Современная формулировка периодического закона. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И

С первых уроков химии вы использовали таблицу Д. И. Менделеева. Она наглядно демонстрирует, что все химические элементы, образующие вещества окружающего нас мира, взаимосвязаны и подчиняются общим закономерностям, т. е. представляют собой единое целое - систему химических элементов. Поэтому в современной науке таблицу Д. И. Менделеева называют Периодической системой химических элементов.

Почему «периодической», вам тоже понятно, так как общие закономерности в изменении свойств атомов, простых и сложных веществ, образованных химическими элементами, повторяются в этой системе через определённые интервалы - периоды. Некоторые из этих закономерностей, приведённые в таблице 1, вам уже известны.

Таким образом, все существующие в мире химические элементы подчиняются единому, объективно действующему в природе Периодическому закону, графическим отображением которого и является Периодическая система элементов. Этот закон и система носят имя великого русского химика Д. И. Менделеева.

Д. И. Менделеев пришёл к открытию Периодического закона, проведя сопоставление свойств и относительных атомных масс химических элементов. Для этого Д. И. Менделеев для каждого химического элемента на карточке записал: символ элемента, значение относительной атомной массы (во времена Д. И. Менделеева эту величину называли атомным весом), формулы и характер высшего оксида и гидроксида. Он расположил 63 известных к тому времени химических элемента в одну цепочку в порядке возрастания их относительных атомных масс (рис. 1) и проанализировал эту совокупность элементов, пытаясь найти в ней определённые закономерности. В результате напряжённого творческого труда он обнаружил, что в этой цепочке имеются интервалы - периоды, в которых свойства элементов и образованных ими веществ изменяются сходным образом (рис. 2).

Рис. 1.
Карточки элементов, расположенные в порядке увеличения их относительных атомных масс

Рис. 2.
Карточки элементов, расположенные в порядке периодического изменения свойств элементов и образованных ими веществ

Лабораторный опыт № 2
Моделирование построения Периодической системы Д. И. Менделеева

Перечислим ещё раз, используя современные термины, закономерные изменения свойств, проявляемые в пределах периодов:

• металлические свойства ослабевают;
• неметаллические свойства усиливаются;
• степень окисления элементов в высших оксидах увеличивается от +1 до +8;
• степень окисления элементов в летучих водородных соединениях увеличивается от -4 до -1;
• оксиды от основных через амфотерные сменяются кислотными;
• гидроксиды от щелочей через амфотерные гидроксиды сменяются кислородсодержащими кислотами.

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеев в 1869 г. сделал вывод - сформулировал Периодический закон, который с использованием современных терминов звучит так:

Систематизируя химические элементы на основе их относительных атомных масс, Д. И. Менделеев уделял большое внимание также свойствам элементов и образованных ими веществ, распределяя элементы со сходными свойствами в вертикальные столбцы - группы. Иногда в нарушение выявленной им закономерности он ставил более тяжёлые элементы перед элементами с меньшими значениями относительных атомных масс. Например, он записал в свою таблицу кобальт перед никелем, теллур - перед иодом, а когда были открыты инертные (благородные) газы, аргон - перед калием. Такой порядок расположения Д. И. Менделеев считал необходимым потому, что иначе эти элементы попали бы в группы несходных с ними по свойствам элементов. Так, в частности, щелочной металл калий попал бы в группу инертных газов, а инертный газ аргон - в группу щелочных металлов.

Д. И. Менделеев не мог объяснить эти исключения из общего правила, как и причину периодичности в изменении свойств элементов и образованных ими веществ. Однако он предвидел, что эта причина кроется в сложном строении атома. Именно научная интуиция Д. И. Менделеева позволила ему построить систему химических элементов не в порядке возрастания их относительных атомных масс, а в порядке возрастания зарядов их атомных ядер. О том, что свойства элементов определяются именно зарядами их атомных ядер, красноречиво говорит существование изотопов, с которыми вы знакомились в прошлом году (вспомните, что это такое, приведите примеры известных вам изотопов).

В соответствии с современными представлениями о строении атома основой классификации химических элементов являются заряды их атомных ядер, и современная формулировка Периодического закона такова:

Периодичность в изменении свойств элементов и их соединений объясняется периодической повторяемостью в строении внешних энергетических уровней их атомов. Именно число энергетических уровней, общее число расположенных на них электронов и число электронов на внешнем уровне отражают принятую в Периодической системе символику, т. е. раскрывают физический смысл порядкового номера элемента, номера периода и номера группы (в чём он состоит?).

Строение атома позволяет объяснить и причины изменения металлических и неметаллических свойств элементов в периодах и группах.

Следовательно, Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева обобщают сведения о химических элементах и образованных ими веществах и объясняют периодичность в изменении их свойств и причину сходства свойств элементов одной и той же группы.

Эти два важнейших значения Периодического закона и Периодической системы Д. И. Менделеева дополняет ещё одно, которое заключается в возможности прогнозировать, т. е. предсказывать, описывать свойства и указывать пути открытия новых химических элементов. Уже на этапе создания Периодической системы Д. И. Менделеев сделал ряд прогнозов о свойствах ещё не известных в то время элементов и указал пути их открытия. В созданной им таблице Д. И. Менделеев для этих элементов оставил пустые клеточки (рис. 3).

Рис. 3.
Периодическая таблица элементов, предложенная Д. И. Менделеевым

Яркими примерами прогностической силы Периодического закона явились последующие открытия элементов: в 1875 г. французом Лекоком де Буабодраном был открыт галлий, предсказанный Д. И. Менделеевым пятью годами раньше как элемент под названием «экаалюминий» (эка - следующий за); в 1879 г. шведом Л. Нильсоном был открыт «экабор» по Д. И. Менделееву; в 1886 г. немцем К. Винклером - «экасилиций» по Д. И. Менделееву (определите по таблице Д. И. Менделеева современные названия этих элементов). Насколько точен был в своих предсказаниях Д. И. Менделеев, иллюстрируют данные таблицы 2.

Таблица 2
Предсказанные и экспериментально обнаруженные свойства германия

Учёные-первооткрыватели новых элементов высоко оценили открытие русского учёного: «Вряд ли может существовать более яркое доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем открытие до сих пор гипотетического экасилиция; оно составляет, конечно, более чем простое подтверждение смелой теории, - оно знаменует собой выдающееся расширение химического поля зрения, гигантский шаг в области познания» (К. Винклер).

Американские учёные, открывшие элемент № 101, дали ему название «менделевий» в знак признания заслуг великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым применил Периодическую систему элементов для предсказания свойств тогда ещё не открытых элементов.

Вы познакомились в 8 классе и будете пользоваться в этом году формой Периодической таблицы, которая называется короткопериодной. Однако в профильных классах и в высшей школе преимущественно используется другая форма - длиннопериодный вариант. Сравните их. Что общего и что различного в этих двух формах Периодической таблицы?

Новые слова и понятия

1. Периодический закон Д. И. Менделеева.
2. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - графическое отображение Периодического закона.
3. Физический смысл номера элемента, номера периода и номера группы.
4. Закономерности изменения свойств элементов в периодах и группах.
5. Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Задания для самостоятельной работы

1. Докажите, что Периодический закон Д. И. Менделеева, как и любой другой закон природы, выполняет объясняющую, обобщающую и предсказательную функции. Приведите примеры, иллюстрирующие эти функции у других законов, известных вам из курсов химии, физики и биологии.
2. Назовите химический элемент, в атоме которого электроны располагаются по уровням согласно ряду чисел: 2, 5. Какое простое вещество образует этот элемент? Какую формулу имеет его водородное соединение и как оно называется? Какую формулу имеет высший оксид этого элемента, каков его характер? Запишите уравнения реакций, характеризующих свойства этого оксида.
3. Бериллий раньше относили к элементам III группы, и его относительная атомная масса считалась равной 13,5. Почему Д. И. Менделеев перенёс его во II группу и исправил атомную массу бериллия с 13,5 на 9?
4. Напишите уравнения реакций между простым веществом, образованным химическим элементом, в атоме которого электроны распределены по энергетическим уровням согласно ряду чисел: 2, 8, 8, 2, и простыми веществами, образованными элементами № 7 и № 8 в Периодической системе. Каков тип химической связи в продуктах реакции? Какое кристаллическое строение имеют исходные простые вещества и продукты их взаимодействия?
5. Расположите в порядке усиления металлических свойств следующие элементы: As, Sb, N, Р, Bi. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.
6. Расположите в порядке усиления неметаллических свойств следующие элементы: Si, Al, Р, S, Cl, Mg, Na. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.
7. Расположите в порядке ослабления кислотных свойств оксиды, формулы которых: SiO 2 , Р 2 O 5 , Аl 2 O 3 , Na 2 O, MgO, Сl 2 O 7 . Обоснуйте полученный ряд. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Как изменяется их кислотный характер в предложенном вами ряду?
8. Напишите формулы оксидов бора, бериллия и лития и расположите их в порядке возрастания основных свойств. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Каков их химический характер?
9. Что такое изотопы? Как открытие изотопов способствовало становлению Периодического закона?
10. Почему заряды атомных ядер элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева изменяются монотонно, т. е. заряд ядра каждого последующего элемента возрастает на единицу по сравнению с зарядом атомного ядра предыдущего элемента, а свойства элементов и образуемых ими веществ изменяются периодически?
11. Приведите три формулировки Периодического закона, в которых за основу систематизации химических элементов взяты относительная атомная масса, заряд атомного ядра и строение внешних энергетических уровней в электронной оболочке атома.

