Пособие-репетитор по химии. Периодический закон и периодическая система

Периодический закон Дмитрия Ивановича Менделеева — один из фундаментальных законов природы, который увязывает зависимость свойств химических элементов и простых веществ с их атомными массами. В настоящее время закон уточнен, и зависимость свойств объясняется зарядом ядра атома.

Закон был открыт русским ученым в 1869-м году. Менделеев представил его научному сообществу в докладе съезду Русского химического общества (доклад был сделан другим ученым, так как Менделеев был вынужден срочно выехать по заданию Вольного экономического общества Петербурга). В этом же году вышел учебник «Основы химии», написанный Дмитрием Ивановичем для студентов. В нем ученый описал свойства популярных соединений, а также постарался дать логическую систематизацию химических элементов. Также в нем впервые была представлена таблица с периодически расположенными элементами, как графическая интерпретация периодического закона. Всее последующие годы Менделеев совершенствовал свою таблицу, например, добавил столбец инертных газов, которые были открыты спустя 25 лет.

Научное сообщество далеко не сразу приняло идеи великого русского химика, даже в России. Но после того, как были открыты три новых элемента (галлий в 1875-м, скандий в 1879-м и германий в 1886-м годах), предсказанные и описанные Менделеевым в своем знаменитом докладе, периодический закон был признан.

• Является всеобщим законом природы.
• В таблицу, графически представляющую закон, включаются не только все известные элементы, но и те, которые открывают до сих пор.
• Все новые открытия не повлияли на актуальность закона и таблицы. Таблица совершенствуется и изменяется, но ее суть осталась неизменной.
• Позволил уточнить атомные веса и другие характеристики некоторых элементов, предсказать существование новых элементов.
• Химики получили надежную подсказку, как и где искать новые элементы. Кроме этого, закон позволяет с высокой долей вероятности заранее определять свойства еще неоткрытых элементов.
• Сыграл огромную роль в развитии неорганической химии в 19-м веке.

История открытия

Есть красивая легенда о том, что свою таблицу Менделеев увидел во сне, а утром проснулся и записал ее. На самом деле, это просто миф. Сам ученый много раз говорил, что созданию и совершенствованию периодической таблицы элементов он посвятил 20 лет своей жизни.

Все началось с того, что Дмитрий Иванович решил написать для студентов учебник по неорганической химии, в котором собирался систематизировать все известные на этот момент знания. И естественно, он опирался на достижения и открытия своих предшественников. Впервые внимание на взаимосвязь атомных весов и свойств элементов обратил немецкий химик Дёберейнер, который попытался разбить известные ему элементы на триады с похожими свойствами и весами, подчиняющимися определенному правилу. В каждой тройке средний элемент имел вес, близкий к среднему арифметическому двух крайних элементов. Ученый смог таким образом образовать пять групп, например, Li-Na-K; Cl-Br-I. Но это были далеко не все известные элементы. К тому же, тройка элементов явно не исчерпывала список элементов с похожими свойствами. Попытки найти общую закономерность позже предпринимали немцы Гмелин и фон Петтенкофер, французы Ж. Дюма и де Шанкуртуа, англичане Ньюлендс и Одлинг. Дальше всех продвинулся немецкий ученый Мейер, который в 1864-м году составил таблицу, очень похожую на таблицу Менделеева, но она содержала лишь 28 элементов, в то время как было известно уже 63.

В отличие от своих предшественников Менделееву удалось составить таблицу, в которую вошли все известные элементы, расположенные по определенной системе. При этом, некоторые клетки он оставил незаполненными, примерно вычислив атомные веса некоторых элементов и описав их свойства. Кроме этого, русскому ученому хватило смелости и дальновидности заявить, что открытый им закон является всеобщим законом природы и назвал его «периодическим законом». Сказав «а», он пошел дальше и исправил атомные веса элементов, которые не вписывались в таблицу. При более тщательной проверке, оказалось, что его исправления верны, а открытие описанных им гипотетических элементов стало окончательным подтверждением истинности нового закона: практика доказала справедливость теории.

Главный закон, управляющий миром химических элементов, открыл великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев.

Ко времени этого открытия было известно 63 химических элемента. Накопилось огромное количество сведений и об их свойствах. Однако, изобилие не осмысленных с единой точки зрения фактов было источником трудностей и путаницы в химии. Гениальный русский химик, открыв закон, которому подчиняются свойства элементов, а также и строение атомов, разрешил эти трудности.

Дмитрий Иванович Менделеев.

Тщательно изучая и сопоставляя свойства химических элементов, он стремился раскрыть тайны далекого и близкого их родства.

Менделеев так описывает, свои искания: «...невольно зарождается мысль о том, что между массой и химическими особенностями элементов необходимо должна быть Связь... Искать же что-либо - хотя бы грибов или какую-либо зависимость - нельзя иначе, как смотря и пробуя. Вот я и стал подбирать, написав на отдельных карточках элементы с их атомными весами и коренными свойствами, сходные элементы и близкие атомные веса, что быстро и привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса...»
Расположив элементы в порядке нарастания атомных весов, ученый получил ряды элементов; в каждом из рядов свойства элементов периодически повторяются.

По определению самого Менделеева, открытый им периодический закон заключается в том, что «свойства элементов (а следовательно, и образованных ими простых и сложных тел) находятся в периодической зависимости от их атомных весов».

Великую прозорливость проявил Менделеев, открыв периодичность в мире элементов, в то время когда множество элементов не было еще открыто, а атомные веса некоторых из известных элементов были определены неверно. Но доказать неопровержимо существование этой закономерности оказалось делом чрезвычайно трудным.

Когда Менделеев в своих изысканиях исходил из атомных весов, встречавшихся в работах того времени, периодичность нередко нарушалась.

Но ученый не стал в тупик. Он твердо был убежден в существовании периодической зависимости свойств элементов от их атомных весов. И когда он наблюдал нарушения периодичности, для него был возможен лишь один-единственный вывод, - очевидно, неверны или неполны данные, которыми располагала наука. Он исправлял на основании теоретических расчетов атомные веса некоторых элементов. Так было с индием, платиновыми металлами, ураном и другими элементами; позднейшие, более точные измерения их весов подтвердили правильность этих исправлений.

В 1869 году, опубликовав в журнале Русского химического общества свою работу «Соотношение свойств с атомным весом элементов», Менделеев познакомил ученый мир с открытым им периодическим законом. К статье была приложена таблица периодической системы элементов. Излагая сущность открытого закона, великий ученый указывал также на существование еще неизвестных науке элементов.

В таблице Менделеева химические элементы располагаются в порядке возрастания их атомного веса.

Много мест в своей системе Менделеев оставил для еще не открытых элементов, примерный атомный вес и другие свойства которых ученый высчитал, учитывая характер соседних элементов. Менделеев впервые в истории химии предсказал существование неизвестных элементов. Он писал, что должны существовать еще элементы, которые он назвал экаалюминием, экабором и экакремнием.

Ряд ученых отнесся к предсказанию русского ученого с большим недоверием.

Но вот в августе 1875 года французский ученый Лекок де Буа-бодран путем спектрального анализа обнаружил в цинковой обманке новый элемент, названный им галлием (Галлия - старинное наименование Франции).

В 1879 году известный шведский химик Нильсон открыл второй из предсказанных Менделеевым элементов. Свойства скандий, как назвал новый элемент Нильсон, полностью совпали со свойствами предсказанного Менделеевым экабора. Оправдались даже опасения русского ученого, что открытию экабора в минералах будет мешать присутствие другого химического элемента - иттрия.

«Таким образом, - заканчивает Нильсон свое сообщение об открытии нового элемента, - подтверждаются соображения русского химика, которые не только позволили предсказать существование названных элементов - скандия и галлия, но и предвидеть заранее их важнейшие свойства».

Наконец в 1886 году немецкий ученый Винклер открыл третий предугаданный Менделеевым элемент. В своем сообщении об этом Винклер указывал, что новый элемент - германий - как раз и есть предсказанный Менделеевым экакремний.

Это было полное торжество открытия Менделеева.

Фридрих Энгельс писал, что открытием периодического закона Менделеев «совершил научный подвиг».

Открытие Менделеева явилось могучим подтверждением одного из основных законов диалектики - закона перехода количества в качество.

Свойства химических элементов зависят от атомных весов. Закон перехода количества в качество, как писал Фридрих Энгельс, «имеет силу... и для самих химических элементов».

Одним из укрепителей периодического закона Д. И. Менделеева был известный чешский ученый Богуслав Браунер (1855-1935). Браунер своими работами подтвердил, что место, указанное Менделеевым для химического элемента бериллия в системе, является правильным. Отсюда и атомный вес этого элемента, высчитанный русским ученым на основании периодического закона, тоже правилен.

Менделеев с благодарностью писал потом о работе Б. Ф. Браунера, вспоминая, как часто ему «приходилось слышать о том, что вопрос об атомном весе бериллия грозит поколебать общность периодического закона, может потребовать глубоких в нем преобразований».

Атомный вес церия Менделеев исправил на основании открытого им закона с 92, как было признано всеми, на 138. Это вызвало бурный протест со стороны некоторых ученых.

«Как, - писал химик Раммельсберг, - исправлять атомные веса, руководствуясь какой-то таблицей! Да это чистейшей воды спекуляция!- шумел он. - Это подгон фактов под какую-то схему!»
Менделеев ответил на это: «Я полагаю, что ныне не должно, невозможно делать какие-либо точные соображения об элементах, минуя закон периодичности».

Позднее Браунер своими работами подтвердил правильность атомного веса церия, теоретически выведенного Менделеевым. Браунер же, а затем и английский физик Мозли указали на необходимость выделения в особое место так называемых редкоземельных элементов.

В 1884 году ученый-революционер Н. А. Морозов, находясь в заключении в Шлиссельбургской крепости, закончил там свою работу по анализу таблицы Менделеева. Он тоже теоретически предсказал существование группы химических элементов - инертных газов.

Принадлежность элемента к той или иной группе таблицы Менделеева указывает на количество протонов и нейтронов в ядре атома элемента и количество электронов в электронной оболочке.

Принадлежность элемента к тому или иному периоду таблицы Менделеева говорит о количестве слоев в электронной оболочке атома.

Там, где теперь в таблице Менделеева поставлены «благородные газы» - гелий, неон, аргон и другие, у Морозова были числа 4, 20, 40 и т. д., показывающие атомные веса недостающих элементов. Все эти химические элементы были выделены Морозовым в отдельную, нулевую группу.

Предвидение русских ученых было подтверждено работами английских ученых Релея и Рамзея, открывших инертные газы.

Неоспоримо величие русского гения - Менделеева. Но все же нашлись люди, которые пытались отнять у Менделеева право называться автором периодического закона. Менделеев вступил в борьбу за приоритет России в открытии периодического закона.

«Утверждение закона, - писал он, - возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и неожидаемых, и оправдания тех следствий в опытной проверке. Потому-то, увидев периодический закон, я со своей стороны (1869-1871 гг.) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать, верен ли он или нет... Без такого способа испытания не может утвердиться ни один закон природы. Ни Шанкуртуа, которому французы приписывают право на открытие периодического закона, ни Ньюлендс, которого выставляют англичане, ни Л. Мейер, которого цитировали иные как основателя периодического закона, не рисковали предугадывать свойства неоткрытых элементов, изменять «принятые веса атомов» и вообще считать периодический закон новым, строго постановленным законом природы, могущим охватывать еще доселе необобщенные факты, как это сделано мною с самого начала».

Предвосхищая позднейшие открытия естествознания, гениальный творец периодического закона предсказал, что атом неделим лишь химическим способом.

С помощью закона Менделеева русские ученые Б. Н. Чичерин и Н. А. Морозов (об их работах говорится ниже) предложили на основании умозрительных положений первую модель атома, в которой он изображается в виде системы тел, напоминающей солнечную систему. Позднейшие опытные исследования и математические расчеты показали, что такое уподобление имеет некоторые основания.

Закон Менделеева - мощное орудие познания природы и ее закономерностей. Все последующее развитие химии и физики шло в непосредственной связи с законом Менделеева и в зависимости от него. Все открытия в этих науках освещались его законом. С помощью этого закона показывался теоретический смысл открытий. В то же время каждое такое открытие приводило к уточнению и расширению закона, не затрагивая его принципиальных основ.

Руководствуясь периодическим законом, наука определила строение атомов всех элементов, которые, как установлено, состоят из электронной оболочки и ядра.

Число электронов возрастает от одного у атома водорода до 101 у атома менделеевия, открытого недавно и названного именем первооткрывателя периодического закона; число это находится в полном соответствии с порядковым номером элемента в системе Менделеева. Заряд ядра равен сумме зарядов электронов. Положительный заряд ядра, уравновешивающий отрицательные электроны, растет от 1 до 101. Положительный заряд ядра - это основное свойство атома, сообщающее ему химическую индивидуальность, так как от положительного заряда ядра зависит число электронов.

Ядро также оказалось сложным: оно состоит из протонов и нейтронов. Это основная масса атома; масса электрона в расчет не принимается, так как она в 1836,5 раза меньше массы протона.

Электроны у всех атомов одинаковы, но располагаются они вокруг ядра в различных слоях. Количество этих слоев раскрывает глубочайшее значение периодов, на которые разбиты все элементы в системе Менделеева. Каждый период отличается от другого наличием у атомов его элементов лишнего электронного слоя.

От строения электронной оболочки зависят химические свойства атома, так как химические реакции связаны с обменом внешних электронов. Кроме того, ряд физических свойств - электро- и теплопроводность, а также и оптические свойства тоже связаны с электронами.

Современная наука все шире и шире раскрывает значение гениального творения Менделеева.

Периодический закон указывал на сходство химических свойств элементов, расположенных в одной группе, то есть в одном и том же вертикальном столбце таблицы.

Теперь это прекрасно объясняется строением электронной оболочки атома. Элементы одной и той же группы имеют одинаковое количество электронов во внешнем слое: элементы первой группы - литий, натрий, калий и другие - имеют по одному электрону во внешнем слое; элементы второй группы - бериллий, магний, кальций и другие - по два электрона; элементы третьей группы - по три, и, наконец, элементы нулевой группы: гелий - два, неон, криптон и другие - по восемь электронов. Это максимальное из возможных количество электронов в наружном слое и обеспечивает данным атомам полную инертность: в обычных условиях они не вступают в химические соединения.

Изотопы.

Современная наука показала, что вес атомов одного и того же элемента может быть не одинаков, - это зависит от различного количества нейтронов в атомном ядре данного химического элемента. Поэтому в отдельной клетке менделеевской таблицы располагается не один тип атомов, а несколько. Такие атомы называются изотопами (в переводе с греческого «изотоп» означает «занимающий одно и то же место»). Химический элемент олово состоит, например, из 12 разновидностей, чрезвычайно близких по свойствам, но с разными атомными весами: средний атомный вес олова 118,7.

Изотопы имеются почти у всех элементов.

Пока обнаружено 300 естественных изотопов, искусственно удалось получить около 800. Но все они закономерно располагаются в 101 клетке таблицы Менделеева.

Все эти открытия, вызванные к жизни законом Менделеева, подчеркивают гениальность русского ученого, открывшего основной закон неживой природы, который, однако, имеет также колоссальное значение и для органического мира.

Искусственное получение новых химических элементов, не существующих в природе.

Системой Менделеева пользуются сейчас ученые и при расщеплении атомов и при создании новых элементов.

Этим атомным законом руководствуются и химики, и физики, и геологи, и агрономы, и строители, и механики, и электрики, и астрономы.

Спектроскоп показал, что элементы, которые существуют на Земле, есть и на других планетах. Те химические превращения, какие происходят у нас, могут протекать и в других частях вселенной.

Современная наука вторглась в недра атома. Родилась новая наука - физика атомного ядра. Воздействуя на атомное ядро, ученые теперь превращают одни элементы в другие, синтезируют такие элементы, которых в земной коре в настоящее время не встречается. К новым, искусственно созданным элементам относится группа заурановых химических элементов. Современная наука открыла путь и к использованию внутриядерной энергии. Все эти открытия неразрывно связаны с законом Менделеева.

Данные о строении ядра и о распределении электронов в атомах позволяют рассмотреть периодический закон и периодическую систему элементов с фундаментальных физических позиций. На базе современных представлений периодический закон формулируется так:

Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

Периодическая таблица Д.И. Менделеева

В настоящее время известно более 500 вариантов изображения периодической системы: это различные формы передачи периодического закона.

Первым вариантом системы элементов, предложенным Д.И.Менделеевым 1 марта 1869 г., был так называемый вариант длинной формы. В этом варианте периоды располагались одной строкой.

В периодической системе по горизонтали имеется 7 периодов, из них первые три называются малыми, а остальные - большими. В первом периоде находится 2 элемента, во втором и третьем - по 8, в четвертом и пятом - по 18, в шестом - 32, в седьмом (незавершенном) - 21 элемент. Каждый период, за исключением первого, начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом (7-й период - незаконченный).

Все элементы периодической системы пронумерованы в том порядке, в каком они следуют друг за другом. Номера элементов называются порядковыми или атомными номерами.

В системе 10 рядов. Каждый малый период состоит из одного ряда, каждый большой период - из двух рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов (четвертом, шестом, восьмом и десятом) находятся одни металлы, и свойства элементов в ряду слева направо изменяются слабо. В нечетных рядах больших периодов (пятого, седьмого и девятого) свойства элементов в ряду слева направо изменяются, как у типических элементов.

Основным признаком, по которому элементы больших периодов разделены на два ряда, является их степень окисления. Их одинаковые значения дважды повторяются в периоде с ростом атомных масс элементов. Например, в четвертом периоде степени окисления элементов от К до Mn изменяются от +1 до +7, затем следует триада Fe, Со, Ni (это элементы четного ряда), после чего наблюдается такое же возрастание степеней окисления у элементов от Cu до Br (это элементы нечетного ряда). То же мы видим в остальных больших периодах, исключая седьмой, который состоит из одного (четного) ряда. Дважды повторяются в больших периодах и формы соединений элементов.

В шестом периоде вслед за лантаном располагаются 14 элементов с порядковыми номерами 58-71, называемых лантаноидами (слово "лантаноиды" означает подобные лантану", а "актиноиды" - "подобные актинию"). Иногда их называют лантанидами и актинидами, что означает следующие за лантаном, следующие за актинием). Лантаноиды помещены отдельно внизу таблицы, а в клетке звездочкой указано на последовательность их расположения в системе: La-Lu. Химические свойства лантаноидов очень сходны. Например, все они являются реакционно-способными металлами, реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода. Из этого следует, что у лантаноидов сильно выражена горизонтальная аналогия.

В седьмом периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90-103 составляют семейство актиноидов. Их также помещают отдельно - под лантаноидами, а в соответствующей клетке двумя звездочками указано на последовательность их расположения в системе: Ас-Lr. Однако в отличие от лантаноидов горизонтальная аналогия у актиноидов выражена слабо. Они в своих соединениях проявляют больше различных степеней окисления. Например, степень окисления актиния +3, а урана +3, +4, +5 и +6. Изучение химических свойств актиноидов крайне сложно вследствие неустойчивости их ядер.

В периодической системе по вертикали расположены восемь групп (обозначены римскими цифрами). Номер группы связан со степенью окисления элементов, проявляемой ими в соединениях. Как правило, высшая положительная степень окисления элементов равна номеру группы. Исключением являются фтор - его степень окисления равна -1; медь, серебро, золото проявляют степень окисления +1, +2 и +3; из элементов VIII группы степень окисления +8 известна только для осмия, рутения и ксенона.

В VIII группе размещены благородные газы. Ранее считалось, что они не способны образовывать химические соединения.

Каждая группа делится на две подгруппы - главную и побочную, что в периодической системе подчеркивается смещением одних вправо, а других влево. Главную подгруппу составляют типические элементы (элементы второго и третьего периодов) и сходные с ними по химическим свойствам элементы больших периодов. Побочную подгруппу составляют только металлы - элементы больших периодов. VIII группа отличается от остальных. Кроме главной подгруппы гелия она содержит три побочные подгруппы: подгруппу железа,подгруппу кобальта и подгруппу никеля.

Химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются. Например, в VII группе главную подгруппу составляют неметаллы F, СI, Вг, I, Аt, побочную - металлы Мn, Тc, Rе. Таким образом, подгруппы объединяют наиболее сходные между собой элементы.

Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения; существует всего 8 форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R 2 O, RО, R 2 O 3 , RO 2 , R 2 O 5 , RО 3 ,R 2 O 7 , RO 4 , где R - элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы (главной и побочной), кроме тех случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы.

Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения, форм таких соединений 4. Их также изображают общими формулами в последовательности RН 4 , RН 3 , RН 2 , RН. Формулы водородных соединений располагаются под элементами главных подгрупп и только к ним относятся.

Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются: сверху вниз усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические. Очевидно, металлические свойства наиболее сильно выражены у франция, затем у цезия; неметаллические - у фтора, затем - у кислорода.

Наглядно проследить периодичность свойств элементов можно и исходя из рассмотрения электронных конфигураций атомов.

Число электронов, находящихся на внешнем уровне в атомах элементов, располагающихся в порядке увеличения порядкового номера, периодически повторяется. Периодическое изменение свойств элементов с увеличением порядкового номера объясняется периодическим изменением строения их атомов, а именно числом электронов на их внешних энергетических уровнях. По числу энергетических уровней в электронной оболочке атома элементы делятся на семь периодов. Первый период состоит из атомов, в которых электронная оболочка состоит из одного энергетического уровня, во втором периоде - из двух, в третьем - из трех, в четвертом - из четырех и т. д. Каждый новый период начинается тогда, когда начинает заполняться новый энергетический уровень.

В периодической системе каждый период начинается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют один электрон, - атомами щелочных металлов - и заканчивается элементами, атомы которых на внешнем Уровне имеют 2 (в первом периоде) или 8 электронов (во всех последующих) - атомами благородных газов.

Далее мы видим, что внешние электронные оболочки сходны у атомов элементов (Li, Na, К, Rb, Cs); (Ве, Mg, Са, Sr); (F, Сl, Вг, I); (Не,Nе, Аг, Kr, Хе) и т. д. Именно поэтому каждая из вышеприведенных групп элементов оказывается в определенной главной подгруппе периодической таблицы:Li, Na, К, Rb, Cs в I группе, F, Сl, Вг, I - в VII и т. д.

Именно вследствие сходства строения электронных оболочек атомов сходны их физические и химические свойства.

Число главных подгрупп определяется максимальным числом элементов на энергетическом уровне и равно 8. Число переходных элементов (элементов побочных подгрупп) определяется максимальным числом электронов на d-подуровне и равно 10 в каждом из больших периодов.

Поскольку в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева одна из побочных подгрупп содержит сразу три переходных элемента,близких по химическим свойствам (так называемые триады Fe-Со-Ni, Ru-Rh-Pd,Os-Ir-Pt), то число побочных подгрупп, так же как и главных, равно 8.

По аналогии с переходными элементами число лантаноидов и актиноидов, вынесенных внизу периодической системы в виде самостоятельных рядов, равно максимальному числу электронов на f-подуровне, т. е. 14.

Период начинается элементом, в атоме которого на внешнем уровне находится один s-электрон: в первом периоде это водород, в остальных - щелочные металлы. Завершается период благородным газом: первый - гелием (1s 2),остальные периоды - элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют электронную конфигурацию ns 2 np 6 .

Первый период содержит два элемента: водород (Z = 1) и гелий (Z = 2). Второй период начинается элементом литием (Z = 3) и завершается неоном (Z = 10). Во втором периоде восемь элементов. Третий период начинается с натрия (Z = 11), электронная конфигурация которого 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 .С него началось заполнение третьего энергетического уровня. Завершается оно у инертного газа аргона (Z = 18), Зs- и 3p-подуровни которого полностью заполнены. Электронная формула аргона: 1s 2 2s 2 2p 6 Зs 2 3p 6 . Натрий - аналог лития, аргон - неона. В третьем периоде, как и во втором,восемь элементов.

Четвертый период начинается калием (Z = 19), электронное строение которого выражается формулой 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p64s 1 . Его 19-й электрон занял 4s-подуровень, энергия которого ниже энергии Зd-подуровня. Внешний 4s-электрон придает элементу свойства, сходные со свойствами натрия. У кальция (Z = 20) 4s-подуровень заполнен двумя электронами: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3р 6 4s 2 .С элемента скандия (Z = 21) начинается заполнение Зd-подуровня, так как он энергетически более выгоден, чем 4р-подуровень. Пять орбиталей 3d-подуровнямогут быть заняты десятью электронами, что осуществляется у атомов от скандия до цинка (Z = 30). Поэтому электронное строение Sc соответствует формуле 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 ,а цинка - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .В атомах последующих элементов вплоть до инертного газа криптона (Z = 36) идет заполнение 4p-подуровня. В четвертом периоде 18 элементов.

Пятый период содержит элементы от рубидия (Z = 37) до инертного газа ксенона (Z = 54). Заполнение их энергетических уровней идет также, как у элементов четвертого периода: после Rb и Sr у десяти элементов от иттрия (Z = 39) до кадмия (Z = 48) заполняется 4d-подуровень, после чего электроны занимают 5p-подуровень. В пятом периоде как и в четвертом, 18 элементов.

В атомах элементов шестого периода цезия (Z = 55) и бария (Z = 56) заполняется 6s-подуровень. У лантана (Z = 57) один электрон поступает на 5d-подуровень, после чего заполнение этого подуровня приостанавливается, а начинает заполняться 4f-подуровень, семь орбиталей которого могут быть заняты 14 электронами. Это происходит у атомов элементов лантаноидов с Z = 58 - 71. Поскольку у этих элементов заполняется глубинный 4f-подуровеиь третьего снаружи уровня, они обладают весьма близкими химическими свойствами. С гафния (Z = 72) возобновляется заполнение d-подуровня и заканчивается у ртути (Z = 80), после чего электроны заполняют 6p-подуровень. Заполнение уровня завершается у благородного газа радона (Z = 86). В шестом периоде 32 элемента.

Седьмой период - незавершенный. Заполнение электронами электронных уровней аналогично шестому периоду. После заполнения 7s-подуровня у Франция (Z = 87) и радия(Z = 88) электрон актиния поступает на 6d-подуровень, после которого начинает заполняться 5f-подуровень 14 электронами. Это происходит у атомов элементов актиноидов с Z = 90 - 103. После103-го элемента идет заполнение б d-подуровня: у курчатовия (Z = 104), нильсбория (Z = 105), элементов Z = 106 и Z = 107. Актиноиды, как и лантаноиды, обладают многими сходными химическими свойствами.

Хотя 3 d-подуровень заполняется после 4s-подуровня, в формуле он ставится раньше, так как последовательно записываются все подуровни данного уровня.

В зависимости от того, какой подуровень последним заполняется электронами, все элементы делят на четыре типа (семейства).

1. s - Элементы: заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. К ним относятся первые два элемента каждого периода.

2. р - Элементы: заполняется электронами р-подуровень внешнего уровня. Это последние 6 элементов каждого периода (кроме первого и седьмого).

3. d - Элементы: заполняется электронами d-подуровень второго снаружи уровня, а на внешнем уровне остается один или два электрона (у Pd - ноль). К ним относятся элементы вставных декад больших периодов,расположенных между s- и р-элементами (их также называют переходными элементами).

4. f - Элементы: заполняется электронами f-подуровень третьего снаружи уровня, а на внешнем уровне остается два электрона. Это лантаноиды и актиноиды.

В периодической системе s-элементов 14, р-элементов 30, d-элементов 35, f-элементов 28. Элементы одного типа имеют ряд общих химических свойств.

Периодическая система Д. И. Менделеева является естественной классификацией химических элементов по электроны структуре их атомов. Об электронной структуре атома, а значит, и свойствах элемента судят по положению элемента в соответствующем периоде и подгруппе периодической системы. Закономерностями заполнения электронных уровней объясняется различное число элементов в периодах.

Таким образом, строгая периодичность расположения элементов в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева полностью объясняется последовательным характером заполнения энергетических уровней.

Выводы:

Теория строения атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов. Возрастание положительных зарядов атомных ядер от 1 до 107 обусловливает периодическое повторение строения внешнего энергетического уровня. А поскольку свойства элементов в основном зависят от числа электронов на внешнем уровне, то и они периодически повторяются. В этом - физический смысл периодического закона.

В малых периодах с ростом положительного заряда ядер атомов возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 - в первом периоде, и от 1 до 8 - во втором и третьем периодах), что объясняет изменение свойств элементов: в начале периода (кроме первого периода) находится щелочной металл, затем металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются свойства неметаллические.

В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение уровней электронами происходит сложнее, что объясняет и более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда число электронов на внешнем уровне остается постоянным и равно 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в этих рядах изменяются крайне медленно. Лишь в нечетных рядах, когда с ростом заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем уровне (от 1 до 8), свойства элементов начинают изменяться так же, как у типических.

В свете учения о строении атомов становится обоснованным разделение Д.И. Менделеевым всех элементов на семь периодов. Номер периода соответствует числу энергетических уровней атомов, заполняемых электронами.Поэтому s-элементы имеются во всех периодах, р-элементы - во втором и последующих, d-элементы - в четвертом и последующих и f-элементы - в шестом и седьмом периодах.

Легко объяснимо и деление групп на подгруппы, основанное на различии в заполнении электронами энергетических уровней. У элементов главных подгрупп заполняются или s-подуровни (это s-элементы), или р-подуровни (это р-элементы) внешних уровней. У элементов побочных подгрупп заполняется (d-подуровень второго снаружи уровня (это d-элементы). У лантаноидов и актиноидов заполняются соответственно 4f- и 5f-подуровни (это f-элементы). Таким образом, в каждой подгруппе объединены элементы, атомы которых имеют сходное строение внешнего электронного уровня. При этом атомы элементов главных подгрупп содержат на внешних уровнях число электронов, равное номеру группы. В побочные же подгруппы входят элементы, атомы которых имеют на внешнем уровне по два или по одному электрону.

Различия в строении обусловливают и различия в свойствах элементов разных подгрупп одной группы. Так, на внешнем уровне атомов элементов подгруппы галогенов имеется по семь электронов подгруппы марганца - по два электрона. Первые - типичные металлы, а вторые - металлы.

Но у элементов этих подгрупп есть и общие свойства: вступая в химические реакции, все они (за исключением фтора F) могут отдавать по 7 электронов на образование химических связей. При этом атомы подгруппы марганца отдают 2 электрона с внешнего и 5 электронов со следующего за ним уровня. Таким образом, у элементов побочных подгрупп валентными являются электроны не только внешних, но и предпоследних (вторых снаружи) уровней в чем состоит основное различие в свойствах элементов главных и побочных подгрупп.

Отсюда же следует, что номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей. В этом - физический смысл номера группы.

Итак, строение атомов обусловливает две закономерности:

1) изменение свойств элементов по горизонтали - в периоде слева право ослабляются металлические и усиливаются неметаллические свойства;

2) изменение свойств элементов по вертикали - в подгруппе с ростом порядкового номера усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические.

В таком случае элемент (и клетка системы) находится на пересечении горизонтали и вертикали,что определяет его свойства. Это помогает находить и описывать свойства элементов, изотопы которых получают искусственным путем.

Периодический закон – основной закон химии – был открыт в 1869 году Д.И. Менделеевым. В то время атом еще считался неделимым и ничего не было известно о его внутреннем строении.

