Периодический закон Д.И.Менделеева и его современная формулировка

 

Открытию периодического закона предшествовало 15 лет напряженной работы. 1 марта 1869 г. Дмитрий Иванович предполагал выехать из Петербурга в губернии по делам.

Периодический закон был открыт на основе характеристики атома – относительной атомной массы.

Менделеев расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных масс и заметил, что свойства элементов повторяются через определенный промежуток – период, Дмитрий Иванович расположил периоды друг под другом., так, чтобы сходные элементы располагались друг под другом – на одной вертикали, так была построена периодическая система элементов.

1 марта 1869г. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева.

Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

К сожалению, сторонников периодического закона сначала было очень мало, даже среди русских ученых. Противников – много, особенно в Германии и Англии.
Открытие периодического закона – это блестящий образец научного предвидения: в 1870 г. Дмитрий Иванович предсказал существование трех еще неизвестных тогда элементов, которые назвал экасилицием, экаалюминием и экабором. Он сумел правильно предсказать и важнейшие свойства новых элементов. И вот через 5 лет, в 1875 г., французский ученый П.Э. Лекок де Буабодран, ничего не знавший о работах Дмитрия Ивановича, открыл новый металл, назвав его галлием. По ряду свойств и способу открытия галлий совпадал с экаалюминием, предсказанным Менделеевым. Но его вес оказался меньше предсказанного. Несмотря на это, Дмитрий Иванович послал во Францию письмо, настаивая на своем предсказании.
Ученый мир был ошеломлен тем, что предсказание Менделеевым свойств экаалюминияоказалось таким точным. С этого момента периодический закон начинает утверждаться в химии.
В 1879 г. Л. Нильсон в Швеции открыл скандий, в котором воплотился предсказанный Дмитрием Ивановичем экабор.
В 1886 г. К. Винклер в Германии открыл германий, который оказался экасилицием.

Но гениальность Дмитрия Ивановича Менделеева и его открытия — не только эти предсказания!

В четырёх местах периодической системы Д. И. Менделеев расположил элементы не в порядке возрастания атомных масс:

Ar – K, Co – Ni, Te – I, Th - Pa

Ещё в конце 19 века Д.И. Менделеев писал, что, по-видимому, атом состоит из других более мелких частиц. После его смерти в 1907 г. было доказано, что атом состоит из элементарных частиц. Теория строения атома подтвердила правоту Менделеева, перестановки данных элементов не в соответствии с ростом атомных масс полностью оправданы.

Современная формулировка периодического закона.

Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов, выражающейся в периодической повторяемости структуры внешней валентной электронной оболочки.
И вот спустя более 130 лет после открытия периодического закона мы можем вернуться к словам Дмитрия Ивановича, взятым в качестве девиза нашего урока: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются». Сколько химических элементов открыто на данный момент? И это далеко не предел.

Графическим изображением периодического закона является периодическая система химических элементов. Это краткий конспект всей химии элементов и их соединений.

Изменения свойств в периодической системе с ростом величины атомных весов в периоде (слева направо):

1. Металлические свойства уменьшаются

2. Неметаллические свойства возрастают

3. Свойства высших оксидов и гидроксидов изменяются от основных через амфотерные к кислотным.

4. Валентность элементов в формулах высших оксидов возрастает от I до VII, а в формулах летучих водородных соединений уменьшается от IV до I.

Основные принципы построения периодической системы.

Признак сравнения	Д.И.Менделеев
1. Как устанавливается последовательность элементов по номерам? (Что положено в основу п.с.? )	Элементы расставлены в порядке увеличения их относительных атомных масс. При этом есть исключения. Ar – K, Co – Ni, Te – I, Th - Pa
2. Принцип объединения элементов в группы.	Качественный признак. Сходство свойств простых веществ и однотипных сложных.
3. Принцип объединения элементов в периоды.	Совокупность элементов по мере роста относительной атомной массы от одного щелочного металла до другого.

 

Основные свойства элементов(энергия ионизации, радиус) и закономерности их изменения в периодической системе Менделеева

Атомный радиус

 

Важной характеристикой атома является его размер, т.е. атомный радиус. Строго говоря, размер отдельного атома не определен, поскольку внешняя его граница размыта за счет вероятностного нахождения электронов в различных точках околоядерного пространства. В силу этого определяют либо орбитальный радиус (теоретически рассчитываемое расстояние от ядра до максимума плотности внешних электронных облаков) или ковалентный радиус (радиус атома, связанного с другими атомами в молекуле или кристалле).

Общая тенденция изменения атомных радиусов такова. В группах атомные радиусы возрастают, так как с увеличением числа энергетических уровней увеличиваются размеры атомных орбиталей с ббльшим значением главного квантового числа. Для d-элементов, в атомах которых заполняются орбитали предшествующего энергетического уровня, эта тенденция не имеет отчетливого характера при переходе от элементов пятого периода к элементам шестого периода.

В малых периодах радиусы атомов в целом уменьшаются, так как увеличение заряда ядра при переходе к каждому следующему элементу вызывает притяжение внешних электронов с возрастающей силой; число энергетических уровней в то же время остается постоянным.

Величина атомного радиуса достаточно тесно связана с такой важной характеристикой атома, как энергия ионизации. Атом может терять один или несколько электронов, превращаясь в положительно заряженный ион - катион. Количественно эта способность оценивается энергией ионизации.

Энергия ионизации

Энергия ионизации - энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля атомов какого либо элемента, называется первой энергией ионизации I₁.

В результате ионизации атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Энергию ионизации выражают либо в килоджоулях на моль [кДж/моль], либо в электронвольтах [эВ].

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах. Энергия ионизации, выраженная в электронвольтах, численно равна потенциалу ионизации, выраженному в вольтах.

Na⁰ - ē = Na⁺ - 5, 14 эв

Cs⁰ - ē = Cs⁺ - 3, 9 эв

Энергия ионизации характеризует восстановительную способность элемента, т.е. металличность. Активные металлы обладают очень малыми значениями энергии ионизации. Первая энергия ионизации определяется электронным строением элементов и ее изменение имеет периодический характер. Энергия ионизации возрастает по периоду. Наименьшие значения энергии ионизации имеют щелочные элементы, находящиеся в начале периода, наибольшими значениями энергии ионизации характеризуются благородные газы, находящиеся в конце периода. Пики на кривой зависимости энергии ионизации от порядкового номера элемента наблюдаются у элементов с законченной s-подоболочкой (Be, Mg) и d-подоболочкой (Zn, Cd, Hg), и р- подоболочкой, в АО которой находится по одному электрону (N, P, As). Минимумы на кривой наблюдаются у элементов, имеющих на внешней подоболочке по одному электрону (щелочные металлы, В, Al, Ga, In). В одной и той же группе энергия ионизации несколько уменьшается с увеличением порядкового номера элемента, что обусловлено увеличением размеров атомов и расстояния внешних подоболочек от ядра.

Кроме первой энергии ионизации, элементы с многоэлектронными атомами могут характеризоваться второй I₂, третьей I₃, и более высокой энергией ионизации, которые равны соответственно энергии отрыва молей электронов от молей ионов Э⁺, Э²⁺и т. д. При этом энергии ионизации возрастают с увеличением их номеров, т.е. I₁I₂I₃. Особенно резкое увеличение ионизации наблюдается при отрыве электронов из заполненной подоболочки.

 

Значения первой - пятой энергий ионизации для элементов Ia - IVa групп второго и третьего периодов

Элемент	I1, кДж/моль	I2, кДж/моль	I3, кДж/моль	I4, кДж/моль	I5, кДж/моль
Второй период
Литий	520	7298	11815	-	-
Бериллий	900	1757	14849	21000	-
Бор	801	2427	3660	25026	32827
Углерод	1086	2353	4625	6223	37830
Третий период
Натрий	496	4562	6912	9544	13353
Магний	738	1451	7733	10540	13630
Алюминий	578	1817	2745	11578	14831
Кремний	787	1577	3232	4356	16091

Становится очевидным, почему ионы Li⁺ и Na⁺ образуются легко, а образование ионов Li²⁺ и Na²⁺ энергетически не выгодно. Аналогичная закономерность возникает и для элементов следующих групп, что объясняет существование ионов Mg²⁺и А1³⁺.

Особого внимания заслуживает ионизация атомов d-элементов четвертого периода. Атомы этих элементов в первую очередь теряют 4s-электроны, а затем уже 3d-электроны. Таким образом, ионизация атомов железа и меди передается следующими схемами:

С помощью величины энергии ионизации характеризуют, как правило, элементы, находящиеся в начале периода. Для элементов, находящихся в конце периода, отрыв электрона с образованием положительно заряженного иона в целом не характерен. В то же время атомы этих элементов способны присоединять один или несколько электронов с образованием отрицательно заряженного иона - аниона.

Сродство к электрону

Энергия, поглощаемая или выделяющаяся при присоединении электрона к атому, иону, радикалу или молекуле в газовой фазе при Т = 0К без передачи частице кинетической энергии, называется сродством к электрону.

Сродство к электрону Е_ср количественно выражается в [кДж/моль] или [эВ].

F⁰ + ē = F ^- + 3, 58 эв

I⁰ + ē = I ^- + 3, 3 эв

Сродство к электрону - параметр атома данного элемента, менее подчиняющийся периодическому изменению, чем энергия ионизации. Тем не менее существуют следующие закономерности:

· сродство к электрону элементов, имеющих завершенные ns²-подуровни (гелий и элементы IIa группы), np⁶-подуровни (благородные газы) и ns²(n - 1)d¹⁰-подуровни (цинк, кадмий, ртуть), равно нулю;

· в каждом периоде сродство к электрону максимально у галогена;

 

Сродство к электрону атомов элементов IVa - VIIa групп второго-четвертого периодов (знак «-» означает выделение энергии, знак «+» - поглощение)

Период

Элемент