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.
Графическим изображением Периодического закона является Периодическая система (таблица). Горизонтальные ряды системы называют периодами, а вертикальные столбцы – группами.
Всего в системе (таблице) 7 периодов, причем номер периода равен числу электронных слоев в атоме элемента, номеру внешнего (валентного) энергетического уровня, значению главного квантового числа для высшего энергетического уровня. Каждый период (кроме первого) начинается s-элементом — активным щелочным металлом и заканчивается инертным газом, перед которым стоит p-элемент — активный неметалл (галоген). Если продвигаться по периоду слева направо, то с ростом заряда ядер атомов химических элементов малых периодов будет возрастать число электронов на внешнем энергетическом уровне, вследствие чего свойства элементов изменяются – от типично металлических (т.к. в начале периода стоит активный щелочной металл), через амфотерные (элемент проявляет свойства и металлов и неметаллов) до неметаллических (активный неметалл – галоген в конце периода), т.е. металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические.
В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение электронов происходит сложнее, что объясняет более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда ядра число электронов на внешнем энергетическом уровне остается постоянным и равным 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются медленно. При переходе к нечетным рядам, с ростом величины заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне (от 1 до 8), свойства элементов изменяются также, как в малых периодах.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Вертикальные столбцы в Периодической системе – группы элементов со сходным электронным строением и являющимися химическими аналогами. Группы обозначают римскими цифрами от I до VIII. Выделяют главные (А) и побочные (B) подгруппы, первые из которых содержат s- и p-элементы, вторые – d – элементы.
Номер А подгруппы показывает число электронов на внешнем энергетическом уровне (число валентных электронов). Для элементов В-подгрупп нет прямой связи между номером группы и числом электронов на внешнем энергетическом уровне. В А-подгруппах металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические – уменьшаются с возрастанием заряда ядра атома элемента.
Между положением элементов в Периодической системе и строением их атомов существует взаимосвязь:
— атомы всех элементов одного периода имеют равное число энергетических уровней, частично или полностью заполненных электронами;
— атомы всех элементов А подгрупп имею равное число электронов на внешнем энергетическом уровне.
План характеристики химического элемента на основании его положения в Периодической системе
Обычно характеристику химического элемента на основании его положения в Периодической системе дают по следующему плану:
— указывают символ химического элемента, а также его название;
— указывают порядковый номер, номер периода и группы (тип подгруппы), в которых находится элемент;
— указывают заряд ядра, массовое число, число электронов, протонов и нейтронов в атоме;
— записывают электронную конфигурацию и указывают валентные электроны;
— зарисовывают электронно-графические формулы для валентных электронов в основном и возбужденном (если оно возможно) состояниях;
— указывают семейство элемента, а также его тип (металл или неметалл);
— сравнивают свойства простого вещества со свойствами простых веществ, образованных соседними по подгруппе элементами;
— сравнивают свойств простого вещества со свойствами простых веществ, образованных соседними по периоду элементами;
— указывают формулы высших оксидов и гидроксидов с кратким описанием их свойств;
— указывают значения минимальной и максимальной степеней окисления химического элемента.
Характеристика химического элемента на примере магния (Mg)
Рассмотрим характеристику химического элемента на примере магния (Mg) согласно плану, описанному выше:
1. Mg – магний.
2. Порядковый номер – 12. Элемент находится в 3 периоде, в II группе, А (главной) подгруппе.
3. Z=12 (заряд ядра), M=24 (массовое число), e=12 (число электронов), p=12 (число протонов), n=24-12=12 (число нейтронов).
4. 12 Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 – электронная конфигурация, валентные электроны 3s 2 .
5. Основное состояние
Возбужденное состояние
6. s-элемент, металл.
7. Высший оксид – MgO — проявляет основные свойства:
MgO + H 2 SO 4 = MgSO 4 + H 2 O
MgO + N 2 O 5 = Mg(NO 3) 2
В качестве гидроксида магнию соответствует основание Mg(OH) 2 , которое проявляет все типичные свойства оснований:
Mg(OH) 2 + H 2 SO 4 = MgSO 4 + 2H 2 O
8. Степень окисления «+2».
9. Металлические свойства у магния выражены сильнее, чем у бериллия, но слабее, чем у кальция.
10. Металлические свойства у магния выражены слабее, чем у натрия, но сильнее, чем у алюминия (соседние элементы 3-го периода).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Охарактеризуйте химический элемент серу на основании её положения в Периодической системе Д.И. Менделеева |
| Решение | 1. S – сера.
2. Порядковый номер – 16. Элемент находится в 3 периоде, в VI группе, А (главной) подгруппе. 3. Z=16 (заряд ядра), M=32 (массовое число), e=16 (число электронов), p=16 (число протонов), n=32-16=16 (число нейтронов). 4. 16 S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 – электронная конфигурация, валентные электроны 3s 2 3p 4 . 5. Основное состояние Возбужденное состояние 6. p-элемент, неметалл. 7. Высший оксид – SO 3 — проявляет кислотные свойства: SO 3 + Na 2 O = Na 2 SO 4 8. Гидроксид, соответствующий высшему оксиду – H 2 SO 4 , проявляет кислотные свойства: H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2H 2 O 9. Минимальная степень окисления «-2», максимальная – «+6» 10. Неметаллические свойства у серы выражены слабее, чем у кислорода, но сильнее, чем у селена. 11. Неметаллические свойства у серы выражены сильнее, чем у фосфора, но слабее, чем у хлора (соседние элементы в 3-м периоде). |
ПРИМЕР 2
| Задание | Охарактеризуйте химический элемент натрий на основании её положения в Периодической системе Д.И. Менделеева |
| Решение | 1. Na – натрий.
2. Порядковый номер – 11. Элемент находится в 3 периоде, в I группе, А (главной) подгруппе. 3. Z=11 (заряд ядра), M=23 (массовое число), e=11 (число электронов), p=11 (число протонов), n=23-11=12 (число нейтронов). 4. 11 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 – электронная конфигурация, валентные электроны 3s 1 . 5. Основное состояние 6. s-элемент, металл. 7. Высший оксид – Na 2 O — проявляет основные свойства: Na 2 O + SO 3 = Na 2 SO 4 В качестве гидроксида натрию соответствует основание NaOH, которое проявляет все типичные свойства оснований: 2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O 8. Степень окисления «+1». 9. Металлические свойства у натрия выражены сильнее, чем у лития, но слабее, чем у калия. 10. Металлические свойства у натрия выражены сильнее, чем у магния (соседний элемент 3-го периода). |
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ
СИСТЕМА
, упорядоченное множество хим. элементов,
их естеств. , являющаяся табличным выражением . Прообразом пе-риодич. системы хим. элементов
послужила таблица "Опыт системы элементов, основанной на их и химическом
сходстве", составленная Д. И. Менделеевым 1 марта 1869 (рис. 1). В послед. годы
ученый совершенствовал таблицу, развил представления о периодах и группах элементов
и о месте элемента в системе. В 1870 Менделеев назвал систему естественной,
а в 1871 периодической. В результате уже тогда периодическая система во многом приобрела совр.
структурные очертания. Опираясь на нее, Менделеев предсказал существование и
св-ва ок. 10 неизвестных элементов; эти прогнозы впоследствии подтвердились.
Рис. 1 Таблица "Опыт
системы элементов, основанной на их и химическом сходстве"
(Д. И. Менделеев. I мирта 1869).
Однако на протяжении последующих
более 40 лет периодическая система в значит. степени представляла собой лишь эмпирич. обобщение
фактов, поскольку отсутствовало физ. объяснение причин периодич. изменения CB-B
элементов в зависимости от возрастания их . Такое объяснение было
невозможно без обоснованных представлений о строении (см. ).
Поэтому важнейшей вехой в развитии периодической системы стала планетарная (ядерная) модель
, предложенная Э. Резерфордом (1911). В 1913 А. ван ден Брук пришел к выводу,
что элемента в периодической системе численно равен положит. заряду (Z) ядра
его . Этот вывод был экспериментально подтвержден Г. Мозли (закон Мозли,
1913-14). В результате периодич. закон получил строгую физ. формулировку, удалось
однозначно определить ниж. границу периодической системы (H как элемент с миним. Z=1), оценить
точное число элементов между H и U и установить, какие элементы
еще не открыты (Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87). Теория периодической системы была разработана в
нач. 1920-х гг. (см. ниже).
Структура периодическаяой системы.
Современная
периодическая система включает 109 хим элементов (имеются сведения о синтезе в 1988 элемента
с Z=110). Из них в прир. объектах обнаружены 89; все элементы, следующие за
U, или (Z = 93 109), а также Tc (Z = 43), Pm (Z = 61)
и At (Z = 85) были искусственно синтезированы с помощью разл. .
Элементы с Z= 106 109 пока не получили названий, поэтому соответствующие
им символы в таблицах отсутствуют; для элемента с Z = 109 еще неизвестны наиб. долгоживущих .
За всю историю периодической системы было
опубликовано более 500 разл вариантов ее изображения. Это обусловливалось попытками
отыскать рациональное решение нек-рых спорных проблем структуры периодической системы (размещение
H, ланта-ноидов и и т.п.). Наиб.
распространение получили след. табличные формы выражения периодической системы: 1) короткая
предложена Менделеевым (в совр. виде помещена в начале тома на цветном форзаце);
2) длинная разрабатывалась Менделеевым, усовершенствована в 1905 А. Вернером
(рис.2); 3) лестничная опубликована в 1921 H. (рис. 3). В последние десятилетия
особенно широко используются короткая и длинная формы, как наглядные и практически
удобные. Все перечисл. формы имеют определенные достоинства и недостатки. Однако
едва ли можно предложить к.-л. универс. вариант изображения периодической системы, к-рый адекватно
отразил бы все многообразие св-в хим. элементов и специфику изменения их хим.
поведения по мере возрастания Z.
Фундам. принцип построения
периодической системы заключается в выделении в ней периодов (горизонтальные ряды) и групп (вертикальные
столбцы) элементов. Современная периодическая система состоит из 7 периодов (седьмой, пока не
завершенный, должен заканчиваться гипотетич. элементом с Z= 118) и 8 групп Периодом
наз. совокупность элементов, начинающаяся (или первый
период) и заканчивающаяся . Числа элементов в периодах закономерно
возрастают и, начиная со второго, попарно повторяются: 8, 8, 18, 18, 32, 32,
... (особый случай первый период, содержащий всего два элемента). Группа элементов
не имеет четкой дефиниции; формально ее номер соответствует макс. значению составляющих ее элементов, но это условие в ряде случаев не выполняется.
Каждая группа подразделяется на главную (а)и побочную (б)подгруппы;
в каждой из них содержатся элементы, сходные по хим. св-вам, к-рых характеризуются
одинаковым строением внеш. электронных оболочек. В большинстве групп элементы
подгрупп а и б обнаруживают определенное хим. сходство, преим.
в высших .
Особое место в структуре
периодической системы занимает группа VIII. На протяжении длит. времени к ней относили только
элементы "триад": Fe-Co-Ni и (Ru Rh Pd и Os-Ir-Pt),
а все располагали в самостоят. нулевой группе; следовательно,
периодическая система содержала 9 групп. После того как в 60-х гг. были получены соед. Xe, Kr
и Rn, стали размещать в подгруппе VIIIa, а нулевую группу упразднили.
Элементы же триад составили подгруппу VIII6. Такое "структурное
оформление" группы VIII фигурирует ныне практически во всех публикуемых
вариантах выражения периодической системы.
Отличит. черта первого
периода состоит в том, что он содержит всего 2 элемента: H и Не. вследствие
св-в - единств. элемент, не имеющий четко определенного места
в периодической системе. Символ H помещают либо в подгруппу Ia, либо в подгруппу VIIa, либо в
обе одновременно, заключая в одной из подгрупп символ в скобки, или, наконец,
изображая его разл. шрифтами. Эти способы расположения H основаны на том, что
он имеет нек-рые формальные черты сходства как со , так и
с .
Рис. 2. Длинная форма периодич.
системы хим. элементов (совр. вариант). Рис. 3. Лестничная форма периодич. системы
хим. элементов (H. , 1921).
Второй период (Li-Ne),
содержащий 8 элементов, начинается Li (единств,
+ 1); за ним следует Be ( + 2). Металлич. характер
В ( +3) выражен слабо, а следующий за ним С - типичный
( +4). Последующие N, О, F и Ne-неметаллы, причем только у
N высшая + 5 отвечает номеру группы; О и F относятся к числу
самых активных .
Третий период (Na-Ar) также
включает 8 элементов, характер изменения хим. св-в к-рых во многом аналогичен
наблюдающемуся во втором периоде. Однако Mg и Al более "металлич-ны",
чем соотв. Be и В. Остальные элементы-Si, P, S, Cl и Ar-неметаллы; все они проявляют
, равные номеру группы, кроме Ar. T.
обр.,
во втором и третьем периодах по мере увеличения Z наблюдается ослабление металлического
и усиление неметаллич. характера элементов.
Все элементы первых трех
периодов относятся к подгруппам а. По совр. терминологии, элементы, принадлежащие
к подгруппам Ia и IIa, наз. I-элементами (в цветной таблице их символы даны
красным цветом), к подгруппам IIIa-VIIIa-р-элементами (символы
оранжевого цвета).
Четвертый период (K-Kr)
содержит 18 элементов. После К и щел.-зем. Ca (s-элементы)
следует ряд из 10 т. наз. переходных (Sc-Zn), или d-элементов (символы
синего цвета), к-рые входят в подгруппы б. Большинство
(все они - ) проявляют высшие , равные номеру группы,
исключая триаду Fe-Co-Ni, где Fe в определенных условиях имеет
+6, а Со и Ni максимально трехвалентны. Элементы от Ga до Kr относятся к подгруппам
a (р-элементы), и характер изменения их св-в во многом подобен изменению
св-в элементов второго и третьего периодов в соответствующих интервалах значений
Z. Для Kr получено неск. относительно устойчивых соед., в осн. с F.
Пятый период (Rb-Xe) построен
аналогично четвертому; в нем также имеется вставка из 10 переходных, или d-элементов
(Y-Cd). Особенности изменения св-в элементов в периоде: 1) в триаде Ru-Rh-Pd
проявляет макс, 4- 8; 2) все элементы подгрупп а,
включая Xe, проявляют высшие , равные номеру группы; 3) у I
отмечаются слабые металлич. св-ва. T. обр., св-ва элементов четвертого и пятого
периодов по мере увеличения Z изменяются сложнее, чем св-ва элементов во втором
и третьем периодах, что, в первую очередь, обусловлено наличием переходных d-элементов.
Шестой период (Cs-Rn) содержит
32 элемента. В него помимо десяти d-элементов (La, Hf-Hg) входит семейство
из 14 f-элементов (символы черного цвета, от Ce до Lu)-лaнтaнoидoв. Они
очень похожи по хим. св-вам (преим. в +3) и поэтому не м.
