Хімія. Повторне видання. 8 клас. Савчин

Тема 1. Періодичний закон і періодична система хімічних елементів

§ 3. 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 — періодичної системи;
• наводити приклади лужних, інертних елементів, галогенів;
• знати найважливіших представників лужних та інертних елементів, галогенів; розміщення лужних та інертних елементів, галогенів у періодичній системі; зміни властивостей їхніх сполук з Оксигеном і гідроксидів.

• Пригадайте, про що можна довідатися з однієї клітинки періодичної системи 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 початком становлення будь-якої науки є збирання та накопичення наукових фактів. Тільки маючи достатньо цих даних, можливо здійснити їхню класифікацію. Відкриття дедалі більшої кількості хімічних елементів, вивчення їхніх простих і складних речовин поставило вчених-хіміків перед фактом, що наявна класифікація елементів на металічні та неметалічні, а простих речовин — на метали й неметали (А.-Л. Лавуазьє) є надто узагальненою та неточною.

У пошуках чинників, які можна взяти за основу класифікації хімічних елементів, німецький учений Й. Деберейнер, досліджуючи властивості Брому, у 1829 р. виявив, що цей елемент займає проміжне місце між Хлором і Йодом. Він установив поступову зміну їхніх атомних мас. Згодом дослідник виокремив ще кілька подібних трійок елементів, які назвав «тріадами». Це: Li, Na, К; Са, Sr, Ва; Р, As, Sb; S, Se, Те; Fe, Со, Ni. Першою була «тріада» Сl, Вr, I. З’ясувалося, що атомна маса середнього елемента кожної з «тріад» приблизно дорівнює 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.

Деберейнер Йоганн Вольфганг (1780—1849) знання з хімії 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 отримало високу оцінку 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(IV) оксиду в сульфур(VІ) оксид, з якого можна добувати сульфатну кислоту. Дослідник виявив «тріади» подібних елементів. «Тріади Деберейнера» стали першою спробою класифікації хімічних елементів за їхніми атомними масами. Працював учений і як хімік-технолог.

Англійський учений-хімік Дж. Ньюлендс розмістив хімічні елементи в один ряд за зростанням їхніх атомних мас. Аналізуючи властивості елементів і властивості утворених ними простих речовин, він звернув увагу на те, що кожний восьмий елемент і його проста речовина за властивостями подібні до обраного першого, тобто існує деяка закономірність. Учений назвав її «законом октав» (за аналогією до октави в музиці, що містить вісім нот). Однак жодних обґрунтувань виявленої ним закономірності цей дослідник не надав.

Ньюлендс Джон (1837-1898) здобув освіту в хімічному коледжі. У 1857 р. він став асистентом хіміка в Королівському сільськогосподарському товаристві. На початку 1860 р. Ньюлендс познайомився з італійським хіміком Станіслао Канніццаро, який привернув увагу Ньюлендса до проблеми атомних мас елементів. Досліджуючи її, учений склав таблицю, де розмістив усі відомі елементи в порядку збільшення їхніх атомних мас (за даними Канніццаро). У 1864 р. дослідник висловив думку про періодичну зміну властивостей елементів. Крім того, учений уперше запропонував (1875 р.) термін «порядковий номер» елемента, не вкладаючи в нього особливого фізичного змісту.

Французький геолог О. Е. де Шанкуртуа (1820-1886) створив так звану «гвинтову» модель класифікації елементів, узявши за основу також 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. Крива графіка зростає гострим піком у місцях розташування лужних металічних елементів, а потім відбувається спад. Кожний спад і підйом відповідають періоду в сучасній періодичній системі. Другий і третій періоди містили по сім елементів і практично відповідали «октавам» Дж. Ньюлендса. Водночас Ю. Л. Мейєр виявив, що це властиво тільки вказаним періодам, а далі «закон октав» уже не діяв, оскільки наступні періоди вміщували більшу кількість елементів.

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

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

Через 4 роки російський учений Д. І. Менделєєв (1834-1907), виявив періодичність змін хімічних елементів і зумів пояснити залежність між величиною атомної маси елемента й властивостями простих і складних речовин, утворених цим елементом. Завдяки цій закономірності було відкрито періодичний закон і побудовано таблицю класифікації хімічних елементів. У 1871 р., узагальнивши виявлені закономірності, учений сформулював періодичний закон.

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

• Подумайте та висловте припущення, чому саме так назвали ці елементи.

Які ж елементи належать до лужних? Родина лужних металів представлена шістьма елементами. Це Літій Li, Натрій Na, Калій К, Рубідій Rb, Цезій Cs, Францій Fr. До того ж Францій добутий штучно і є радіоактивним. Через високу хімічну активність ці метали в природі не існують у вільному стані.

• Визначте розміщення цих металів у періодичній системі.

Як видно з таблиці, вони утворюють цілу підгрупу в першому вертикальному стовпці елементів. Це означає, що лужні елементи мають подібні як фізичні, так і хімічні властивості, у сполуках завжди одновалентні. Усі прості речовини, утворені цими елементами, є типовими металами.

• Пригадайте, які фізичні властивості характерні для металів.

