Структура периодической системы менделеева. Периодическая система элементов
Д. И. Менделеев пришел к выводу, что их свойства должны быть обусловлены какими-то фундаментальными общими характеристиками. Такой фундаментальной характеристикой для химического элемента он выбрал атомную массу элемента и кратко сформулировал периодический закон (1869 г.):
Свойства элементов, а также свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.
Заслуга Менделеева состоит в том, что он понял проявленную зависимость как объективную закономерность природы, чего не смогли сделать его предшественники. Д. И. Менделеев считал, что в периодической зависимости от атомной массы находятся состав соединений, их химические свойства, температуры кипения и плавления, строение кристаллов и тому подобное. Глубокое понимание сути периодической зависимости дало Менделееву возможность сделать несколько важных выводов и предположений.
Современная таблица Менделеева
Во-первых, из известных в то время 63 элементов Менделеев изменил атомные массы почти у 20 элементов (Be, In, La, Y, Ce, Th, U). Во-вторых, он предсказал существование около 20 новых элементов и оставил для них место в периодической системе. Три из них, а именно экабор, екаалюминий и екасилиций были описаны достаточно подробно и с удивительной точностью. Это триумфально подтвердилось в течение последующих пятнадцати лет, когда были открыты элементы Галлий (екаалюминий), скандий (экабор) и Германий (екасилиций).
Периодический закон является одним из фундаментальных законов природы. Его влияние на развитие научного мировоззрения можно сравнить только с законом сохранения массы и энергии или квантовой теории. Еще во времена Д. И. Менделеева периодический закон стал основой химии. Дальнейшие открытия строения и явления изотопии показали, что главной количественной характеристикой элемента является не атомная масса, а заряд ядра(Z). В 1913 г. Мозли и Резерфорд ввели понятие «порядковый номер элемента», пронумеровали в периодической системе все символы и показали, что в основу классификации элементов является порядковый номер элемента, равный заряда ядер их атомов.
Это утверждение известно сейчас как закон Мозли.
Поэтому современное определение периодического закона формулируется следующим образом:
Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от значения заряда их атомных ядер (или от порядкового номера элемента в периодической системе).
Электронные структуры атомов элементов наглядно показывают, что при росте заряда ядра происходит закономерное периодическое повторение электронных структур, а значит, и повторение свойств элементов. Это отражается в периодической системе элементов, для которой предложено несколько сотен вариантов. Чаще всего используют две формы таблиц — сокращенную и развернутую, — содержащие все известные элементы и имеющие свободные места для пока не открытых.
Каждый элемент занимает в периодической таблице определенную ячейку, в которой указано символ и название элемента, его порядковый номер, относительную атомную массу, а для радиоактивных элементов в квадратных скобках приведены массовое число наиболее стабильного или доступного изотопа. В современных таблицах часто приводятся и некоторые другие справочные сведения: плотность, температуры кипения и плавления простых веществ и т.п.
Периоды
Основными структурными единицами периодической системы есть периоды и группы — естественные совокупности, на которые делятся химические элементы по электронным структурами.
Период — это горизонтальный последовательный ряд элементов, в атомах которых электроны заполняют одинаковое количество энергетических уровней.
Номер периода совпадает с номером внешнего квантового уровня. Например, элемент кальций (4s 2) находится в четвертом периоде, то есть его атом имеет четыре энергетические уровни, а валентные электроны находятся на внешнем, четвертом уровне. Разница в последовательности заполнения как внешних, так и более близких к ядру электронных слоев объясняет причину различной длины периодов.
В атомов s- и р-элементов идет застройка внешнего уровня, в d-элементов — второго снаружи, а в f-элементов — третьего снаружи энергетического уровня.
Поэтому различие в свойствах наиболее отчетливо проявляется в соседних s- или р-элементах. В d- и особенно f-элементах одного и того же периода различие в свойствах менее значительно.
Как уже упоминалось, по признаку номера энергетического подуровня застраиваемого электронами, элементы объединяются в электронные семьи. Например, в IV-VI периодах находятся семьи, которые содержат по десять d-элементов: 3d-семья (Sc-Zn), 4d- семья (Y-Cd), 5d- семья (La, Hf-Hg). В шестом и седьмом периодах по четырнадцать элементов составляют f-семьи: 4f-семью (Се-Lu), которая носит название лантаноидной, и 5f-семью (Th-Lr) — актиноидную. Эти семьи размещают под периодической таблицей.
Первые три периода называются малыми, или типичными периодами, поскольку свойства элементов этих периодов является основой для распределения всех других элементов на восемь групп. Все остальные периоды, включая и седьмой, незавершенный, называются большими периодами.
Все периоды, кроме первого, начинаются с щелочных (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и заканчиваются, за исключением седьмого, незавершенного, инертными элементами (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Щелочные металлы имеют одну и ту же внешнюю электронную конфигурацию n s 1 , где n — номер периода. Инертные элементы, кроме гелия (1s 2), имеют одинаковое строение внешнего электронного слоя: n s 2 n p 6 , то есть электронными аналогами.
Рассмотренная закономерность дает возможность прийти к выводу:
Периодическое повторение одинаковых электронных конфигураций внешнего электронного слоя является причиной сходства физических и химических свойств у элементов-аналогов, так как именно внешние электроны атомов в основном определяют их свойства.
В малых типовых периодах с увеличением порядкового номера наблюдается постепенное уменьшение металлических и рост неметаллических свойств, поскольку увеличивается количество валентных электронов на внешнем энергетическом уровне. Например, атомы всех элементов третьего периода имеют по три электронных слоя. Строение двух внутренних слоев одинаково для всех элементов третьего периода (1s 2 2s 2 2p 6), а строение внешнего, третьего, слоя различно. При переходе от каждого предыдущего элемента к каждому последующему заряд ядра атома возрастает на единицу и соответственно увеличивается количество внешних электронов. В результате их притяжение к ядру усиливается, а радиус атома уменьшается. Это приводит к ослаблению металлических свойств и росту неметаллических.
Третий период начинается очень активным металлом натрием (11 Na — 3s 1), за которым следует несколько менее активный магний (12 Mg — 3s 2). Оба эти металлы относятся к 3s-семье. Первый р-элемент третьего периода алюминий (13 Al — 3s 2 3p 1), металлическая активность которого меньше, чем у магния, имеет амфотерные свойства, то есть в химических реакциях может вести себя и как неметалл. Далее следуют неметаллы кремний (14 Si — 3s 2 3p 2), фосфор (15 P — 3s 2 3p 3), сера (16 S — 3s 2 3p 4), хлор (17 Cl — 3s 2 3p 5). Их неметаллические свойства усиливаются от Si к Cl, который является активным неметаллом. Период заканчивается инертным элементом аргоном (18 Ar — 3s 2 3p 6).
В пределах одного периода свойства элементов меняются постепенно, а при переходе от предыдущего периода к следующему наблюдается резкое изменение свойств, поскольку начинается застройка нового энергетического уровня.
Постепенность изменения свойств характерна не только для простых веществ, но и для сложных соединений, как это представлено в таблице 1.
Таблица 1 — Некоторые свойства элементов третьего периода и их соединений
| Электронная семья | s-элементы | р-элементы | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Символ элемента | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar |
| Заряд ядра атома | +11 | +12 | +13 | +14 | +15 | +16 | +17 | +18 |
| Внешняя электронная конфигурация | 3s 1 | 3s 2 | 3s 2 3p 1 | 3s 2 3p 2 | 3s 2 3p 3 | 3s 2 3p 4 | 3s 2 3p 5 | 3s 2 3p 6 |
| Атомный радиус, нм | 0,189 | 0,160 | 0,143 | 0,118 | 0,110 | 0,102 | 0,099 | 0,054 |
| Максимальная валентность | I | II | III | IV | V | VI | VII | — |
| Высшие оксиды и их свойства | Na 2 O | MgO | Al 2 O 3 | SiO 2 | P 2 O 5 | SO 3 | Cl 2 O 7 | — |
| Основные свойства | Амфотерные свойства | Кислотные свойства | — | |||||
| Гидраты оксидов (основы или кислоты) | NaOH | Mg (OH) 2 | Al (OH) 3 | H 2 SiO 3 | H 3 PO 4 | H 2 SO 4 | HСlO 4 | — |
| Основание | Слабое основание | Амфотерный гидроксид | Слабая кислота | Кислота средней силы | Сильная кислота | Сильная кислота | — | |
| Соединения с водородом | NaH | MgH 2 | AlH 3 | SiH 4 | PH 3 | H 2 S | HCl | — |
| Твердые солеобразные вещества | Газообразные вещества | — | ||||||
В больших периодах металлические свойства ослабляются медленнее. Это связано с тем, что, начиная с четвертого периода, появляются десять переходных d-элементов, в которых застраивается не внешний, а второй снаружи d-подуровень, а на внешнем слое d-элементов находятся один или два s-электрона, которые и определяют в известной степени свойства этих элементов. Таким образом, для d-элементов закономерность несколько усложняется. Например, в пятом периоде металлические свойства постепенно уменьшаются от щелочного Rb, достигают минимальной силы у металлов семьи платины (Ru, Rh, Pd).
