Периодическая система
Менделеева
Периодическая
система химических элементов
— естественная классификация
химических элементов, которая
является графическим (табличным)
выражением периодического закона
химических элементов. Структура
ее, во многом сходная с современной,
разработана Д. И. Менделеевым
на основе периодического закона
в 1869-1871 гг.Прообразом периодической
системы был «Опыт системы элементов,
основанной на их атомном весе и химическом
сходстве», составленный Д.И. Менделеевым
1 марта 1869 г. На протяжении двух лет ученый
непрерывно совершенствовал «Опыт системы»,
ввел представление о группах, рядах и
периодах элементов. В результате структура
периодической системы приобрела во многом
современные очертания. Важным для
ее эволюции стало понятие о месте элемента
в системе, определяемом номерами группы
и периода. Опираясь на это понятие, Менделеев
пришел к выводу, что необходимо изменить
атомные массы некоторых химических элементов:
урана, индия, церия и его спутников. Это
было первое практическое применение
периодической системы. Менделеев также
впервые предсказал существование нескольких
неизвестных элементов. Ученый описал
важнейшие свойства экаалюминия (будущего
галлия), экабора (скандия) и экасилиция
(германия). Кроме того, он предсказал существование
аналогов марганца (будущих технеция и
рения), теллура (полония), йода (астата),
цезия (франция), бария (радия), тантала
(протактиния). Прогнозы ученого в отношении
данных элементов носили общий характер,
поскольку эти элементы располагались
в малоизученных областях периодической
системы. 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. 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 радиоэлементов 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 (см. 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 Z = 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 Z.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 117 элементов. Из них все трансурановые
элементы (Z' = 93 — 117), 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.
В настоящее время предпочтение отдается
короткой.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. Элементы а- и b-подгрупп
в большинстве групп также обнаруживают
между собой определенное сходство, главным
образом в высших степенях окисления,
которые, как правило, равны номеру группы.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. Место водорода в системе неоднозначно.
Поскольку он проявляет свойства, общие
со щелочными металлами и с галогенами,
то его помещают либо в I А-, либо в VII А-подгруппу,
причем последний вариант употребляется
чаще. Гелий-первый представитель VIII А-подгруппы.
Долгое время гелий и все инертные газы
выделяли в самостоятельную нулевую группу.
Это положение потребовало пересмотра
после синтеза химических соединений
криптона, ксенона и радона. В результате
инертные газы и элементы бывшей VIII группы
(железо, кобальт, никель и платиновые
металлы) были объединены в рамках одной
группы. Этот вариант не безупречен, так
как инертность гелия и неона не вызывает
сомнений.Второй
период содержит 8 элементов. Он начинается
щелочным металлом литием, единственная
степень окисления которого + 1. Далее следует
бериллий (металл, степень окисления +
2). Бор проявляет уже слабо выраженный
металлический характер и является неметаллом
(степень окисления + 3). Следующий за бором
углерод — типичный неметалл, который
проявляет степень окисления как +4, так
и — 4. Азот, кислород, фтор и неон — все
неметаллы, причем у азота высшая степень
окисления + 5 соответствует номеру группы;
для фтора известна степень окисления
+ 7. Инертный газ неон завершает период.
Третий период (натрий — аргон) также
содержит 8 элементов. Характер изменения
их свойств во многом аналогичен тому,
который наблюдался для элементов второго
периода. Но здесь есть и своя специфика.
Так, магний в отличие от бериллия более
металличен, так же как и алюминий по сравнению
с бором. Кремний, фосфор, сера, хлор, аргон
— все это типичные неметаллы. И все они,
кроме аргона, проявляют высшие степени
окисления, равные номеру группы.Как видим,
в обоих периодах по мере увеличения Z
наблюдается ослабление металлических
и усиление неметаллических свойств элементов.
Д. И. Менделеев называл элементы второго
и третьего периодов (по его словам, малых)
типическими. Элементы малых периодов
принадлежат к числу самых распространенных
в природе. Углерод, азот и кислород (наряду
с водородом) — органогены, т.е. основные
элементы органической материи.Все элементы
первого — третьего периодов размещаются
в А-подгруппах. Четвертый период (калий
— криптон) содержит 18 элементов. По Менделееву,
это первый большой период. После щелочного
металла калия и щелочноземельного металла
кальция следует ряд элементов, состоящий
из 10 так называемых переходных металлов
(скандий — цинк). Все они входят в b-подгруппы.
Большинство переходных металлов проявляют
высшие степени окисления, равные номеру
группы, кроме железа, кобальта и никеля.
Элементы, начиная с галлия и кончая криптоном,
принадлежат к А-подгруппам. Криптон в
отличие от предшествующих инертных газов
может образовывать химические соединения.
Пятый период (рубидий — ксенон) по своему
построению аналогичен четвертому. В нем
также содержится вставка из 10 переходных
металлов (иттрий — кадмий). У элементов
этого периода есть свои особенности.
В триаде рутений — родий — палладий для
рутения известны соединения, где он проявляет
степень окисления +8. Все элементы А-подгрупп
проявляют высшие степени окисления, равные
номеру группы, исключая ксенон. Можно
заметить, что особенности изменения свойств
у элементов четвертого и пятого периодов
по мере роста Z имеют по сравнению со вторым
и третьим периодами более сложный характер.
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. Элементы от церия
до лютеция химически очень похожи, и на
этом основании их давно включают в семейство
редкоземельных элементов. В короткой
форме периодической системы ряд лантан
видов включают в клетку лантана и расшифровку
этого ряда дают внизу таблицы.В чем состоит
специфика элементов шестого периода?
В триаде осмий — иридий — платина для
осмия известна степень окисления +8. Астат
имеет достаточно выраженный металлический
характер. Радон, по всей вероятности,
обладает наибольшей реакционной способностью
из всех инертных газов. К сожалению, из-за
того, что он сильно радиоактивен, его
химия мало изучена).Седьмой период
начинается с франция. Подобно шестому,
он также должен содержать 32 элемента,
но из них пока известен 21. Фракций и радий
соответственно являются элементами I
а- и I I а-подгрупп, актиний принадлежит
к III b-подгруппе. Дальнейшее построение
седьмого периода спорно. Наиболее распространено
представление о семействе актиноидов,
которое включает элементы от тория до
лоуренсия и аналогично лантаноидам. Расшифровка
этого ряда элементов также дается внизу
таблицы.
Периодический закон
Менделеева
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..