б. размещены по разл. группам системы. В короткой форме периодической системы все ланта-ноиды
включены в подгруппу IIIa ( La), а их совокупность расшифрована
под таблицей. Этот прием не лишен недостатков, поскольку 14 элементов как бы
оказываются вне системы.
В длинной и лестничной формах периодической системы специ-фика отражается на общем
фоне ее структуры. Др. особенности элементов периода: 1) в триаде Os Ir Pt только
Os проявляет макс. +8; 2) At имеет более выраженный по сравнению
с I металлич. характер; 3) Rn наиб. реакционноспособен из ,
однако сильная затрудняет изучение его хим. св-в.
Седьмой период подобно
шестому должен содержать 32 элемента, но еще не завершен. Fr и Ra элементы соотв.
подгрупп Ia и IIa, Ac аналог элементов подгруппы III6. Согласно
актинидной концепции Г. Сиборга (1944), после Ac следует семейство из 14 f-элементов
(Z = 90 103). В короткой форме периодической системы последние включаются
в Ac и подобно записываются отд. строкой под таблицей. Этот
прием предполагал наличие определенного хим. сходства элементов двух f-семейств.
Однако детальное изучение показало, что они проявляют гораздо
более широкий диапазон , в т. ч. и таких, как +7 (Np, Pu,
Am). Кроме того, для тяжелых характерна стабилизация низших (+ 2 или даже +1 для Md).
Оценка хим. природы Ku
(Z = 104) и Ns (Z = 105), синтезированных в кол-ве единичных весьма короткоживущих
, позволила сделать вывод, что эти элементы аналоги соотв. Hf и Та, т.
е. d-элементы, и должны располагаться в подгруппах IV6 и V6.
Хим. элементов с Z= 106 109 не проводилась, но можно предполагать,
что они относятся к седьмого периода. Расчеты с помощью
ЭВМ свидетельствуют о принадлежности элементов с Z = 113 118 к p-элементам
(подгруппы IIIa VIIIa).
Теория периодической системы
была
преим. создана H. (1913 21) на базе предложенной им квантовой модели .
Учитывая специфику изменения св-в элементов в периодической системе и сведения об их , разработал схему построения электронных конфигураций по
мере возрастания Z, положив ее в основу объяснения явления периодичности и структуры
периодической системы. Эта схема опирается на определенную последовательность заполнения
оболочек (наз. также слоями, уровнями) и подоболочек (оболочек, подуровней)
в в соответствии с увеличением Z. Сходные электронные конфигурации внеш.
электронных оболочек в периодически повторяются, что и обусловливает
периодич. изменение хим. св-в элементов. В этом состоит гл. причина физ. природы
феномена периодичности. Электронные оболочки, за исключением тех, к-рые отвечают
значениям 1 и 2 главного квантового чиела л, не заполняются последовательно
и монотонно до своего полного завершения (числа в последоват. оболочках
составляют: 2, 8, 18, 32, 50,...); построение их периодически прерывается появлением
совокупностей (составляющих определенные подоболочки), к-рые отвечают
большим значениям п. В этом заключается существ. особенность "электронного"
истолкования структуры периодической системы.
Схема формирования электронных
конфигураций , лежащая в основе теории периодической системы, отражает, т. обр., определенную
последовательность появления в по мере роста Z совокупностей
(подоболочек), характеризующихся нек-рыми значениями главного и орбитального
(l) квантовых чисел. Данная схема в общем виде записывается в виде табл.
(см. ниже).
Вертикальными чертами разделены
подоболочки, к-рые заполняются в элементов, составляющих последоват.
периоды периодической системы (номера периодов обозначены цифрами сверху); жирным шрифтом выделены
подоболочки, завершающие формирование оболочек с данным п.
Числа в оболочках
и подоболочках определяются на . Применительно
к , как частицам с полуцелым , он постулирует, что в не
м. б. двух с одинаковыми значениями всех квантовых чисел. Емкости
оболочек и подоболочек равны соотв. 2п 2 и 2(2l + 1).
Этот принцип не определяет.
|
Период |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
||
|
Электронная конфигурация |
1s |
2s 2р |
3s 3р |
4s 3d 4р |
5s 4d 5р |
6s 4f 5d 6p |
7s 5f 6d 7p |
||
|
n |
l |
22 |
33 |
434 |
545 |
6456 |
7567 |
||
|
l |
0 |
01 |
01 |
021 |
021 |
0321 |
0321 |
||
|
2 |
26 |
26 |
2106 |
2106 |
214106 |
214106 |
|||
|
Число элементов
в периоде |
2 |
8 |
8 |
18 |
18 |
32 |
32 |
||
однако, последовательность
формирования электронных конфигураций по мере возрастания Z. Из приведенной
выше схемы находятся емкости последоват. периодов: 2, 8, 18, 32, 32, ....
