Существуют две формулировки периодического закона химических элементов: классическая и современная.
Классическая, в изложении его первооткрывателя Д.И. Менделеева: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов .
Современная: свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера) .
Графическим изображением периодического закона является периодическая система элементов, которая представляет собой естественную классификацию химических элементов, основанную на закономерных изменениях свойств элементов от зарядов их атомов. Наиболее распространёнными изображениями периодической системы элементов Д.И. Менделеева являются короткая и длинная формы.
Группы и периоды Периодической системы. Физический смысл порядкового номера химического элемента
Группами называют вертикальные ряды в периодической системе. В группах элементы объединены по признаку высшей степени окисления в оксидах. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. Главные подгруппы включают в себя элементы малых периодов и одинаковые с ним по свойствам элементы больших периодов. Побочные подгруппы состоят только из элементов больших периодов. Химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.
Периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров. В периодической системе имеются семь периодов: первый, второй и третий периоды называют малыми, в них содержится соответственно 2, 8 и 8 элементов; остальные периоды называют большими: в четвёртом и пятом периодах расположены по 18 элементов, в шестом - 32, а в седьмом (пока незавершенном) - 31 элемент. Каждый период, кроме первого, начинается щелочным металлом, а заканчивается благородным газом.
Физический смысл порядкового номера химического элемента: число протонов в атомном ядре и число электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, равны порядковому номеру элемента.
Закономерности изменения свойств элементов и их соединений в связи с положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева
Напомним, что группами называют вертикальные ряды в периодической системе и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.
Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются сверху вниз:
- усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические;
- возрастает атомный радиус;
- возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот;
- электроотрицательность падает.
Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения, существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R 2 O, RO, R 2 O 3 , RO 2 , R 2 O 5 , RO 3 , R 2 O 7 , RO 4 , где символом R обозначают элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы, кроме исключительных случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы (например, фтор).
Оксиды состава R 2 O проявляют сильные основные свойства, причём их основность возрастает с увеличением порядкового номера, оксиды состава RO (за исключением BeO) проявляют основные свойства.
Оксиды состава RO 2 , R 2 O 5 , RO 3 , R 2 O 7 проявляют кислотные свойства, причём их кислотность возрастает с увеличением порядкового номера.
Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности RH 4 , RH 3 , RH 2 , RH.
Соединения RH 4 имеют нейтральный характер; RH 3 - слабоосновный; RH 2 - слабокислый; RH - сильнокислый характер.
Напомним, что периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров.
В пределах периода с увеличением порядкового номера элемента:
- электроотрицательность возрастает;
- металлические свойства убывают, неметаллические возрастают;
- атомный радиус падает.
Тренировочные задания
1. Среди перечисленных химический элемент с максимальным радиусом атома - это
1) неон
2) алюминий
3) калий
4) кальций
2. Среди перечисленных химический элемент с минимальным радиусом атома - это
1) алюминий
2) бор
3) калий
4) неон
3. Наиболее ярко металлические свойства выражены у элемента
1) Rb
2) Li
3) Mg
4) Ca
4. Наиболее ярко неметаллические свойства выражены у элемента
1) F
2) S
3) O
4) N
5. Наибольшее число валентных электронов у элемента
1) фтор
2) водород
3) натрий
4) сера
6. Наименьшее число валентных электронов у элемента
1) кислород
2) кремний
3) водород
4) кальций
7. Металлические свойства элементов возрастают в ряду
1) Ba, Li, Cs, Mg
2) Al, Mg, Ca, K
3) Li, Cs, Mg, Ba
4) Na, Mg, Li, Al
8. Неметаллические свойства элементов ослабевают в ряду:
1) N, S, Br, Cl
2) O, S, Se, Te
3) Se, I, S, O
4) N, P, O, F
