Периодический закон Д.И. Менделеева и его значение

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 115Следующая ⇒

Физико-химические свойства вещества определяются электрон-ным строением его атомов. Взаимодействия атомов связаны с взаимодействием их электронных оболочек, поэтому при разработке новых материалов и способов их получения необходимо четко представлять, как различные химические элементы отдают и принимают электроны, как изменение электронного состояния влияет на свойства элементов. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева устанавливает взаимосвязь периодичности свойств химических элементов с электронным строением атома.

В середине XIX века (1855-1865 г.г.) было открыто много новых элементов, был сделан значительный шаг вперед в установлении правильных атомных масс: были уточнены атомные массы давно известных элементов и получены довольно точные значения атомных масс вновь открытых элементов. Поэтому многие ученые пытались создать научную систематику химических элементов.

За основу научной классификации химических элементов Д.И. Менделеев (1834-1907 г.г.) взял атомную массу элемента.

В результате изучения зависимости химических свойств элемен-тов от их атомных масс Д.И. Менделеев обнаружил периодичность в изменении химических свойств элементов:

периодичность ослабления металлических свойств и усиления неметаллических свойств элементов;

периодичность увеличения валентности элементов по кислороду и уменьшения валентности по водороду.

На основе установленных закономерностей Д.И. Менделеев сформулировал периодический закон в 1869 г.

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

Немаловажное значение в становлении и утверждении периоди-ческого закона имела предложенная Д.И. Менделеевым периодическая система элементов, являющаяся графическим выражением периодичес-кого закона (одного из фундаментальных законов природы). Предложен-ная Д.И. Менделеевым периодическая система химических элементов позволила расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс. Главным достоинством периодической системы элементов, разработанной Д.И. Менделеевым, было введение больших периодов после двух первых, содержащих по 8 элементов (2 и 3 периоды). В оригинальной таблице Д.И. Менделеева эти длинные периоды (начиная с четвертого) были разбиты на две части каждый, так что длинный период занимает в таблице две строки. Это нововведение устраняло необходимость помещать такие металлы, как ванадий (V), хром (Cr) и марганец (Mn) под неметаллическими элементами: фосфором (P), серой (S) и хлором (Cl). В предусмотренных Д.И. Менделеевым длинных периодах нашли свое место элементы, получившие позже название переходных металлов, так называемые d-элементы (выделены синим цветом).

Если по свойствам элемента было очевидно, что его нельзя поместить на очередное место в таблице в порядке возрастания атомной массы, в этом месте оставлялся пробел (место было вакантным). Это позволило Д.И. Менделееву, опираясь на открытый им периодический закон, предсказать существование еще неизвестных элементов (Sc, Ga, Ge).

Открытие предсказанных Д.И. Менделеевым новых элементов явилось поразительным доказательством справедливости периодическо-го закона и навсегда прославило имя его автора.

Работа Д.И. Менделеева над созданием периодической системы сопровождалась научной оценкой атомных масс и физико-химических свойств элементов. Так, в результате этой работы валентность хрома (Cr) в его высшем оксиде была исправлена с 5 на 6, и поэтому вместо старого значения атомной массы хрома 43, 3 Менделеев ввел новое более правильное значение 52, 0.

Аналогичным образом приписываемая индию (In) валентность 2 была исправлена на 3 и соответственно его атомная масса 77 была исправлена на 114, 8.

Д.И. Менделеевым были изменены атомные массы многих элементов (хрома, индия, лантана, иттрия, тория, церия и урана), а многие элементы он расположил вопреки известным в то время величинам из атомных масс (теллур, иод, никель, кобальт, аргон и калий).

В последствии значения атомных масс, указанные Д.И. Менделеевым, были подтверждены опытным путем.

В 1912 г. английский ученый Генри Мозли (1887-1915 г.г.) обнаружил, что частота рентгеновского излучения, испускаемого атомами элементов при бомбардировке электронным пучком, лучше коррелирует с их порядковыми номерами, чем с атомными массами. Закономерная взаимосвязь между порядковыми номерами элементов и частотами (или энергиями рентгеновских лучей, испускаемых атомами) определяется внутриатомным строением элементов. Как было сказано выше, электроны внутри атома располагаются по энергетическим уровням. Когда атом бомбардируется мощным пучком электронов, электроны из самых внутренних оболочек, ближайших к ядру, могут вырываться из атомов, тогда внешние электроны переходят со своих оболочек на образовавшиеся вакансии. При таких переходах атомы излучают энергию в виде рентгеновских лучей. Энергия (или частота, или длина волны) рентгеновских лучей зависит от заряда ядра атома. Г. Мозли, исследуя спектры рентгеновского излучения различных элементов, установил соотношение между длиной волны рентгеновского излучения различных элементов и порядковым номером элемента в периодической системе:

где а и в – постоянные величины, характерные для определенной линии рентгеновского спектра и одинаковые для всех элементов;

Z – порядковый номер элемента (заряд ядра);

l – длина волны.

Это соотношение называют законом Мозли: корень квадратный из величины, обратной длине волны рентгеновских лучей, испускаемых атомами различных элементов, находится в линейной зависимости от порядковогономера элемента.

В апреле 1914 г. Мозли опубликовал результаты исследований 39 элементов от ₁₃Al до ₇₉Au и на построенном графике обнаружил, что между молибденом (Мо) и рутением (Ru), а также между неодимом (Nd) и самарием (Sm), между вольфрамом (W) и осмием (Os) остаются вакантные места для спектральных линий, но элементы, которым могли бы соответствовать линии на этих местах, неизвестны. Впоследствии оказалось, что тремя упоминавшимися Мозли неизвестными элементами являются элемент 43 – технеций (Tс), 61 – прометий (Pm) и 75 – рений (Re).

Таким образом, экспериментальные работы многих ученых и открытый закон Мозли не только не поколебали периодический закон Д.И. Менделеева, но и в значительной степени способствовали его более глубокому пониманию и осмыслению. Был сделан один из важных шагов в утверждении периодического закона и при этом было показано, что порядковый номер (или заряд ядра атома), а не атомная масса, является важнейшей характеристикой атома, важнейшим свойством элемента, определяющим его химическое поведение. Поэтому в настоящее время периодический закон Д.И. Менделеева имеет следующую формулировку: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома.

Следует подчеркнуть, что замена атомных масс зарядами ядер не нарушала последовательности расположения элементов, установленной Д.И. Менделеевым. Эта замена лишь экспериментально подтвердила, что в периодической системе элементы расположены строго последовательно в порядке возрастания зарядов ядер их атомов, а периодичность изменения свойств элементов обусловлена периодичностью изменения электронных конфигураций (структур) атомов.

Таким образом, физический смысл периодического закона заключается в периодическом изменении свойств электронных оболочек атомов при последовательном возрастании значений главного квантового числа.

Открытием периодического закона было положено начало новой эпохи в развитии физической химии и современного материаловедения. Опираясь на него, ученые стали целенаправленно открывать новые химические элементы, в том числе и искусственные, создавать вещества с заранее заданными свойствами. Периодический закон открыл путь к познанию строения атомов и их ядер, практическим результатом этого явилось овладение человечеством новым видом энергии – внутриядер-ной энергией.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