Каждый период начинается
элементом, в к-рого впервые появляется с данным значением n
при l = 0 (ns 1 -элементы), и заканчивается элементом,
в к-рого заполнена подоболочка с тем же n и l = 1 (np 6 -элемен-ты);
исключение-первый период (только 1s-элементы). Все s- и p-
элементы принадлежат к подгруппам а. К подгруппам б относятся
элементы, в к-рых достраиваются оболочки, ранее оставшиеся недостроенными
(значения h
меньше номера периода, l = 2 и 3). В первые три
периода входят элементы только подгрупп а, т. е. s- и р-элементы.
Реальная схема построения
электронных конфигураций описывается т. наз. (п + l)-правилом,
сформулированным (1951) В. M. Клечковским. Построение электронных конфигураций
происходит в соответствии с последоват увеличением суммы (п + /). При
этом в пределах каждой такой суммы сначала заполняются подоболочки с большими
l и меньшими n, затем с меньшими l и большими п.
Начиная с шестого периода
построение электронных конфигураций в действительности приобретает более
сложный характер, что выражается в нарушении четких границ между последовательно
заполняющимися подобо-лочками. Напр., 4f-электрон появляется не в
La с Z = 57, а в следующего за ним Ce (Z = 58); последоват. построение
4f-подоболочки прерывается в Gd (Z = 64, наличие 5d-электрона).
Подобное "размывание периодичности" отчетливо сказывается в седьмом
периоде для с Z > 89, что отражается на св-вах элементов.
Реальная схема первоначально
не была выведена из к.-л. строгих теоретич. представлений. Она основывалась
на известных хим. св-вах элементов и сведениях об их спектрах. Действит. физ.
обоснование реальная схема получила благодаря применению методов
к описанию строения . В квантовомех. интерпретации теории строения
понятие электронных оболочек и подоболочек при строгом подходе утратило свой
исходный смысл; ныне широко используется представление об атомных .
Тем не менее разработанный принцип физ. интерпретации явления периодичности
не потерял своего значения и в первом приближении достаточно исчерпывающе объясняет
теоретич. основы периодической системы. Во всяком случае, в публикуемых формах изображения периодической системы отражается представление о характере распределения по оболочкам
и подоболочкам.
Строение и химические
свойства элементов.
Осн особенности хим. поведения элементов определяются
характером конфигураций внешних (одной-двух) электронных оболочек . Эти
особенности различны для элементов подгрупп a (s- и p-элементов),
подгрупп б (d-элементы), f-семейств ( и ).
Особое место занимают 1s-элементы
первого периода (H и Не). вследствие присутствия в только одного
отличается большой
св-в.
Исключительной характеризуется конфигурация Не (1s 2),
что обусловливает его хим. инертность. Поскольку у элементов подгрупп а
происходит заполнение внеш. электронных оболочек (с n, равным номеру
периода), св-ва элементов заметно изменяются по мере возрастания Z в соответствующих
периодах, что выражается в ослаблении металлических и усилении неметаллич. св-в.
Все , кроме H и Не,-p-элементы. В то же время в каждой подгруппе
а по мере увеличения Z наблюдается усиление металлич. св-в. Эти закономерности
объясняются ослаблением энергии связи внеш. с ядром при переходе
от периода к периоду.
Значение периодической системы. Эта система
сыграла и продолжает играть огромную роль в развитии мн. естественнонауч. дисциплин.
Она стала важным звеном в атомно-мол. учения, способствовала формулировке
совр. понятия "хим. элемент" и уточнению представлений о простых
в-вах и соед., оказала значит. влияние на разработку теории строения
и возникновение понятия изотопии. С периодической системой связана строго науч. постановка проблемы
прогнозирования в , что
проявилось
как в предсказании существования неизвестных элементов и их св-в, так и новых
особенностей хим. поведения уже открытых элементов. Периодическая система - важнейшая основа неорг.
; она служит, напр., задачам синтеза в-в с заранее заданными св-вами, созданию
новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специфич.
для разл. хим. процессов. Периодическая система -науч. база преподавания общей и неорг. ,
а также нек-рых разделов атомной физики.
Лит.: Менделеев Д. И., Периодический закон. Основные статьи, M., 1958; Кедров Б. M.. Три аспекта атомистики, ч. 3. Закон Менделеева, M., 1969; Трифонов Д H., О количественной интерпретации периодичности, M., 1971; Трифонов Д. H., Кривомазов A. H., Лисневский Ю. И., Учение о периодичности и учение о . Коммешированная хронология важнейших событий. M., 1974; Карапетьями MX. Дракии С. И., Строение , M., 1978; Учение о периодичности. История и современность. Сб. статей. M.. 1981. Корольков Д. В., Основы , M., 1982; Мельников В. П., Дмитриев И С. Дополнительные виды периодичности в периодической системе Д. И. Менделеева, М. 1988. Д. Н Трифонов.
Периоди ческая систе ма элеме нтов Д. И. Менделеева, естественная , являющаяся табличным (или др. графическим) выражением . Периодическая система элементов разработана Д. И. Менделеевым в 1869-1871.
