§ 4. Короткі історичні відомості про спроби класифікації хімічних елементів. Поняття про лужні, інертні елементи, галогени

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснювати передумови відкриття Д. І. Менделєєвим періодичного закону та створення таблиці класифікації елементів;

• наводити приклади лужних, інертних елементів, галогенів;

• знати найважливіших представників лужних та інертних елементів, галогенів; розташування лужних та інертних елементів, галогенів у періодичній системі; зміни властивостей їх сполук з Оксигеном і гідроксидів.

Пригадайте, про що можна довідатися з таблиці періодичної зміни властивостей хімічних елементів, запропонованої Д. І. Менделєєвим.

Короткі історичні відомості про спроби класифікації хімічних елементів. У 7 класі ви частково ознайомилися з будовою періодичної системи хімічних елементів. Вам відомо, що будь-яка наука починається зі збирання й накопичення наукових фактів, а, маючи дастатпьо цих даних, здійснює їх класифікацію. Відкриття все більшої кількості хімічних елементів, вивчення їх простих і складних речовин поставило вчених-хіміків перед фактом, що існуюча класифікація елементів на металічні та пеме-талічні, а простих речовин па метали й неметали (А.-77.Лануаяье) є надто узагальненою та неточною.

У пошуках ч и її її и кін. які можна взяти заоснову класифікації, німецький учений Й. Деберейнер, працюючи над дослідженням властивостей Брому, виявив у 1829 р., що цей елемент займає проміжне місце між Хлором та Іодом. Він установив поступову зміну їх атомної маси. Згодом дослідник виділив ще кілька подібних трійок елементів, які назвав «'тріадами». Це: Li, Na, К; Ca, Sr, Ba; Р, As, Sb; S, Se, Te; Fe. Co, Ni. Першою була «тріада» Cl, Br, І. З'ясувалося, що атомна маса середнього елемента, що входить до складу кожної з «тріад», приблизно дорівнювала середньому арифметичному атомних мас двох крайніх елементів. Однак ученому не вдалося охопити всі елементи «тріадами», тому інші відомі на той час елементи залишалися поза ними.

Дебербйнер Йоганн Вбльфганг (1780—

1849) — видатний німецький хімік. Знання з хімії він здобув самостійно завдяки наполегливій праці. У 1810 р. йому запропонували посаду професора хімії в Єнському університеті. Університет став місцем наукових відкриттів Деберейнера.

Він виявив каталітичну дію подрібненої платини, що приголомшливо вплинуло на хіміків Європи, адже тоді ще не знали про каталізатори й каталітичні реакції. У 1832 р. Деберейнер довів, що подрібнена платина є каталізатором реакції окиснення сульфур(ІУ) оксиду в сульфур(УІ) оксид, з якого можна добувати сульфатну кислоту. Дослідник виявив «тріади» подібних елементів, про що ви вже довідалися. «Тріади Деберейнера» стали першою спробою класифікації елементів за їх атомними масами. Працював учений і як хімік-технолог.

Англійський учепий-хімік Дж. Ньюлепдс розташував елементи за зростанням їх атомних мас в один ряд. Аналізуючи їх властивості й властивості утворених ними простих речовин, вій звернув увагу па те, що кожний восьмий елемент і його проста речовина проявляють подібність до обраного першого, тобто існує деяка закономірність. Учений назвав її «законом октав» (за аналогією до октави в музиці, що містить вісім нот). Однак жодних обгрунтувань виявленій ним закономірності цей дослідник не дав.

Ньюлендс Джон (1837-1898) здобув освіту в хімічному коледжі. У 1857 р. Ньюлендс стає асистентом хіміка в Королівському сільськогосподарському товаристві. На початку 1860 р. він познайомився зі Станіслао Канніццаро, який привернув увагу Ньюлендса до проблеми атомних мас елементів. Досліджуючи її, учений склав таблицю, де розташував усі відомі елементи в порядку збільшення їх атомних мас (за даними Канніццаро). У 1864 р. дослідник зазначив, що в цьому ряду елементів спостерігається періодична поява хімічно подібних. Так уперше було висловлено ідею періодичної зміни властивостей елементів і здійснено констатацію цього факту, що знайшло відображення в «законі октав». Окрім цього, учений уперше запропонував термін «порядковий номер» елемента, не вкладаючи в нього особливого фізичного змісту.

