Периодическая система химических элементов Менделеева

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………2

Глава Ι.

Периодический закон Д. И. Менделеева………………………………………4

Глава ΙΙ.

2.1 Структура периодической системы………………………………………..8

2.2 Связь между электронным строением атомов и положением элементов в периодической системе………………………………………………………...13

2.3 Периодически и непериодически изменяющиеся свойства элементов…16

Глава ΙΙΙ.

Значение периодической системы……………………………………………..20

Заключение………………………………………………………………………25

Список литературы……………………………………………………………...27

Введение

После утверждения атомно-молекулярной теории важнейшим событием в химии  было открытие периодического закона. Это открытие, сделанное в 1869 году гениальным русским ученым Д. И. Менделеевым, создало новую эпоху в химии, определив пути ее развития на много  десятков лет вперед. Опирающаяся  на периодический закон классификация  химических элементов, которую Менделеев  выразил в форме периодической  системы, сыграла очень важную роль в изучении свойств химических элементов  и дальнейшем развитии учения о строении вещества.

Попытки систематизации химических элементов предпринимались и  до Менделеева. Однако они преследовали только классификационные цели и  не шли дальше объединения отдельных  элементов в группы на основании сходства их химических свойств. При этом каждый элемент рассматривался как нечто обособленное, не стоящее в связи с другими элементами.

Периодический закон и  Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева – основа современной химии. Они относятся  к таким научным закономерностям, которые отражают явления, реально  существующие в природе,  и поэтому  никогда не потеряют своего значения.

Их открытие было подготовлено всем ходом истории развития химии, однако потребовалась гениальность Д. И. Менделеева, его дар научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и графически представлены в виде таблицы.

История химии знает не одну сотню попыток систематизации химических элементов.

Десятилетия напряженной  научной работы ученых разных стран (Иоганн Деберейнер, Джон Ньюлендс, Лотар  Мейер и др.) были отданы поискам  принципа естественной классификации  элементов. Однако они не шли дальше установления групп элементов с похожими химическими элементами.

Завершить работу по систематизации элементов удалось лишь Д. И. Менделееву. В основу систематизации элементов  он положил их атомный вес. На заседании  Русского химического общества 19 марта 1869 года Николаем Меншуткиным было прочитано сообщение Менделеева об открытии периодического закона.

Менделеев предложил строгую, лаконичную и вместе с тем самую  выразительную форму – систему  химических элементов, графическим изображением которой является таблица.

Периодический закон явился не только плодом гениальной мысли, но и огромного, кропотливого и целеустремленного  труда. Менделеев творчески и  критически проанализировал и обобщил  весь разрозненный фактический материал об известных в то время 63 химических элементах.  

Ι Периодический закон Д. И. Менделеева

Предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в городе Карлсруэ в 1860 году, когда окончательно утвердилось  атомно-молекулярное учение были предприняты  первые единые определения понятий  молекулы и атома, а также атомного веса, который мы теперь называем относительной  атомной массой.

Д. И. Менделеев в своём  открытии опирался на чётко сформулированные исходные положения:

• Общее неизменное свойство атомов всех химических элементов – их атомная масса;
• Свойства элементов зависят от их атомных масс;
• Форма этой зависимости – периодическая.

В отличие от своих предшественников Менделеев был глубоко убежден, что между всеми химическими  элементами должна существовать закономерная связь, объединяющая их в единое целое, и пришел к заключению, что в  основу систематики элементов должна быть положена их относительная атомная  масса.

Действительно, расположив все элементы в порядке возрастающих атомных масс, Менделеев обнаружил, что сходные в химическом отношении  элементы встречаются через правильные интервалы и что, таким образом, в ряду элементов многие их свойства периодически повторяются.

Эта замечательная закономерность получила свое выражение в периодическом законе, который Менделеев формулировал следующим образом:

Свойства простых  тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся  в периодической зависимости  от величины атомных весов элементов.¹

Приведенная формулировка нисколько  не противоречит современной, в которой  понятие "атомный вес" заменено понятием "заряд ядра". Ядро состоит  из протонов и нейтронов. Число протонов и нейтронов в ядрах большинства  элементов примерно одинаково, поэтому  атомный вес увеличивается примерно так же, как увеличивается число  протонов в ядре (заряд ядра Z).

Д.Дальтон ввел в науку  важнейшую количественную характеристику атомов химических элементов - относительный  вес атомов или атомный вес. 
При отыскании закономерностей в свойствах атомов химических элементов ученые прежде всего обратили внимание на характер изменения атомных весов. В 1815-1816 гг. английский химик У. Праут (1785-1850) опубликовал в "Анналах философии" две анонимные статьи, в которых была высказана и обоснована идея, что атомные веса всех химических элементов являются целочисленными (т.е. кратными атомному весу водорода, который принимался тогда равным единице): "Если взгляды, которые мы решились высказать, правильны, то мы почти можем считать, что первоматерия древних воплощена в водороде...". Гипотеза Праута была очень заманчивой и вызвала постановку многих экспериментальных исследований с целью возможно более точного определения атомных  
весов химических элементов.

Чтобы познакомиться с  найденной Менделеевым закономерностью, выпишем подряд по возрастающей атомной  массе первые 20 элементов.

Под символом каждого элемента поместим его округленную атомную массу и формулу его кислородного соединения, отвечающего наибольшей валентности элемента по кислороду:

   Н               Не                Li                Be               B              C              N

водород               гелий                  литий               бериллий               бор              углерод             азот

     1                         4                         6,9                         9                      10,8                  12                   14

         Н₂О               -                Li₂O            BeO            B₂O₃         CO₂         N₂O₅

           O                 F                 Ne               Na              Mg           Al             Si

          кислород               фтор                     неон                 натрий               магний        алюминий       кремний

                16                       19                        20,2                      23                     24,3                  27                 28,1

            -                F₂O                 -              Na₂O           MgO       Al₂O₃              SiO₂

           P                  S                 Cl                Ar               K             Ca

          фосфор                  сера                      хлор                   аргон                 калий           кальций

               31                       32,1                      35,5                     39,9                    39.1                40,1

         P₂O₅                    SO₃                    Cl₂O₇              -                K₂O         CaO

В этом ряду сделано исключение только для калия, который должен был бы стоять впереди аргона. Как  увидим впоследствии, это исключение находит полное оправдание в современной теории строения атома.

Не останавливаясь на водороде и гелии, посмотрим, какова последовательность в изменении свойств остальных  элементов.

Литий – одновалентный  металл, энергично разлагающий воду с образованием щелочи. За литием идет бериллий – тоже металл, но двухвалентный, медленно разлагающий воду при обычной  температуре. После бериллия стоит  бор – трехвалентный элемент  со слабо выраженными  неметаллическими свойствами, проявляющий однако некоторые свойства металла. Следующее место в ряду занимает углерод – четырехвалентный неметалл. Далее идут: азот – элемент с довольно резко выраженными свойствами неметалла; кислород – типичный неметалл; наконец, седьмой элемент фтор – самый активный из неметаллов, принадлежащий к группе галогенов.

Таким образом, металлические  свойства, ярко выраженные у лития, постепенно ослабевают при переходе от одного элемента к другому, уступая  место неметаллическим свойствам, которые наиболее сильно проявляются  у фтора. В  то же время по мере увеличения атомной массы валентность  элементов по отношению к кислороду, начиная с лития, увеличивается  на единицу каждого следующего элемента (единственное исключение из этой закономерности представляет фтор, валентность которого по кислороду равна единице; это связано с особенностями строения атома фтора).

Если бы изменение свойств  и дальше происходило в том  же направлении, то после фтора следовал бы элемент с еще более ярко выраженными неметаллическими свойствами. В действительности же следующий  за фтором элемент – неон представляет собой благородный газ, не соединяющийся  с другими элементами и не проявляющий  ни металлических, ни неметаллических  свойств.

За неоном идет натрий –  одновалентный металл, похожий на литий. С ним как бы вновь возвращаемся к уже рассмотренному ряду. Действительно, за натрием следует магний – аналог бериллия; потом алюминий, хотя и металл, а не неметалл, как бор, но тоже трехвалентный, обнаруживающий некоторые неметаллические свойства. После него идут кремний – четырехвалентный неметалл, во многих отношениях сходный с углеродом; пятивалентный фосфор, по химическим свойствам похожий на азот; сера – элемент с резко выраженными неметаллическими свойствами; хлор – очень энергичный неметалл, принадлежащий к той же группе галогенов, что и фтор, и, наконец, опять благородный газ аргон.

Если проследить изменение  свойств всех остальных элементов, то окажется, что в общем оно  происходит в таком же порядке, как и у первых шестнадцати (не считая водорода и гелия) элементов: за аргоном опять идет одновалентный щелочной металл калий, затем двухвалентный металл кальций, сходный с магнием, и т. д.

Таким образом, изменение свойств химических элементов по мере возрастания их атомной массы не совершается непрерывно в одном и том же направлении, а имеет периодический характер. Через определенное число элементов происходит как бы возврат назад,  к исходным свойствам, после чего в известной мере вновь повторяются свойства предыдущих элементов в той же последовательности, но с некоторыми качественными и количественными различиями.

ΙΙ Структура периодической системы

Существует несколько  сотен вариантов изображения  периодической системы. Наиболее широко используются длинный и короткий варианты. Каждый из них имеет свои недостатки и преимущества. Остановимся  на рассмотрении популярной в нашей  стране короткой формы периодической системы.

Основным принципом построения периодической системы является разделение всех химических элементов  на группы и периоды. Периодическая система элементов состоит из 8 групп и 7 периодов.

Ряды элементов, в пределах которых свойства изменяются последовательно, как, например, ряд из восьми элементов  от лития до неона или от натрия до аргона, Менделеев назвал периодами. Если написать эти два периода  один под другим так, чтобы под  литием находился натрий, а под  неоном – аргон, то получится следующее  расположение элементов:

Li               Be             B            C            N              O               F                Ne

Na              Mg           Al           Si            P               S              Cl                Ar

При таком расположении в  вертикальные столбцы попадают элементы, сходные по своим свойствам и  обладающие одинаковой валентностью, например, литий и натрий, бериллий и магний и т. д.

Разделив все элементы на периоды и располагая один период под другим так, чтобы сходные  по свойствам и типу образуемых соединений элементы приходились друг под другом, Менделеев составил таблицу, названную им периодической системой элементов по группам и рядам. Эта таблица в современном виде, дополненная уже после Менделеева элементами  в настоящее время имеется во всех книгах по химии. Она состоит из десяти горизонтальных рядов и восьми вертикальных столбцов, или групп, в которых один под другим размещены сходные между собой элементы.

Периоды - это горизонтальные ряды таблицы, они подразделяются на малые и большие. В малых периодах находится 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды), в больших периодах - 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й, 7-й период). Каждый период начинается с типичного металла, а заканчивается неметаллом (галогеном) и благородным газом. Большие периоды подразделяются на ряды.

Группы - это вертикальные последовательности элементов, они нумеруются римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А и Б. Короткопериодный вариант Периодической системы включал подгруппы элементов (главную и побочную).

Подгруппа - это совокупность элементов, являющихся безусловными химическими аналогами; часто элементы подгруппы обладают высшей степенью окисления, отвечающей номеру группы.

В А-группах химические свойства элементов могут меняться в широком  диапазоне от неметаллических к  металлическим (например, в главной  подгруппе V группы азот - неметалл, а  висмут - металл).

В Периодической системе  типичные металлы расположены в IА группе (Li-Fr), IIА (Mg-Ra) и IIIА (In, Tl). Неметаллы  расположены в группах VIIА (F-Al), VIА (O-Te), VА (N-As), IVА (C, Si) и IIIА (B). Некоторые  элементы А-групп (бериллий Ве, алюминий Al, германий Ge, сурьма Sb, полоний Po и  другие), а также многие элементы Б-групп проявляют и металлические, и неметаллические свойства (явление  амфотерности).

Для некоторых групп применяют  групповые названия: IА (Li-Fr) - щелочные металлы, IIА (Ca-Ra) - щелочноземельные металлы, VIА (O-Po) - халькогены, VIIА (F-At) - галогены, VIIIА (He-Rn) - благородные газы.

Вначале нужно обратить внимание на расположение элементов в горизонтальных рядах. В первом ряду стоят только два элемента – водород и гелий. Эти два элемента составляют первый период. Второй и третий ряды состоят из рассмотренных уже нами элементов и образуют два периода по восьми элементов в каждом. Оба периода начинаются со щелочного металла и заканчиваются благородным газом. Все три периода называются малыми периодами.

Четвертый ряд также начинается со щелочного металла – калия. Судя по тому, как изменялись свойства в двух предыдущих рядах, можно было бы ожидать, что и здесь они  будут изменяться в той же последовательности и седьмым элементом в ряду будет опять галоген, а восьмым – благородный газ. Однако это не наблюдается. Вместо галогена на седьмом месте находится марганец – металл, образующий как основные, так и кислотные оксиды, из которых лишь высший Mn₂O₇ аналогичен соответствующему оксиду хлора (Cl₂O₇). После марганца в том же ряду стоят еще три металла – железо, кобальт и никель, очень сходные друг с другом. И только следующий, пятый ряд, начинающийся с меди, заканчивается благородным газом криптоном. Шестой ряд снова начинается со щелочного металла рубидия и т. д. Таким образом, у элементов, следующих за аргоном, более или мене полное повторение свойств наблюдается только через восемнадцать элементов, а не через восемь, как было во втором и третьем рядах. Эти восемнадцать элементов образуют четвертый – так называемый большой период, состоящий из двух рядов.

Пятый большой период составляют следующие два ряда, шестой и седьмой. Этот период начинается щелочным металлом рубидием и заканчивается благородным  газом ксеноном.

В восьмом ряду после лантана  идут четырнадцать элементов, называемых лантаноидами (или лантанидами), которые  чрезвычайно сходны с лантаном и  между собой. Ввиду этого сходства, обусловленного особенностью строения их атомов, лантаноиды обычно помещают вне обще таблицы, отмечая лишь в  клетке для лантана их положение  в системе.

Поскольку следующий за ксеноном благородный радон находится  только в конце девятого ряда, то восьмой и девятый ряды тоже образуют один большой период – шестой, содержащий тридцать два элемента.

В больших периодах не все  свойства элементов изменяются так  последовательно, как во втором и  третьем. Здесь наблюдается еще  некоторая периодичность в изменении  свойств внутри самих периодов. Так, высшая валентность по кислороду  вначале равномерно растет при переходе от одного элемента к другому, но затем, достигнув максимума в середине периоде, падает до двух, после чего опять возрастает до семи к концу  периода. В связи с этим большие  периоды разделены каждый на две  части (два ряда).

Десятый ряд, составляющий седьмой, - пока незаконченный, - период, содержит девятнадцать элементов, из которых  первый и последние тринадцать получены лишь сравнительно недавно искусственным путем. Следующие за актинием четырнадцать элементов сходны по строению их атомов с актинием; поэтому их под названием актиноиды (или актиниды) помещают, подобно лантаноидам, вне общей таблицы.

В вертикальных столбцах таблицы, или в группах, располагаются  элементы, обладающие сходными свойствами. Поэтому каждая вертикальная группа представляет собой как бы естественное семейство элементов. Всего в  таблице таких групп восемь. Номера групп отмечены вверху римской цифрой.

Элементы, входящие в первую группу, образуют оксиды с общей  формулой R₂O, во второй – RO, в третьей – R₂O₃ и т. д. Таким образом, наибольшая валентность элементов каждой группы по кислороду соответствует, за немногими исключениями, номеру группы.

Сравнивая элементы, принадлежащие  к одной и той же группе, нетрудно заметить, что, начиная с пятого ряда (четвертый период), каждый элемент  обнаруживает наибольшее сходство не с элементом, расположенным непосредственно под или над ним, а с элементами, отделенными от него одной клеткой. Например, в седьмой группе бром не примыкает непосредственно к хлору и иоду, а отделен от хлора марганцем, а от иода – технецием; находящиеся в шестой группе сходные элементы – селен и теллур разделены молибденом, сильно отличающимся от них; находящиеся в первой группе рубидий обнаруживает большое сходство с цезием, стоящим в восьмом ряду, но мало похож на расположенное непосредственное под ним серебро и т. д.

Это объясняется тем, что  с четвертого ряда начинаются большие  периоды, состоящие каждый из двух рядов, расположенных один над другим. Поскольку  в пределах периода металлические  свойства ослабевают в направлении  слева направо, то понятно, что в  каждом большом периоде у элементов  верхнего (четного) ряда они выражены сильнее, чем у элементов нижнего (нечетного). Чтобы отметить различие между рядами, элементы первых рядов  больших периодов сдвинуты в таблице  влево, а элементы вторых – вправо.

     Таким образом, начиная с четвертого периода каждую группу периодической системы можно разбить на две подгруппы: «четную», состоящую из элементов верхних рядов, и «нечетную», образованную элементами нижних рядов. Что же касается элементов малых периодов, которые Менделеев назвал типическими, то в первой и второй группах они ближе примыкают по своим свойствам к элементам четных рядов и сдвинуты влево, в других – к элементам нечетных рядов и сдвинуты вправо. Поэтому типические элементы обычно объединяют со сходными с ними элементами четных или нечетных рядов в одну главную подгруппу, а другая подгруппа называется побочной.

При построении периодической  системы Менделеев руководствовался принципом расположения элементов по возрастающим атомным массам. Однако, в трех случаях этот принцип оказался нарушенным. Так, аргон (атомная масса 39,948 а. е. м.) стоит до калия (39,098 а. е. м.), кобальт (58,9332 а. е. м.) находится до никеля (58,70 а. е. м.) и теллур (127,60 а. е. м.) до иода (126, 9045 а. е. м.). Здесь Менделеев отступил от принятого им порядка, исходя из свойств этих элементов, требовавших именно такой последовательности их расположения. Таким образом, он не придавал исключительного значения атомной массе и, устанавливая место элемента в таблице, руководствовался всей совокупностью его свойств. Позднейшие исследования показали, что произведенное Менделеевым размещение элементов в периодической системе является совершенно правильным и соответствует строению атомов.

Правильность размещения аргентума, кобальта и теллура в  периодической системе была подтверждена в 1913 году, уже после смерти Д. И. Менделеева в 1907 году, английским ученым Мозли. Мозли, исследуя рентгеновские спектры  различных элементов, определил заряды их ядер и установил, что порядковый номер элемента в таблице Д. И. Менделеева равен величине заряда его ядра. 

Итак, в периодической  системе свойства элементов, их атомная  масса, валентность, химический характер изменяются в известной последовательности как в горизонтальном, так и  в вертикальном направлениях. Место  элемента в таблице определяется, следовательно, его свойствами, и, наоборот, каждому месту соответствует  элемент, обладающий определенной совокупностью  свойств. Поэтому, зная положение элемента в таблице, можно довольно точно  указать его свойства.

Не только химические свойства элементов, но и очень многие физические свойства простых веществ изменяются периодически, если рассматривать их как функции атомной массы.

Периодичность в изменении  физических свойств простых веществ  ярко выявляется, например, при сопоставлении  их атомных объемов².

Таким образом, было доказано, что химическая природа элемента определяется не атомным весом, а  величиной заряда ядра.

Вследствие этого формулировка периодического закона претерпела некоторое  изменение. Теперь она следующая:

Свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической  зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Эта формулировка не противоречит данной Д. И. Менделеевым, а лишь отражает более поздние представления о строении атома. Она позволила не только подтвердить правильность расположения в таблице аргона, кобальта и теллура, но и установить, что в первом периоде находятся всего два элемента, а также определить заряды ядер лантаноидов и их число.  

Связь между электронным  строением атомов и положением элементов  в периодической системе

Рассмотрим порядок заполнения электронных оболочек атомов различных элементов в связи с их положением в коротком варианте периодической системы. При этом будем иметь в виду, что у каждого последующего элемента на один электрон больше по сравнению с предыдущим, т. е. электронная формула данного атома полностью включает в себя электронную формулу предыдущего атома и содержит, кроме того, описание состояния еще одного электрона.

Первый период наиболее прост, состоит из двух элементов. У водорода один электрон заселяет 1s-орбиталь. У гелия на этой орбитали уже два электрона, отличающиеся спинами.

Второй период образован  атомами от лития до неона. У первых двух атомов (Li, Be) после заполнения электронами К-слоя (n=1) идет формирование s-оболочки L-слоя (n=2). У следующих шести элементов заполняются электронами 2p-орбитали.

  В третьем периоде в атомах элементов от натрия до аргона комплектуется третий слой (n=3) подобно второму. В третьем слое остается незаполненной вся d-оболочка.

В четвертом периоде у  атомов калия и кальция сначала  заполняется   s-оболочка четвертого слоя (n=4). В атомах следующих десяти элементов (от скандия до цинка) заполняются электронами пять d-орбиталей. Нужно заметить, что последовательность заполнения d-орбиталей атомов хрома и меди несколько нарушается. У них один электрон с внешней 4s-орбитали как бы «проваливается» на 3d-орбиталь. Это явление объясняется особой устойчивостью атома с наполовину или полностью заполненной                    d-оболочкой. Выигрыш энергии в этом случае перекрывает энергетические затраты при переходе одного электрона с 4s-орбитали на 3d-орбиталь. В атоме галлия и атомах следующих за ним пяти элементов заполняется 4p-оболочка.

В пятом периоде порядок  заполнения электронных оболочек элементов  пятого (n=5) и четвертого периодов аналогичен. У двух первых элементов (Rb, Sr) заполняются 5s-оболочки, в следующих десяти элементах этого периода комплектуются с несколькими «провалами» 4d-оболочка и у атомов последних шести элементов заполняются 5р-оболочки. При этом 4f-, 5d-, 5f-оболочки остаются вакантными.

В шестом периоде содержатся 32элемента. У атомов цезия и бария  электронами насыщаются 6s-оболочки. У атомов лантана и следующих за ним тринадцати элементов (кроме гадолиния) электроны заполняют семь орбиталей 4f-оболочек, затем пять орбиталей 5d-оболочек и три орбитали  6p-оболочек. Похожая картина наблюдается у элементов седьмого периода, следующих за актинием.

Итак, каждый период начинается с двух элементов, у которых электронами  заполняются s-орбитали внешнего уровня. Эти элементы находятся в главных подгруппах и Ι и ΙΙ групп и называются s-элементами.

В главных подгруппах ΙΙΙ-VΙΙΙ  групп стоят p-элементы, у которых происходит заполнение p-орбиталей внешнего уровня. Напомним, что у элементов 1-3 периодов p-орбитали заполняются непосредственно после       s-орбиталей, в больших периодах между s-, и p-элементами стоят 10 элементов, у которых электроны поступают на d-орбитали предыдущего уровня. Эти элементы называются d-элементами или переходными металлами. Они находятся в побочных подгруппах всех восьми групп.

Исходя из указанных закономерностей  заполнения орбиталей электронами  по электронной формуле можно  легко определить, в каком периоде, группе и подгруппе находится  элемент в периодической системе.

Электронная формула элемента – 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

Этот элемент находится  в третьем периоде, так как  номер периода всегда отвечает числу  энергетических уровней в атоме. Поскольку последний электрон поступил на p-орбиталь, элемент стоит в главной подгруппе. Номер группы для элементов главных подгрупп всегда равен общему числу s- и      p-электронов. Таким образом, рассматриваемый элемент стоит в третьем периоде, главной подгруппе V группы (в подгруппе VА).

У элементов главных подгрупп все внешние электроны называются валентными, так как они могут  участвовать в образовании химической связи. Число валентных электронов (максимальная валентность, максимальная степень окисления) равно номеру группы, т. е. пяти.

Электронная формула элемента -1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d²5s².

Элемент расположен в пятом  периоде (число энергетических уровней), побочной подгруппе (заполняются d-орбитали предпоследнего уровня). Чтобы определить номер группы, в которой стоит d-элемент, необходимо вспомнить, что в каждом периоде в Ι и ΙΙ группах стоят два s-элемента, следовательно, первый d-электрон появляется у элемента, расположенного в ΙΙΙ группе. Рассматриваемый элемент находится в ΙV группе.