Тріади Деберейнера • Іван Харитонов • Науково-популярні завдання на "Елементи" • Хімія

Тріади Деберейнера

У 1829 році німецький хімік Іоганн Вольфганг Деберейнер зробив першу значиму спробу систематизації елементів (Д. І. Менделєєв сформулював свій періодичний закон на 40 років пізніше, в 1869 році). Деберейнер зауважив, що деякі подібні за своїми хімічними властивостями елементи можна об'єднати по три в групи, які він назвав тріадами:

а) Li, Na, K
б) Ca, Sr, Ba
в) P, As, Sb
г) S, Se, Te
д) Cl, Br, I

І хоча зараз ми знаємо, що Деберейнер мав рацію, його сучасники без ентузіазму поставилися до його припущеннями, вказуючи на неточність і неповноту цієї системи.

завдання

Подумайте, які аргументи міг привести Деберейнер (на користь об'єднання в тріади) і які могли привести його опоненти (проти такого об'єднання)? Підкріпіте свої припущення прикладами відповідних хімічних реакцій або з'єднань.


Підказка

Для підтвердження ідеї Деберейнера зверніть увагу на вищі ступені окислення.
Для спростування – спробуйте розглянути окислювально-відновні реакції і різні стани у вигляді простого речовини або різних з'єднань.


Рішення

1. З підтвердженням закону все досить просто.

а) М = (Li, Na, K). Для першої групи справедливо,що всі ці метали мають дуже сильні відновні властивості – достатні, щоб доводити навіть водень до ступеня окислення -1:
2M + H2 = 2MH,

і відновлюють водень із води:
2H2O + 2М = 2МOH + H2↑,

з галогенами утворюють утворює добре розчинні у воді солі:
2M + I2 = 2MI
2M + F2 = 2MF
2M + Cl2 = 2MCl
2M + Br2 = 2MBr

При цьому метали ЗАВЖДИ мають ступінь окислення або +1 або 0:
2M + 2HCl (разб.) = 2MCl + H2
2M + 3H2SO4 (Конц.) = 2MHSO4 + SO2↑ + 2H2O
3M + 4HNO3 (Разб.) = 3MNO3 + NO ↑ + 2H2O
2M + H2 = 2MH
4M + O2 = 2M2O
2M + S = M2S
6M + N2(Волог.) = 2M3N
6M + N2 = 2M3N
2M + 2C = M2C2
4M + Si = M4Si
2M + 2NH3 = 2MNH2 + H2
2M + NH3 = M2NH + H2
2NH3 + 2M = 2MNH2 + H2
NH3 + 2M = M2NH + H2.

б) M = (Ca, Sr, Ba). Метали другої групи – теж досить сильні відновники, але не такі активні, як метали першої групи; також відновлюють водень із води, але при цьому без вибуху:
2H2O + M = M (OH)2 + H2↑,

з галогенами вони утворюють сполуки в ступені окислення +2:
M + F2 = MF2
M + Cl2 = MCl2
M + Br2 = MBr2
M + I2 = MI2.

В принципі, метали другої групи вважають за краще з'єднання в ступені окислення +2, ступінь окислення +1 зустрічається вкрай рідко; відповідно, у вигляді металів вони знаходяться в ступені окислення 0:
2CO2 + 5M = MC2 + 4MO
2P (красн.) + 3M = M3P2
2M + O2 = 2MO
V2O5 + 5M = 2V + 5MO
Cr2O3 + 3M = 2Cr + 3MO
2CrCl3 + 3M = 2Cr + 3MCl2
M + 2H2O = M (OH)2↓ + H2
2M + H2O (пар) = MO + MH2
M + 2HCl (разб.) = MCl2 + H2
4M + 10HNO3 (Разб.) = 4M (NO3)2 + N2O ↑ + 5H2O
4M + 10HNO3 (Оч. Разб.) = 4M (NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
M + H2 = MH2
2M + O2 = 2MO
M + S = MS
3M + N2 = M3N2
3M + 2P (красн.) = M3P2
M + 2C (графіт) = MC2
6M + 2NH3 (Г) = M3N2 + 3MH2
M + 6NH3 (Ж) = [M (NH3)6] (Син.)
M + 2NH3 (Ж) = M (NH2)2↓ + H2
2As + M = MAs2
M + H2 = MH2
M + 2H2O = M (OH)2 + H2
3M + N2 = M3N2
M + 6NH3 = M (NH3)6

в) M = (P, As, Sb). Всі три елементи третьої групи виявляють себе і як окислювачі, і як відновники:
3Zn + 2M = Zn3M2
10NO + 4M = 5N2 + M4O10
10NO2 + 8M = 5N2 + 2M4O10
2M (красн.) + 3Ca = Ca3M2
5HNO3 (Конц.) + M = H3MO4 + 5NO2↑ + H2O.