Французький геолог О. Е. де Шаикуртуа (1820-1886) створив так звану «гвинтову» модель класифікації елементів, узявши за основу, знову ж таки, атомні маси. Він виявив, що подібні елементи потрапляють у вертикальні стовпці.

Німецький хімік Ю. Л. Мейєр (1830 1895) найбільше наблизився до природної класифікації елементів. Він побудував графік залежності властивостей елементів від величини атомних мас, який мав вигляд хвиль. Кожна хвиля піднімається гострим піком у місцях розташування лужних металічних елементів, а потім відбувається спуск. Кожний спуск і підйом відповідає періоду в сучасній періодичній системі. Другий і третій періоди включали по сім елементів і практично відповідали «октавам» Дж. Ньюлендса.

Але Ю. Л. Мейєр виявив, що це властиво тільки вказаним періодам, а далі закон «октав» уже не міг діяти, оскільки наступні періоди вміщували більшу кількість елементів.

У 1864 р. дослідник запропонував таблицю класифікації елементів за зростанням атомних мас, обмежившись 28 слеметами, щоб підкреслити закономірність, закладену в «тріадах». Через шість років Ю. Л. Мейєр подав нову таблицю, що складалася з 9 стовпців, у яких подібні елементи розташовувалися горизонтально. У деяких клітинках елементи були відсутні. Ця таблиця була найбільше наближена до природної класифікації хімічних елементів.

A 1865 p. вчені дійшли висновку про те, що за основу класифікації треба взяти відносні атомні маси як єдину сталу характеристику атома.

Через 4 роки після вже описаних робіт російський учений Д. І. Менделєєв, виявивши періодичність змін елементів, зумів пояснити залежність між величиною атомної маси елемента й властивостями простих і складних речовин, утворених цим елементом.

Ця закономірність лягла в основу відкриття періодичного закону та побудови таблиці класифікації хімічних елементів. У 1871 р. як узагальнення виявлених закономірностей ученим було сформульовано періодичний закон.

Лужні елементи та їх прості речовини. У таблиці класифікації хімічних елементів кожний ряд починається лужним металічним елементом.

Подумайте та висловіть своє припущення, чому саме так назвали ці елементи.

Які з елементів належать до лужних? Родина лужних металів представлена шістьма елементами, зокрема: Літієм Li, Натрієм Na, Калієм К, Рубідієм Rb, Цезієм Cs, Францієм Fr. Останній із них, добутий штучно, є радіоактивним. Через високу хімічну активність ці метали не існують у вільному стані.

Визначте розташування цих металів у періодичній системі.

Як видно з таблиці, вони утворюють цілу підгрупу в першому вертикальному ряду елементів. Це означає, що лужні елементи характеризуються подібністю як фізичних, так і хімічних властивостей, у сполуках завжди одновалентні. Усі прості речовини, утворені цими елементами, є типовими металами.

Пригадайте, які фізичні властивості характерні для металів.

Отже, для лужних металів характерним є металічний блиск, висока пластичність, низькі температури плавлення й кипіння, які зі зростанням їх порядкових номерів і відносної атомної маси знижуються. Лужні метали належать до легких, оскільки їх густина становить від 0,53 до 2.3 г/см³. Звідси можна зробити висновок про те, що зі збільшенням відносних атомних мас лужних елементів змінюються фізичні властивості їх простих речовин (див. табл. 1). Зважаючи на те, що лужні метали є хімічно активними речовинами, вони легко окислюються киснем повітря. Загальна формула утворених ними оксидів — R₂O, де R — відііовідпиїї метал.

Таблиця 1

Зміна властивостей лужних металів, їх оксидів і гідроксидів

Напишіть формули оксидів лужних елементів і з'ясуйте, до якої з груп (оенбвних чи кислотних) вони належать.

