Периодический закон и Периодическая система химических элементов

ПЛАН

 

 

 

I. Вступление

 

II. Периодический закон  и Периодическая система 

 

химических элементов

 

1. Открытие Д.И. Менделеевым  Периодического закона

 

2. Структура Периодической  системы

 

а) периоды химических элементов

б) группы химических элементов

 

III. Периодический закон  и строение атома

 

1. Основные сведения о  строении атома

 

2. Изменения в составе  ядер атомов химических элементов.  Изотопы

 

3. Строение электронных  оболочек атомов

 

 

 

 

I. Вступление

 

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.

 

 

 

 

II. Периодический закон  и Периодическая система химических  элементов

 

 

 

1.Открытие Менделеевым  Периодического закона

 

Первый вариант Периодической  таблицы элементов был опубликован  Д. И. Менделеевым в 1869 году - задолго  до того, как было изучено строение атома. В это время Менделеев  преподавал химию в Петербургском  университете. Готовясь к лекциям, собирая  материал для своего учебника "Основы химии", Д. И. Менделеев раздумывал над тем, как систематизировать  материал таким образом, чтобы сведения о химических свойствах элементов  не выглядели набором разрозненных фактов.

 

Ориентиром в этой работе Д. И. Менделееву послужили атомные  массы (атомные веса) элементов. После  Всемирного конгресса химиков в 1860 году, в работе которого участвовал и Д. И. Менделеев, проблема правильного  определения атомных весов была постоянно в центре внимания многих ведущих химиков мира, в том  числе и Д. И. Менделеева.

 

Располагая элементы в  порядке возрастания их атомных  весов, Д. И. Менделеев обнаружил  фундаментальный закон природы, который теперь известен как Периодический  закон:

 

Свойства элементов периодически изменяются в соответствии с их атомным  весом.

 

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).

 

Принципиальная новизна  Периодического закона заключалась  в следующем:

 

1. Устанавливалась связь  между НЕСХОДНЫМИ по своим  свойствам элементами. Эта связь  заключается в том, что свойства  элементов плавно и примерно  одинаково изменяются с возрастанием  их атомного веса, а затем эти  изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ.

 

2. В тех случаях, когда  создавалось впечатление, что  в последовательности изменения  свойств элементов не хватает  какого-нибудь звена, в Периодической  таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ,  которые надо было заполнить  еще не открытыми элементами.

 

Во всех предыдущих попытках определить взаимосвязь между элементами другие исследователи стремились создать  законченную картину, в которой  не было места еще не открытым элементам. Наоборот, Д. И. Менделеев считал важнейшей  частью своей Периодической таблицы  те ее клеточки, которые оставались пока пустыми. Это давало возможность  предсказать существование еще  неизвестных элементов.

 

Достойно восхищения, что  свое открытие Д. И. Менделеев сделал в то время, когда атомные веса многих элементов были определены весьма приблизительно, а самих элементов было известно всего 63 - то есть чуть больше половины известных нам сегодня.

 

В свою Периодическую таблицу, опубликованную в марте 1869 года, Д. И. Менделеев поместил элементов больше, чем было открыто к тому времени!

 

Глубокое знание химических свойств различных элементов  позволило Менделееву не только указать  на еще не открытые элементы, но и  точно предсказать их свойства! Д. И. Менделеев точно предсказал свойства элемента, названного им "эка-силицием". Спустя 16 лет этот элемент действительно был открыт немецким химиком Винклером и назван германием.

 

Сопоставление свойств, предсказанных  Д. И. Менделеевым для еще не открытого  элемента "эка-силиция" со свойствами элемента германия (Ge). В современной Периодической таблице германий занимает место "эка-силиция".Свойство Предсказано Д. И. Менделеевым для "эка-силиция" в 1870 году Определено для германия Ge, открытого в 1886 году

Цвет, внешний вид коричневый светло-коричневый

Атомный вес 72 72,59

 

Плотность (г/см3) 5,5 5,35

Формула оксида 

ХО2 

GeO2

Формула хлорида 

XCl4 

GeCl4

 

Плотность хлорида (г/см3) 1,9 1,84

 

 

Точно так же блестяще подтвердились  предсказанные Д. И. Менделеевым  свойства "эка-алюминия" (элемент галлий Ga, открыт в 1875 году) и "эка-бора" (открытый в 1879 году элемент скандий Sc).

 

После этого ученым всего  мира стало ясно, что Периодическая  таблица Д. И. Менделеева не просто систематизирует  элементы, а является графическим  выражением фундаментального закона природы - Периодического закона.

 

 

 

2. Структура Периодической  системы

 

На основе Периодического закона Д.И. Менделеев создал Периодическую  систему химических элементов, которая  состояла из 7 периодов и 8 групп (короткопериодный вариант таблицы). В настоящее  время чаще используется длиннопериодный вариант Периодической системы (7 периодов, 8 групп, отдельно показаны элементы - лантаноиды и актиноиды).

 

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.

 

Группы - это вертикальные последовательности элементов, они  нумеруется 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. Форма Периодической системы, которую предложил Д.И. Менделеева, называлась короткопериодной или классической. В настоящее время больше используется другая форма Периодической системы - длиннопериодная.

 

Периодический закон Д.И. Менделеева и Периодическая система  химических элементов стали основой  современной химии. Относительные  атомные массы приведены по Международной  таблице 1983 года. Для элементов 104-108 в квадратных скобках приведены  массовые числа наиболее долгоживущих изотопов. Названия и символы элементов, приведенные в круглых скобках, не являются общепринятыми.