9. Химические элементы перечислены в порядке возрастания атомного радиуса в ряду
1) углерод, бериллий, магний
2) калий, магний, алюминий
3) хлор, натрий, фтор
4) азот, фосфор, фтор
10. Химические элементы перечислены в порядке убывания атомного радиуса в ряду
1) водород, бор, алюминий
2) углерод, кремний, калий
3) натрий, хлор, фтор
4) сера, кремний, магний
11. Кислотные свойства водородных соединений усиливаются в ряду
1) HI – PH 3 – HCl – H 2 S
2) PH 3 – H 2 S – HBr – HI
4) HI – HCl – H 2 S – PH 3
12. Кислотные свойства водородных соединений ослабевают в ряду
1) HI – PH 3 – HCl – H 2 S
2) PH 3 – H 2 S – HBr – HI
3) H 2 S – PH 3 – HCl – SiH 4
4) HI – HBr – HCl – HF
13. Основные свойства соединений усиливаются в ряду
1) LiOH – KOH – RbOH
2) LiOH – KOH – Ca(OH) 2
4) LiOH – Ca(OH) 2 – KOH
14. Основные свойства соединений ослабевают в ряду
1) LiOH – Ba(OH) 2 – RbOH
2) LiOH – Ba(OH) 2 – Ca(OH) 2
3) Ca(OH) 2 – KOH – Mg(OH) 2
4) LiOH – Ca(OH) 2 – KOH
15. Во втором периоде Периодической системы элементов Д.И. Менделеева с увеличением заряда ядра у химических элементов:
1) возрастает электроотрицательность
2) уменьшается заряд ядра
3) возрастает атомный радиус
4) возрастает степень окисления
16. Наиболее сильной кислотой, образованной элементом второго периода, является
1) угольная
2) азотная
3) фтороводородная
4) азотистая
17. Наиболее сильное основание образует химический элемент
1) магний
2) литий
3) алюминий
4) калий
18. Наиболее сильная бескислородная кислота соответствует элементу
1) селен
2) фтор
3) йод
4) сера
19. В ряду элементов Li → B → N → F
1) убывает атомный радиус
2) возрастают металлические свойства
20. В ряду элементов Li → Na → K → Rb
1) убывает атомный радиус
2) ослабевают металлические свойства
3) уменьшается число протонов в атомном ядре
4) увеличивается число электронных слоёв
Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система химических элементов имеет большое значение в развитии химии. Окунемся в 1871 год, когда профессор химии Д.И. Менделеев, методом многочисленных проб и ошибок, пришел к выводу, что «… свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Периодичность изменения свойств элементов возникает вследствие периодического повторения электронной конфигурации внешнего электронного слоя с увеличением заряда ядра.
Современная формулировка периодического закона
такова:
«свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов».
Преподавая химию, Менделеев понимал, что запоминание индивидуальных свойств каждого элемента, вызывает у студентов трудности. Он стал искать пути создания системного метода, чтобы облегчить запоминание свойств элементов. В результате появилась естественная таблица , позже она стала называться периодической .
Наша современная таблица очень похожа на менделеевскую. Рассмотрим ее подробнее.
Таблица Менделеева
Периодическая таблица Менделеева состоит из 8 групп и 7 периодов.
Вертикальные столбцы таблицы называют группами . Элементы, внутри каждой группы, обладают сходными химическими и физическими свойствами. Это объясняется тем, что элементы одной группы имеют сходные электронные конфигурации внешнего слоя, число электронов на котором равно номеру группы. При этом группа разделяется на главные и побочные подгруппы .
В Главные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешних ns- и np- подуровнях. В Побочные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешнем ns- подуровне и внутреннем (n — 1) d- подуровне (или (n — 2) f- подуровне).
Все элементы в периодической таблице , в зависимости от того, на каком подуровне (s-, p-, d- или f-) находятся валентные электроны классифицируются на: s- элементы (элементы главной подгруппы I и II групп), p- элементы (элементы главных подгрупп III — VII групп), d- элементы (элементы побочных подгрупп), f- элементы (лантаноиды, актиноиды).
Высшая валентность элемента (за исключением O, F, элементов подгруппы меди и восьмой группы) равна номеру группы, в которой он находится.
Для элементов главных и побочных подгрупп одинаковыми являются формулы высших оксидов (и их гидратов). В главных подгруппах состав водородных соединений являются одинаковыми, для элементов, находящихся в этой группе. Твердые гидриды образуют элементы главных подгрупп I — III групп, а IV — VII групп образуют а газообразные водородные соединения. Водородные соединения типа ЭН 4 – нейтральнее соединения, ЭН 3 – основания, Н 2 Э и НЭ — кислоты.
Горизонтальные ряды таблицы называют периодами . Элементы в периодах отличаются между собой, но общее у них то, что последние электроны находятся на одном энергетическом уровне (главное квантовое число n — одинаково).
Первый период отличается от других тем, что там находятся всего 2 элемента: водород H и гелий He.
Во втором периоде находятся 8 элементов (Li - Ne). Литий Li – щелочной металл начинает период, а замыкает его благородный газ неон Ne.
В третьем периоде, также как и во втором находятся 8 элементов (Na - Ar). Начинает период щелочной металл натрий Na, а замыкает его благородный газ аргон Ar.
В четвёртом периоде находятся 18 элементов (K - Kr) – Менделеев его обозначил как первый большой период. Начинается он также с щелочного металла Калий, а заканчивается инертным газом криптон Kr. В состав больших периодов входят переходные элементы (Sc - Zn) — d- элементы.
В пятом периоде, аналогично четвертому находятся 18 элементов (Rb - Xe) и структура его сходна с четвёртым. Начинается он также с щелочного металла рубидий Rb, а заканчивается инертным газом ксенон Xe. В состав больших периодов входят переходные элементы (Y - Cd) — d- элементы.
Шестой период состоит из 32 элементов (Cs - Rn). Кроме 10 d -элементов (La, Hf - Hg) в нем находится ряд из 14 f -элементов(лантаноиды)- Ce — Lu
Седьмой период не закончен. Он начинается с Франций Fr, можно предположить, что он будет содержать, также как и шестой период, 32 элемента, которые уже найдены (до элемента с Z = 118).
Интерактивная таблица Менделеева
Если посмотреть на периодическую таблицу Менделеева и провести воображаемую черту, начинающуюся у бора и заканчивающуюся между полонием и астатом, то все металлы будут находиться слева от черты, а неметаллы – справа. Элементы, непосредственно прилегающие к этой линии будут обладать свойствами как металлов, так и неметаллов. Их называют металлоидами или полуметаллами. Это бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур и полоний.
Периодический закон
Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Существует четыре основных периодических закономерности:
Правило октета
утверждает, что все элементы стремятся приобрести или потерять электрон, чтобы иметь восьмиэлектронную конфигурацию ближайшего благородного газа. Т.к. внешние s- и p-орбитали благородных газов полностью заполнены, то они являются самыми стабильными элементами.
Энергия ионизации
– это количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома. Согласно правилу октета, при движении по периодической таблице слева направо для отрыва электрона требуется больше энергии. Поэтому элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, а с правой стороны – его приобрести. Самая высокая энергия ионизации у инертных газов. Энергия ионизации уменьшается при движении вниз по группе, т.к. у электронов низких энергетических уровней есть способность отталкивать электроны с более высоких энергетических уровней. Это явление названо эффектом экранирования
. Благодаря этому эффекту внешние электроны мене прочно связаны с ядром. Двигаясь по периоду энергия ионизации плавно увеличивается слева направо.
Сродство к электрону – изменение энергии при приобретении дополнительного электрона атомом вещества в газообразном состоянии. При движении по группе вниз сродство к электрону становится менее отрицательным вследствие эффекта экранирования.
Электроотрицательность — мера того, насколько сильно стремится притягивать к себе электроны связанного с ним другого атома. Электроотрицательность увеличивается при движении в периодической таблице слева направо и снизу вверх. При этом надо помнить, что благородные газы не имеют электроотрицательности. Таким образом, самый электроотрицательный элемент – фтор.
На основании этих понятий, рассмотрим как меняются свойства атомов и их соединений в таблице Менделеева.
Итак, в периодической зависимости находятся такие свойства атома, которые связанны с его электронной конфигурацией: атомный радиус, энергия ионизации, электроотрицательность.
Рассмотрим изменение свойств атомов и их соединений в зависимости от положения в периодической системе химических элементов .
Неметалличность атома увеличивается при движении в периодической таблице слева направо и снизу вверх . В связи с этим основные свойства оксидов уменьшаются, а кислотные свойства увеличиваются в том же порядке — при движении слева направо и снизу вверх. При этом кислотные свойства оксидов тем сильнее, чем больше степень окисления образующего его элемента
По периоду слева направо основные свойства гидроксидов ослабевают,по главным подгруппам сверху вниз сила оснований увеличивается. При этом, если металл может образовать несколько гидроксидов, то с увеличением степени окисления металла, основные свойства гидроксидов ослабевают.
По периоду слева направо увеличивается сила кислородосодержащих кислот. При движении сверху вниз в пределах одной группы сила кислородосодержащих кислот уменьшается. При этом сила кислоты увеличивается с увеличением степени окисления образующего кислоту элемента.
По периоду слева направо увеличивается сила бескислородных кислот. При движении сверху вниз в пределах одной группы сила бескислородных кислот увеличивается.
Категории ,Периодический закон – основной закон химии – был открыт в 1869 году Д.И. Менделеевым. В то время атом еще считался неделимым и ничего не было известно о его внутреннем строении.
Атомные массы (тогда – атомные веса ) и химические свойства элементов были положены в основу Периодического закона Д.И. Менделеева. Д.И. Менделеев, расположив 63 известных в то время элемента в порядке возрастания их атомных масс, получил естественный (природный) ряд химических элементов, где он отметил периодическую повторяемость химических свойств. Например, типичного неметалла фтор F повторялись у элементов хлор Сl, бром Br, йод I, свойства типичного металла литий Li – у элементов натрий Na и калий К и т.д.
Для некоторых элементов Д.И. Менделеевым не было обнаружено химических аналогов (у алюминия Al и кремния Si, например), в сиу того что в то время такие аналоги известны еще не были. В таблице им предназначались пустые места, но на основе периодической повторяемости ученый предсказал их химические свойства). После открытия соответствующих элементов предсказания Д.И. Менделеева полностью подтвердились (аналог алюминия – галлий Ga, аналог кремния – германий Ge ).
Периодический закон в формулировке Д.И. Менделеева представлен так: в периодической зависимости от величины атомных весов элементов находятся свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов.
Современная формулировка Периодического закона Д.И. Менделеева звучит следующим образом: свойства элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера.
Периодический закон Д.И. Менделеева стал базой для создания ученым Периодической системы химических элементов . Она представлена 7 периодами и 8 группами.
Периодами называются горизонтальные ряды таблицы, которые делятся на малые и большие. 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды) находятся в малых периодах, а в больших периодах находятся 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й период), 7-й период пока остается незавершенным. Каждый период с типичного металла начинается и заканчивается типичным неметаллом и благородным газом.
Группами элементов называются вертикальные столбцы. Каждая группа представлена двумя подгруппами – главной и побочной . Подгруппой называется совокупность элементов, которые являются полными химическими аналогами; часто элементы подгруппы имеют высшую степень окисления, соответствующую номеру группы. Например, высшая степень окисления (+ II) отвечает элементам подгруппы бериллия и цинка (главная и побочная подгруппы II группы), а элементам подгруппы азота и ванадия (V группа) отвечает высшая степень окисления (+ V).
Химические свойства элементов в главных подгруппах могут меняться от неметаллических до металлических (в главной подгруппе V группы азот – неметалл, а висмут – метал) – в широком диапазоне. Свойства элементов в побочных подгруппах меняются, но не столь резко; например, элементы побочной группы IV группы – цирконий, титан, гафний – очень похожи по своим свойствам (особенно цирконий и гафний ).
В Периодической системе в I группе (Li – Fr), II (Mg – Ra) и III (In, Tl) расположены типичные металлы. Неметаллы расположены в группах VII (F – At), VI (O – Te) , V (N – As) , IV (C, Si) и III (B). Некоторые элементы главных групп (Be, Al, Ge, Sb, Po ), а также многие элементы побочных групп могут проявлять и металлические, и неметаллические свойства. Это явление получило название амфотерности .
Для некоторых главных групп применяют групп
овые названия: VIII (Не – Rn) – благородные газы
, VII (F – At) – галогены
, IV (О – Ро) – халькогены
, II (Са – Ra) – щелочноземельные металлы
, I (Li – Fr) – щелочные металлы
.
Форма Периодической системы, которую предложил Д.И. Менделеев, получила название короткопериодной , или классической . В современной химии все шире используется другая форма – длиннопериодная , в которой все периоды – малые и большие – вытянуты в длинные ряды, начинающиеся щелочным металлом и заканчивающиеся благородным газом.
Периодический закон Д.И. Менделеева и Периодическая система элементов Д.И. Менделеева стали основой современной химии.
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Главный закон, управляющий миром химических элементов, открыл великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев.
Ко времени этого открытия было известно 63 химических элемента. Накопилось огромное количество сведений и об их свойствах. Однако, изобилие не осмысленных с единой точки зрения фактов было источником трудностей и путаницы в химии. Гениальный русский химик, открыв закон, которому подчиняются свойства элементов, а также и строение атомов, разрешил эти трудности.
Дмитрий Иванович Менделеев.
Тщательно изучая и сопоставляя свойства химических элементов, он стремился раскрыть тайны далекого и близкого их родства.
Менделеев так описывает, свои искания: «...невольно зарождается мысль о том, что между массой и химическими особенностями элементов необходимо должна быть Связь... Искать же что-либо - хотя бы грибов или какую-либо 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 и привело к тому заключению, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса...»
Расположив элементы в порядке нарастания атомных весов, ученый получил ряды элементов; в каждом из рядов свойства элементов периодически повторяются.
По определению самого Менделеева, открытый им периодический закон заключается в том, что «свойства элементов (а следовательно, и образованных ими простых и сложных тел) находятся в периодической зависимости от их атомных весов».
Великую прозорливость проявил Менделеев, открыв периодичность в мире элементов, в то время когда множество элементов не было еще открыто, а атомные веса некоторых из известных элементов были определены неверно. Но доказать неопровержимо существование этой закономерности оказалось делом чрезвычайно трудным.
Когда Менделеев в своих изысканиях исходил из атомных весов, встречавшихся в работах того времени, периодичность нередко нарушалась.
Но ученый не стал в тупик. Он твердо был убежден в существовании периодической зависимости свойств элементов от их атомных весов. И когда он наблюдал нарушения периодичности, для него был возможен лишь один-единственный вывод, - очевидно, неверны или неполны данные, которыми располагала наука. Он исправлял на основании теоретических расчетов атомные веса некоторых элементов. Так было с индием, платиновыми металлами, ураном и другими элементами; позднейшие, более точные измерения их весов подтвердили правильность этих исправлений.
В 1869 году, опубликовав в журнале Русского химического общества свою работу «Соотношение свойств с атомным весом элементов», Менделеев познакомил ученый мир с открытым им периодическим законом. К статье была приложена таблица периодической системы элементов. Излагая сущность открытого закона, великий ученый указывал также на существование еще неизвестных науке элементов.
В таблице Менделеева химические элементы располагаются в порядке возрастания их атомного веса.
Много мест в своей системе Менделеев оставил для еще не открытых элементов, примерный атомный вес и другие свойства которых ученый высчитал, учитывая характер соседних элементов. Менделеев впервые в истории химии предсказал существование неизвестных элементов. Он писал, что должны существовать еще элементы, которые он назвал экаалюминием, экабором и экакремнием.
Ряд ученых отнесся к предсказанию русского ученого с большим недоверием.
Но вот в августе 1875 года французский ученый Лекок де Буа-бодран путем спектрального анализа обнаружил в цинковой обманке новый элемент, названный им галлием (Галлия - старинное наименование Франции).
В 1879 году известный шведский химик Нильсон открыл второй из предсказанных Менделеевым элементов. Свойства скандий, как назвал новый элемент Нильсон, полностью совпали со свойствами предсказанного Менделеевым экабора. Оправдались даже опасения русского ученого, что открытию экабора в минералах будет мешать присутствие другого химического элемента - иттрия.
«Таким образом, - заканчивает Нильсон свое сообщение об открытии нового элемента, - подтверждаются соображения русского химика, которые не только позволили предсказать существование названных элементов - скандия и галлия, но и предвидеть заранее их важнейшие свойства».
Наконец в 1886 году немецкий ученый Винклер открыл третий предугаданный Менделеевым элемент. В своем сообщении об этом Винклер указывал, что новый элемент - германий - как раз и есть предсказанный Менделеевым экакремний.
Это было полное торжество открытия Менделеева.
Фридрих Энгельс писал, что открытием периодического закона Менделеев «совершил научный подвиг».