Важливо зазначити, що оксиди лужних металів взаємодіють із водою, унаслідок чого утворюються гідроксиди основи, розчинні у воді.

Пригадайте взаємодію оенбвних оксидів із водою. Напишіть рівняння реакцій натрій і калій оксидів із водою.

Гідроксиди лужних металів добре розчинні у воді та змінюють забарвлення фенолфталеїну па малинове.

Який характер проявляють гідроксиди лужних металів? Звідки, на вашу думку, походить назва «луги»?

Ii₂O₁ Na₂O, KO_t Rb_4iO, Cs₂O — це основні оксиди.

LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH — типові основи (луги).

Спостерігаються певні закономірні зміни в хімічних властивостях сполук лужних металів. Зокрема, зі зростанням відносних атомних мас елементів посилюється здатність оксидів і гідроксидів легше загорятися на повітрі, вростає розчинність у воді (див. табл. 1, с. 21).

Галогени та їх прості речовини. Друга родина хімічних елементів — галогени, на противагу лужним, складається з типових неметалів них елементів. До неї входять Флуор F, Хлор СІ, Бром Br, Iod І, Астат At (радіоактивний). Назва родини походить від грецьких слів «галос»    сіль і «генос» походження,

що означає: «ті, що народжують сіль». Молекули простих речовин галогенів складаються з двох атомів.

Напишіть ряд простих речовин, утворених галогенами, та дайте їм назви.

Зі зростанням порядкових номерів зростає відносна молекулярна маса простих речовин. Відповідно змінюються їх фізичні влативості: підвищуються температури плавлення й кипіння, збільшується густина. Змінюється й агрегатний стан: фтор F., і хлор Cl₂ це гази жовтого та жовто-зеленого кольору відповідно, бром Br₀ рідина червонувато-бурого кольору, а йод T₂ тверда, чорно-сірого кольору, з металічним блиском речовина. Галогени, крім кольору, характеризуються й наявністю різкого запаху. Вдихання парів галогенів призводить до подразнення органів дихання та отруєння. Наприклад, від хлору, який у Першу світову війну використовували як хімічну зброю, постраждала велика кількість людей.

Пригадайте фізичні властивості, характерні для неметалів. Порівняйте їх із властивостями галогенів.

Галогени, як і лужні метали, проявляють високу хімічну активність, тому легко реагують із багатьма простими речовинами. Оксиди, у яких вони проявляють вищу валентність (за винятком Флуору та Брому), можна представити загальною формулою R-βγ де R — відповідний пеметалічиий елемент.

Прості речовини галогени під час реакцій з воднем за певних умов утворюють леткі сполуки складу HF, HCl, HDr_y НІ. Водень згоряє у хлорі голубим полум’ям, унаслідок чого утворюється гідроген хлорид (рис. 4) газ, добре розчинний у воді. Розчинення цього газу у воді супроводжується утворенням фонтану (рис. 5). Усі гідроген галогеніди добре розчинні у воді гази. їх водні розчини змінюють забарвлення лакмусу та метилоранжу на червоний і рожевий кольори відповідно, що свідчить про наявність кислого середовища. Іншими словами у розчинах гідроген галогеніди є кислотами.

Напишіть рівняння взаємодії галогенів з натрієм і воднем. Укажіть тип хімічних реакцій.

Важливо знати, що хімічна активність галогенів є* неоднаковою. Зі зростанням відносних атомних мас елементів вона послаблюється від Флуору до їоду. Відповідно послаблюється утворення сполук галогенів із воднем.