Отже, для лужних металів характерні металічний блиск, висока пластичність, низькі температури плавлення та кипіння, які зі зростанням їхніх порядкових номерів і відносної атомної маси знижуються. Лужні метали належать до легких, оскільки їхня густина становить від 0,53 до 2,3 г/см³. Можна зробити висновок, що зі збільшенням відносних атомних мас лужних

елементів змінюються фізичні властивості їхніх простих речовин (табл. 1). Оскільки лужні метали є хімічно активними речовинами, вони легко окиснюються. Загальна формула утворених ними оксидів — R₂О, де R — відповідний метал.

Таблиця 1

Зміна властивостей лужних металів, їхніх оксидів і гідроксидів

Хімічний елемент		Проста речовина			Умови горіння	Зміна активності	Сполуки лужних елементів
Назва елемента й простої речовини	Аr	Густина, г/см3	t плавлення, °С	t кипіння, °С			Формули оксидів	Формули гідроксидів	Зміна розчинності у воді
Літій Li	7	0,53	180	1370	За нагрівання	Посилюється	Li2О	LiОH	Зростає
Натрій Na	23	0,79	98	900			Na2O	NaОН
Калій К	39	0,85	63	776			К2О	КОН
Рубідій Rb	85	1,5	38	705	За звичайних умов		Rb2О	RbОH
Цезій Cs	133	1,9	28	688			Cs2О	CsОH
Францій Fr	223	2,3	20	650			Fr2О	FrОH
Назви збігаються	Зростає	Зростає	Знижуються		Активність висока		У сполуках одновалентні

• Напишіть формули оксидів лужних елементів і з’ясуйте, до якої з груп (основних чи кислотних) вони належать.

Важливо зазначити, що оксиди лужних металів взаємодіють із водою, унаслідок чого утворюються гідроксиди — основи, розчинні у воді. Загальна формула гідроксидів, утворених лужними металічними елементами, — ROH, де R — йон металічного елемента.

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

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

• Який характер проявляють гідроксиди лужних металів?

Li₂O, Na₂O, K₂O, Rb₂O, Cs₂O, Fr₂O — це основні оксиди.

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

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

Галогени та їхні прості речовини. Друга родина хімічних елементів — галогени, на противагу лужним, складається з типових неметалічних елементів. До неї належать Флуор F, Хлор Cl, Бром Br, Йод I, Астат At (радіоактивний). Назва родини походить від грецьких слів галос — сіль і генос — походження, що означає «ті, що народжують сіль». Молекули простих речовин галогенів містять два атоми.

• Напишіть ряд простих речовин, утворених галогенами, і дайте їм назви.

Зі збільшенням порядкових номерів зростає відносна молекулярна маса простих речовин. Відповідно змінюються їхні фізичні властивості: підвищуються температури плавлення і кипіння, зростає густина. Змінюється також їхній агрегатний стан: фтор F₂ і хлор Cl₂ — гази жовтого та жовто-зеленого кольору відповідно, бром Br₂ — рідина червонувато-бурого кольору, а йод I₂ — тверда речовина чорно-сірого кольору з металічним блиском. Галогенам, крім кольору, властива наявність різкого запаху. Вдихання парів галогенів призводить до 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 (крім Флуору та Брому), можна подати загальною формулою R₂O₇, де R — відповідний неметалічний елемент.

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

• Складіть рівняння взаємодії галогенів з натрієм і воднем. Зазначте тип хімічних реакцій.

Рис. 4. Горіння водню в атмосфері хлору

Рис. 5. Розчинення хлороводню у воді (дослід «Фонтан»)

Хімічна активність галогенів є неоднаковою. Зі зростанням відносних атомних мас елементів вона послаблюється від Флуору до Йоду, а отже, послаблюється утворення сполук галогенів із воднем.

Інертні елементи. У VIII групі періодичної системи розміщені інертні елементи. Це Гелій Не, Неон Ne, Аргон Ar, Криптон Kr, Ксенон Хе. Вони утворюють головну підгрупу (А) цієї групи. Характерною особливістю цих елементів є те, що їхні атоми не сполучаються між собою і не утворюють сполук ні з Гідрогеном, ні з металічними елементами. Символи хімічних елементів і формули їхніх молекул — ідентичні. Прості речовини цих елементів відомі під назвою «благородні гази». Під час пропускання крізь них електричного струму вони світяться різними кольорами. Цю властивість використовують у рекламній галузі.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• У міру накопичення знань про хімічні елементи з’явилася потреба їхньої класифікації. Попередниками Д. І. Менделєєва були німецький учений Й. В. Деберейнер, англійський учений-хімік Дж. Ньюлендс, французький геолог О. Е. де Шанкуртуа та німецький хімік Ю. Л. Мейєр. Вони виявили, що за основну ознаку класифікації необхідно взяти єдину сталу характеристику атома — відносну атомну масу.

• Дослідивши подібність окремих хімічних елементів, їхніх простих і складних речовин, учені виокремили кілька 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, їхні оксиди R₂O проявляють основні 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 та 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 їхніх 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 і Бромом, 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) металічних;
• б) неметалічних.

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 з водою:

• а) літій оксиду;
• б) калій оксиду.

Обчисліть масову частку Оксигену в літій гідроксиді.

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

ЦІКАВО ЗНАТИ

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

• Натрій і калій у вільному стані добув англійський учений Г. Деві в 1808 р., вивчаючи властивості невідомих металів.

ДОСЛІДЖУЄМО ВДОМА

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