Атомные массы (тогда – атомные веса ) и химические свойства элементов были положены в основу Периодического закона Д.И. Менделеева. Д.И. Менделеев, расположив 63 известных в то время элемента в порядке возрастания их атомных масс, получил естественный (природный) ряд химических элементов, где он отметил периодическую повторяемость химических свойств. Например, типичного неметалла фтор F повторялись у элементов хлор Сl, бром Br, йод I, свойства типичного металла литий Li – у элементов натрий Na и калий К и т.д.

Для некоторых элементов Д.И. Менделеевым не было обнаружено химических аналогов (у алюминия Al и кремния Si, например), в сиу того что в то время такие аналоги известны еще не были. В таблице им предназначались пустые места, но на основе периодической повторяемости ученый предсказал их химические свойства). После открытия соответствующих элементов предсказания Д.И. Менделеева полностью подтвердились (аналог алюминия – галлий Ga, аналог кремния – германий Ge ).

Периодический закон в формулировке Д.И. Менделеева представлен так: в периодической зависимости от величины атомных весов элементов находятся свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов.

Современная формулировка Периодического закона Д.И. Менделеева звучит следующим образом: свойства элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера.

Периодический закон Д.И. Менделеева стал базой для создания ученым Периодической системы химических элементов . Она представлена 7 периодами и 8 группами.

Периодами называются горизонтальные ряды таблицы, которые делятся на малые и большие. 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды) находятся в малых периодах, а в больших периодах находятся 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й период), 7-й период пока остается незавершенным. Каждый период с типичного металла начинается и заканчивается типичным неметаллом и благородным газом.

Группами элементов называются вертикальные столбцы. Каждая группа представлена двумя подгруппами – главной и побочной . Подгруппой называется совокупность элементов, которые являются полными химическими аналогами; часто элементы подгруппы имеют высшую степень окисления, соответствующую номеру группы. Например, высшая степень окисления (+ II) отвечает элементам подгруппы бериллия и цинка (главная и побочная подгруппы II группы), а элементам подгруппы азота и ванадия (V группа) отвечает высшая степень окисления (+ V).

Химические свойства элементов в главных подгруппах могут меняться от неметаллических до металлических (в главной подгруппе V группы азот – неметалл, а висмут – метал) – в широком диапазоне. Свойства элементов в побочных подгруппах меняются, но не столь резко; например, элементы побочной группы IV группы – цирконий, титан, гафний – очень похожи по своим свойствам (особенно цирконий и гафний ).

В Периодической системе в I группе (Li – Fr), II (Mg – Ra) и III (In, Tl) расположены типичные металлы. Неметаллы расположены в группах VII (F – At), VI (O – Te) , V (N – As) , IV (C, Si) и III (B). Некоторые элементы главных групп (Be, Al, Ge, Sb, Po ), а также многие элементы побочных групп могут проявлять и металлические, и неметаллические свойства. Это явление получило название амфотерности .

Для некоторых главных групп применяют групповые названия: VIII (Не – Rn) – благородные газы , VII (F – At) – галогены , IV (О – Ро) – халькогены , II (Са – Ra) – щелочноземельные металлы , I (Li – Fr) – щелочные металлы .

Форма Периодической системы, которую предложил Д.И. Менделеев, получила название короткопериодной , или классической . В современной химии все шире используется другая форма – длиннопериодная , в которой все периоды – малые и большие – вытянуты в длинные ряды, начинающиеся щелочным металлом и заканчивающиеся благородным газом.

Периодический закон Д.И. Менделеева и Периодическая система элементов Д.И. Менделеева стали основой современной химии.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон в 1869 году, в основе которого была одна из главнейших характеристик атома – атомная масса. Последующее развитие Периодического закона, а именно, получение большого экспериментальных данных, несколько изменило первоначальную формулировку закона, однако эти изменения не противоречат главному смыслу, заложенному Д.И. Менделеевым. Эти изменения только придали закону и Периодической системе научную обоснованность и подтверждение правильности.

Современная формулировка Периодического закона Д.И. Менделеева такова: свойства химических элементов, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Структура Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева

К настоящему мнению известно большое количество интерпретаций Периодической системы, но наиболее популярная – с короткими (малыми) и длинными (большими) периодами. Горизонтальные ряды называют периодами (в них расположены элементы с последовательным заполнением одинакового энергетического уровня), а вертикальные столбцы – группами (в них расположены элементы, имеющие одинаковое количество валентных электронов – химические аналоги). Так же все элементы можно разделить на блоки по по типу внешней (валентной) орбитали: s-, p-, d-, f-элементы.

Всего в системе (таблице) 7 периодов, причем номер периода (обозначается арабской цифрой) равен числу электронных слоев в атоме элемента, номеру внешнего (валентного) энергетического уровня, значению главного квантового числа для высшего энергетического уровня. Каждый период (кроме первого) начинается s-элементом — активным щелочным металлом и заканчивается инертным газом, перед которым стоит p-элемент — активный неметалл (галоген). Если продвигаться по периоду слева направо, то с ростом заряда ядер атомов химических элементов малых периодов будет возрастать число электронов на внешнем энергетическом уровне, вследствие чего свойства элементов изменяются – от типично металлических (т.к. в начале периода стоит активный щелочной металл), через амфотерные (элемент проявляет свойства и металлов и неметаллов) до неметаллических (активный неметалл – галоген в конце периода), т.е. металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические.

В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение электронов происходит сложнее, что объясняет более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда ядра число электронов на внешнем энергетическом уровне остается постоянным и равным 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются медленно. При переходе к нечетным рядам, с ростом величины заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне (от 1 до 8), свойства элементов изменяются также, как в малых периодах.