інертні елементи. У VIII групі періодичної системи знаходяться інертні елементи. Це Гелій Не, Неон Ne, Аргон Аг, Криптон Kr, Ксенон Хе. Вони утворюють головну підгрупу цієї групи. Характерною особливістю цих елементів є те, що їх атоми не сполучаються між собою і не утворюють сполук пі з Гідрогеном, иі з металами. Символи хімічних елементів і формули їх молекул ідентичні. Прос ті речовини цих елементів відомі під назвою «благородні гази». Під час пропускання крізь них електричного струму вони світяться різними кольорами. Ця властивість застосовується в рекламній галузі.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВ НЕПЕ

• 3 нагромадженням фактів про хімічні елементи з'явилася потреба їх класифікації. Попередниками Д. І. Менделєєва були німецький учений Й. Деберейнер, англійський учений-хімік Дж. Ньюлендс, французький геолог О. Е. де Шанкуртуа та німецький хімік Ю. Л. Мейєр, які виявили, що за основну ознаку класифікації необхідно взяти єдину сталу характеристику атома — відносну атомну масу.

• Дослідивши подібність окремих хімічних елементів, їх простих і складних речовин, учені виокремили декілька родин подібних елементів, зокрема: лужні й інертні елементи, галогени.

• Лужні елементи — природна родина елементів, що утворюють подібні між собою за властивостями прості й складні речовини. Прості речовини — типові метали, їх оксиди R₂O проявляють оснбвні властивості, а сполуки оксидів із водою — гідроксиди ROH добре розчинні у воді та є лугами.

• Хімічна активність лужних металів посилюється зі зростанням відносної атомної маси елементів.

• Галогени — природна родина активних неметалічних елементів, що утворюють прості речовини типових неметалів, молекули яких двоатомні. Зі зростанням відносної атомної маси елементів хімічна активність послаблюється. Галогени реагують із воднем й іншими простими речовинами.

• Інертні елементи — природна родина елементів, що виявляють стійку інертність до інших речовин. Утворені ними прості речовини одноатомні, перебувають у газоподібному стані. Під час пропускання крізь них електричного струму світяться різними кольорами.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1.    Назвіть учених, які до відкриття Д. Менделєєвим періодичного закону намагалися здійснити класифікацію хімічних елементів.

2.    Поясніть історичні передумови відкриття періодичного закону.

3.    Укажіть першу класифікацію елементів, яку було запропоновано в хімії: а) поділ елементів на «тріади» за значенням їх атомних мас; б) поділ на металічні та неметалічні елементи.

4.    Назвіть два-три представники: а) лужних та інертних елементів; б) галогенів.

5.    Напишіть формули простих речовин, що утворені Флуором, Хлором, Бромом, та прочитайте їх.

6.    Назвіть природні групи хімічних елементів, подібних за властивостями.

7.    Перелічіть подібні властивості: а) лужних металів; б) галогенів.

8.    Поясніть, як змінюється хімічна активність із зростанням відносних атомних мас елементів: а) металів; б) неметалів.

9.    Охарактеризуйте подібні хімічні властивості:

а) лужних металів; б) галогенів.

10.    Напишіть рівняння реакцій між простими речовинами: Na і Cl₂; H₂ і Br₂. Укажіть, до якого типу вони належать.

11.    Охарактеризуйте властивості інертних елементів.

12.    Поясніть, чому ви вивчаєте три групи елементів, що належать до найтиповіших металічних, неметалічних та інертних.

13.    Обґрунтуйте на конкретних прикладах подібність і відмінність властивостей: а) металів; б) неметалів.

14.    Напишіть, скориставшись зразком реакції взаємодії натрій оксиду з водою, рівняння реакцій: а) літій оксиду; б) калій оксиду з водою. Обчисліть масову частку Оксигену в літій гідроксиді.

15.    Поясніть, як уникнути отруєння хлором, знаючи, що цей газ має відносну молекулярну масу 71.

ЦІКАВО

• Через високу хімічну активність лужні метали зберігають у запаяних ампулах.

• Натрій й калій у вільному стані добув англійський учений Г. Дбві у 1808 р. Йому ж належить і вивчення їх властивостей.

ДОСЛІДЖУЄМО ВДОМА

Користуючись картою корисних копалин України та вашими знаннями з географії, знайдіть, де в Україні залягають мінерали, які вміщують солі хлору.

Це матеріал з підручника Хімія 8 клас Савчин