Є ступеня окислення -3, 0, +3, +5:
5HClO3 + 6M + 9H2O = 5HCl + 6H3MO4
2M + 3Cl2 = 2MCl3
2M + 8H2O = 2H3MO4 + 5H2
3M + 5HNO3 + 2H2O = 3H3MO4 + 5NO
4M + 10S = M4S10.

г) M = (S, Se, Te). Елементи з четвертої групи виявляють як окислювальні, так і відновні властивості:
H2 + M = H2M
2M + Br2 = M2Br2
M + 3F2 = MF6,

утворюють стійкі з'єднання в ступенях окислення -2, 0, +4, +6, що є досить характерною рисою:
M + H2 = H2M
2Ag + M = Ag2M
Zn + M = ZnM
Ni + M = NiM (черн.)
2Li + M = Li2M
2LiH + 2M = Li2M + H2M
C + 2M = CM2
CO + M = CMO
NaCN (разб.) + M = NaNCM
KCN (разб.) + M = KNCM
Mi + M = MiM
Mi + 2M = MiM2
Mn + 2M = MnM2
PbO2 + 2M = PbM + MO2
2PbCO3 + 3M = 2PbM + 2CO2 + MO2
2NO2 + 2M = N2 + 2MO2
4P (красн.) + 9M = P4M9
P4O6 + 9M = P4M6 + 3MO2
2NaH + 2M = Na2M + H2M
2Na2O2 + M = Na2MO3 + Na2O
P4M3 + 2M = P4M5

д) M = (Cl, Br, I). Для п'ятої групи, галогенів, краща ступінь окислення -1 і 0, але також є +1, +3, +5, +7. Ступені окислення +2, +4 нестійкі. Всі ці елементи – неметали та мають, мабуть, найбільший набір ступенів окислення (і, відповідно, характерних з'єднань з іншими елементами таблиці Менделєєва):
Na2SO3 + 2NaOH + M2 = Na2SO4 + 2NaM + H2O
K2SO3 + 2KOH (конц.) + M2 = K2SO4 + 2KM + H2O
2Na + M2 = 2NaM
Zn + M2 = ZnM2
Ca + M2 = CaM2
Ba + M2 = BaM2
2Cr (порошок) + 3M2 = 2CrM3
2K + M2 = 2KM
2Ag + M2 = 2AgM
2Rb + M2 = 2RbM
SM + 2M2 = SMM4
2NH2OH + 2KOH (разб.) + M2 = N2↑ + 2KM + 4H2O
2NaOH (хол.) + M2 + H2S (г) = 2NaM + S ↓ + 2H2O
M2 + 2NaOH (разб.) = NaM + NaMO + H2O
3M2 + 6NaOH (гор.) = 5NaM + NaMO3 + 3H2O
M2 + 5O3 + H2O = 2HMO3 + 5O2
5M2 + 2P (красн.) + 8H2O = 2H3PO4 + 10HM
M2 + 2Na = 2NaM
M2 + 7KrF2 = 2MF7 + 7Kr
M2 + 5H2O2 (Конц., Гір.) = 2HMO3 + 4H2O
M2 (Суспензія) + H2S (насичений.) = 2HM + S ↓
M2 + SO2 + 2H2O = 2HM + H2SO4
HMO + M2 = M2• HMO
2Cr + 3M2 = 2CrM3 (Черн.)
Cr + M2 = CrM2 (Красн.)
Fe + M2 = FeM2
2Al (порошок) + 3M2 = 2AlM3
Na2CO3 (Конц., Гір.) + 3M2 = 5NaM + NaMO3 + 3CO2
H2 + M2 = 2HM
M2 + AgNO3 = AgM + MNO3
M2 + H2SO3 + H2O = H2SO4 + 2HM
M2 + 10HNO3 = 2HMO3 + 10NO2 + 4H2O
2M2 + 3O3 = M4O9
N2H4 + 2M2 = 4HM + N2

2. А ось зі спростуванням все набагато цікавіше.