Открытие Менделеева явилось могучим подтверждением одного из основных законов диалектики - закона перехода количества в качество.
Свойства химических элементов зависят от атомных весов. Закон перехода количества в качество, как писал Фридрих Энгельс, «имеет силу... и для самих химических элементов».
Одним из укрепителей периодического закона Д. И. Менделеева был известный чешский ученый Богуслав Браунер (1855-1935). Браунер своими работами подтвердил, что место, указанное Менделеевым для химического элемента бериллия в системе, является правильным. Отсюда и атомный вес этого элемента, высчитанный русским ученым на основании периодического закона, тоже правилен.
Менделеев с благодарностью писал потом о работе Б. Ф. Браунера, вспоминая, как часто ему «приходилось слышать о том, что вопрос об атомном весе бериллия грозит поколебать общность периодического закона, может потребовать глубоких в нем преобразований».
Атомный вес церия Менделеев исправил на основании открытого им закона с 92, как было признано всеми, на 138. Это вызвало бурный протест со стороны некоторых ученых.
«Как, - писал химик Раммельсберг, - исправлять атомные веса, руководствуясь какой-то таблицей! Да это чистейшей воды спекуляция!- шумел он. - Это подгон фактов под какую-то схему!»
Менделеев ответил на это: «Я полагаю, что ныне не должно, невозможно делать какие-либо точные соображения об элементах, минуя закон периодичности».
Позднее Браунер своими работами подтвердил правильность атомного веса церия, теоретически выведенного Менделеевым. Браунер же, а затем и английский физик Мозли указали на необходимость выделения в особое место так называемых редкоземельных элементов.
В 1884 году ученый-революционер Н. А. Морозов, находясь в заключении в Шлиссельбургской крепости, закончил там свою работу по анализу таблицы Менделеева. Он тоже теоретически предсказал существование группы химических элементов - инертных газов.
Принадлежность элемента к той или иной группе таблицы Менделеева указывает на количество протонов и нейтронов в ядре атома элемента и количество электронов в электронной оболочке.
Принадлежность элемента к тому или иному периоду таблицы Менделеева говорит о количестве слоев в электронной оболочке атома.
Там, где теперь в таблице Менделеева поставлены «благородные газы» - гелий, неон, аргон и другие, у Морозова были числа 4, 20, 40 и т. д., показывающие атомные веса недостающих элементов. Все эти химические элементы были выделены Морозовым в отдельную, нулевую группу.
Предвидение русских ученых было подтверждено работами английских ученых Релея и Рамзея, открывших инертные газы.
Неоспоримо величие русского гения - Менделеева. Но все же нашлись люди, которые пытались отнять у Менделеева право называться автором периодического закона. Менделеев вступил в борьбу за приоритет России в открытии периодического закона.
«Утверждение закона, - писал он, - возможно только при помощи вывода из него следствий, без него невозможных и неожидаемых, и оправдания тех следствий в опытной проверке. Потому-то, увидев периодический закон, я со своей стороны (1869-1871 гг.) вывел из него такие логические следствия, которые могли показать, верен ли он или нет... Без такого способа испытания не может утвердиться ни один закон природы. Ни Шанкуртуа, которому французы приписывают право на открытие периодического закона, ни Ньюлендс, которого выставляют англичане, ни Л. Мейер, которого цитировали иные как основателя периодического закона, не рисковали предугадывать свойства неоткрытых элементов, изменять «принятые веса атомов» и вообще считать периодический закон новым, строго постановленным законом природы, могущим охватывать еще доселе необобщенные факты, как это сделано мною с самого начала».
Предвосхищая позднейшие открытия естествознания, гениальный творец периодического закона предсказал, что атом неделим лишь химическим способом.
С помощью закона Менделеева русские ученые Б. Н. Чичерин и Н. А. Морозов (об их работах говорится ниже) предложили на основании умозрительных положений первую модель атома, в которой он изображается в виде системы тел, напоминающей солнечную систему. Позднейшие опытные исследования и математические расчеты показали, что такое уподобление имеет некоторые основания.
Закон Менделеева - мощное орудие познания природы и ее закономерностей. Все последующее развитие химии и физики шло в непосредственной связи с законом Менделеева и в зависимости от него. Все открытия в этих науках освещались его законом. С помощью этого закона показывался теоретический смысл открытий. В то же время каждое такое открытие приводило к уточнению и расширению закона, не затрагивая его принципиальных основ.
Руководствуясь периодическим законом, наука определила строение атомов всех элементов, которые, как установлено, состоят из электронной оболочки и ядра.
Число электронов возрастает от одного у атома водорода до 101 у атома менделеевия, открытого недавно и названного именем первооткрывателя периодического закона; число это находится в полном соответствии с порядковым номером элемента в системе Менделеева. Заряд ядра равен сумме зарядов электронов. Положительный заряд ядра, уравновешивающий отрицательные электроны, растет от 1 до 101. Положительный заряд ядра - это основное свойство атома, сообщающее ему химическую индивидуальность, так как от положительного заряда ядра зависит число электронов.
Ядро также оказалось сложным: оно состоит из протонов и нейтронов. Это основная масса атома; масса электрона в расчет не принимается, так как она в 1836,5 раза меньше массы протона.
Электроны у всех атомов одинаковы, но располагаются они вокруг ядра в различных слоях. Количество этих слоев раскрывает глубочайшее значение периодов, на которые разбиты все элементы в системе Менделеева. Каждый период отличается от другого наличием у атомов его элементов лишнего электронного слоя.
От строения электронной оболочки зависят химические свойства атома, так как химические реакции связаны с обменом внешних электронов. Кроме того, ряд физических свойств - электро- и теплопроводность, а также и оптические свойства тоже связаны с электронами.
Современная наука все шире и шире раскрывает значение гениального творения Менделеева.
Периодический закон указывал на сходство химических свойств элементов, расположенных в одной группе, то есть в одном и том же вертикальном столбце таблицы.
Теперь это прекрасно объясняется строением электронной оболочки атома. Элементы одной и той же группы имеют одинаковое количество электронов во внешнем слое: элементы первой группы - литий, натрий, калий и другие - имеют по одному электрону во внешнем слое; элементы второй группы - бериллий, магний, кальций и другие - по два электрона; элементы третьей группы - по три, и, наконец, элементы нулевой группы: гелий - два, неон, криптон и другие - по восемь электронов. Это максимальное из возможных количество электронов в наружном слое и обеспечивает данным атомам полную инертность: в обычных условиях они не вступают в химические соединения.
Изотопы.
Современная наука показала, что вес атомов одного и того же элемента может быть не одинаков, - это зависит от различного количества нейтронов в атомном ядре данного химического элемента. Поэтому в отдельной клетке менделеевской таблицы располагается не один тип атомов, а несколько. Такие атомы называются изотопами (в переводе с греческого «изотоп» означает «занимающий одно и то же место»). Химический элемент олово состоит, например, из 12 разновидностей, чрезвычайно близких по свойствам, но с разными атомными весами: средний атомный вес олова 118,7.
Изотопы имеются почти у всех элементов.
Пока обнаружено 300 естественных изотопов, искусственно удалось получить около 800. Но все они закономерно располагаются в 101 клетке таблицы Менделеева.
Все эти открытия, вызванные к жизни законом Менделеева, подчеркивают гениальность русского ученого, открывшего основной закон неживой природы, который, однако, имеет также колоссальное значение и для органического мира.
Искусственное получение новых химических элементов, не существующих в природе.
Системой Менделеева пользуются сейчас ученые и при расщеплении атомов и при создании новых элементов.
Этим атомным законом руководствуются и химики, и физики, и геологи, и агрономы, и строители, и механики, и электрики, и астрономы.
Спектроскоп показал, что элементы, которые существуют на Земле, есть и на других планетах. Те химические превращения, какие происходят у нас, могут протекать и в других частях вселенной.
Современная наука вторглась в недра атома. Родилась новая наука - физика атомного ядра. Воздействуя на атомное ядро, ученые теперь превращают одни элементы в другие, синтезируют такие элементы, которых в земной коре в настоящее время не встречается. К новым, искусственно созданным элементам относится группа заурановых химических элементов. Современная наука открыла путь и к использованию внутриядерной энергии. Все эти открытия неразрывно связаны с законом Менделеева.
На данном уроке рассматривается Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева в свете теории строения атома. Объясняются следующие понятия: современная формулировка периодического закона, физический смысл номеров периода и группы, причины периодичности изменения характеристик и свойств атомов элементов и их соединений на примерах малых и больших периодов, главных подгрупп, физический смысл периодического закона, общая характеристика элемента и свойств его соединений на основе положения элемента в Периодической системе.
Тема: Строение атома. Периодический закон
Урок: Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева
В период становления науки химии ученые пытались привести в систему сведения об известных к тому времени нескольких десятков . Эта проблема увлекла и Д.И. Менделеева. Он искал закономерности и взаимосвязи, которые бы охватывали все элементы, а не только часть из них. Менделеев считал важнейшей характеристикой элемента массу его атома. Проанализировав все известные к тому времени сведения о химических элементах и расположив их в порядке возрастания их атомных масс, в 1869 году он сформулировал периодический закон.
Формулировка закона: свойства химических элементов, простых веществ, а также состав и свойства соединений находятся в периодической зависимости от значения атомных масс.
К моменту формулировки периодического закона еще не было известно строение атома и существования элементарных частиц. Также впоследствии было установлено, что от атомных масс свойства вещества не зависят, как это предполагал Менделеев. Хотя, не обладая этими сведениями, Д. И. Менделеев не сделал в своей таблице ни единой ошибки.
После открытия Мозли, который установил экспериментально, что заряд ядра атома совпадает с порядковым номером химического элемента, указанным Менделеевым в его таблице, в формулировку его закона внесли изменения.
Современная формулировка закона : свойства химических элементов, простых веществ, а также состав и свойства соединений находятся в периодической зависимости от значений зарядов ядер атомов.
Рис. 1. Графическим выражением периодического закона является Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Рис. 2. Рассмотрим принятые в ней обозначения на примере рубидия
В каждой ячейке, соответствующей элементу, представлены: химический символ, название, порядковый номер, соответствующий числу протонов в атоме, относительная атомная масса. Число электронов в атоме соответствует числу протонов. Количество нейтронов в атоме можно найти по разности между относительной атомной массой и количеством протонов, т. е. порядкового номера.
N (n 0 ) = A r - Z
Количество относительная порядковый
нейтронов атомная масса номер элемента
Например, для изотопа хлора 35 Cl количество нейтронов равно: 35-17=18
Составными частями периодической системы являются группы и периоды.
Периодическая система содержит восемь групп элементов. Каждая группа состоит их двух подгрупп: главной и побочной. Главные обозначены буквой а, а побочные - буквой б. Главная подгруппа содержит больше элементов, чем побочная. В главной подгруппе содержатся s- и p-элементы, в побочной - d-элементы.
Группа - столбец периодической системы, в котором объединены химические элементы, обладающие химическим сходством вследствие сходных электронных конфигураций валентного слоя . Это основополагающий принцип построения периодической системы. Рассмотрим это не примере элементов первых двух групп.
Табл. 1
Из таблицы видно, что элементы первой группы главной подгруппы имеют один валентный электрон. Элементы второй группы главной подгруппы имеют два валентных электрона.
Некоторые главные подруппы имеют свои особенные названия:
Табл. 2
Строка, называемая периодом, - это последовательность элементов, расположенных в порядке увеличения зарядов их ядер, которая начинается с щелочного металла (или водорода) и заканчивается благородным газом.
Номер периода равен количеству электронных уровней в атоме.
Существует два основных варианта представления периодической системы: длиннопериодный, в котором выделяют 18 групп (Рис. 3) и короткопериодный, в котором групп 8, но вводится понятие главной и побочной подгрупп (Рис. 1).
Домашнее задание
1. №№3-5 (с. 22) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е изд. - М.: Просвещение, 2012.
2. Сравните электронную конфигурацию атомов углерода и кремния. Какую валентность и степени окисления они могут проявлять в химических соединениях? Приведите формулы соединений этих элементов с водородом. Приведите формулы их соединений с кислородом в высшей степени окисления.
3. Напишите электронные формулы внешних оболочек следующих элементов: 14 Si, 15 P, 16 S, 17 Cl, 34 Se, 52 Te. Три элемента из этого ряда являются химическими аналогами (проявляют похожие химические свойства). Какие это элементы?