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.

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

Здесь читатель найдет информацию об одном из важнейших законов, когда-либо открытых человеком в научной области - периодическом законе Менделеева Дмитрия Ивановича. Вы ознакомитесь с его значением и влиянием на химию, будут рассмотрены общие положения, характеристика и детали периодического закона, история открытия и основные положения.

Что такое периодический закон

Периодический закон - это природный закон фундаментального характера, который был открыт впервые Д. И. Менделеевым еще в 1869 году, а само открытие произошло благодаря сравнению свойств некоторых химических элементов и величин массы атома, известных в те времена.

Менделеев утверждал, что, согласно его закону, простые и сложные тела и разнообразные соединения элементов зависят от их зависимости периодического типа и от веса их атома.

Периодический закон является уникальным в своем роде и это связано с тем фактом, что он не выражается математическими уравнениями в отличие от других фундаментальных законов природы и вселенной. Графически свое выражение он находит в периодической системе химических элементов.

История открытия

Открытие периодического закона произошло в 1869 году, но попытки систематизировать все известные х-кие элементы начались задолго до этого.

Первую попытку создать такую систему предпринял И. В. Деберейнер в 1829. Он классифицировал все известные ему химические элементы в триады, связанные между собой близостью половины суммы атомных масс, входящих в эту группу трех компонентов. Следом за Деберейнером предприняли попытку создать уникальную таблицу классификации элементов А. де Шанкуртуа, он назвал свою систему «земной спиралью», а после него была составлена Джоном Ньюлендсом октава Ньюлендса. В 1864 практически одновременно Уильям Олдинг и Лотар Мейер опубликовали созданные независимо друг от друга таблицы.

Периодический закон был представлен научному сообществу на обозрение восьмого марта 1869, и произошло это во время заседания Русского х-кого общества. Менделеев Дмитрий Иванович заявил при всех о своем открытии и в том же году был выпущен менделеевский учебник «Основы химии», где впервые была показана периодическая таблица, созданная им. Годом позже, в 1870, он написал статью и отдал ее на обозрение в РХО, где впервые было употреблено понятие периодического закона. В 1871 Менделеев дал исчерпывающую характеристику своего з-на в знаменитой статье периодической законности химических элементов.

Неоценимый вклад в развитие химии

Значение периодического закона невероятно велико для научного сообщества всего мира. Это связано с тем, что открытие его дало мощный толчок развитию, как химии, так и других наук о природе, например, физике и биологии. Открытой была взаимосвязь элементов с их качественными химическими и физическими характеристиками, также это позволило понять суть построения всех элементов по одному принципу и дало начало современной формулировке понятий о химических элементах, конкретизировать знания представление о веществах сложного и простого строения.

Использование периодического закона позволило решать проблему химического прогнозирования, определить причину поведения известных химических элементов. Атомная физика, а в том числе и ядерная энергетика, стали возможными вследствие этого же закона. В свою очередь, данные науки позволили расширить горизонты сущности этого закона и углубиться в его понимание.

Химические свойства элементов периодической системы

По сути, химические элементы взаимосвязаны между собой характеристиками, свойственными им в состоянии свободного как атома, так и иона, сольватированного или гидратированного, в простом веществе и форме, которую могут образовать их многочисленные соединения. Однако х-кие свойства обычно заключаются в двух явлениях: свойства, характерные для атома в свободном состоянии, и простого вещества. К такому роду свойств относится множество их видов, но самые важные это:

1. Атомная ионизация и ее энергия, зависящая от положения элемента в таблице, его порядкового числа.
2. Энергетическое родство атома и электрона, которая так же, как и атомная ионизация, зависит от места нахождения элемента в периодической таблице.
3. Электроотрицательность атома, не носящая постоянное значение, а способная изменяться в зависимости от различного рода факторов.
4. Радиусы атомов и ионов - тут, как правило, используются эмпирические данные, что связано с волновой природой электронов в состоянии движения.
5. Атомизация простых веществ - описание возможностей элемента к реакционной способности.
6. Степени окисления - формальная характеристика, однако фигурирующая как одна из важнейших характеристик элемента.
7. Потенциал окисления для простых веществ - это измерение и показание потенциала вещества к действию его в водных растворах, а также уровень проявления свойств окислительно-восстановительного характера.

Периодичность элементов внутреннего и вторичного типа

Периодический закон дает понимание еще одной немаловажной составной частицы природы - внутренней и вторичной периодичности. Вышеупомянутые области изучения атомных свойств, на самом деле, гораздо сложнее, чем можно подумать. Связано это с тем фактом, что элементы s, p, d таблицы меняют свои качественные характеристики в зависимости от положения в периоде (периодичность внутреннего характера) и группе (периодичность вторичного характера). Например, внутренний процесс перехода элемента s от первой группы до восьмой к p-элементу сопровождается точками минимума и максимума на кривой линии энергии ионизированного атома. Данное явление показывает внутреннюю непостоянность периодичности изменения свойств атома по положению в периоде.

Итоги

Теперь читатель имеет четкое понимание и определение того, что являет собой периодический закон Менделеева, осознает его значение для человека и развития различных наук и имеет представление о его современных положениях и истории открытия.

В 1871 году был сформулирован периодический закон Менделеева. К этому времени науке было известно 63 элемента, и Дмитрий Иванович Менделеев упорядочил их на основе относительной атомной массы. Современная периодическая таблица значительно расширилась.

История

В 1869 году, работая над учебником химии, Дмитрий Менделеев столкнулся с проблемой систематизации материала, накопленного за много лет разными учёными - его предшественниками и современниками. Ещё до работы Менделеева предпринимались попытки систематизировать элементы, что послужило предпосылками разработки периодической системы.

Рис. 1. Менделеев Д. И..

Поиски классификации элементов кратко описаны в таблице.

Менделеев упорядочил элементы по относительной атомной массе, расположив их в порядке возрастания. Всего получилось девятнадцать горизонтальных и шесть вертикальных рядов. Это была первая редакция периодической таблицы элементов. С этого начинается история открытия периодического закона.

Учёному понадобилось почти три года, чтобы создать новую, более совершенную таблицу. Шесть столбцов элементов превратились в горизонтальные периоды, каждый из которых начинался щелочным металлом, а заканчивался неметаллом (инертные газы ещё не были известны). Горизонтальные ряды образовали восемь вертикальных групп.

В отличие от своих коллег Менделеев использовал два критерия распределения элементов:

• атомную массу;
• химические свойства.

Оказалось, что между двумя этими критериями прослеживается закономерность. После определённого количества элементов с возрастающей атомной массой, свойства начинают повторяться.

Рис. 2. Таблица, составленная Менделеевым.

Изначально теория не выражалась математически и не могла полностью подтвердиться экспериментально. Физический смысл закона стал понятен только после создания модели атома. Смысл заключается в повторении структуры электронных оболочек при последовательном увеличении зарядов ядер, что отражается на химических и физических свойствах элементов.

Закон

Установив периодичность изменений свойств с увеличением атомной массы, Менделеев в 1871 году сформулировал периодический закон, ставший основополагающим в химической науке.

Дмитрий Иванович определил, что свойства простых веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс.

Наука XIX века не обладала современными знаниями об элементах, поэтому современная формулировка закона несколько отличается от менделеевской. Однако суть остаётся прежней.

С дальнейшим развитием науки было изучено строение атома, что повлияло на формулировку периодического закона. Согласно современному периодическому закону свойства химических элементов зависят от зарядов атомных ядер.

Таблица

Со времён Менделеева созданная им таблица значительно преобразилась и стала отражать практически все функции и характеристики элементов. Умение пользоваться таблицей необходимо для дальнейшего изучения химии. Современная таблица представлена в трёх формах:

• короткая - периоды занимают по две строчки, а водород часто относят к 7 группе;
• длинная - изотопы и радиоактивные элементы вынесены за пределы таблицы;
• сверхдлинная - каждый период занимает отдельную строку.

Рис. 3. Длинная современная таблица.

Короткая таблица - наиболее устаревший вариант, который был отменён в 1989 году, но по-прежнему используется во многих учебниках. Длинная и сверхдлинная формы признаны международным сообществом и используются по всему миру. Несмотря на установленные формы, учёные продолжают совершенствовать периодическую систему, предлагая новейшие варианты.

Что мы узнали?

Периодический закон и периодическая система Менделеева были сформулированы в 1871 года. Менделеев выявил закономерности свойств элементов и упорядочил их на основе относительной атомной массы. С возрастанием массы менялись, а затем повторялись свойства элементов. Впоследствии таблица была дополнена, а закон скорректирован в соответствии с современными знаниями.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 135.