Вертикальные столбцы в Периодической системе – группы элементов со сходным электронным строением и являющимися химическими аналогами. Группы обозначают римскими цифрами от I до VIII. Выделяют главные (А) и побочные (B) подгруппы, первые из которых содержат s- и p-элементы, вторые – d – элементы.

Номер А подгруппы показывает число электронов на внешнем энергетическом уровне (число валентных электронов). Для элементов В-подгрупп нет прямой связи между номером группы и числом электронов на внешнем энергетическом уровне. В А-подгруппах металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические – уменьшаются с возрастанием заряда ядра атома элемента.

Между положением элементов в Периодической системе и строением их атомов существует взаимосвязь:

— атомы всех элементов одного периода имеют равное число энергетических уровней, частично или полностью заполненных электронами;

— атомы всех элементов А подгрупп имею равное число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Периодические свойства элементов

Близость физико-химических и химических свойств атомов обусловлена сходством их электронных конфигураций, причем, главную роль играет распределение электронов по внешней атомной орбитали. Это проявляется в периодическом появлении, по мере увеличения заряда ядра атома, элементов с близкими свойствами. Такие свойства называют периодическими, среди которых наиболее важными являются:

1. Количество электронов на внешней электронной оболочке (заселенность – w ). В малых периодах с ростом заряда ядра w внешней электронной оболочки монотонно увеличивается от 1 до 2 (1 период), от 1 до 8 (2-й и 3-й периоды). В больших периодах на протяжении первых 12 элементов w не превышает 2, а затем до 8.

2. Атомный и ионный радиусы (r), определяемые как средние радиусы атома или иона, находимые из экспериментальных данных по межатомным расстояниям в разных соединениях. По периоду атомный радиус уменьшается (постепенно прибавляющиеся электроны описываются орбиталями с почти равными характеристиками, по группе атомный радиус возрастает, поскольку увеличивается число электронных слоев (рис.1.).

Рис. 1. Периодическое изменение атомного радиуса

Такие же закономерности наблюдаются и для ионного радиуса. Следует заметить, что ионный радиус катиона (положительно заряженный ион) больше атомного радиуса, а тот в свою очередь, больше ионного радиуса аниона (отрицательно заряженный ион).

3. Энергия ионизации (Е и) – количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, т.е. энергия, необходимая для превращения нейтрального атома в положительно заряженный ион (катион).

Э 0 — → Э + + Е и

Е и измеряется в электронвольтах (эВ) на атом. В пределах группы Периодической системы значения энергии ионизации атомов уменьшаются с возрастанием зарядов ядер атомов элементов. От атомов химических элементов можно последовательно отрывать все электроны, сообщив дискретные значения Е и. При этом Е и 1 < Е и 2 < Е и 3 <….Энергии ионизации отражают дискретность структуры электронных слоев и оболочек атомов химических элементов.

4. Сродство к электрону (Е е) – количество энергии, выделяющееся при присоединении дополнительного электрона к атому, т.е. энергия процесса

Э 0 + → Э —

Е е также выражается в эВ и, как и Е и зависит от радиуса атома, поэтому характер изменения Е е по периодам и группам Периодической системы близок характеру изменения атомного радиуса. Наибольшим сродством к электрону обладают p-элементы VII группы.

5. Восстановительная активность (ВА) – способность атома отдавать электрон другому атому. Количественная мера – Е и. Если Е и увеличивается, то ВА уменьшается и наоборот.

6. Окислительная активность (ОА) – способность атома присоединять электрон от другого атома. Количественная мера Е е. Если Е е увеличивается, то ОА также увеличивается и наоборот.

7. Эффект экранирования – уменьшение воздействия на данный электрон положительного заряда ядра из-за наличия между ним и ядром других электронов. Экранирование растет с увеличением числа электронных слоев в атоме и уменьшает притяжение внешних электронов к ядру. Экранированию противоположен эффект проникновения , обусловленный тем, что электрон может находиться в любой точке атомного пространства. Эффект проникновения увеличивает прочность связи электрона с ядром.

8. Степень окисления (окислительное число) – воображаемый заряд атома элемента в соединении, который определяется из предположения ионного строения вещества. Номер группы Периодической системы указывает высшую положительную степень окисления, которую могут иметь элементы данной группы в своих соединениях. Исключение – металлы подгруппы меди, кислород, фтор, бром, металлы семейства железа и другие элементы VIII группы. С ростом заряда ядра в периоде максимальная положительная степень окисления растет.

9. Электроотрицательность, составы высших водородных и кислородных соединений, термодинамические, электролитические свойства и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Охарактеризуйте элемент (Z=23) и свойства его соединений (оксидов и гидроксидов) по электронной формуле: семейство, период, группа, число валентных электронов, электронно-графическая формула для валентных электронов в основном и возбужденном состоянии, основные степени окисления (максимальная и минимальная), формулы оксидов и гидроксидов.
Решение	23 V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 3 3p 6 3d 3 4s 2 d-элемент, металл, находится в ;-м периоде, в V группе, В подгруппе. Валентные электроны 3d 3 4s 2 . Оксиды VO, V 2 O 3 , VO 2 , V 2 O 5 . Гидроксиды V(OH) 2 , V(OH) 3 , VO(OH) 2 , HVO 3 . Основное состояние Возбужденное состояние Минимальная степень окисления «+2», максимальная – «+5».