Однако после неактивного Ag серебра размещается кадмий Cd, у которого наблюдается скачкообразный рост металлических свойств. Далее с ростом порядкового номера элемента появляются и постепенно усиливаются неметаллические свойства вплоть до типового неметалла йода. Заканчивается этот период, как и все предыдущие, инертным газом. Периодическая смена свойств элементов внутри больших периодов позволяет разделить их на два ряда, в которых вторая часть периода повторяет первую.
Группы
Вертикальные столбики элементов в периодической таблице — группы состоят из подгрупп: главной и побочной, они иногда обозначаются буквами А и Б соответственно.
В состав главных подгрупп входят s- и р-элементы, а в состав побочных — d- и f-элементы больших периодов.
Главная подгруппа — это совокупность элементов, которая размещается в периодической таблице вертикально и имеет одинаковую конфигурацию внешнего электронного слоя в атомах.
Как следует из приведенного определения, положения элемента в главной подгруппе определяется общим количеством электронов (s- и р-) внешнего энергетического уровня, равным номеру группы. Например, сера (S — 3s 2 3p 4 ), в атоме которого на внешнем уровне содержится шесть электронов, относится к главной подгруппе шестой группы, аргон (Ar — 3s 2 3p 6 ) — к главной подгруппе восьмой группы, а стронций (Sr — 5s 2 ) — к ІІА-подгруппе.
Элементы одной подгруппы характеризуются сходством химических свойств. В качестве примера рассмотрим элементы ІА и VІІА подгрупп (табл.2). С ростом заряда ядра увеличивается количество электронных слоев и радиус атома, но количество электронов на внешнем энергетическом уровне остается постоянной: для щелочных металлов (подгруппа IА) — один, а для галогенов (подгруппа VIIА) — семь. Поскольку именно внешние электроны наиболее существенно влияют на химические свойства, то понятно, что каждая из рассмотренных групп элементов-аналогов имеет подобные свойства.
Но в пределах одной подгруппы наряду с подобием свойств наблюдается их некоторое изменение. Так, элементы подгруппы ІА все, кроме Н — активные металлы. Но с ростом радиуса атома и количества электронных слоев экранирующих влияние ядра на валентные электроны, металлические свойства усиливаются. Поэтому Fr более активный металл, чем Сs, a Cs — более активный, чем R в и т.д. А в подгруппе VIIA по той же причине ослабляются неметаллические свойства элементов при росте порядкового номера. Поэтому F — более активный неметалл по сравнению с Cl, a Cl — более активный неметалл сравнению с Br и т.д.
Таблица 2 — Некоторые характеристики элементов ІА и VІІА-подгрупп
| период | Подгруппа IA | Подгруппа VIIA | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Символ элемента | Заряд ядра | Радиус атома, нм | Символ элемента | Заряд ядра | Радиус атома, нм | Внешняя электронная конфигурацiя | ||
| II | Li | +3 | 0,155 | 2 s 1 | F | +9 | 0,064 | 2 s 2 2 p 5 |
| III | Na | +11 | 0,189 | 3 s 1 | Cl | +17 | 0,099 | 3 s 2 3 p 5 |
| IV | K | +19 | 0,236 | 4 s 1 | Br | 35 | 0,114 | 4 s 2 4 p 5 |
| V | Rb | +37 | 0,248 | 5 s 1 | I | +53 | 0,133 | 5 s 2 5 p 5 |
| VI | Cs | 55 | 0,268 | 6 s 1 | At | 85 | 0,140 | 6 s 2 6 p 5 |
| VII | Fr | +87 | 0,280 | 7 s 1 | — | — | — | — |
Побочные подгруппа — это совокупность элементов, размещаемых в периодической таблице вертикально и имеют одинаковое количество валентных электронов за счет застройки внешнего s- и втором снаружи d-энергетических подуровней.
Все элементы побочных подгрупп относятся к d-семейству. Эти элементы иногда называют переходными металлами. В побочных подгруппах свойства изменяются более медленно, поскольку в атомах d-элементов электроны застраивают второй извне энергетический уровень, а на внешнем уровне находятся только один или два электрона.
Положение первых пяти d-элементов (подгруппы IIIБ- VIIБ) каждого периода можно определить с помощью суммы внешних s-электронов и d-электронов второго снаружи уровня. Например, из электронной формулы скандия (Sc — 4s 2 3d 1 ) видно, что он размещается в побочной подгруппе (поскольку является d-элементом) третьей группы (поскольку сумма валентных электронов равна трем), а марганец (Mn — 4s 2 3d 5 ) размещается в побочной подгруппе седьмой группы.
Положение последних двух элементов каждого периода (подгруппы IБ и IIБ) можно определить по количеству электронов на внешнем уровне, поскольку в атомах этих элементов предыдущий уровень является полностью завершенным. Например, Ag (5s 1 5d 10) размещается в побочной подгруппе первой группы, Zn (4s 2 3d 10) — в побочной подгруппе второй группы.
Триады Fe-Co-Ni, Ru-Rh-Pd и Os-Ir-Pt размещены в побочной подгруппе восьмой группы. Эти триады образуют две семьи: железа и платиноидов. Кроме указанных семей отдельно выделяют семью лантаноидов (четырнадцать 4f-элементов) и семью актиноидов (четырнадцать 5f-элементов). Эти семьи принадлежат к побочной подгруппе третьей группы.
Рост металлических свойств элементов в подгруппах сверху вниз, а также уменьшение этих свойств в пределах одного периода слева направо обусловливают появление в периодической системе диагональной закономерности. Так, Be очень похож на Al, B — на Si, Ti — на Nb. Это ярко проявляется в том, что в природе эти элементы образуют подобные минералы. Например, в природе Те всегда бывает с Nb, образуя минералы — титанониобаты.
Периодическая система химических элементов - это классификация химических элементов, созданная Д. И. Менделеевым на основе открытого им в 1869 г. периодического закона.
Д. И. Менделеев
Согласно современной формулировке этого закона, в непрерывном ряду элементов, расположенных в порядке возрастания величины положительного заряда ядер их атомов, периодически повторяются элементы со сходными свойствами.
Периодическая система химических элементов, представленная в виде таблицы, состоит из периодов, рядов и групп.
В начале каждого периода (за исключением первого) находится элементе ярко выраженными металлическими свойствами (щелочной металл).
Условные обозначения к цветной таблице: 1 - химический знак элемента; 2 - название; 3 - атомная масса (атомный вес); 4 - порядковый номер; 5 - распределение электронов по слоям.
По мере возрастания порядкового номера элемента, равного величине положительного заряда ядра его атома, постепенно ослабевают металлические и нарастают неметаллические свойства. Предпоследним элементом в каждом периоде является элемент с ярко выраженными неметаллическими свойствами (), а последним - инертный газ. В I периоде находятся 2 элемента, во II и III - по 8 элементов, в IV и V - по 18, в VI - 32 и в VII (не завершенном периоде) - 17 элементов.
Первые три периода называют малыми периодами, каждый из них состоит из одного горизонтального ряда; остальные - большими периодами, каждый из которых (исключая VII период) состоит из двух горизонтальных рядов - четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов находятся только металлы. Свойства элементов в этих рядах с возрастанием порядкового номера изменяются слабо. Свойства элементов в нечетных рядах больших периодов меняются. В VI периоде за лантаном следуют 14 элементов, весьма сходных по химическим свойствам. Эти элементы, называемые лантаноидами, приведены отдельно под основной таблицей. Аналогично представлены в таблице и актиноиды - элементы, следующие за актинием.
В таблице имеется девять вертикальных групп. Номер группы, за редким исключением, равен высшей положительной валентности элементов данной группы. Каждая группа, исключая нулевую и восьмую, подразделяется на подгруппы. - главную (расположена правее) и побочную. В главных подгруппах с увеличением порядкового номера усиливаются металлические и ослабевают неметаллические свойства элементов.
Таким образом, химические и ряд физических свойств элементов определяются местом, которое занимает данный элемент в периодической системе.
Биогенные элементы, т. е. элементы, входящие в состав организмов и выполняющие в нем определенную биологическую роль, занимают верхнюю часть таблицы Менделеева. В голубой цвет окрашены клетки, занимаемые элементами, составляющими основную массу (более 99%) живого вещества, в розовый цвет - клетки, занимаемые микроэлементами (см.).
Периодическая система химических элементов является крупнейшим достижением современного естествознания и ярким выражением наиболее общих диалектических законов природы.
См. также , Атомный вес.
Периодическая система химических элементов - естественная классификация химических элементов, созданная Д. И. Менделеевым на основе открытого им в 1869 г. периодического закона.
В первоначальной формулировке периодический закон Д. И. Менделеева утверждал: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. В дальнейшем с развитием учения о строении атома было показано, что более точной характеристикой каждого элемента является не атомный вес (см.), а величина положительного заряда ядра атома элемента, равная порядковому (атомному) номеру этого элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Число положительных зарядов ядра атома равно числу электронов, окружающих ядро атома, поскольку атомы в целом электронейтральны. В свете этих данных периодический закон формулируется так: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядер их атомов. Это значит, что в непрерывном ряду элементов, расположенных в порядке возрастания положительных зарядов ядер их атомов, будут периодически повторяться элементы со сходными свойствами.
Табличная форма периодической системы химических элементов представлена в ее современном виде. Она состоит из периодов, рядов и групп. Период представляет последовательный горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания положительного заряда ядер их атомов.
В начале каждого периода (за исключением первого) находится элемент с ярко выраженными металлическими свойствами (щелочной металл). Затем по мере увеличения порядкового номера постепенно ослабевают металлические и нарастают неметаллические свойства элементов. Предпоследним элементом в каждом периоде является элемент с ярко выраженными неметаллическими свойствами (галоген), а последним - инертный газ. I период состоит из двух элементов, роль щелочного металла и галогена здесь одновременно выполняет водород. II и III периоды включают по 8 элементов, названных Менделеевым типическими. IV и V периоды насчитывают по 18 элементов, VI-32. VII период еще не завершен и пополняется искусственно создаваемыми элементами; в настоящее время в этом периоде насчитывается 17 элементов. I, II и III периоды называют малыми, каждый из них состоит из одного горизонтального ряда, IV-VII- большими: они (за исключением VII) включают два горизонтальных ряда - четный (верхний) и нечетный (нижний). В четных рядах больших периодов находятся только металлы, и изменение свойств элементов в ряду слева направо выражено слабо.
В нечетных рядах больших периодов свойства элементов в ряду изменяются так же, как свойства типических элементов. В четном ряду VI периода после лантана следует 14 элементов [называемых лантанидами (см.), лантаноидами, редкоземельными элементами], сходных по химическим свойствам с лантаном и между собой. Перечень их приводится отдельно под таблицей.
Отдельно выписаны и приведены под таблицей элементы, следующие за актинием- актиниды (актиноиды).
В периодической системе химических элементов по вертикалям расположено девять групп. Номер группы равен высшей положительной валентности (см.) элементов этой группы. Исключение составляют фтор (бывает только отрицательно одновалентным) и бром (не бывает семивалентным); кроме того, медь, серебро, золото могут проявлять валентность больше +1 (Cu-1 и 2, Ag и Au-1 и 3), а из элементов VIII группы валентностью +8 обладают только осмий и рутений. Каждая группа, за исключением восьмой и нулевой, делится на две подгруппы: главную (расположена правее) и побочную. В главные подгруппы входят типические элементы и элементы больших периодов, в побочные - только элементы больших периодов и притом металлы.
По химическим свойствам элементы каждой подгруппы данной группы значительно отличаются друг от друга и только высшая положительная валентность одинакова для всех элементов данной группы. В главных подгруппах сверху вниз усиливаются металлические свойства элементов и ослабевают неметаллические (так, франций является элементом с наиболее ярко выраженными металлическими свойствами, а фтор - неметаллическими). Таким образом, место элемента в периодической системе Менделеева (порядковый номер) определяет его свойства, которые представляют собой среднее из свойств соседних элементов по вертикали и горизонтали.
Некоторые группы элементов носят особые названия. Так, элементы главных подгрупп I группы называют щелочными металлами, II группы - щелочноземельными металлами, VII группы - галогенами, элементы, расположенные за ураном,- трансурановыми. Элементы, которые входят в состав организмов, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают явно выраженной биологической ролью, называют биогенными элементами. Все они занимают верхнюю часть таблицы Д. И. Менделеева. Это в первую очередь О, С, Н, N, Са, Р, К, S, Na, Cl, Mg и Fe, составляющие основную массу живого вещества (более 99%). Места, занимаемые этими элементами в периодической системе, окрашены в светло-голубой цвет. Биогенные элементы, которых в организме очень мало (от 10 -3 до 10 -14 %), называют микроэлементами (см.). В клетках периодической системы, окрашенных в желтый цвет, помещены микроэлементы, жизненно важное значение которых для человека доказано.
Согласно теории строения атомов (см. Атом) химические свойства элементов зависят в основном от числа электронов на внешней электронной оболочке. Периодическое изменение свойств элементов с увеличением положительного заряда атомных ядер объясняется периодическим повторением строения наружной электронной оболочки (энергетического уровня) атомов.
В малых периодах с увеличением положительного заряда ядра возрастает число электронов на внешней оболочке от 1 до 2 в I периоде и от 1 до 8 во II и III периодах. Отсюда изменение свойств элементов в периоде от щелочного металла до инертного газа. Внешняя электронная оболочка, содержащая 8 электронов, является завершенной и энергетически устойчивой (элементы нулевой группы химически инертны).
В больших периодах в четных рядах с ростом положительного заряда ядер число электронов на внешней оболочке остается постоянным (1 или 2) и идет заполнение электронами второй снаружи оболочки. Отсюда медленное изменение свойств элементов в четных рядах. В нечетных рядах больших периодов с увеличением заряда ядер идет заполнение электронами внешней оболочки (от 1 до 8) и свойства элементов изменяются так, как и у типических элементов.
Число электронных оболочек в атоме равно номеру периода. Атомы элементов главных подгрупп имеют на внешних оболочках число электронов, равное номеру группы. Атомы элементов побочных подгрупп содержат на внешних оболочках один или два электрона. Этим объясняется различие в свойствах элементов главной и побочной подгрупп. Номер группы указывает возможное число электронов, которые могут участвовать в образовании химических (валентных) связей (см. Молекула), поэтому такие электроны называют валентными. У элементов побочных подгрупп валентными являются не только электроны внешних оболочек, но и предпоследних. Число и строение электронных оболочек указано в прилагаемой периодической системе химических элементов.
Периодический закон Д. И. Менделеева и основанная на нем система имеют исключительно большое значение в науке и практике. Периодический закон и система явились основой для открытия новых химических элементов, точного определения их атомных весов, развития учения о строении атомов, установления геохимических законов распределения элементов в земной коре и развития современных представлений о живом веществе, состав которого и связанные с ним закономерности находятся в соответствии с периодической системой. Биологическая активность элементов и их содержание в организме также во многом определяются местом, которое они занимают в периодической системе Менделеева. Так, с увеличением порядкового номера в ряде групп возрастает токсичность элементов и уменьшается их содержание в организме. Периодический закон является ярким выражением наиболее общих диалектических законов развития природы.
Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869—1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от их атомного веса (по-современному, от атомной массы). Всего предложено несколько сотен вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и т. п.). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в определённой мере подобные друг другу.
Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Открытие, сделанное Русским химиком Менделеевым, сыграло (безусловно) наиболее важную роль в развитии науки, а именно в развитии атомно-молекулярного учения. Это открытие позволило получить наиболее понятные, и простые в изучении, представления о простых и сложных химических соединениях. Только благодаря таблице мы имеем те понятия об элементах, которыми пользуемся в современном мире. В ХХ веке проявилась прогнозирующая роль периодической системы при оценке химических свойств, трансурановых элементов, показанная еще создателем таблицы.
Разработанная в ХIХ веке, периодическая таблица Менделеева в интересах науки химии, дала готовую систематизацию типов атомов, для развития ФИЗИКИ в ХХ веке (физика атома и ядра атома). В начале ХХ века, ученые физики, путем исследований установили, что порядковый номер, (он же атомный), есть и мера электрического заряда атомного ядра этого элемента. А номер периода (т.е. горизонтального ряда), определяет число электронных оболочек атома. Так же выяснилось, что номер вертикального ряда таблицы определяет квантовую структуру внешней оболочки элемента, (этим самым, элементы одного ряда, обязаны сходством химических свойств).
Открытие Русского ученого, ознаменовало собой, новую эру в истории мировой науки, это открытие позволило не только совершить огромный скачек в химии, но так же было бесценно для ряда других направлений науки. Таблица Менделеева дала стройную систему сведений об элементах, на основе её, появилась возможность делать научные выводы, и даже предвидеть некоторые открытия.
Таблица МенделееваОдна из особенностей периодической таблицы Менделеева, состоит в том, что группа (колонка в таблице), имеет более существенные выражения периодической тенденции, чем для периодов или блоков. В наше время, теория квантовой механики и атомной структуры объясняет групповую сущность элементов тем, что они имеют одинаковые электронные конфигурации валентных оболочек, и как следствие, элементы которые находятся в пределах одой колонки, располагают очень схожими, (одинаковыми), особенностями электронной конфигурации, со схожими химическими особенностями. Так же наблюдается явная тенденция стабильного изменения свойств по мере возрастания атомной массы. Надо заметить, что в некоторых областях периодической таблицы, (к примеру, в блоках D и F), сходства горизонтальные, более заметны, чем вертикальные.
Таблица Менделеева содержит группы, которым присваиваются порядковые номера от 1 до 18 (с лева, на право), согласно международной системе именования групп. В былое время, для идентификации групп, использовались римские цифры. В Америке существовала практика ставить после римской цифры, литер «А» при расположении группы в блоках S и P, или литер «В» - для групп находящихся в блоке D. Идентификаторы, применявшиеся в то время, это то же самое, что и последняя цифра современных указателей в наше время (на пример наименование IVB, соответствует элементам 4 группы в наше время, а IVA - это 14 группа элементов). В Европейских странах того времени, использовалась похожая система, но тут, литера «А» относилась к группам до 10, а литера «В» - после 10 включительно. Но группы 8,9,10 имели идентификатор VIII, как одна тройная группа. Эти названия групп закончили свое существование после того как в 1988 году вступила в силу, новая система нотации ИЮПАК, которой пользуются и сейчас.
Многие группы получили несистематические названия травиального характера, (к примеру - «щелочноземельные металлы», или «галогены», и другие подобные названия). Таких названий не получили группы с 3 по 14, из за того что они в меньшей степени схожи между собой и имеют меньшее соответствие вертикальным закономерностям, их обычно, называют либо по номеру, либо по названию первого элемента группы (титановая, кобальтовая и тому подобно).
Химические элементы относящиеся к одной группе таблицы Менделеева проявляют определенные тенденции по электроотрицательности, атомному радиусу и энергии ионизации. В одной группе, по направлению сверху вниз, радиус атома возрастает, по мере заполнения энергетических уровней, удаляются, от ядра, валентные электроны элемента, при этом снижается энергия ионизации и ослабевают связи в атоме, что упрощает изъятие электронов. Снижается, так же, электроотрицательность, это следствие того, что возрастает расстояние между ядром и валентными электронами. Но из этих закономерностей так же есть исключения, на пример электроотрицательность возрастает, вместо того чтобы убывать, в группе 11, в направлении сверху вниз. В таблице Менделеева есть строка, которая называется «Период».
Среди групп, есть и такие у которых более значимыми являются горизонтальные направления (в отличии от других, у которых большее значение имеют вертикальные направления), к таким группам относится блок F, в котором лантаноиды и актиноиды формируют две важные горизонтальные последовательности.
Элементы показывают определенные закономерности в отношении атомного радиуса, электроотрицательности, энергии ионизации, и в энергии сродства к электрону. Из-за того, что у каждого следующего элемента количество заряженных частиц возрастает, а электроны притягиваются к ядру, атомный радиус уменьшается в направлении слева направо, вместе с этим увеличивается энергия ионизации, при возрастании связи в атоме - возрастает сложность изъятия электрона. Металлам, расположенным в левой части таблицы, характерен меньший показатель энергии сродства к электрону, и соответственно, в правой части показатель энергии сродства к электрону, у не металлов, этот показатель больше, (не считая благородных газов).
Разные области периодической таблицы Менделеева, в зависимости от того на какой оболочке атома, находится последний электрон, и в виду значимости электронной оболочки, принято описывать как блоки.
В S-блок, входит две первые группы элементов, (щелочные и щелочноземельные металлы, водород и гелий).
В P-блок, входят шест последних групп, с 13 по 18 (согласно ИЮПАК, или по системе принятой в Америке - с IIIA до VIIIA), этот блок так же включает в себя все металлоиды.
Блок - D, группы с 3 по 12 (ИЮПАК, или с IIIB до IIB по-американски), в этот блок включены все переходные металлы.
Блок - F, обычно выносится за пределы периодической таблицы, и включает в себя лантаноиды и актиноиды.
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 ,Состав атома.
Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки .
Ядро атома состоит из протонов (p + ) и нейтронов (n 0). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.
Число протонов N (p + ) равно заряду ядра (Z ) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).
N (p +) = Z
Сумма числа нейтронов N (n 0), обозначаемого просто буквой N , и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А .
A = Z + N
Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е -).
Число электронов N (e -) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.
Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.
Форма атома - сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.
Химический элемент - вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).
Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).
Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.
Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э - символ элемента), например: .
Строение электронной оболочки атома
Атомная орбиталь - состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали - . Каждой орбитали соответствует электронное облако.
Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s , p , d и f .
Электронное облако - часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.
Примечание : иногда понятия "атомная орбиталь" и "электронное облако" не различают, называя и то, и другое "атомной орбиталью".
Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный ("энергетический") уровень , их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.
Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические)
подуровни:
s
-подуровень (состоит из одной s
-орбитали), условное обозначение - .
p
-подуровень (состоит из трех p
d
-подуровень (состоит из пяти d
-орбиталей), условное обозначение - .
f
-подуровень (состоит из семи f
-орбиталей), условное обозначение - .
Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.
При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s , 3p , 5d означает s -подуровень второго уровня, p -подуровень третьего уровня, d -подуровень пятого уровня.
Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n . Общее число орбиталей на одном уровне равно n 2 . Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n 2 .
Обозначения: - свободная орбиталь (без электронов), - орбиталь с неспаренным электроном, - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).
Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):
1. Принцип наименьшей энергии - электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.
2. Принцип Паули - на одной орбитали не может быть больше двух электронов.
3. Правило Хунда - в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.
Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n 2 .
Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):
1s , 2s , 2p , 3s , 3p , 4s , 3d , 4p , 5s , 4d , 5p , 6s , 4f , 5d , 6p , 7s , 5f , 6d , 7p ...
Наглядно эта последовательность выражается энергетической диаграммой:
Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев ("электронная схема").
Примеры электронного строения атомов:
Валентные электроны - электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны - 4s 2 , они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s 2 , но у него есть 3d 6 , следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s 2 , а атома железа - 4s 2 3d 6 .
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)
Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.
Периодическая система - графическое выражение периодического закона.
Естественный ряд химических элементов - ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.
Таблица химических элементов строится путем "разрезания" естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.
В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).
Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные ), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.
У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.
Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).
В короткопериодной таблице - восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице - шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB - побочной подгруппе седьмой группы: остальные - аналогично.
Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.
В периодах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается число внешних электронов,
- уменьшается радиус атомов,
- увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),
- увеличивается электроотрицательность,
- усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"),
- ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность"),
- ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,
- возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.
В группах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается радиус атомов (только в А-группах),
- уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),
- уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),
- ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в А-группах),
- усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в А-группах),
- возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).
Задачи и тесты по теме "Тема 9. "Строение атома. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ)"."
- Периодический закон - Периодический закон и строение атомов 8–9 класс
Вы должны знать: законы заполнения орбиталей электронами (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда), структуру периодической системы элементов.Вы должны уметь: определять состав атома по положению элемента в периодической системе, и, наоборот, находить элемент в периодической системе, зная его состав; изображать схему строения, электронную конфигурацию атома, иона, и, наоборот, определять по схеме и электронной конфигурации положение химического элемента в ПСХЭ; давать характеристику элемента и образуемых им веществ по его положению в ПСХЭ; определять изменения радиуса атомов, свойств химических элементов и образуемых ими веществ в пределах одного периода и одной главной подгруппы периодической системы.
Пример 1. Определите количество орбиталей на третьем электронном уровне. Какие это орбитали?
Для определения количества орбиталей воспользуемся формулой N орбиталей = n 2 , где n - номер уровня. N орбиталей = 3 2 = 9. Одна 3s -, три 3p - и пять 3d -орбиталей.Пример 2. Определите, у атома какого элемента электронная формула 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
Для того, чтобы определить, кокой это элемент, надо выяснить его порядковый номер, который равен суммарному числу электронов атома. В данном случае: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Это алюминий.Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий. Желаем успехов.
Рекомендованная литература:- О. С. Габриелян и др. Химия 11 кл. М., Дрофа, 2002;
- Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. Химия 11 кл. М., Просвещение, 2001.