История периодической системы элементов. Попытки систематизации предпринимались различными учёными в , Англии, США с 30-х годов 19 в. Менделеева - И. Дёберейнер, Ж. Дюма, французский химик А. Шанкуртуа, англ. химики У. Одлинг, Дж. Ньюлендс и др. установили существование групп элементов, сходных по химическим свойствам, так называемых «естественных групп» (например, «триады» Дёберейнера). Однако эти учёные не шли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В 1864 Л. Мейер на данных об предложил таблицу, показывающую соотношение для нескольких характерных групп элементов. Теоретических сообщений из своей таблицы Мейер не сделал.
Прообразом научной периодической системы элементов явилась таблица «Опыт системы элементов, основанной на их и химическом сходстве», составленная Менделеевым 1 марта 1869 (рис. 1 ). На протяжении последующих двух лет автор совершенствовал эту таблицу, ввёл представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить ёмкость малых и больших периодов, содержащих, по его мнению, соответственно по 7 и 17 элементов. В 1870 он назвал свою систему естественной, а в 1871 - периодической. Уже тогда структура периодической системы элементов приобрела во многом современные очертания (рис. 2 ).
Периодическая система элементов не сразу завоевала признание как фундаментальное научное обобщение; положение существенно изменилось лишь после открытия Ga, Sc, Ge и установления двухвалентности Be (он долгое время считался трёхвалентным). Тем не менее периодическая система элементов во многом представляла эмпирическое обобщение фактов, поскольку был неясен физический смысл периодического закона и отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания . Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории периодической системы элементов многие факты не удавалось объяснить. Так, неожиданным явилось открытие в конце 19 в. , которые, казалось, не находили места в периодической системе элементов; эта трудность была устранена благодаря включению в периодическую систему элементов самостоятельной нулевой группы (впоследствии VIIIa-подгруппы). Открытие многих «радиоэлементов» в начале 20 в. привело к противоречию между необходимостью их размещения в периодической системе элементов и её структурой (для более чем 30 таких элементов было 7 «вакантных» мест в шестом и седьмом периодах). Это противоречие было преодолено в результате открытия . Наконец, величина () как параметра, определяющего свойства элементов, постепенно утрачивала своё значение.
Одна из главных причин невозможности объяснения физического смысла периодического закона и периодической системы элементов состояла в отсутствии теории строения (см. , Атомная физика). Поэтому важнейшей вехой на пути развития периодической системы элементов явилась планетарная модель , предложенная Э. Резерфордом (1911). На её основе голландский учёный А. ван ден Брук высказал предположение (1913), что элемента в периодической системе элементов ( Z) численно равен заряду ядра (в единицах элементарного заряда). Это было экспериментально подтверждено Г. Мозли (1913-14, см. Мозли закон). Так удалось установить, что периодичность изменения свойств элементов зависит от , а не от . В результате на научной основе была определена нижняя граница периодической системы элементов ( как элемент с минимальным Z = 1); точно оценено число элементов между и ; установлено, что «пробелы» в периодической системе элементов соответствуют неизвестным элементам с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87.
Оставался, однако, неясным вопрос о точном числе , и (что особенно важно) не были вскрыты причины периодического изменения свойств элементов в зависимости от Z. Эти причины были найдены в ходе дальнейшей разработки теории периодической системы элементов на основе квантовых представлений о строении (см. далее). Физическое обоснование периодического закона и открытие явления изотонии позволили научно определить понятие « » (« »). Прилагаемая периодическая система (см. илл. ) содержит современные значения элементов по углеродной шкале в соответствии с Международной таблицей 1973. В квадратных скобках приведены наиболее долгоживущих . Вместо наиболее устойчивых 99 Tc, 226 Ra, 231 Pa и 237 Np указаны этих , принятые (1969) Международной комиссией по .
Структура периодической системы элементов . Современная (1975) периодическая система элементов охватывает 106 ; из них все трансурановые (Z = 93-106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. За всю историю периодической системы элементов было предложено большое количество (нескольких сотен) вариантов её графического изображения, преимущественно в виде таблиц; известны изображения и в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (например, ) и т.д. Наибольшее распространение получили три формы периодической системы элементов: короткая, предложенная Менделеевым (рис. 2 ) и получившая всеобщее признание (в современном виде она дана на илл. ); длинная (рис. 3 ); лестничная (рис. 4 ). Длинную форму также разрабатывал Менделеев, а в усовершенствованном виде она была предложена в 1905 А. Вернером. Лестничная форма предложена английским учёным Т. Бейли (1882), датским учёным Ю. Томсеном (1895) и усовершенствована Н. (1921). Каждая из трёх форм имеет достоинства и недостатки. Фундаментальным принципом построения периодической системы элементов является разделение всех на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами. Элементы а- и б-подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между собой определённое химическое сходство, главным образом в высших , которые, как правило, соответствуют номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, начинающаяся и заканчивающаяся (особый случай - первый период); каждый период содержит строго определённое число элементов. Периодическая система элементов состоит из 8 групп и 7 периодов (седьмой пока не завершен).
Специфика первого периода в том, что он содержит всего 2 элемента: H и He. Место H в системе неоднозначно: поскольку он проявляет свойства, общие со и с , его помещают либо в Ia-, либо (предпочтительнее) в VIIa-подгруппу. - первый представитель VIIa-подгруппы (однако долгое время Не и все объединяли в самостоятельную нулевую группу).
Второй период (Li - Ne) содержит 8 элементов. Он начинается Li, единственная которого равна I. Затем идёт Be - , II. Металлический характер следующего элемента В выражен слабо ( III). Идущий за ним C - типичный , может быть как положительно, так и отрицательно четырёхвалентным. Последующие N, O, F и Ne - , причём только у N высшая V соответствует номеру группы; лишь в редких случаях проявляет положительную , а для F известна VI. Завершает период Ne.
Третий период (Na - Ar) также содержит 8 элементов, характер изменения свойств которых во многом аналогичен наблюдающемуся во втором периоде. Однако Mg, в отличие от Be, более металличен, равно как и Al по сравнению с В, хотя Al присуща . Si, Р, S, Cl, Ar - типичные , но все они (кроме Ar) проявляют высшие , равные номеру группы. Таким образом, в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается ослабление металлического и усиление неметаллического характера элементов. Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (малых, по его терминологии) типическими. Существенно, что они принадлежат к числу наиболее распространённых в природе, а С, N и O являются наряду с H основными элементами органической материи (органогенами). Все элементы первых трёх периодов входят в подгруппы а.
По современной терминологии (см. далее), элементы этих периодов относятся к s-элементам (щелочные и щёлочноземельные ), составляющим Ia- и IIa-подгруппы (выделены на цветной таблице красным цветом), и р-элементам (В - Ne, At - Ar), входящим в IIIa - VIIIa-подгруппы (их символы выделены оранжевым цветом). Для элементов малых периодов с возрастанием сначала наблюдается уменьшение , а затем, когда число в наружной оболочке уже значительно возрастает, их взаимное отталкивание приводит к увеличению . Очередной максимум достигается в начале следующего периода на щелочном элементе. Примерно такая же закономерность характерна для .
Четвёртый период (K - Kr) содержит 18 элементов (первый большой период, по Менделееву). После K и щёлочноземельного Ca (s-элементы) следует ряд из десяти так называемых (Sc - Zn), или d-элементов (символы даны синим цветом), которые входят в подгруппы 6 соответствующих групп периодической системы элементов. Большинство (все они ) проявляет высшие , равные номеру группы. Исключение - триада Fe - Co - Ni, где два последних элемента максимально положительно трёхвалентны, а в определённых условиях известно в VI. Элементы, начиная с Ga и кончая Kr (р-элементы), принадлежат к подгруппам а, и характер изменения их свойств такой же, как и в соответствующих интервалах Z у элементов второго и третьего периодов. Установлено, что Kr способен образовывать (главным образом с F), но VIII для него неизвестна.
Пятый период (Rb - Xe) построен аналогично четвёртому; в нём также имеется вставка из 10 (Y - Cd), d-элементов. Специфические особенности периода: 1) в триаде Ru - Rh - Pd только проявляет VIII; 2) все элементы подгрупп а проявляют высшие , равные номеру группы, включая и Xe; 3) у I отмечаются слабые металлические свойства. Таким образом, характер изменения свойств по мере увеличения Z у элементов четвёртого и пятого периодов более сложен, поскольку металлические свойства сохраняются в большом интервале .
Шестой период (Cs - Rn) включает 32 элемента. В нём помимо 10 d-элементов (La, Hf - Hg) содержится совокупность из 14 f-элементов, от Ce до Lu (символы чёрного цвета). Элементы от La до Lu химически весьма сходны. В короткой форме периодической системы элементов включаются в La (поскольку их преобладающая III) и записываются отдельной строкой внизу таблицы. Этот приём несколько неудобен, поскольку 14 элементов оказываются как бы вне таблицы. Подобного недостатка лишены длинная и лестничная формы периодической системы элементов, хорошо отражающие специфику на фоне целостной структуры периодической системы элементов. Особенности периода: 1) в триаде Os - Ir - Pt только проявляет VIII; 2) At имеет более выраженный (по сравнению с 1) металлический характер; 3) Rn, по-видимому (его мало изучена), должен быть наиболее реакционноспособным из .
Седьмой период, начинающийся с Fr (Z = 87), также должен содержать 32 элемента, из которых пока известно 20 (до элемента с Z = 106). Fr и Ra - элементы соответственно Ia- и IIa -подгрупп (s-элементы), Ac - аналог элементов IIIб -подгруппы (d-элемент). Следующие 14 элементов, f-элементы (с Z от 90 до 103), составляют семейство . В короткой форме периодической системы элементов они занимают Ac и записываются отдельной строкой внизу таблицы, подобно , в отличие от которых характеризуются значительным разнообразием . В связи с этим в химическом отношении ряды и обнаруживают заметные различия. Изучение химической природы элементов с Z = 104 и Z = 105 показало, что эти элементы являются аналогами и соответственно, то есть d-элементами, и должны размещаться в IVб- и Vб-подгруппах. Членами б-подгрупп должны быть и последующие элементы до Z = 112, а далее (Z = 113-118) появятся р-элементы (IIIa - VIlla-подгруппы).
