Периодический закон и периодическая система элементов Д.Менделеева
Введение
1. Открытие периодического
закона
2 Современный вид периодической системы элементов Д.И. Менделеева 9
3 Периодический закон - закон
строения атома
Заключение
Список использованной литературы
Поиски основы естественной классификации химических элементов и их систематизации начались задолго до открытия Периодического закона.
Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми работали в этой области, были вызваны недостаточностью экспериментальных данных: в начале XIX в. число известных химических элементов было ещё слишком мало, к середине 19 века было известно 63 химических элемента, а принятые значения атомных масс многих элементов неточны.
«Открытие периодического закона и разработка периодической системы химических элементов Д. И. Менделеевым явились вершиной развития химии в XIX веке. Обширная сумма знаний о свойствах 63 элементов, известных к тому времени, была приведена в стройный порядок.»1 Д. И. Менделеев считал, что основной характеристикой элементов являются их атомные веса, и в 1869 г. впервые сформулировал периодический закон.
Однако, несмотря на огромную значимость такого вывода, периодический закон и система Менделеева представляли лишь гениальное обобщение фактов, а их физический смысл долгое время оставался непонятным. Лишь в результате развития физики XX века — открытия электрона, радиоактивности, разработки теории строения атома — молодой, талантливый английский физик Г. Мозле установил, что величина зарядов ядер атомов последовательно возрастает от элемента к элементу на единицу.
Этим открытием Мозле подтвердил гениальную догадку Менделеева, который в трех местах периодической таблицы отошел от возрастающей последовательности атомных весов. Целью настоящей работы является выяснения условий и хода открытия, сделанного Д.И. Менделеевым, выяснить структуру периодической системы и зависимость свойств элементов, понять схему строения атома химического элемента, определить прогностическую функцию периодического закона.
В начале 19 в. происходит быстрое развитие химической науки. Если в конце 18 века было известно лишь 25 химических элементов (такие H, C, N, О, P, Cl, и прочие), то к 60-м годам 19 века из число равно 63. Параллельно с открытием новых элементов шло накопление сведений об их атомном весе, физических и химических свойствах, что привело к необходимости классификации элементов.
Всего до Менделеева было опубликовано свыше 30 работ по систематике элементов. Однако, общего закона, связывающего все химические элементы, эти ученые не открыли, т.к. они изучали закономерности между сходными элементами в естественных группах, а закономерную связь между группами не искали; а так же, пользуясь неверными атомными массами объединяли в одну группу элементы, далекие по химическим свойствам.
17 февраля 1869 г. (по старому
стилю) профессор Петербургского
университета Дмитрий Иванович
Менделеев сделал первый
Менделеев Д.И. назвал его «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом свойстве». Это была самая первая таблица периодической системы элементов.
Но чтобы обнаруженная закономерность могла называться законом и была признана другими учеными как закон, надо было еще много работать. И два с половиной года - а вплоть до декабря 1871 г. - он занимался разработкой своего открытия.
«Менделеев видел три обстоятельства, которые, по его мнению, способствовали открытию периодического закона:
· были более или менее точно определены величины атомных весов большинства химических элементов;
· появилось четкое понятие о группах сходных по химическим свойствам элементов;
· к 1869 г. была изучена химия многих редких элементов, без знания которой трудно было бы прийти к какому-либо обобщению.»2
Менделеев сопоставил между собой все известные элементы о величине атомных весов и логично объединил их в структуре своей таблицы. Он характеризовал течение своего творческого процесса: «Искать же что-либо, хотя бы грибы или какую-нибудь 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 привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса, причем, сомневаясь во многих неясностях, я ни минуты не сомневался в общности сделанного вывода, так как случайность допустить было невозможно».
На первой карточке у Менделеева Д.И было написано название, атомный вес и свойства водорода, вторую карточку с атомным весом и свойствами металла лития он поместил под карточкой водорода. На третье место рядом с литием Менделеев Д.И положил карточку, на которой было написано - Ве(9), а не Ве (14), т.к. принял во внимание особенности химических свойств бериллия: они представляли плавный переход от свойств лития к свойствам бора.
Карточку бора Менделеев Д.И поместил на четвертое место. На пятое углерод. На шестом месте - азот, далее следовали кислород и фтор. Девятая же карточка, принадлежащая металлу натрию, была помещена под второй, на которой были написаны химические характеристики металла лития. На следующее место был поставлен магний за ним алюминий. Под углеродом была положена карточка кремния, под кислородом - сера, под фтором - хлор.
Таки образом, в вертикальных рядах оказались химически сходные элементы. Металл литий по своим свойствам похож на металл натрий. Также как бериллий и магний схожи друг с другом - они образуют с металлами очень схожие соединения. Свойства кислорода и серы также сходны между собой. Под карточкой натрия была помещена карточка с очень схожим на натрий калием, и калий стал началом нового ряда. Под магнием Менделеев Д.И. поместил сходный с магнием кальций. Следующим в порядке возрастания атомного веса должен был идти ванадий, но вместо этого Менделеев Д.И рядом с кальцием оставляет пустую карточку. Вслед за пустой карточкой он ставит карточку титана, хотя на тот момент атомный вес титана химиками считался не 48 а 52. Таким образом, Менделеев Д.И предсказал истинное значение атомного веса для титана, также как и для бериллия. После чего, за титаном следует карточка ванадия, а уже далее карточки хрома и марганца.
Этот период в таблице Менделеева длинный. За марганцем идут железо (Fe)-56, кобальт (Co)-59, никель(Ni)-59, медь(Cu)-63, цинк (Zn)-65. Но вслед за цинком ученый вновь оставил в своей таблице подряд два пустых места. Далее следовали карточки с мышьяком, селеном и бромом, завершавшим длинный период. При этом карточки мышьяка, селена и брома оказались под сходными с ними элементами конца предыдущего короткого периода, т.е. элементов фосфора, серы и хлора.
В 1871 году в журнале Русского химического общества появилась статья Менделеева Д.И «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». В данной статье он описал три до этого времени неизвестных научному миру химических элемента, причем так обстоятельно, как не смог бы этого сделать иной исследователь, державший в руках их соединения и посвятивший долгие годы изучению их в лаборатории.
Этот факт можно назвать великим предсказанием, т.к. менделеевский экаалюминий соответствует галлию, экабор - скандию, экасилиций - германию. Также в данной статье Менделеев Д.И впервые употребляет понятие «закон периодичности», называя свою систему естественной. В том же году появляется очередная статья Менделеева Д.И. под названием «Периодическая законность химических элементов», о которой сам автор впоследствии говорил : «Это лучший свод моих взглядов и соображений о периодичности элементов …..». В данной статье Менделеев Д.И впервые приводит каноническую формулировку периодического закона, просуществовавшую до его физического обоснования: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
2. Современный вид периодической системы элементов Д.И. Менделеева
«Первые варианты периодической системы химических элементов во многом представляли лишь эмпирическое обобщение. Ведь был неясен физический смысл периодического закона, отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных масс. В связи с этим оставались нерешенными многие проблемы».3
Есть ли границы периодической системы? Можно ли определить точное количество существующих элементов? Оставалась неясной структура шестого периода, - каково точное количество редкоземельных элементов. Было неизвестно, существуют ли еще элементы между водородом и литием, какова структура первого периода. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории периодической системы перед ней не раз возникали серьезные трудности. Неожиданным было открытие в 1894 -- 1898 гг. плеяды инертных газов, которым, казалось, не находилось места в периодической системе. Эта трудность была устранена благодаря идее включить в структуру периодической системы самостоятельную нулевую группу. Массовое открытие радиоактивных элементов на стыке XIX и ХХ вв. (к 1910 г. их число составляло около 40) привело к резкому противоречию между необходимостью их размещения в периодической системе и ее сложившейся структурой. Для них было только 7 вакантных мест в шестом и седьмом периодах. Эта проблема была решена в результате установления правил сдвига и открытия изотопов.
Одна из главных причин невозможности объяснить физический смысл периодического закона и структуру периодической системы состояла в том, что было неизвестно, как построен атом. Важнейшей вехой на пути развития периодической системы явилось создание атомной модели Э. Резерфордом (1911). На ее основе голландский ученый А. Ван ден Брук (1913) высказал предположение, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома (Z). Это экспериментально подтвердил английский ученый Г. Мозли (1913). Периодический закон получил физическое обоснование: периодичность изменения свойств элементов стала рассматриваться в зависимости от Z - заряда ядра атома элемента, а не от атомной массы.
В результате структура периодической системы Менделеева значительно упрочилась. Была определена нижняя граница системы. Это водород - элемент с минимальным Z = 1. Стало возможным точно оценить количество элементов между водородом и ураном. Были определены «пробелы» в периодической системе, соответствующие неизвестным элементам с зарядами ядра атома равными 43, 61, 72, 75, 85, 87. Однако оставались неясными вопросы о точном количестве редкоземельных элементов и, что особенно важно, не были вскрыты причины периодичности изменения свойств элементов в зависимости от заряда ядра атома.
Опираясь на сложившуюся структуру периодической системы и результаты изучения атомных спектров, датский ученый Н. Бор в 1918 - 1921 гг. развил представления о последовательности построения электронных оболочек и подоболочек в атомах. Ученый пришел к выводу, что сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются. Таким образом, было показано, что периодичность изменения свойств химических элементов объясняется существованием периодичности в построении электронных оболочек и подоболочек атомов.
В настоящее время периодическая система охватывает 118 элементов. Из них все трансурановые элементы (Z' = 93 - 118), а также элементы с Z = 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат), 87 (франций) получены искусственно. За всю историю существования периодической системы было предложено большое количество (> 500) вариантов ее графического изображения, преимущественно в виде таблиц, а также в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (спиралей и пр.) и т.д. Наибольшее распространение получили короткая, длинная и лестничная формы таблиц Менделеева.
Фундаментальным принципом построения периодической системы является ее подразделение на группы и периоды. Менделеевское понятие рядов элементов ныне не употребляется, поскольку лишено физического смысла. Группы, в свою очередь, подразделяются на главную (а) и побочную (b) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы - химические аналоги.
Периодом называется совокупность элементов, которая начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом (особый случай - первый период). Каждый период содержит строго определенное количество элементов. Периодическая система состоит из восьми групп и семи периодов, причем седьмой пока не завершен.
Особенность первого периода заключается в том, что он содержит всего 2 элемента: водород и гелий.
Второй период содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом литием, единственная степень окисления которого + 1. Далее следует бериллий (металл, степень окисления + 2).
Третий период (натрий -- аргон) также содержит 8 элементов. Характер изменения их свойств во многом аналогичен тому, который наблюдался для элементов второго периода.
Четвертый период (калий - криптон) содержит 18 элементов. По Менделееву, это первый большой период.
Пятый период (рубидий - ксенон) по своему построению аналогичен четвертому. В нем также содержится вставка из 10 переходных металлов (иттрий - кадмий).
Шестой период (цезий - радон) включает 32 элемента. В этом периоде кроме 10 переходных металлов (лантан, гафний - ртуть) содержится еще и совокупность из 14 лантаноидов - от церия до лютеция. Седьмой период начинается с фракция. Подобно шестому, он также должен содержать 32 элемента, но из них пока известен 27.
3. Периодический закон - закон строения атома
Теория периодической системы была разработана Н. Бором и другими учеными в 20-х гг. ХХ в. и основана на реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов.
«Структура периодической системы химических элементов тесно связана со строением атомов химических элементов. По мере роста заряда ядра атома элемента периодически повторяются сходные типы конфигурации внешних электронных оболочек. А именно они определяют основные особенности химического поведения элементов. Эти особенности по-разному проявляются для элементов A-подгрупп (s- и р-элементы), для элементов b-подгрупп (переходные d-элементы) и элементов f-семейств -- лантаноидов и актиноидов. Особый случай представляют элементы первого периода -- водород и гелий. Для водорода характерна высокая химическая активность, потому что его единственный b-электрон легко отщепляется. В то же время конфигурация гелия (1st) весьма устойчива, что обусловливает его полную химическую бездеятельность.»4
У элементов А-подгрупп происходит заполнение внешних электронных оболочек (с n, равным номеру периода); поэтому свойства этих элементов заметно изменяются по мере роста заряда ядра атома элемента. Так, во втором периоде литий (конфигурация 2s) -- активный металл, легко теряющий единственный валентный электрон; бериллий (2s~) -- также металл, но менее активный вследствие того, что его внешние электроны более прочно связаны с ядром. Далее, бор (2з'р) имеет слабо выраженный металлический характер, а все последующие элементы второго периода, у которых происходит построение 2р-подоболочки, являются уже неметаллами. Восьми электронная конфигурация внешней электронной оболочки неона (2s~р~) - инертного газа - очень прочна.
Химические свойства элементов второго периода объясняются стремлением их атомов приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (конфигурацию гелия -- для элементов от лития до углерода или конфигурацию неона -- для элементов от углерода до фтора). Вот почему, например, кислород не может проявлять высшей степени окисления, равной номеру группы: ведь ему легче достичь конфигурации неона путем приобретения дополнительных электронов. Такой же характер изменения свойств проявляется у элементов третьего периода и у s- и р-элементов всех последующих периодов. В то же время ослабление прочности связи внешних электронов с ядром в А-подгруппах по мере роста Z проявляется в свойствах соответствующих элементов. Так, для s-элементов отмечается заметный рост химической активности по мере роста Z, а для р-элементов -- нарастание металлических свойств.
В атомах переходных d-элементов достраиваются не завершенные ранее оболочки со значением главного квантового числа и, на единицу меньшим номера периода. За отдельными исключениями, конфигурация внешних электронных оболочек атомов переходных элементов -- ns. Поэтому все d-элементы являются металлами, и именно поэтому изменения свойств 1-элементов по мере роста заряда ядра атома элемента не так резки, как мы это видели у s и р-элементов. В высших степенях окисления d-элементы проявляют определенное сходство с р-элементами соответствующих групп периодической системы.
Особенности свойств элементов триад (VIII b-подгруппа) объясняются тем, что d-подоболочки близки к завершению. Вот почему железо, кобальт, никель и платиновые металлы, как правило, не склонны давать соединения высших степеней окисления. Исключение составляют лишь рутений и осмий, дающие оксиды RuO4 и OsO4. У элементов I- и II B-подгрупп d-подоболочка фактически оказывается завершенной. Поэтому они проявляют степени окисления, равные номеру группы.
В атомах лантаноидов и актиноидов (все они металлы) происходит достройка ранее не завершенных электронных оболочек со значением главного квантового числа и на две единицы меньше номера периода. В атомах этих элементов конфигурация внешней электронной оболочки (ns2) сохраняется неизменной. В то же время f-электроны фактически не оказывают влияния на химические свойства. Вот почему лантаноиды так сходны.
«Конечное число элементов, которое охватывает периодическая система, неизвестно. Проблема ее верхней границы -- это, пожалуй, основная загадка периодической системы. Наиболее тяжелый элемент, который удалось обнаружить в природе - это плутоний (Z = = 94). Достигнутый предел искусственного ядерного синтеза - элемент с порядковым номером 107».5
С помощью сложнейших расчетов, выполненных на компьютере, ученые попытались определить строение атомов и оценить важнейшие свойства таких «сверхэлементов», вплоть до огромных порядковых номеров (Z = 172 и даже Z = = 184). Полученные результаты оказались весьма неожиданными. Расчеты показывают также, что у элементов гипотетического восьмого периода заполнение электронных оболочек и подоболочек атомов происходит в очень сложной и своеобразной последовательности. Поэтому оценить свойства соответствующих элементов -- проблема весьма сложная. Казалось бы, восьмой период должен содержать 50 элементов (Z = 119 -- 168), но согласно расчетам, он должен завершаться у элемента с Z = 164, т.е. на 4 порядковых номера раньше. А «экзотический» девятый период, оказывается, должен состоять из 8 элементов.
Трудно сказать, насколько соответствовали бы истине расчеты, проделанные с помощью компьютера. Однако, если бы они были подтверждены, то пришлось бы серьезно пересмотреть закономерности, лежащие в основе периодической системы элементов и ее структуры.
Открытие периодического закона и разработка периодической системы химических элементов было подготовлено всем ходом истории развития химии, однако потребовалась гениальность Дмитрия Ивановича Менделеева, его дар научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и явились вершиной развития химии 19 века, стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения.
Закономерности, вскрытые периодической системой и периодическим законом, оказали существенное влияние на разработку теории строения атомов, открытие изотопов, появление представлений о ядерной периодичности. С периодической системой и периодическим законом связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в химии. Это проявилось в предсказании существования и свойств неизвестных элементов и новых особенностей химического поведения элементов, уже открытых.
Ныне периодическая система и периодический закон представляют фундамент химии, в первую очередь неорганической, существенно помогая решению задачи химического синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых полупроводниковых материалов, подбору специфических катализаторов для различных химических процессов и т.д.
Список использованной литературы
1. Кедров Б. M., День одного великого открытия.- M., 1958.-300 с
2. Кутолин С.А. Концепции
современного естествознания (Введение
в философию реального
3. Петрянов И.В., Трифонов Д.Н. Великий закон.- М.: Педагогика, 1976.-400 с
4. Третьяков Ю.Д. Метлин Ю.Г. Основы общей химии. -М.: Просвещение, 1980.- 115 с
5. Трифонов Д.Н., Трифонов В.Д. Как были открыты химические элементы. М.: просвещение, 1980.- 220 с
6.Электронный ресурс http://www.wikipedia.org/
1 Кедров Б. M., День одного великого открытия, M., 1958. – с 142.
2 Петрянов И.В., Трифонов Д.Н. Великий закон. М.: Педагогика, 1976.- с 100.
3 Кутолин С.А. Концепции современного естествознания .- Новосибирск, 2000.- с 55 .
4 Третьяков Ю.Д. Метлин Ю.Г. Основы общей химии. М.: Просвещение, 1980.- с 120.
5 Трифонов Д.Н., Трифонов В.Д. Как были открыты химические элементы. М.: просвещение, 1980.- с 210 .
