2.3. Периодический закон Д.И.Менделеева.
Закон открыт и сформулирован Д.И.Менделеевым: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов». Закон создан на основе глубокого анализа свойств элементов и их соединений. Выдающиеся достижения физики, главным образом разработка теории строения атома, дали возможность раскрыть физическую сущность периодического закона: периодичность в изменении свойств химических элементов обусловлена периодическим изменением характера заполнения электронами внешнего электронного слоя по мере возрастания числа электронов, определяемого зарядом ядра. Заряд равен порядковому номера элемента в периодической системе. Современная формулировка периодического закона: «Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов». Созданная Д.И.Менделеевым в 1869-1871 гг. периодическая система является естественной классификацией элементов, математическим отражением периодического закона.
Менделеев не только первый точно сформулировал этот закон и представил содержание его в виде таблицы, которая стала классической, но и всесторонне обосновал его, показал его огромное научное значение, как руководящего классификационного принципа и как могучего орудия для научного исследования.
Физический смысл периодического закона. Был вскрыт лишь после выяснения того, что заряд ядра атома возрастает при переходе от одного химического элемента к соседнему (в периодической системе) на единицу элементарного заряда. Численно заряд ядра равен порядковому номеру (атомному номеру Z) соответствующего элемента в периодической системе, то есть числу протонов в ядре, в свою очередь равному числу электронов соответствующего нейтрального атома. Химические свойства атомов определяются структурой их внешних электронных оболочек, периодически изменяющейся с увеличением заряда ядра, и, следовательно, в основе периодического закона лежит представление об изменении заряда ядра атомов, а не атомной массы элементов. Наглядная иллюстрация периодического закона - кривые периодические изменения некоторых физических величин (ионизационных потенциалов, атомных радиусов, атомных объёмов) в зависимости от Z. Какого-либо общего математического выражения периодического закона не существует. Периодический закон имеет огромное естественнонаучное и философское значение. Он позволил рассматривать все элементы в их взаимной связи и прогнозировать свойства неизвестных элементов. Благодаря периодическому закону многие научные поиски (например, в области изучения строения вещества - в химии, физике, геохимии, космохимии, астрофизике) получили целенаправленный характер. Периодический закон - яркое проявление действия общих законов диалектики, в частности закона перехода количества в качество.
Физический этап развития периодического закона можно в свою очередь разделить на несколько стадий:
1. Установление делимости атома на основании открытия электрона и радиоактивности (1896-1897);
2. Разработка моделей строения атома (1911-1913);
3. Открытие и разработка системы изотопов (1913);
4. Открытие закона Мозли (1913), позволяющего экспериментально определять заряд ядра и номер элемента в периодической системе;
5. Разработка теории периодической системы на основании представлений о строении электронных оболочек атомов (1921-1925);
6. Создание квантовой теории периодической системы (1926-1932).
2.4. Предсказание существования неизвестных элементов.
Самое же важное в открытии Периодического закона - предсказание существования еще не открытых химических элементов. Под алюминием Al Менделеев оставил место для его аналога "экаалюминия", под бором B - для "экабора", а под кремнием Si - для "экасилиция". Так назвал Менделеев еще не открытые химические элементы. Он даже дал им символы El, Eb и Es.
По поводу элемента "экасилиция" Менделеев писал: "Мне кажется, наиболее интересным из, несомненно, недостающих металлов будет тот, который принадлежит к IV группе аналогов углерода, а именно, к III ряду. Это будет металл, следующий тотчас же за кремнием, и потому назовем его экасилицием". Действительно, этот еще не открытый элемент должен был стать своеобразным "замком", связывающим два типичных неметалла - углерод C и кремний Si - с двумя типичными металлами - оловом Sn и свинцом Pb.
Затем предсказал существование еще восьми элементов, в том числе "двителлура" - полония (открыт в 1898 г.), "экаиода" - астата (открыт в 1942-1943 гг.), "двимарганца" - технеция (открыт в 1937 г.), "экацезия" - Франция (открыт в 1939 г.)
В 1875 году французский химик Поль-Эмиль Лекок де Буабодран открыл в минерале вюртците - сульфиде цинка ZnS - предсказанный Менделеевым "экаалюминий" и назвал его в честь своей родины галлием Ga (латинское название Франции - "Галлия").
Менделеев точно предсказал свойства экаалюминия: его атомную массу, плотность металла, формулу оксида El 2 O 3 , хлорида ElCl 3 , сульфата El 2 (SO 4) 3 . После открытия галлия эти формулы стали записывать как Ga 2 O 3 , GaCl 3 и Ga 2 (SO 4) 3 . Менделеев предугадал, что это будет очень легкоплавкий металл, и действительно, температура плавления галлия оказалась равной 29,8 о С. По легкоплавкости галлий уступает только ртути Hg и цезию Cs.
Среднее содержание Галлий в земной коре относительно высокое, 1,5-10-30% по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Галлий - типичный рассеянный элемент. Единственный минерал Галлий - галдит CuGaS2, очень редок. На воздухе при обычной температуре Галлий стоек. Выше 260°С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (плёнка окиси защищает металл). В серной и соляной кислотах галлий растворяется медленно, в плавиковой - быстро, в азотной кислоте на холоду Галлий устойчив. В горячих растворах щелочей Галлий медленно растворяется. Хлор и бром реагируют с Галлий на холоду, иод - при нагревании. Расплавленный Галлий при температурах выше 300° С взаимодействует со всеми конструкционными металлами и сплавами Отличительная особенность Галлий - большой интервал жидкого состояния (2200° С) и низкое давление пара при температурах до 1100-1200°С.. Геохимия Галлий тесно связана с геохимией алюминия, что обусловлено сходством их физико-химических свойств. Основная часть Галлий в литосфере заключена в минералах алюминия. Содержание Галлий в бокситах и нефелинах колеблется от 0,002 до 0,01%. Повышенные концентрации Галлий наблюдаются также в сфалеритах (0,01-0,02%), в каменных углях (вместе с германием), а также в некоторых железных рудах. Широкого промышленного применения Галлий пока не имеет. Потенциально возможные масштабы попутного получения Галлий в производстве алюминия до сих пор значительно превосходят спрос на металл.
Наиболее перспективно применение Галлий в виде химических соединений типа GaAs, GaP, GaSb, обладающих полупроводниковыми свойствами. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях и др. приборах, где может быть использован фотоэффект в запирающем слое, а также в приёмниках инфракрасного излучения. Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью. Сплав алюминия с Галлий предложен вместо ртути в качестве катода ламп ультрафиолетового излучения, применяемых в медицине. Жидкий Галлий и его сплавы предложено использовать для изготовления высокотемпературных термометров (600-1300° С) и манометров. Представляет интерес применение Галлий и его сплавов в качестве жидкого теплоносителя в энергетических ядерных реакторах (этому мешает активное взаимодействие Галлий при рабочих температурах с конструкционными материалами; эвтектический сплав Ga-Zn-Sn оказывает меньшее коррозионное действие, чем чистый Галлий).
В 1879 году шведский химик Ларс Нильсон открыл скандий, предсказанный Менделеевым как экабор Eb. Нильсон писал: "Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор... Так подтверждаются нагляднейшим образом соображения русского химика, которые не только дали возможность предсказать существование скандия и галлия, но и предвидеть заранее их важнейшие свойства". Скандий получил название в честь родины Нильсона Скандинавии, а открыл он его в сложном минерале гадолините, имеющем состав Be 2 (Y, Sc) 2 FeO 2 (SiO 4) 2 . Среднее содержание Скандий в земной коре (кларк) 2,2- 10-3% по массе. В горных породах содержание Скандий различно: в ультраосновных 5-10-4, в основных 2,4-10-3, в средних 2,5-10-4, в гранитах и сиенитах 3.10-4; в осадочных породах (1-1,3).10-4. Скандий концентрируется в земной коре в результате магматических, гидротермальных и гипергенных (поверхностных) процессов. Известно два собственных минерала Скандий - тортвейтит и стерреттит; они встречаются чрезвычайно редко. Скандий - мягкий металл, в чистом состоянии легко поддаётся обработке - ковке, прокатке, штамповке. Масштабы применения Скандий весьма ограничены. Окись Скандий идёт на изготовление ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин. Радиоактивный 46Sc используется в нейтронно-активационном анализе и в медицине. Сплавы Скандий, обладающие небольшой плотностью и высокой температурой плавления, перспективны как конструкционные материалы в ракетои самолётостроении, а ряд соединений Скандий может найти применение при изготовлении люминофоров, оксидных катодов, в стекольном и керамических производствах, в химической промышленности (в качестве катализаторов) и в других областях. В 1886 году профессор Горной академии во Фрайбурге немецкий химик Клеменс Винклер при анализе редкого минерала аргиродита состава Ag 8 GeS 6 обнаружил еще один элемент, предсказанный Менделеевым. Винклер назвал открытый им элемент германием Ge в честь своей родины, но это почему-то вызвало резкие возражения со стороны некоторых химиков. Они стали обвинять Винклера в национализме, в присвоении открытия, которое сделал Менделеев, уже давший элементу имя "экасилиций" и символ Es. Обескураженный Винклер обратился за советом к самому Дмитрию Ивановичу. Тот объяснил, что именно первооткрыватель нового элемента должен дать ему название. Общее содержание Германий в земной коре 7.10-4% по массе, т. е. больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германий встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu2 (Cu, Fe, Ge, Zn)2 (S, As)4, аргиродит Ag8GeS6, конфильдит Ag8(Sn, Ce) S6 и др. Основная масса Германий рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти. Германий - один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Монокристаллический Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряжённость постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения Германий является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8-14 мк. Перспективны для практического использования многие сплавы, в состав которых входят Германий, стекла на основе GeO2 и др. соединения Германий.
Предугадать существование группы благородных газов Менделеев не мог, и им поначалу не нашлось места в Периодической системе.
Открытие аргона Ar английскими учеными У. Рамзаем и Дж. Релеем в 1894 году сразу же вызвало бурные дискуссии и сомнения в Периодическом законе и Периодической системе элементов. Менделеев вначале посчитал аргон аллотропной модификацией азота и только в 1900 году под давлением непреложных фактов согласился с присутствием в Периодической системе "нулевой" группы химических элементов, которую заняли другие благородные газы, открытые вслед за аргоном. Теперь эта группа известна под номером VIIIА.
В 1905 году Менделеев написал: "По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает, хотя как русского меня хотели затереть, особенно немцы".
Открытие Периодического закона ускорило развитие химии и открытие новых химических элементов.
Лицейском экзамене, на котором старик Державин благословил юного Пушкина. Роль метра довелось сыграть академику Ю.Ф.Фрицше известному специалисту в органической химии. Кандидатская диссертация Д.И.Менделеев окончил Главный Педагогический институт в 1855 г. Кандидатская диссертация "Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу" стала его первой крупной научной...
Преимущественно по вопросу о капиллярности и поверхностном натяжении жидкостей, а часы досуга проводил в кругу молодых русских ученых: С.П. Боткина, И.М. Сеченова, И.А. Вышнеградского, А.П. Бородина и др. В 1861 г. Менделеев возвращается в Санкт-Петербург, где возобновляет чтение лекций по органической химии в университете и издает замечательный по тому времени учебник: "Органическая химия", в...
Периодический закон химических элементов - фундаментальный закон природы, отражающий периодическое изменение свойств химических элементов по мере увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт 1 марта (17 февраля по ст. стилю) 1869 г. Д.И. Менделеевым. В этот день им была составлена таблица, названная «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Окончательная формулировка периодического закона была дана Менделеевым в июле 1871 г. Она гласила:
«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса ».
Менделеевская формулировка периодического закона просуществовала в науке 40 с небольшим лет. Она была пересмотрена благодаря выдающимся достижениям физики, главным образом разработке ядерной модели атома (см. Атом). Оказалось, заряд ядра атома (Z) численно равен порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе, а заполнение электронных оболочек и подоболочек атомов в зависимости от Z происходит таким образом, что сходные электронные конфигурации атомов периодически повторяются (см. Периодическая система химических элементов). Поэтому современная формулировка периодического закона такова: свойства элементов, простых веществ и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов.
В отличие от других фундаментальных законов природы, например таких, как закон всемирного тяготения или закон эквивалентности массы и энергии, периодический закон не может быть записан в виде какого-либо общего уравнения или формулы. Его наглядным отражением является периодическая система элементов. Однако и сам Менделеев, и другие ученые делали попытки отыскать математическое уравнение периодического закона химических элементов
. Эти попытки увенчались успехом только после разработки теории строения атома. Но они касаются лишь установления количественной зависимости порядка распределения электронов в оболочках и подоболочках от зарядов ядер атомов.
Так, путем решения уравнения Шредингера можно рассчитать, как распределяются электроны в атомах с различными значениями Z. И поэтому основное уравнение квантовой механики как бы является одним из количественных выражений периодического закона.
Или, например, другое уравнение: Z„, = „+,Z - - (21 + 1)2 - >n,(2t + 1) +
1
+ т„где „+,Z = - (n + 1+ 1)" +
+(+1+ 1. 2к(п+О 1
2 2 6
Несмотря на свою громоздкость, оно не так уж и сложно. Буквы и, 1, т, и m,- это не что иное, как главное, орбитальное, магнитное и спиновое квантовые числа (см. Атом). Уравнение позволяет вычислить, при каком значении Z (порядкового номера элемента) в атоме появляется электрон, состояние которого описывается заданной комбинацией четырех квантовых чисел. Подставляя возможные сочетания и, 1, т, и т, в это уравнение, мы получаем набор различных значений Z. Если эти значения расположить в последовательности натурального ряда чисел 1, 2, 3, 4, 5, ..., то, в свою очередь, получается четкая схема построения электронных конфигураций атомов по мере роста Z. Таким образом, это уравнение - также своеобразное количественное выражение периодического закона. Попробуйте сами решить это уравнение для всех элементов периодической системы (как связаны между собой значения и, 1; m, и т„ вы узнаете из статьи Атом).
Периодический закон - это универсальный закон для всей Вселенной . Он имеет силу везде, где существуют атомы. Но периодически изменяются не только электронные структуры атомов. Строение и свойства атомных ядер также подчиняются своеобразному периодическому закону. В ядрах, состоящих из нейтронов и протонов, существуют нейтронные и протонные оболочки, заполнение которых имеет периодический характер. Известны даже попытки построения периодической системы атомных ядер.
Периодический закон, один из фундаментальных законов естествознания, открыт великим русским ученым Д.И. Менделеевым в 1869 г. Первоначально закон был сформулирован следующим образом: свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины их атомного веса (согласно современным представлениям - атомной массы).
Периодический закон был представлен как классификация элементов. На его основе элементы были расположены в естественные группы по совокупности их свойств. Этому моменту было уделено особое внимание: руководствуясь свойствами элементов, Д.И. Менделееву в ряде случаев пришлось даже отступить от последовательного расположения элементов в Периодической системе строго по возрастанию атомных масс (атомных «весов»), например, 18 Аг(39,9) и 19 К(39,1), 52 Те(127,6) и 53 1(126,9).
Во времена Менделеева причина периодичности свойств элементов не была известна. Однако первооткрыватель Периодического закона был уверен, что причину следует искать в строении вещества.
Открытие Периодического закона не только дало фундамент химической науке, но и поставило задачу выяснения физической причины периодичности. Химические и абсолютное большинство физических свойств элементов являются периодической функцией некоторой независимой, однозначно определяемой величины, присущей каждому элементу и изменяющейся монотонно от элемента к элементу. Атомная масса («атомный вес») была принята Менделеевым за такую величину.
Только когда благодаря успехам физики стало известно значительно больше о строении атома, чем во времена открытия и становления периодического закона, стали ясны его подлинный смысл и причины периодичности. От элемента к элементу по Периодической системе изменяется заряд ядра атома элемента, который определяется числом протонов. В Периодической системе это число совпадает с порядковым номером элемента. Поскольку атом электронейтра- лен, заряд ядра (в единицах заряда электрона) равен количеству электронов в электронной оболочке атома. Увеличение порядкового номера элемента на единицу означает, что в ядре атома добавился один протон, а в электронной оболочке соответственно один электрон. Поскольку свойства элементов, особенно химические, определяются в основном электронами внешнего квантового слоя, причиной периодичности свойств является периодичность характера заполнения электронами пространства вокруг ядра. Фактором, определяющим строение электронных оболочек атомов, а следовательно, и свойства элементов, является заряд ядра атома. Поэтому современная формулировка периодического закона следующая: свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома элемента.
Атомная масса элемента определяется суммарным количеством нуклонов (протонов и нейтронов) в ядрах изотопов этого элемента и изотопным составом элемента. Изменение атомной массы в основном пропорционально заряду ядра. Поэтому менделеевская формулировка Периодического закона за немногими исключениями верно отражает расположение элементов в Периодической системе, но не раскрывает причину периодичности.
Согласно принципу Паули количество возможных электронных состояний в квантовых уровнях и подуровнях ограничено количеством сочетаний неповторяющихся наборов четырех квантовых чисел п, /, т и s , и это определяет емкость квантовых уровней и подуровней (см. табл. 2.1). Если атом не возбужден, электроны заполняют такие орбитали, энергия на которых минимальна.
Периодическая система была бы проще, если бы энергию в многоэлектронных атомах, как в атоме водорода, определяло главное квантовое число. Тогда, в соответствии с емкостью квантовых слоев, периоды состояли бы из 2, 8, 18, 32, 50 и т.д. элементов, а благородные газы с завершенным квантовым уровнем имели бы номера 2, 10, 28, 60, 110... Однако из-за межэлектронного взаимодействия такая последовательность нарушается. С IV периода, заполнение нового квантового слоя, которое в Периодической системе соответствует началу нового периода, начинается при незавершенном предвне- шнем III квантовом уровне, а с VI периода - при незавершенных IV и V квантовых уровнях и т.д. Поэтому благородные газы - элементы, после которых начинается застройка нового квантового уровня (и новый период), - на внешнем квантовом слое содержит лишь по 8 электронов и имеют номера 2, 10, 18, 36, 54, и 86. Соответственно периоды охватывают 2, 8, 8, 18, 18 и 32 элемента.
Периодический закон не имеет определенного математического выражения. Он представляется в виде периодической таблицы. Вариантов такой таблицы существует несколько, но все они в той или иной форме представлены как структурограммы строения атома любого элемента. Становится возможным установление электронного строения любого атома не только на основе известной последовательности заполнения подуровней или правила Клечковского, но и на основе самой таблицы: положение элемента в таблице однозначно отражает электронное строение его атомов. Распределение элементов по периодам и по подгруппам в точности отвечает распределению электронов атомов этих элементов по уровням и подуровням электронной оболочки.
Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система химических элементов имеет большое значение в развитии химии. Окунемся в 1871 год, когда профессор химии Д.И. Менделеев, методом многочисленных проб и ошибок, пришел к выводу, что «… свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Периодичность изменения свойств элементов возникает вследствие периодического повторения электронной конфигурации внешнего электронного слоя с увеличением заряда ядра.
Современная формулировка периодического закона
такова:
«свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов».
Преподавая химию, Менделеев понимал, что запоминание индивидуальных свойств каждого элемента, вызывает у студентов трудности. Он стал искать пути создания системного метода, чтобы облегчить запоминание свойств элементов. В результате появилась естественная таблица , позже она стала называться периодической .
Наша современная таблица очень похожа на менделеевскую. Рассмотрим ее подробнее.
Таблица Менделеева
Периодическая таблица Менделеева состоит из 8 групп и 7 периодов.
Вертикальные столбцы таблицы называют группами . Элементы, внутри каждой группы, обладают сходными химическими и физическими свойствами. Это объясняется тем, что элементы одной группы имеют сходные электронные конфигурации внешнего слоя, число электронов на котором равно номеру группы. При этом группа разделяется на главные и побочные подгруппы .
В Главные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешних ns- и np- подуровнях. В Побочные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешнем ns- подуровне и внутреннем (n — 1) d- подуровне (или (n — 2) f- подуровне).
Все элементы в периодической таблице , в зависимости от того, на каком подуровне (s-, p-, d- или f-) находятся валентные электроны классифицируются на: s- элементы (элементы главной подгруппы I и II групп), p- элементы (элементы главных подгрупп III — VII групп), d- элементы (элементы побочных подгрупп), f- элементы (лантаноиды, актиноиды).
Высшая валентность элемента (за исключением O, F, элементов подгруппы меди и восьмой группы) равна номеру группы, в которой он находится.
Для элементов главных и побочных подгрупп одинаковыми являются формулы высших оксидов (и их гидратов). В главных подгруппах состав водородных соединений являются одинаковыми, для элементов, находящихся в этой группе. Твердые гидриды образуют элементы главных подгрупп I — III групп, а IV — VII групп образуют а газообразные водородные соединения. Водородные соединения типа ЭН 4 – нейтральнее соединения, ЭН 3 – основания, Н 2 Э и НЭ — кислоты.
Горизонтальные ряды таблицы называют периодами . Элементы в периодах отличаются между собой, но общее у них то, что последние электроны находятся на одном энергетическом уровне (главное квантовое число n — одинаково).
Первый период отличается от других тем, что там находятся всего 2 элемента: водород H и гелий He.
Во втором периоде находятся 8 элементов (Li - Ne). Литий Li – щелочной металл начинает период, а замыкает его благородный газ неон Ne.
В третьем периоде, также как и во втором находятся 8 элементов (Na - Ar). Начинает период щелочной металл натрий Na, а замыкает его благородный газ аргон Ar.
В четвёртом периоде находятся 18 элементов (K - Kr) – Менделеев его обозначил как первый большой период. Начинается он также с щелочного металла Калий, а заканчивается инертным газом криптон Kr. В состав больших периодов входят переходные элементы (Sc - Zn) — d- элементы.
В пятом периоде, аналогично четвертому находятся 18 элементов (Rb - Xe) и структура его сходна с четвёртым. Начинается он также с щелочного металла рубидий Rb, а заканчивается инертным газом ксенон Xe. В состав больших периодов входят переходные элементы (Y - Cd) — d- элементы.
Шестой период состоит из 32 элементов (Cs - Rn). Кроме 10 d -элементов (La, Hf - Hg) в нем находится ряд из 14 f -элементов(лантаноиды)- Ce — Lu
Седьмой период не закончен. Он начинается с Франций Fr, можно предположить, что он будет содержать, также как и шестой период, 32 элемента, которые уже найдены (до элемента с Z = 118).
Интерактивная таблица Менделеева
Если посмотреть на периодическую таблицу Менделеева и провести воображаемую черту, начинающуюся у бора и заканчивающуюся между полонием и астатом, то все металлы будут находиться слева от черты, а неметаллы – справа. Элементы, непосредственно прилегающие к этой линии будут обладать свойствами как металлов, так и неметаллов. Их называют металлоидами или полуметаллами. Это бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур и полоний.
Периодический закон
Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Существует четыре основных периодических закономерности:
Правило октета
утверждает, что все элементы стремятся приобрести или потерять электрон, чтобы иметь восьмиэлектронную конфигурацию ближайшего благородного газа. Т.к. внешние s- и p-орбитали благородных газов полностью заполнены, то они являются самыми стабильными элементами.
Энергия ионизации
– это количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома. Согласно правилу октета, при движении по периодической таблице слева направо для отрыва электрона требуется больше энергии. Поэтому элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, а с правой стороны – его приобрести. Самая высокая энергия ионизации у инертных газов. Энергия ионизации уменьшается при движении вниз по группе, т.к. у электронов низких энергетических уровней есть способность отталкивать электроны с более высоких энергетических уровней. Это явление названо эффектом экранирования
. Благодаря этому эффекту внешние электроны мене прочно связаны с ядром. Двигаясь по периоду энергия ионизации плавно увеличивается слева направо.
Сродство к электрону – изменение энергии при приобретении дополнительного электрона атомом вещества в газообразном состоянии. При движении по группе вниз сродство к электрону становится менее отрицательным вследствие эффекта экранирования.
Электроотрицательность — мера того, насколько сильно стремится притягивать к себе электроны связанного с ним другого атома. Электроотрицательность увеличивается при движении в периодической таблице слева направо и снизу вверх. При этом надо помнить, что благородные газы не имеют электроотрицательности. Таким образом, самый электроотрицательный элемент – фтор.
На основании этих понятий, рассмотрим как меняются свойства атомов и их соединений в таблице Менделеева.
Итак, в периодической зависимости находятся такие свойства атома, которые связанны с его электронной конфигурацией: атомный радиус, энергия ионизации, электроотрицательность.
Рассмотрим изменение свойств атомов и их соединений в зависимости от положения в периодической системе химических элементов .
Неметалличность атома увеличивается при движении в периодической таблице слева направо и снизу вверх . В связи с этим основные свойства оксидов уменьшаются, а кислотные свойства увеличиваются в том же порядке — при движении слева направо и снизу вверх. При этом кислотные свойства оксидов тем сильнее, чем больше степень окисления образующего его элемента
По периоду слева направо основные свойства гидроксидов ослабевают,по главным подгруппам сверху вниз сила оснований увеличивается. При этом, если металл может образовать несколько гидроксидов, то с увеличением степени окисления металла, основные свойства гидроксидов ослабевают.
По периоду слева направо увеличивается сила кислородосодержащих кислот. При движении сверху вниз в пределах одной группы сила кислородосодержащих кислот уменьшается. При этом сила кислоты увеличивается с увеличением степени окисления образующего кислоту элемента.
По периоду слева направо увеличивается сила бескислородных кислот. При движении сверху вниз в пределах одной группы сила бескислородных кислот увеличивается.
Категории ,Ко времени открытия периодического закона было известно 63 химических элемента и описаны свойства их различных соединений.
Работы предшественников Д.И. Менделеева:
1. Классификация Берцелиуса, не потерявшая своей актуальности и в наши дни (металлы, неметаллы)
2. Триады Деберейнера (например литий, натрий, калий)
4. Спираль-ось Шанкуртура
5. Кривая Мейера
Участие Д.И. Менделеева в Международном химическом конгрессе а г. Карслруэ (1860), где утвердились идеи атомистики и понятие «Атомный» вес, которое сейчас известно под названием «относительная атомная масса».
Личностные качества великого русского ученого Д.И. Менделеева.
Гениального русского химика отличали энциклопедичность знаний, скрупулезность химического эксперимента, величайшая научная интуиция, уверенность в истинности своей позиции и отсюда неустрашимый риск в отстаивании этой истины. Д.И. Менделеева был великим и замечательным гражданином земли русской.
Д.И.Менделеев расположил все известные ему химические элементы в длинную цепочки по возрастанию их атомных весов и отметил в ней отрезки – периоды, в которых свойства элементов и образованных ими веществ изменялись сходным образом, а именно:
1). Металлические свойства ослабевали;
2) Неметаллические свойства усиливались;
3) Степень окисления в высших оксидах увеличивалась с +1 до +7(+8);
4).Степень окисления элементов в гидроксидах, твердых солеподобных соединениях металлов с водородом возрастала от +1 до +3, а затем в летучих водородных соединениях от -4 до -1;
5) Оксиды от основных через амфотерные сменялись кислотными;
6) Гидроксиды от щелочей, через амфотерные сменялись кислотами.
Выводом его работы стала первая формулировка периодического закона (1 марта 1869 г): свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс.
Периодический закон и строение атома.
Формулировка периодического закона данная Менделеевым была неточной и не полной, т.к. она отражала состояние науки на тот момент, когда о сложном строении атома еще не было известно. Поэтому современная формулировка периодического закона звучит иначе: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер.
Периодическая система и строение атома.
Периодическая система – это графическое отображение периодического закона.
Каждое обозначение в периодической системе отражает какую-либо особенность или закономерность в строении атомов элементов:
Физический смысл номера элемента, периода, группы;
Причины изменения свойств элементов и образованных ими веществ по горизонтали (в периодах) и по вертикале (в группах).
В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются, т.к.:
1) Увеличиваются заряды атомных ядер;
2) Увеличивается число электронов на внешнем уровне;
3) Число энергетических уровней постоянно;
4) Радиус атома уменьшается
В пределах одной и той же группы (в главной подгруппе) металлические свойства усиливаются, неметаллические - ослабевают, т.к.:
1). Увеличиваются заряды атомных ядер;
2). Число электронов на внешнем уровне постоянно;
3). Увеличивается число энергетических уровней;
4). Увеличивается радиус атома
В результате этого была дана причинно-следственная формулировка периодического закона: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от изменения внешних электронных структур их атомов.
Значение периодического закона и периодической системы:
1. Позволили установить взаимосвязь между элементами, объединить их по свойствам;
2. Расположить химические элементы в естественной последовательности;
3. Вскрыть периодичность, т.е. повторяемость общих свойств отдельных элементов и их соединений;
4. Исправить и уточнить относительные атомные массы отдельных элементов (у бериллия с 13 на 9);
5. Исправить и уточнить степени окисления отдельных элементов (бериллий +3 на +2)
6. Предсказать и описать свойства, указать путь открытия еще неоткрытых элементов (скандия, галлия, германия)
Пользуясь таблицей сравним две ведущие теории химии.
| Философские основы общности | Периодический закон Д.И.Менделеева | Теория органических соединений А.М. Бутлерова | |
| 1. 1. Время открытия | 1869 г. | 1861 г. | |
| II. Предпосылки. 1.Накопление фактологического материала 2. 2. Работа предшественников 3. Съезд химиков в г. Карлсруэ (1860) 4. Личностные качества. | Ко времени открытия периодического закона было известно 63 химических элемента и описаны свойства их многочисленных соединений. | Известны многие десятки и сотни тысяч органических соединений, состоящих лищь из немногих элементов: углерода, водорода, кислорода, реже – азота, фосфора и серы. | |
| - Й. Берцеллиус (металлы и неметаллы) - И.В.Деберейнер (триады) - Д.А.Р.Ньюлендс (октавы) - Л.Мейер | - Й. Берцеллиус, Ю.Либих, Ж.Дюма (теория радикалов); -Ж.Дюма, Ш.Жерара, О.Лоран (теория типов); - Й. Берцеллиус ввел а практику термин «изомерия»; -Ф.Велер, н.Н. Зинин, М.Бертло, сам А.Бутлеров(синтезы органических веществ, крах витализма); -Ф.А.Кукуле (строение бензола) | ||
| Д.И. Менделеев присутствовал в роли наблюдателя | А.М.Бутлеров не участвовал, но активно изучал материалы съезда. Однако принимал участие в съезде врачей и естествоиспытателей в г. Шпейере (1861), где выступил с докладом « О строении органических тел» | ||
| Обоих авторов отличали от других химиков: энциклопедичность химических знаний, умение анализировать и обобщать факты, научное прогнозирование, русский менталитет и русский патриотизм. | |||
| III. Роль практики в становлении теории | Д.И. Менделеев предсказывает и указывает пути открытия еще неизвестных науке галлия, скандия и германия | А.М. Бутлеров предсказывает и объясняет изомерию многих органических соединений. Сам осуществляет многие синтезы | |
Тест по теме
Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева
1. Как меняются радиусы атомов в периоде:
2. Как меняются радиусы атомов в главных подгруппах:
а) увеличиваются б) уменьшаются в) не изменяются
3. Как определить число энергетических уровней в атоме элемента:
а) по порядковому номеру элемента б) по номеру группы
в) по номеру ряда г) по номеру периода
4. Как определяется место химического элемента в периодической системе Д.И. Менделеева:
а) количеством электронов на внешнем уровне б) количеством нейтронов в ядре
в) зарядом ядра атома г) атомной массой
5. Сколько энергетических уровней у атома скандия: а) 1 б) 2 в) 3 г) 4
6. Чем определяются свойства химических элементов:
а) величиной относительной атомной массы б) числом электронов на внешнем слое
в) зарядом ядра атома г) количеством валентных электронов
7. Как изменяются химические свойства элементов в периоде:
а) усиливаются металлические б) усиливаются неметаллические
в) не изменяются г) ослабевают неметаллические
8. Укажите элемент, возглавляющий большой период периодической системы элементов: а) Cu (№29) б) Ag (№47) в) Rb (№37) г) Au (№79)
9. У какого элемента наиболее выражены металлические свойства:
а) Магний б) Алюминий в) Кремний
10. У какого элемента наиболее выражены неметаллические свойства:
а) Кислород б) Сера в) Селен
11.В чём основная причина изменения свойств элементов в периодах:
а) в увеличении атомных масс
б) в постепенном увеличении числа электронов на внешнем энергетическом уровне
в) в увеличении числа электронов в атоме
г) в увеличении числа нейтронов я ядре
12. Какой элемент возглавляет главную подгруппу пятой группы :
а) ванадий б) азот в) фосфор г) мышьяк
13.Чему равно число орбиталей на d-подуровне: а)1 б)3 в)7 г)5
14. Чем отличаются атомы изотопов одного элемента:
а) числом протонов б) числом нейтронов в) числом электронов г) зарядом ядра
15. Что такое орбиталь:
а) определённый энергетический уровень, на котором находится электрон
б) пространство вокруг ядра, где находится электрон
в) пространство вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона наибольшая
г) траектория, по которой движется электрон
16. На какой орбитали электрон имеет наибольшую энергию: а)1s б)2s в)3s г) 2p
17. Определите какой это элемент 1s 2 2s 2 2p 1: а) №1 б) №3 в) №5 г) №7
18. Чему равно число нейтронов в атоме +15 31 Р а)31 б)16 в)15 д)46
19. Какой элемент имеет строение наружного электронного слоя …3s 2 p 6:
а) неон б) хлор в) аргон г) сера
20. На основании электронной формулы определите, какими свойствами обладает элемент 1s 2 2s 2 2p 5 :
а) металл б) неметалл в) амфотерный элемент г) инертный элемент
21. Сколько химических элементов в шестом периоде: а)8 б)18 в)30 г)32
22. Чему равно массовое число азота +7 N который содержит 8 нейтронов:
а)14 б)15 в)16 г)17
23. Элемент, в ядре атома которого содержится 26 протонов: а)S б)Cu в)Fe г)Ca