Хімія. Повторне видання (2025). 8 клас. Попель

Розділ 2. Класифікуємо й упорядковуємо хімічні елементи

Бурхливий розвиток хімічної науки в останні півтора століття став можливим завдяки відкриттю періодичного закону — основного закону хімії. Спираючись на нього, дослідники виявили в природі десятки раніше невідомих хімічних елементів, пояснили багато фактів, спрогнозували та обґрунтували закономірності у світі речовин.

Після того як було з’ясовано, що атоми мають складну будову, періодичний закон отримав потужну теоретичну підтримку. Виявилося, що хімічний характер елементів і властивості речовин залежать від кількості електронів у атомах, їхньої енергії, здатності атомів втрачати або приєднувати електрони.

Періодичний закон використовують у своїй діяльності не лише хіміки, а й фізики, геологи, біологи, фахівці, які працюють у суміжних із хімією наукових напрямах.

Суть періодичного закону розкриває періодична таблиця хімічних елементів. Вона — джерело інформації для всіх, хто вивчає хімію, досліджує речовини та їх перетворення.

§ 22. Перші спроби класифікації хімічних елементів

Важливим завданням кожної науки є класифікація об’єктів її дослідження. Коли зароджувалася наука хімія, існувала потреба в упорядкуванні простих речовин, а згодом виникла необхідність у класифікації хімічних елементів. Над розв’язанням цих проблем працювали науковці різних країн. Досягнуті ними успіхи стали опорою для відкриття періодичного закону, який об’єднав і систематизував усі хімічні елементи.

Дізнаєтеся, зрозумієте, використаєте

Як виникли і формувалися уявлення про хімічний елемент?
На чому ґрунтувалися спроби класифікації хімічних елементів?

Розвиток уявлень про хімічний елемент. Давньогрецькі філософи вважали, що всі речовини складаються з чотирьох елементів-першоначал — вогню, повітря, води і землі. На їхню думку, ці «стихії» є носіями певних якостей, притаманних речовинам, — теплоти, холоду, вологості й сухості. Таких поглядів дотримувалися й алхіміки.

Термін «елемент», який за змістом наближався до сучасного, виник у науці в XVII ст. Англійський хімік Роберт Бойль назвав елементом те, що є межею розкладу речовини. Якби ми жили тоді, то розуміли б під елементом атом.

Французький науковець Антуан-Лоран Лавуазье вважав елементом просту речовину, оскільки її неможливо розкласти на інші речовини. Однак відомо, що не розкладається чимало складних речовин, наприклад оксиди SiO₂, Аl₂О₃, а проста речовина озон легко перетворюється на іншу — кисень: 2О₃ = 3О₂. Не розрізняв елемент і просту речовину англійський дослідник Джон Дальтон.

На межі XIX—XX ст. фізики встановили, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів. Відтоді почали визначати хімічний елемент як вид атомів з певним зарядом ядра. Нині, характеризуючи якісний склад води, восьмикласник/восьмикласниця скаже, що ця речовина складається з молекул, які містять атоми двох видів (із зарядами ядер +1 і +8). Отже, вода є сполукою двох хімічних елементів — Гідрогену та Оксигену.

Думаймо

Яким експериментом ви визначите якісний склад води?

Спроби класифікації хімічних елементів. У часи становлення науки хімії дослідники намагалися «навести порядок» серед кількох десятків відомих тоді хімічних елементів, тобто згрупувати їх за певними ознаками.

Класифікацію простих речовин, на основі якої пізніше виникла одна з класифікацій хімічних елементів, запропонував наприкінці XVIII ст. Лавуазьє. Він поділив прості речовини на метали і неметали. Така класифікація була надто загальною і недосконалою. Наприклад, прості речовини графіт і телур за певними властивостями нагадували метали, а за іншими — неметали. Однак поділ простих речовин на дві великі групи мав важливе значення в розвитку хімії.

Думаймо

Які фізичні властивості, що має графіт, є характерними для металів?

Серед металів і серед неметалів були речовини, дуже подібні між собою. Хіміки об’єднали їх у родини, які отримали такі назви: лужні метали, галогени, інертні гази.

Лужні метали. Це — літій, натрій, калій, рубідій, цезій, францій. Вони легкі, м’які (мал. 57), легкоплавкі, виявляють дуже високу хімічну активність (мал. 58). Перебуваючи в повітрі, лужні метали швидко взаємодіють з киснем і водяною парою, тому їх зберігають у гасі в герметично закритих посудинах (мал. 59) або ампулах, з яких видалено повітря. Зазначені метали назвали лужними, оскільки вони реагують з водою з утворенням лугів — розчинних речовин із загальною формулою МОН(М — символ металічного елемента).

Мал. 57. Натрій можна різати ножем

Мал. 58. Реакція цезію з водою

Мал. 59. Так зберігають лужні метали

Відшукаймо

Кілька металів називають лужноземельними. За відомостями з інтернету з’ясуйте, які це метали, а також походження назви «лужноземельні».

Галогени. Таку загальну назву мають неметали фтор, хлор, бром і йод. Ці прості речовини складаються із двоатомних молекул: F₂, Сl₂, Вr₂, I₂. За стандартних умов фтор і хлор — гази, бром — рідина, а йод — тверда речовина (мал. 60).

Мал. 60. Хлор, бром і йод

Галогени є дуже активними в хімічних реакціях. Вони взаємодіють з багатьма металами, неметалами, складними речовинами. Вам відома сполука Натрію з Хлором — кухонна сіль NaCl; її можна одержати за реакцією металу натрію з неметалом хлором. Назва «галогени» походить від грецького слова «галос» — сіль.

Інертні гази. Ці прості речовини — гелій, неон, аргон, криптон, ксенон і радон — було відкрито в другій половині XIX ст. Їх назвали інертними газами, оскільки вони не взаємодіяли з жодною речовиною. У минулому столітті дослідники виявили, що криптон, ксенон і радон реагують з найактивнішим неметалом фтором. Тому було запропоновано іншу назву інертних газів — благородні гази.

Обговорюймо

Назва неіснуючої планети, на якій народився герой коміксів Супермен, — Криптон. Чому, на ваш погляд, так назвали планету творці цих коміксів?

Варто знати

Гелій спочатку виявлено на Сонці й аж через 13 років — на нашій планеті.

Інертні (благородні) гази складаються не з молекул, як інші гази, а з атомів.

Хімічні елементи, які утворюють розглянуті родини простих речовин, мають аналогічні загальні назви: лужні елементи, галогени, інертні елементи.

Наприкінці 20-х років XIX ст. німецький науковець Йоган-Вольфганг Деберайнер поділив частину подібних елементів на трійки, або тріади:

Li, Na, К / Са, Sr, Ba / S, Se, Те / Cl, Br, I / Fe, Co, Ni

У першій тріаді бачимо лужні елементи, у четвертій — галогени. Розмістивши хімічні елементи у тріадах за збільшенням відносних атомних мас, Деберайнер виявив цікаву закономірність: напівсума відносних атомних мас двох крайніх у тріаді елементів приблизно чи точно дорівнювала відносній атомній масі «центрального» елемента. Для першої тріади:

Крім того, властивості простої речовини та сполук цього елемента виявилися «проміжними» порівняно з властивостями простих речовин і сполук двох сусідніх елементів у тріаді.

Розвязуймо задачу

Обчисліть напівсуму відносних атомних мас Хлору та Йоду і порівняйте її зі значенням відносної атомної маси Брому.

Сформувати тріади з інших елементів Деберайнеру не вдалося.

У 1865 р. англійський дослідник Джон Ньюлендс розмістив відомі тоді хімічні елементи за збільшенням відносних атомних мас у ряд:

Н Li Be В С N О F Na Mg Al Si P S Cl К Ca Cr Ті Μn Fe ...

Він помітив, що в багатьох випадках кожний восьмий елемент подібний до обраного за перший. Подібними були й відповідні прості речовини. Цікаво, що таку особливість має звуковий ряд у музиці: кожна перша і восьма ноти мають однакові назви, а їх звучання людина сприймає як майже однакове.

Думаймо

Укажіть у наведеному ряду хімічні елементи, подібні до Калію.

Закономірність, виявлену Ньюлендсом, назвали правилом октав. Вона спостерігалася на початку ряду елементів, але далі порушувалася (мал. 61). Наприклад, Манган не був подібним до Фосфору, а Ферум — до Сульфуру. Число 8, як свідчить історія хімічної науки, спочатку вважали якимось магічним, але після з’ясування будови атома воно отримало наукове обґрунтування (розділ 3).

Мал. 61. «Октави» хімічних елементів

Ще одну спробу класифікації хімічних елементів здійснив у 1862 р. німецький хімік Лотар-Юліус Маєр. Він оприлюднив таблицю, у якій розмістив 28 елементів (значно менше, ніж було відомо тоді) за збільшенням відносних атомних мас (табл. 3). У кожному стовпчику таблиці були розміщені подібні елементи.

Таблиця 3

Таблиця хімічних елементів Маєра*

Значення валентності**
IV	IIІ	II	I	I	II
...	...	...	...	Li 7,03	(Be 9,3?)
С 12,0	N 14,04	О 16,00	Fl 19,0	Na 23,05	Mg 24,0
Si 28,5	Р 31,0	S 32,07	Cl 35,46	К 39,13	Ca 40,0
...	As 75,0	Se 78,8	Br 79,97	Rb 85,4	Sr 87,6
Sn 117,6	Sb 120,6	Те 128,3	I 126,8	Cs 133,0	Ba 137,1
Pb 207,0	Bi 208,0	...	...	(Tl 204?)	...

* У клітинках наведено використані Маєром відносні атомні маси.

** Про валентність хімічних елементів ітиметься в розділі 3.

Думаймо

Укажіть стовпчики з елементами-галогенами і лужними елементами.

Розглянуті спроби науковців здійснити класифікацію хімічних елементів охоплювали лише їх частину, але створили передумови для відкриття періодичного закону.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про спроби класифікації хімічних елементів.

Думаймо

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам/однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ

Перевірмо себе

1. Що раніше вважали хімічним елементом і як його визначають нині?

2. Укажіть серед наведених ознак ті, які використали Лавуазьє, Деберайнер, Ньюлендс і Маєр для класифікації простих речовин та хімічних елементів: властивості простих речовин, поширеність елементів у природі, склад характерних сполук, значення відносних атомних мас.

3. Проаналізуйте твердження.

І. Є хімічні елементи, які утворюють лише прості речовини.

II. Галогени — загальна назва кількох хімічних елементів, а також кількох неметалів.

Чи є з-поміж них правильні?

А. Правильне лише І

Б. Правильне лише II

В. Обидва правильні

Г. Немає правильних

Аналізуймо

4. Порівняйте ряд елементів Ньюлендса з їх послідовністю в періодичній таблиці та вкажіть відмінності.

5.* Відкоригуйте речення, наведене у Вікіпедії: Лужні метали — елементи І групи періодичної системи за винятком водню.

У команді