а) Для першої групи все досить просто, треба розглянути реакції з киснем або озоном:

літій завжди буде утворювати оксиди:
4Li + O2 = 2Li2O,

натрій прагне утворювати пероксиди:
2Na + O2= Na2O2,

а калій – надпероксида або супероксиди:
K + O2 = KO2,
а при реакції з озоном:
K + O3 = KO3.

б) З другою групою виникають значні проблеми, але, загалом, теж на дрібницях можна спробувати зіграти:

кальцій не утворює озонідов, тобто
МО2 + O3 = MO3 (M = Sr, Ba),

а Ba (OH)2 непогано розчинний у воді – на відміну від своїх сусідів по групі. Оскільки в неорганічної хімії взагалі малорозчинних гідроксидів, це дуже важливо.

в) Фосфор, на відміну від своїх сусідів по групі, представляє стабільну систему з тетраедрів P4 (На відміну від миш'яку і сурми, які мають металеву решітку, а також утворюють стійкий оксид M4O6 (На відміну від фосфору, який миттєво на повітрі окислюється від P4O7 до P4O9 – да, тут шкільні підручники брешуть).

У будову вищих оксидів вони теж вельми істотно відрізняються: сурма прагнути утворювати октаедричні структури, а фосфор – тетраедричних; миш'як утворює проміжні варіанти, тобто суміш октаедрів і тетраедрів.

Крім того, Sb2O5 не гігроскопічний (не прагне забрати воду з повітря) і взагалі не розчиняється у воді.

г) Сірка у вигляді простого речовини стійка в схожому на корону стані S8.

Селен при відновленні теж утворює так званий червоний селен Se8, Але він не стійкий і переходить в полімерні ланцюжки.

Телур їх відразу утворює.

Крім того, селеновая кислота утворює стійкі комплекси з золотом і має з'єднання, в якому проявляє ступінь окислення "5+": Se2O5.

Телурової солі, як правило, ортосоль, тобто мають залишок у вигляді TeO6(6).

Показовою також є реакція сірчистої, селенистой і теллурістий кислот з йодом:
H2SO3 + I2 = (Реакція не йде)
H2SeO3 + I2 = HIO3 + Se + H2O
H2TeO3 + I2= H4TeI4(OH)2

д) Ну і, нарешті, з галогенами все теж досить очевидно:

хлор – типовий окислювач, йод – типовий відновник, і відносити їх в одну групу, на перший погляд, досить дивно.


Післямова

Проблема систематизації, узагальнення і розуміння структури гостро стоїть у всіх областях знання. Зараз в школі прийнято йти "зворотним" шляхом: від опису електронних орбіталей до хімічними властивостями речовин, і тому мало хто замислюється про те, звідки взагалі з'явилося уявлення про електроном будові. При становленні періодичного закону було багато проблем з тим, що тоді ще були відкриті в повному обсязі елементи, не про всі елементи розуміли, чисте ця речовина або сполука – так званий "лжеелемент", якими, як правило, виступали стійкі оксиди деяких елементів, – і взагалі, чому все складається не з чотирьох першооснов, як до цього припускали алхіміки.

Деберейнер був один з перших, хто вгадав, як слід підходити до систематизації знань хіміків тих часів. Він правильно зрозумів, що треба розглядати залежність хімічних властивостей від атомних ваг. І його закон в початкової формулюванні звучить так: "Якщо розташувати три подібних за хімічними властивостями елемента в порядку зростання їх атомних ваг, то атомна вага другого (середнього) елемента буде дорівнює середньому арифметичному атомних ваг першого і третього".Йому допомогла підтримка шведського хіміка Йёнса Якоба Берцеліуса, який створив прообраз сучасної номенклатури хімічних елементів і сполук. І нарешті, підтвердив його дані Леопольд Гмелін, німецький хімік, який був відомий своїми роботами з вивчення атомних ваг елементів.

Замість назви "таблиця Менделєєва" за кордоном вживається назва "періодична система елементів", що в деякій мірі справедливо, тому що над її створенням працювало досить багато вчених-хіміків. Хоча треба зазначити, що Менделєєв зумів розвинути і підвести риску над більш ніж сорокарічним пошуком – більш того, він передбачив властивості і атомну масу ще трьох невідкритих на той момент елементів, і якби не смерть, то він, мабуть, мав би отримати Нобелівську премію.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: