Периодический закон и периодическая система химических элементовД. И. Менделеева на основе представлений о строении атома.
1. формулировка периодического закона
Д. И. Менделеева в свете теории строения атома.
Открытие периодическогозакона и разработка периодической системы химических элементов Д. И.Менделеевым явились вершиной развития химии в XIX веке. Обширная сумма знаний о свойствах 63 элементов, известныхк тому времени, была приведена в стройный порядок.
Д. И. Менделеев считал, чтоосновной характеристикой элементов являются их атомные веса, и в 1869 г.впервые сформулировал периодический закон.
Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементовнаходятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
Весьряд элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, Менделеевразбил на периоды, внутри которых свойства элементов изменяютсяпоследовательно, разместив периоды так, чтобы выделить сходные элементы.
Однако, несмотря на огромнуюзначимость такого вывода, периодический закон и система Менделеева представлялилишь гениальное обобщение фактов, а их физический смысл долгое время оставалсянепонятным. Лишь в результате развития физики XX века — открытия электрона, радиоактивности, разработки теориистроения атома — молодой, талантливый английский физик Г. Мозле установил, чтовеличина зарядов ядер атомов последовательно возрастает от элемента к элементуна единицу. Этим открытием Мозле подтвердил гениальную догадку Менделеева,который втрех местах периодической таблицы отошел от возрастающейпоследовательности атомных весов.
Так, при еесоставлении Менделеев поставил 27Со перед 28Ni, 52Ti перед 5 J, 18Агперед 19К, несмотря на то, что это противоречило формулировкепериодического закона, то есть расположению элементов в порядке увеличения ихатомных весов.
Согласно законуМозле заряды ядерданных элементов соответствовали положению их втаблице.
В связи с открытием закона Мозле современная формулировкапериодического закона следующая:
свойство элементов, а так же формы и свойства их соединенийнаходятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов.
Связьпериодического закона и периодической системы со строением атомов.
Итак, главнойхарактеристикой атома является не атомная масса, а величина положительногозаряда ядра. Это более общая точная характеристика атома, а значит, и элемента.От величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства Элемента иего положение в периодической системе. Таким образом, порядковый номер химическогоэлемента численно совпадает с зарядом ядра его атома. Периодическая системаэлементов является графическим изображением периодического закона и отражаетстроение атомов элементов.
Теориястроения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов. Возрастаниеположительного заряда атомных ядер от 1-до 110 приводит к периодическому повторениюу атомов элементов строения внешнего энергетического уровня. А поскольку отчисла электронов на внешнем уровне в основном зависят свойства элементов; то иони периодически повторяются. В этом физический смысл периодического закона.
В качестве примера рассмотримизменение свойств у первых и последних элементов периодов. Каждый период впериодической системе начинается элементами атомы, которых на внешнем уровнеимеют один s-электрон (незавершенные внешние уровни) ипотому проявляют сходные свойства — легко отдают валентные электроны, что обуславливаетих металлический характер. Это щелочные металлы — Li, Na, К, Rb, Cs.
Заканчивается периодэлементами, атомы которых на внешнем уровне содержат 2 (s2) электрона (в первом периоде) или 8 (s1p6)электронов (во всех последующих), то есть имеютзавершенный внешний уровень. Это благородные газы Не, Ne, Ar, Kr, Xe, имеющие инертные свойства.
Именно вследствие сходствастроения внешнего энергетического уровня похожи их физические и химическиесвойства.
В каждом периоде свозрастанием порядкового номера элементов металлические свойства постепенноослабевают и возрастают неметаллические, заканчивается период инертным газом.В каждом периоде с возрастанием порядкового номера элементов металлическиесвойства постепенно ослабевают и возрастают неметаллические, заканчиваетсяпериод инертным газом.
В свете ученияо строении атома становится понятным разделение всех элементов на семьпериодов, сделанное Д. И. Менделеевым. Номер периода соответствует числуэнергетических уровней атома, то есть положение элементов впериодической системе обусловлено строением их атомов. В зависимости от того,какой подуровень заполняется электронами, все элементы делят на четыре типа.
1. s-элементы. Заполняется s-подуровень внешнего уровня (s1 — s2). Сюда относятся первые два элемента каждого периода.
2. р-элементы. Заполняетсяр-подуровень внешнего уровня (р1 — p6)-Сюдаотносятся последние шесть элементов каждого периода, начиная со второго.
3. d-элементы. Заполняется d-подуровеньпоследнего уровня (d1 — d10), а напоследнем (внешнем) уровне остается 1 или 2 электрона. К ним относятся элементывставных декад (10) больших периодов, начиная с 4-го, расположенные между s- и p-элементами (ихтакже называют переходными элементами).
4. f-элементы. Заполняется f-подуровень глубинного (треть его снаружи) уровня (f1 —f14), а строение внешнего электронного уровня остаетсянеизменным. Это лантаноиды и актиноиды, находящиеся в шестом и седьмомпериодах.
Такимобразом, число элементов в периодах (2-8-18-32) соответствует максимальновозможному числу электронов на соответствующих энергетических уровнях: напервом — два, на втором — восемь, на третьем — восемнадцать, а на четвертом —тридцать два электрона. Деление групп на подгруппы (главную и побочную) основанона различии в заполнении электронами энергетических уровней. Главную подгруппусоставляют s— и p-элементы, а побочную подгруппу — d-элементы. В каждой группе объединены элементы, атомы которыхимеют сходное строение внешнего энергетического уровня. При этом атомыэлементов главных подгрупп содержат на внешних (последних) уровнях число электронов,равное номеру группы. Это так называемые — валентныеэлектроны.
У элементовпобочных подгрупп валентными являются электроны не только внешних, но ипредпоследних (вторых снаружи) уровней, в чем и состоит основное различие всвойствах элементов главных и побочных подгрупп.
Отсюда следует, что номергруппы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать вобразовании химических связей. В этом заключается физический смысл номерагруппы.
С позицийтеории строения атома легко объясняется возрастание металлических свойствэлементов в каждой группе с ростом заряда ядра атома. Сравнивая, например,распределение электронов по уровням в атомах 9F (1s2 2s2 2р5)и 53J(1s2 2s2 2р6 3s2 Зр63d104s2 4р6 4d105s2 5p5) можно отметить, что у них по 7 электронов на внешнем уровне, чтоуказывает на сходство свойств. Однако внешние электроны в атоме йода находятсядальше от ядра и поэтому слабее удерживаются. По этой причине атомы йода могутотдавать электроны или, иными словами, проявлять металлические свойства, чтонехарактерно для фтора.
Итак, строениеатомов обуславливает две закономерности:
а) изменение свойств элементовпо горизонтали — в периоде слева направо ослабляются металлические и усиливаютсянеметаллические свойства;
б) изменение свойствэлементов по вертикали — в группе с ростом порядкового номера усиливаютсяметаллические свойства и ослабевают неметаллические.
Таким образом: по мере возрастания заряда ядра атомовхимических элементов периодически изменяется строение их электронных оболочек,что является причиной периодического изменения их свойств.
3. Структура периодическойСистемы Д. И. Менделеева.
Периодическая система Д. И. Менделеева подразделяется на семь периодов– горизонтальных последовательностей элементов, расположенных по возрастаниюпорядкового номера, и восемь групп – последовательностей элементов обладающиходнотипной электронной конфигурацией атомов и сходными химическими свойствами.
Первые три периода называются малыми, остальные – большими. Первый периодвключает два элемента, второй и третий периоды – по восемь, четвёртый и пятый –по восемнадцать, шестой – тридцать два, седьмой (незавершённый) – двадцать одинэлемент.
Каждый период (исключая первый) начинается щелочным металлом и заканчиваетсяблагородным газом.
Элементы2 и 3 периодов называются типическими.
Малыепериоды состоят из одного ряда, большие – из двух рядов: чётного (верхнего) инечётного (нижнего). В чётных рядах больших периодов расположены металлы, исвойства элементов слева направо изменяются слабо. В нечётных рядах большихпериодов свойства элементов изменяются слева направо, как у элементов 2 и 3периодов.
В периодической системе для каждого элемента указывается его символ ипорядковый номер, название элемента и его относительная атомная масса.Координатами положения элемента в системе является номер периода и номер группы.
Элементыс порядковыми номерами 58-71, именуемыми лантаноидами, и элементы с номерами90-103 — актиноиды – помещаются отдельно внизу таблицы.
Группы элементов, обозначаемые римскими цифрами, делятся на главные и побочныеподгруппы. Главные подгруппы содержат 5 элементов (или более). В побочныеподгруппы входят элементы периодов, начиная с четвёртого.
Химическиесвойства элементов обуславливаются строением их атома, а точнее строениемэлектронной оболочки атомов. Сопоставление строения электронных оболочек сположением элементов в периодической системе позволяет установить ряд важныхзакономерностей:
1.Номер периода равен общему числу энергетических уровней, заполняемыхэлектронами, у атомов данного элемента.
2. В малых периодах и нечётных рядах больших периодов с ростом положительногозаряда ядер возрастает число электронов на внешнем энергетическом уровне. Сэтим связано ослабление металлических и усиление неметаллических свойствэлементов слева направо.
Номер группы, указывает число электронов, которые могут участвовать вобразовании химических связей (валентных электронов).
Вподгруппах с ростом положительного заряда ядер атомов элементов усиливаются ихметаллические и ослабляются неметаллические свойства.