, когда природу, можно сказать, хотели из себя выдумать или общими наблюдениями хотели уразуметь ее основные законы, не мерили или мало мерили и не находили тех общих, точнее всеобщих законов, которым природа подчиняется. Это время должно отличать от того времени, которое начинается с Галилея и Ньютона, старавшихся и успевших при численном измерении открыть истинные законы природы, в одном случае — закон падения тел, а в другом случае — закон падения светил или их взаимного притяжения, старавшихся в числах находить и выражать законы, управляющие отношениями веществ. Вь знаете, что введенные формулы, введенная формулировка законов, как Галилея, так и Ньютона, даже и Кеплера, заключает в себе понятие массы. Понятие о массе вещества составляет главную характеристику этих новейших направлений в изучении природы.

Это понятие о массе надобно, очевидно, приложить к химии, оно в самом начале развития химии, со времен Лавуазье, и дало все направление науке химии. Ведь Лавуазье оттого и просветил все поле химических исследований, что начал с химического реагирования в массах и начал с того, что вещество не творится и не пропадает, так как масса остается неизменной. Точно так же законы Дальтона и все последующие прикасаются так или иначе к понятию о массе. И, следовательно, периодический закон также включает в себя понятие о массе.

Свойства элементов, а так как очень часто смешивают понятие простых тел и элементов, то прибавим, и простых тел, ими образуемых, и сложных тел, эти элементь заключающих, представляют периодическую функцию от величины атомных весов, элементам свойственных.

Это формулировка периодического закона. Мы увидим, что и другие свойства такой же периодичности подчиняются и что на основании этого закона, как на основании всякого рода закона, можно предвидеть многое из того, что не видим, т. е. предугадывать.

Этот закон сам по себе, как и всякие другие, говорит о малом, говорит немного. Говорят, ведь закон извлекается из фактов, следовательно, это только сокращенное изложение фактов, а что же он прибавляет? Но вот теперь мы и остановимся на том, что он прибавляет, и увидим следующее.

Для такого человеческого дела, как изучение предмета, можно иметь в виду пользу двоякую такого рода. Во-первых, сокращение времени. Это одна сторона, которую я сейчас и выставлю по отношению к этому закону, а во-вторых, узнавание того, что мы не знаем, т. е. другими словами, обладание предметом. Когда мы имеем факты, мы имеем только глаза, конечно, разумом управляемые, но управляют-то нашими глазами внешние предметы; другими словами, мы становимся рабами фактов. Знание же требует, и его основная задача есть обладание фактами, т. е. иметь такой факт, которого не видели глаза, не имели руки и который познается, воспринимается органами чувств только благодаря закону. Тут факт только проверяет точность или справедливость закона, после чего является уверенность. Законы тем и могут быть важны, что они дают обладание вместо рабства, они дают возможность предугадывать то, что фактически неизвестно.

И поэтому эту двоякого рода выгоду, пользу, значение законов выставим по отношению к периодическому закону. Итак, сперва, сокращение времени. Время при изучении предмета тратится, во-первых, на изучение его, а во-вторых, на сличение, сопоставление того, что известно для одного элемента, с тем, что известно для другого. Вот эта сторона приобрела с периодическим законом совершенно ясное и определенное значение.

Гораздо более достойна разбора другая сторона предмета или другие выгоды, которые доставляет периодический закон. Он дозволяет предвидеть то, чего фактически мы не знаем, чего органы не воспринимали, например, существование таких элементов, которые еще неизвестны, или таких свойств, которые еще не измерены. Чтобы понять возможность этого, достаточно сказать следующие немногие слова в этом отношении.

Представим себе, что мы бы знали в одной из строк один элемент из первой группы, один из второй, один из четвертой, пятой, шестой и седьмой и знали бы их на основании уже известных соединений. Так как атомные веса возрастают, то, если элемент третьей группы неизвестен, мы сейчас узнаем атомный вес этого элемента: ведь он средний между атомными весами элемента второго и четвертого ряда, т. е. R₂O₂ и R₂O₄, и кроме того, он средний между атомным весом верхнего и нижнего. Следовательно, взяв эти два средних, мы найдем число, отвечающее атомному весу этого недостающего элемента. Точно так же мы узнаем все его свойства, например его формы соединений, прямо по периодической системе, а следовательно, и плотность паров. Свойства химические, кислотные или основные идут последовательно: натрий совсем щелочной, а хлор совершенно кислотный. На этом основании мы узнаем химические и физические свойства промежуточного элемента. Но проверку закона могут составлять и действительно составляют те факты, которые были предвидены умственным образом и которые с течением времени оказываются верными. Это касается всей совокупности свойств, до удельного веса окисей, теплоемкости, плотности паров всех соединений включительно. Только тогда периодический закон должно считать было оправданным.

Менделеев Д.И. Избранные лекции по химии. – М., 1968. - С.143-167.

Учение о структуре вещества

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