 

 

 

 

III. Периодический закон  и строение атома

 

 

 

1. Основные сведения строения  атомов

 

 

 

В конце XIX - начале XX века физики доказали, что атом является сложной  частицей и состоит из более простых (элементарных) частиц. Были обнаружены:

 

·  катодные лучи (английский физик Дж. Дж.Томсон, 1897 г.),частицы которых получили название электроны e− (несут единичный отрицательный заряд);

 

·  естественная радиоактивность  элементов (французские ученые - радиохимики  А. Беккерель и М. Склодовская-Кюри, физик Пьер Кюри, 1896 г.) и существование  б-частиц (ядер гелия 4He2+);

 

·  наличие в центре атома положительно заряженного  ядра (английский физик и радиохимик Э. Резерфорд, 1911 г.);

 

·  искусственное превращение  одного элемента в другой, например азота в кислород (Э. Резерфорд, 1919 г.). Из ядра атома одного элемента (азота - в опыте Резерфорда) при соударении с б-частицей образовывалось ядро атома другого элемента (кислорода) и новая частица, несущая единичный положительный заряд и названная протоном (p+, ядро 1H)

 

·  наличие в ядре атома  электронейтральных частиц - нейтронов n0 (английский физик Дж. Чедвик, 1932 г.).

 

В результате проведенных  исследований было установлено, что  в атоме каждого элемента (кроме 1H) присутствуют протоны, нейтроны и  электроны, причем протоны и нейтроны сосредоточены в ядре атома, а  электроны - на его периферии (в электронной  оболочке).

 

Число протонов в ядре равно  числу электронов в оболочке атома  и отвечает порядковому номеру этого  элемента в Периодической системе.

 

Электронная оболочка атома  представляет собой сложную систему. Она делится на подоболочки с разной энергией (энергетические уровни); уровни, в свою очередь, подразделяются на подуровни, а подуровни включают атомные орбитали, которые могут различаться формой и размерами (обозначаются буквами s, p, d, f и др.).

 

Итак, главной характеристикой  атома является не атомная масса, а величина положительного заряда ядра. Это более общая и точная характеристика атома, а значит, и элемента. От величины положительного заряда ядра атома зависят  все свойства элемента и его положение  в периодической системе. Таким  образом, порядковый номер химического  элемента численно совпадает с зарядом  ядра его атома. Периодическая система  элементов является графическим  изображением периодического закона и  отражает строение атомов элементов.

 

Теория строения атома  объясняет периодическое изменение  свойств элементов. Возрастание  положительного заряда атомных ядер от 1 до 110 приводит к периодическому повторению у атомов элементов строения внешнего энергетического уровня. А  поскольку от числа электронов на внешнем уровне в основном зависят  свойства элементов, то и они периодически повторяются. В этом физический смысл  периодического закона.

 

Каждый период в периодической  системе начинается элементами, атомы  которых на внешнем уровне имеют  один s-электрон (незавершенные внешние  уровни) и потому проявляют сходные  свойства — легко отдают валентные  электроны, что обуславливает их металлический характер. Это щелочные металлы — Li, Na, К, Rb, Cs.

 

Заканчивается период элементами, атомы которых на внешнем уровне содержат 2(s2) электрона (в первом периоде) или 8 (s2p6) электронов (во всех последующих), то есть имеют завершенный внешний  уровень. Это благородные газы Не, Ne, Аr, Кr, Хе, имеющие инертные свойства.

 

Именно вследствие сходства строения внешнего энергетического  уровня похожи их физические и химические свойства. В каждом периоде с возрастанием порядкового номера элементов металлические  свойства постепенно ослабевают и возрастают неметаллические, заканчивается период инертным газом.

 

В свете учения о строении атома становится понятным разделение всех элементов на семь периодов, сделанное  Д. И. Менделеевым. Номер периода  соответствует числу энергетических уровней атома, то есть положение  элементов в Периодической системе  обусловлено строением их атомов. В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами, все элементы делят на четыре типа

 

s-элементы. Заполняется s-подуровень  внешнего уровня (s1 — s2). Сюда относятся  первые два элемента каждого  периода.

 

р-элементы. Заполняется p-подуровень внешнего уровня (p1 — p6)- Сюда относятся последние шесть элементов каждого периода, начиная со второго.

 

d-элементы. Заполняется d-подуровень  последнего уровня (d1 — d10), а на  последнем (внешнем) уровне остается 1 или 2 электрона. К ним относятся  элементы вставных декад (10) больших  периодов, начиная с 4-го, расположенные  между s- и p-элементами (их также называют переходными элементами).

 

f-элементы. Заполняется f-подуровень  глубинного (третьего снаружи) уровня (s1 — s2), а строение внешнего  электронного уровня остается  неизменным. Это лантаноиды и  актиноиды, находящиеся в шестом  и седьмом периодах.

 

Таким образом, число элементов  в периодах (2-8-18-32) соответствует  максимально возможному числу электронов на соответствующих энергетических уровнях: на первом — два, на втором — восемь, на третьем — восемнадцать, а на четвертом — тридцать два  электрона.

 

 

Деление групп на подгруппы (главную и побочную) основано на различии в заполнении электронами  энергетических уровней. Главную подгруппу  составляют s- и р-элементы, а побочную подгруппу — d и f-элементы. Например в IV группу Периодической системы элементов входят следующие элементы:Главная подгруппа (подгруппа углерода) Побочная подгруппа (подгруппа титана)

 

C...2s22p2 

Ti...3d24s2

 

Si...3s23p2 

Zr...4d25s2

 

Се…4s24р2 

Hf...5d26s2

 

Sn...5s25p2 

Ku...6d27s2

 

Pb…6s26р2 

р-элементы d-элементы

 

 

Итак, в каждой группе объединены элементы, атомы которых имеют  сходное строение внешнего энергетического  уровня. При этом атомы элементов  главных подгрупп содержат на внешних (последних) уровнях число электронов, равное номеру группы. Это так называемые валентные электроны.