Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов

Представление о химических
элементах возникает при попытках установить состав вещества. Простейшей процедурой
для этого является химическое разложение или химический анализ, в результате
которого получаются вещества, не подвергающиеся дальнейшему разложению. Эти
вещества и есть химические элементы, первоначально называвшиеся «простыми
телами», в отличие от «сложных тел», состоящих из нескольких простых тел.
Решающее значение в химии элементов сыграло открытие кислорода, в результате
чего была опровергнута бытовавшая до того гипотеза о флогистоне —
некотором «невесомом теле». Постепенно химикам стали известны, наряду с уже
известными алхимикам семи металлами, также водород, азот, сера, фосфор,
углерод, а Д. И. Менделееву к 1869 г. были известны уже 62 элемента. В эти
же годы параллельно решалась другая, не менее важная проблема, проблема химического
соединения. Первым начал решать ее немецкий химик Иеремий Рихтер, открывший
в результате законы стехиометрии и введший понятия эквивалентов и
эквивалентного веса. Замечательный французский химик Ж. Пруст первым в
1801-1808 гг. установил закон постоянства состава вещества, согласно
которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго
определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Точная его
современная формулировка такова: всякое чистое вещество независимо от его
происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретически
обосновал этот закон Пруста и установил в 1803 г. другой, не менее важный

закон, закон
кратных отношений, английский химик и физик, фактический создатель
химического атомизма Дж. Дальтон. (Он же первым описал дефект зрения, которым
страдал сам и который получил позже название дальтонизм). Закон кратных
отношений Дальтона гласит: если определенное количество одного элемента
вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то
количества первого и второго элементов относятся между собой как целые числа. После
трудов Берцелиуса, Гей-Люссака и Либиха этот закон стал одним из самых
фундаментальных законов химии. Дальтон ввел в химию такое, как оказалось,
основополагающее понятие как атомный вес, которое сыграло во многих
случаях решающую роль. Так, например, его роль в поисках системообразующего и
системоупорядочивающе-го факторов в проблеме элементов, предпринимаемых в
течение столетия со времени открытия кислорода англичанином Дж. Пристли, шведом
К. Шееле и французом А. Л. Лавуазье, оказалась решающей и удалась великому
русскому химику Д. И. Менделееву.

В качестве системного фактора он
установил именно атомный вес, который упорядочивает химические элементы
в периодический закон. Исследование этого периодического закона, или
периодической таблицы элементов, через 70 лет после Менделеева уже в квантовой
механике, показало, что индивидуальные свойства и положение каждого из
элементов в таблице определяются, на самом деле, не атомным весом, а электрическим
зарядом атомного ядра. Кроме того, оказалось, что атомов одного и того же
элемента, например, хлора, может быть два, различающихся по атомному весу, но
имеющих один и тот же ядерный заряд. Такие различающиеся по массе элементы стали
называть изотопами. Всего же разных

элементов к началу XXI столетия известно 118.
Распространенность же элементов различна. Так, установлено, что в составе
земной коры, морской воды и атмосферы содержится приблизительно 49,5% —
кислорода, 25,3% — кремния, 7,5% — алюминия, 5,1% — железа, 3,4% — кальция,
2,6% — натрия, 2,4% – калия, 1,9% — магния, 0,9% — водорода, остальных же
элементов менее 1%. В этом последнем проценте скрыта и доля углерода, основы
жизни на Земле.

Из
элементов, указанных выше, человечество особо интенсивно использует металлы и
керамики, изготавливаемые на основе кремния. Предполагается, что в недалеком
будущем основными материалами станут керамики, а также элементоорганические
соединения, использующие в своем синтезе редко распространенные, а потому
дорогие такие элементы, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден,
вольфрам и ряд редкоземельных элементов.

Концепции
структурной химии основываются на концепции атомистики, возрожденной
англичанином Дж. Дальтоном, на учении шведа Йенса Берцелиуса, позднее подробно
разработанных и уточненных немецким химиком Ф. Кекуле и нашим выдающимся
соотечественником А. М. Бутлеровым. Берцелиуса интересовал вопрос об упорядоченности
или произволе в объединении атомов в молекулах, на путях решения которого он
разработал новую теорию строения химического вещества, а также произвел такое
точное измерение атомных весов элементов, что они практически совпадают с
современными дан-

ными. Символика
химических элементов, формулы соединений и химических уравнений также
предложены Бер-целиусом в 1814 г. В качестве символа элемента он предложил
принимать первую букву его латинского или греческого названия. В тех случаях,
когда элементы начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква
названия. Берцелйус предложил все вещества разделить на органические и
неорганические.

Но главное, что необходимо знать,
так это то, что Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы
химических элементов обладают различной электроот-рицателъностью и,
объединяясь между собой в молекулы, не компенсируют полностью свои заряды,
оставаясь электрозаряженными. Так были заложены основания понятия «структура»и «электрохимия».

Дальнейшее развитие теория
Берцелиуса получила в работах немецкого химика Ф. Кекуле. Он сформировал
основные положения теории валентности, обосновал наличие для углерода
четырех единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода соответственно трех,
двух и одной. Впоследствии, через несколько десятилетий, в квантовой механике
все это получило объяснение. Число единиц сродства, присущее атому того или
иного элемента, получило название «валентность». Объединение атомов в
молекулу происходит в результате замыкания свободных единиц сродства
(валентности). Так образуются простейшие молекулы вроде молекул водорода, воды,
и так же образуются очень важные в органике углерод-углеродные цепи. Комбинируя
атомы разных элементов, можно создать структуры (структурные формулы) любого
химического соединения. Но не каждая из формул, которая может быть записана,
осуществляется в природе.

Заслугой теории валентности
Кекуле стало представление об атомной структуре сначала углеводородов, а затем
и для других органических соединений. Несколько позднее, в 1874 г., датский
химик Я. Г. Вант-Гофф выдвинул смелое предположение, согласно которому четыре
связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого
находится этот атом. Так в химии возникли и стали укрепляться пространственные
модели молекул, после чего началось бурное развитие структурной химии.

Русский химик А. М. Бутлеров
показал, что необходимо учитывать, помимо методики составления формул по
Кекуле, еще так называемую химическую активность реагентов. Идеи
Бутлерова блестяще подтвердились квантовой механикой, так что, согласно
современным воззрениям, структура молекул — это пространственная и
энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов.
Главное, чему способствовали учения Кекуле и Бутлерова, так это синтезу
сначала простейших, а затем и более сложных углеводородов. Но, вместе с тем,
структурная химия не смогла решить проблемы получения этилена, бензола,
ацетилена, дефи-нила (необходимого при производстве каучука) и других углеводородов
с цепочкой из четырех атомов углерода. Решение этой проблемы требовало
нефтехимическое производство, и оно оказалось возможным в третьей из указанных
нами концептуальных химических систем, посредством химической кинетики и
термодинамики. Другими крупными недостатками органического синтеза являются
низкие выходы продуктов, большие побочные отходы, но особенно использование
дорогостоящего сырья сельскохозяйственного производства — зерна, жиров,
молочных продуктов.