ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

 

ИСТОРИЯ СИСТЕМАТИЗАЦИИ

ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Немецкий химик И.В. Дёберейнер (1829) опубликовал таблицу, в которой разделил в группы по три химических элемента. Объединялись элементы со сходными свойствами образуемых ими веществ – триады Дёберейнера. Пример триад: Li, Nа, К; С1, Вr, I.

Американский химик Д.А.Р.Ньюлендс (1863) расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных масс и обнаружил сходство между каждым восьмым по счёту элементом, начиная с любого, подобно строению музыкальной октавы, состоящей из восьми звуков (закон октав Ньюлендса). Однако учёному не удалось удовлетворительно объяснить найденную закономерность.

Немецкий химик Ю.Л.Мейер (1864) расположил химические элементы в порядке увеличения их атомных масс в виде таблицы, в которую поместил 27 элементов (меньше половины известных в то время); расположение других элементов было неясным.

Д.И. Менделеев [9](1869) открыл Периодический закон: «…Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса ».

До Менделеева исследователи преследовали только классифи-кационные цели и не шли дальше объединения отдельных химических элементов в группы на основании сходства их химических свойств. При этом каждый новый элемент рассматривался как нечто обособленное, не состоящее в связи с другими элементами. Менделеев был убеждён, что между всеми химическими элементами должна существовать закономерная связь, объединяющая их в единое целое, и пришёл к заключению, что в основу систематики элементов должен быть положен их относительный атомный вес. Расположив все элементы в порядке возрастающих атомных весов (масс), Менделеев обнаружил, что сходные в химическом отношении элементы встречаются через определённые интервалы, соответственно, в ряду элементов многие их свойства периодически повторяются.

Систему классификации химических элементов Менделеев выразил в виде периодической системы в форме таблицы.Ко времени открытия периодического закона было известно 63 химических элемента, описаны состав и свойства многих их соединений.

Периодическая таблица является графическим изображением периодической системы. Периодическая система едина, а её табличное выражение может иметь различные формы (см. приложение, табл. 1 и 2).

ОСНОВНАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ

ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА

 

Рассмотрим подряд по возрастающей относительной атомной массе первые 20 химических элементов, начиная с лития (пропустим водород и гелий).

Литий – активный металл, энергично разлагающий воду с образованием щёлочи.

Бериллий – тоже металл, но менее активный, медленно разлагающий воду при обычной температуре.

Бор – трёхвалентный элемент со слабо выраженными неметаллическими свойствами, проявляющий, однако, некоторые свойства металла.

Углерод – четырёхвалентный неметалл.

Азот – элемент с довольно резко выраженными свойствами неметалла.

Кислород – типичный неметалл.

Фтор – самый активный из неметаллов, принадлежащий к группе галогенов.

 

Таким образом, металлические свойства, ярко выраженные у лития, постепенно ослабевают при переходе от одного химического элемента к другому, уступая место неметаллическим свойствам, которые наиболее сильно проявляются у фтора. В то же время по мере увеличения относительной атомной массы степень окисления атомов элементов, начиная с лития, увеличивается на единицу для каждого следующего элемента до азота. Исключение из этой закономерности представляет атом фтора, степень окисления которого равна минус единице, а валентность – единице, и атом азота, степень окисления которого равна плюс пяти, а валентность не превышает четырёх, что связано с особенностями строения этих атомов.

Если бы изменение свойств и дальше происходило также, то после фтора следовал бы химический элемент с ещё более ярко выраженными неметаллическими свойствами. В действительности же следующий за фтором элемент неон представляет собой благородный (инертный) газ, не соединяющийся с атомами других элементов, то есть не проявляющий ни металлических, ни неметаллических свойств.

За неоном идёт натрий – металл, похожий на литий. За натрием следует магний – аналог бериллия, потом алюминий, хотя и металл, но также, как бор, обнаруживающий некоторые неметаллические свойства. После него идут кремний – четырёхвалентный неметалл, во многих отношениях сходный с углеродом; пятивалентный фосфор, по химическим свойствам похожий на азот; сера – элемент с резко выраженными неметаллическими свойствами; хлор – очень энергичный неметалл, принадлежащий к той же группе галогенов, что и фтор, и, наконец, опять благородный газ аргон.

Если проследить изменение свойств остальных химических элементов, то окажется, что оно происходит в таком же порядке, как и у первых шестнадцати (не считая водорода и гелия) элементов: за аргоном опять идёт калий, затем металл кальций, сходный с магнием, и т. д.

Таким образом, изменение свойств химических элементов по мере возрастания их относительной атомной массы не совершается непрерывно, а имеет периодический характер. Через определённое число происходит как бы возврат элементов к исходным свойствам, после чего в определённой мере вновь повторяются свойства предыдущих элементов в той же последовательности, но с некоторыми качественными и количественными отличиями.

 

СТРУКТУРА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКИХ

ЭЛЕМЕНТОВ.

Период – это горизонтальная последовательность химических элементов, расположенных в порядке возрастания заряда ядра их атомов, начинающаяся S – элементом (nS¹) и заканчивающаяся шестым р – элементом (nS²np⁶) (особый случай – первый период, состоящий из двух элементов). Каждый период (кроме первого) начинается активным щелочным металлом и заканчивается благородным газом, перед которым находится активный неметалл (галоген).

В первом ряду, который представляет первый период, находятся только два элемента – водород и гелий. Второй и третий ряды, представляющие второй и третий периоды, состоят из восьми элементов и образуют два периода по восемь элементов в каждом. Эти периоды начинаются со щелочного металла и заканчиваются благородным (инертным) газом.

Первые три периода называются малыми, следующие четыре – большими.

Четвёртый ряд также начинается с элемента - щелочного металла – калия. В отличие от двух предыдущих периодов на седьмом месте находится не галоген, а марганец – металл, образующий как основные, так и кислотные оксиды, из которых лишь высший оксид - Мn₂О₇ аналогичен соответствующему оксиду хлора – С1₂О₇. После марганца в том же ряду находятся ещё три металла – железо, кобальт и никель, очень сходные по свойствам друг с другом. И только следующий, пятый ряд, начинающийся с элемента – металла - меди, заканчивается благородным газом криптоном. Шестой ряд снова начинается с элемента - щелочного металла и т. д. Таким образом, у элементов, следующих за аргоном, более или менее полное повторение свойств наблюдается только через 18 элементов, а не через 8, как было во втором и третьем периодах. Эти 18 элементов образуют четвёртый (большой) период, состоящий из двух рядов.

Пятый период составляют шестой и седьмой ряды. Этот период начинается элементом - щелочным металлом рубидием и заканчивается благородным газом ксеноном.

В восьмом ряду после лантана находятся 14 элементов – лантаниды, которые сходны по свойствам с лантаном и между собой (общий принцип строения атомов). Поэтому лантаниды обычно помещают вне общей таблицы, отмечая лишь в клетке для лантана (обычно звёздочной) их положение в периодической системе.

Поскольку следующий за находящимся в седьмой группе и завершающим пятый период ксеноном благородный газ радон находится в конце девятого ряда, то восьмой и девятый ряды образуют шестой период, содержащий 32 химических элемента.

В больших периодах наблюдается ещё одна особенность в изменении свойств химических элементов. Так, высшая валентность атомов вначале равномерно растёт при переходе от одного элемента к другому, но затем, достигнув максимума в середине периода, падает до одного-двух, после чего опять возрастает до семи к концу периода. Поэтому большие периоды разделены каждый на два ряда.

Десятый и одиннадцатый ряды, составляющие седьмой период, содержит (24 + 8) 32 химических элемента, из которых первые – франций и радий существуют в природе, а остальные получены сравнительно недавно искусственным путём. Причем элементам 113, 115, 117, 118 названия пока не даны. Следующие за актинием 14 химических элементов сходны по электронному строению их атомов; поэтому их под названием актиниды, также как и лантаниды, помещают вне общей таблицы.

Группа (всего 8) – вертикальный ряд химических элементов, обладающих однотипным электронным строением и являющихся химическими аналогами. Номер группы обычно отмечают вверху римской цифрой.

Химические элементы, входящие в первую группу, образуют оксиды с общей формулой Э₂О, во вторую – ЭО, в третью – Э₂О₃ и т. д. Таким образом, наибольшая степень окисления атомов элементов каждой группы соответствует почти всегда номеру группы.

Особенности изменения свойств в группах. Начиная с пятого ряда (четвёртый период) каждый химический элемент в одной группе обнаруживает наибольшее сходство не с элементом, расположенным непосредственно под или над ним, а с элементами, отделёнными от него одной клеткой. Например, в седьмой группе бром не примыкает непосредственно к хлору и иоду, а отделён от хлора марганцем, а от иода – технецием; находящиеся в шестой группе сходные элементы – селен и теллур разделены молибденом, сильно отличающимся от них по свойствам; находящийся в первой группе рубидий обнаруживает большое сходство с цезием, стоящим в восьмом ряду, но мало похож на расположенное непосредственно под ним серебро и т. д.

Объяснение: с четвёртого ряда начинаются большие периоды, состоящие каждый из двух рядов, расположенных один над другим. Поскольку в пределах периода восстановительные свойства химических элементов ослабевают в направлении слева направо, то в каждом большом периоде у элементов верхнего (чётного) ряда они выражены сильнее, чем у элементов нижнего (нечётного) ряда. Чтобы отметить различие между рядами, элементы чётных рядов больших периодов сдвинуты в таблице периодической системы влево, а элементы нечётных – вправо.

Таким образом, начиная с четвёртого периода, каждую группу периодической системы можно разбить на две подгруппы: «чётную», состоящую из химических элементов верхних рядов, и «нечётную», образованную элементами нижних рядов. Элементы малых – второго и третьего – периодов (названных Д.И.Менделеевым типическими) в первой и второй группах ближе примыкают по своим свойствам к элементам чётных рядов, в других – к элементам нечётных рядов. Поэтому типические элементы обычно объединяют со сходными с ними элементами чётных или нечётных рядов в одну главную подгруппу (группа А), другая подгруппа называется побочной (группа В).

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: