Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Базой для упорядочения химических элементов служит периодический закон, открытый выдающимся русским химиком Д.И. Менделеевым. Он показывает, каким образом химические свойства связаны со строением вещества на атомном уровне.

История открытия периодического закона

Установление универсальной химической закономерности стало высшим достижением классической химии, а ее объяснение оказалось возможным лишь с развитием физических знаний в XX веке.

Предпосылки

В первой половине XIX века, наблюдая сходство и различие известных на тот момент элементов, химики стремились классифицировать их. Они опирались на важнейшую характеристику – атомную массу. Однако методы ее определения были несовершенны, а число элементов невелико. Наиболее значимые вехи в поиске связывающей их системы представлены в таблице.

1829 И. Дёберейнер Объединил аналогичные элементы в 5 групп – «триад» (Li–Na–K, Ca–Sr–Ba и др.). Попытался связать величины атомных масс элементов в «триадах» математически.
1862 А. Шанкуртуа Построил по нарастанию масс ряд из 50 элементов в виде «земной спирали», в которой на одну линию попадали элементы с похожими свойствами.
1864 Дж. Ньюлендс Сформулировал «закон октав»: в ряду элементов с последовательно возрастающими массами каждый восьмой проявляет аналогичные свойства.
1864 Л. Мейер Сгруппировал элементы на основе валентности в таблицу из 6 столбцов.

Авторы предложенных систем вплотную подошли к открытию периодического закона. Но ни одна из гипотез не позволяла выявить общую для всех элементов закономерность.

Работа Д.И. Менделеева. Классическая формулировка закона

Главным критерием различия Менделеев также избрал относительные атомные массы. Предусмотрев возможность ошибок в их определении, он впервые предположил существование пробелов в расстановке элементов и включил их в таблицу.

Менделеев скорректировал некоторые значения масс, руководствуясь требованиями регулярности химических свойств и будучи убежденным в ее закономерном характере.

Итогом многолетней работы ученого стало построение в 1869 году таблицы, объединяющей все 63 элемента. Обнаружение галлия, скандия и германия доказало ее правильность и предсказательную способность.

В 1871 году Менделеев опубликовал усовершенствованную таблицу и классическую формулировку выраженного в ней закона:

Свойства химических элементов, а, следовательно, и образуемых ими тел, обусловлены величинами их атомных масс, и эта зависимость носит периодический характер.

Дальнейшее развитие

В XX веке ученые внесли уточнения в периодический закон и периодическую систему химических элементов Д.И. Менделеева, дополнили таблицу инертными газами, выделили семейства лантаноидов и актиноидов.

Развитие науки о строении атома помогло раскрыть природу изотопов, позволило объяснить систематическое изменение свойств и показало, что фундаментальный атрибут элемента – не атомная масса, а порядковый номер.

Современное толкование периодического закона. Физический смысл атомного номера

Периодичность отражает регулярные преобразования электронной конфигурации атома. Внешняя (валентная) оболочка последовательно заполняется электронами до максимума, после чего формируется и заполняется новая оболочка.

Число электронов определяется зарядом атомного ядра – совокупностью протонов. Эта связь отражена в современной формулировке периодического закона:

  • Свойства элементов, а, следовательно, состав и свойства химических соединений, обусловлены величиной электрического заряда ядер их атомов, и эта зависимость носит периодический характер.

Порядковый номер элемента тождествен заряду ядра, и по нему определяется количество электронов.

Нейтроны не влияют на химические свойства, их число в ядре может различаться у одного и того же элемента. Такие разновидности – изотопы – занимают одну ячейку в таблице. Количество нейтронов находят по формуле:

где Ar – относительная атомная масса, Z – зарядовое число (атомный номер).

Организация периодической таблицы

Из элементов-аналогов сформировано 8 групп – столбцов. Горизонтальные последовательности, в пределах которых меняются свойства, – периоды.

Смысл периодов

Период открывается щелочным металлом (один электрон на внешнем уровне) и закрывается инертным газом, у которого уровень заполнен целиком. В рамках периода свойства меняются монотонно, но число электронных слоев (номер периода) остается неизменным, и энергии валентных электронов имеют близкие значения.

  • Периоды с первого по третий – малые. Они имеют в составе 2 (1-й) или 8 (2-й и 3-й) элементов, у которых заполняются исключительно внешние оболочки атомов.
  • Большие периоды, разделенные на ряды, содержат по 18 (4-й и 5-й) или по 32 (6-й и 7-й) элементов. Их электронные конфигурации сложнее, и у элементов, называемых переходными, заполняются внутренние оболочки.

Группы и подгруппы

Общность элементов в группе обусловлено одинаковым заполнением внешнего слоя. Оно выражается номером группы.

Размещенные на одной вертикали элементы разных рядов периода (например, кальций и цинк) формируют подгруппы.

У атомов элементов главных подгрупп лишь внешние оболочки располагают валентными электронами. Переходные элементы входят в побочные подгруппы. Им свойственны непостоянные степени окисления и проявление как основных, так и кислотных свойств.

Ячейка таблицы

Позицию элемента в системе характеризует:

  • символ;
  • порядковый номер;
  • название;
  • относительная атомная масса.

В ячейку может также включаться информация об электронной конфигурации.

Варианты таблицы

Разработано несколько версий таблицы периодической системы элементов. Помимо рассмотренной выше классической, или короткой формы, распространены два варианта:

  • Длинная таблица построена из 18 групп. Каждая строка представляет один период. Переходные элементы образуют особый блок (группы 3 – 12). Семейства лантаноидов и актиноидов по-прежнему выведены за рамки таблицы.
  • Сверхдлинная таблица содержит все элементы в полностью развернутых периодах.

Длинная форма утверждена в качестве основной. Классическая версия признана устаревшей, но используется и сейчас.

Изменения характеристик элементов и соединений, отражаемые в таблице

Свойство

Вправо по периоду

Вниз по группе

заряд ядра
число валентных электронов =
число электронных уровней =
атомный радиус
энергия ионизации (затрачивается на отрыв электрона от атома)
металлические свойства
электроотрицательность
основные свойства оксидов
кислотные свойства оксидов
основные свойства гидроксидов ↑ (по главным подгруппам)

Значение и роль периодического закона

Установленный трудами Д.И. Менделеева и его последователей закон сыграл принципиальную роль в превращении химии в целостную науку, обладающую предсказательной способностью. Благодаря ему удалось открыть множество новых элементов и уточнить свойства уже известных.

Использование периодического закона обеспечило связь химии с другими областями естествознания, в первую очередь с физикой. Это позволило значительно углубить фундаментальные знания о структуре материи и добиться успехов в решении прикладных задач. Стали возможными целенаправленный неорганический синтез, получение атомной энергии.

Знание периодической системы необходимо при изучении неорганической и общей химии, многих разделов физики. Но и сама система не достроена: неясно, сколько элементов она может включать. Поэтому исследования еще продолжаются.

Задания

1. На какой характеристике химических элементов Д.И. Менделеев основывал периодическую систему?

  1. валентность;
  2. относительная атомная масса;
  3. распространенность в природе.

2. На какой характеристике химических элементов основывается современная периодическая система?

  1. атомный радиус;
  2. относительная атомная масса;
  3. порядковый номер.

3. Чем обусловлено деление химических элементов на периоды?

  1. различным числом валентных электронов;
  2. различным числом электронных энергетических уровней;
  3. различным количеством нейтронов в ядре.

4. Назовите элемент с наибольшим атомным радиусом:

  1. фтор;
  2. кремний;
  3. стронций;
  4. рубидий.

5. В какой из последовательностей элементы расставлены в порядке уменьшения атомного радиуса?

  1. водород, сера, кальций;
  2. цинк, углерод, азот;
  3. кислород, кремний, титан;
  4. литий, гелий, водород.

6. В какой из последовательностей элементы перечислены в порядке усиления металлических свойств?

  1. галлий, алюминий, бор;
  2. сурьма, германий, кремний;
  3. алюминий, стронций, цезий;
  4. рубидий, кальций, бериллий.

7. Кислотные свойства оксидов усиливаются в ряду:

  1. CO2 – CaO – K2O;
  2. N2O5 – P2O5 – SiO2;
  3. PbO2 – GeO2 – CO2;
  4. MgO – Al2O3 – SO3.

8. Основные свойства гидроксидов усиливаются в ряду:

  1. Mg(OH)2 – Ca(OH)2 – RbOH;
  2. LiOH – NaOH – Ca(OH)2;
  3. Ca(OH)2 – Zn(OH)2 – Sr(OH)2;
  4. LiOH – Mg(OH)2 – Al(OH)3.

9. В ряду химических элементов O – S – Se – Te

  1. усиливаются неметаллические свойства;
  2. убывает радиус атома;
  3. растет количество электронных слоев;
  4. растет число валентных электронов.

Ответы

  1. б) относительная атомная масса.
  2. в) порядковый номер.
  3. б) различным числом электронных энергетических уровней.
  4. г) рубидий.
  5. б) цинк, углерод, азот.
  6. в) алюминий, стронций, цезий.
  7. г) MgO – Al2O3 – SO3.
  8. а) Mg(OH)2 – Ca(OH)2 – RbOH.
  9. в) возрастает количество электронных слоев.

Ссылка на основную публикацию