Теория периодической системы элементов. В основе теории периодической системы элементов лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоев, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в по мере роста Z (см. , Атомная физика). Это представление было развито в 1913-21 с учётом характера изменения свойств в периодической системе элементов и результатов изучения их . выявил три существенные особенности формирования электронных конфигураций : 1) заполнение электронных оболочек (кроме оболочек, отвечающих значениям главного квантового числа n = 1 и 2) происходит не монотонно до полной их ёмкости, а прерывается появлением совокупностей , относящихся к оболочкам с большими значениями n; 2) сходные типы электронных конфигураций периодически повторяются; 3) границы периодов периодической системы элементов (за исключением первого и второго) не совпадают с границами последовательных электронных оболочек.
В обозначениях, принятых в атомной физике, реальная схема формирования электронных конфигураций по мере роста Z может быть в общем виде записана следующим образом:
Вертикальными чертами разделены периоды периодической системы элементов (их номера обозначены цифрами наверху); жирным шрифтом выделены подоболочки, которыми завершается построение оболочек с данным n. Под обозначениями подоболочек проставлены значения главного (n) и орбитального (l) квантовых чисел, характеризующие последовательно заполняющиеся подоболочки. В соответствии с ёмкость каждой электронной оболочки равна 2n 2 , а ёмкость каждой подоболочки - 2(2l + 1). Из вышеприведённой схемы легко определяются ёмкости последовательных периодов: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32... Каждый период начинается элементом, в которого появляется с новым значением n. Таким образом, периоды можно характеризовать как совокупности элементов, начинающиеся элементом со значением n, равным номеру периода, и l = 0 (ns 1 -элементы), и завершающиеся элементом с тем же n и l = 1 (np 6 -элементы); исключение - первый период, содержащий только ls-элементы. При этом к а-подгруппам принадлежат элементы, для которых n равно номеру периода, а l = 0 или 1, то есть происходит построение электронной оболочки с данным n. К б-подгруппам принадлежат элементы, в которых происходит достройка оболочек, остававшихся незавершёнными (в данном случае n меньше номера периода, а l = 2 или 3). Первый - третий периоды периодической системы элементов содержат только элементы а-подгрупп.
Приведённая реальная схема формирования электронных конфигураций не является безупречной, поскольку в ряде случаев чёткие границы между последовательно заполняющимися подоболочками нарушаются (например, после заполнения в Cs и Ba 6s-подоболочки в появляется не 4f-, а 5d-электрон, имеется 5d-электрон в Gd и т.д.). Кроме того, первоначально реальная схема не могла быть выведена из каких-либо фундаментальных физических представлений; такой вывод стал возможным благодаря применению к проблеме строения .
Типы конфигураций внешних электронных оболочек (на илл. конфигурации указаны) определяют основные особенности химического поведения элементов. Эти особенности являются специфическими для элементов а-подгрупп (s-и р-элементы), б-подгрупп (d-элементы) и f-семейств ( и ). Особый случай представляют собой элементы первого периода (H и He). Высокая химическая атомарного объясняется лёгкостью отщепления единственного ls-электрона, тогда как конфигурация (1s 2) является весьма прочной, что обусловливает его химическую инертность.
Поскольку у элементов а-подгрупп происходит заполнение внешних электронных оболочек (с n, равным номеру периода), то свойства элементов заметно меняются по мере роста Z. Так, во втором периоде Li (конфигурация 2s 1) - химически активный , легко теряющий валентный , a Be (2s 2) - также , но менее активный. Металлический характер следующего элемента B (2s 2 p) выражен слабо, а все последующие элементы второго периода, у которых происходит застройка 2р-подоболочки, являются уже . Восьмиэлектронная конфигурация внешней электронной оболочки Ne (2s 2 p 6) чрезвычайно прочна, поэтому - . Аналогичный характер изменения свойств наблюдается у элементов третьего периода и у s-и р-элементов всех последующих периодов, однако ослабление связи внешних с ядром в а-подгруппах по мере роста Z определённым образом сказывается на их свойствах. Так, у s-элементов отмечается заметный рост химической , а у р-элементов - нарастание металлических свойств. В VIIIa-подгруппе ослабляется устойчивость конфигурации ns 2 np 6 , вследствие чего уже Kr (четвёртый период) приобретает способность вступать в . Специфика р-элементов 4-6-го периодов связана также с тем, что они отделены от s-элементов совокупностями элементов, в которых происходит застройка предшествующих электронных оболочек.
У переходных d-элементов б-подгрупп достраиваются незавершённые оболочки с n, на единицу меньшим номера периода. Конфигурация внешних оболочек у них, как правило, ns 2 . Поэтому все d-элементы являются . Аналогичная структура внешней оболочки d-элементов в каждом периоде приводит к тому, что изменение свойств d-элементов по мере роста Z не является резким и чёткое различие обнаруживается лишь в высших , в которых d-элементы проявляют определённое сходство с р-элементами соответствующих групп периодической системы элементов. Специфика элементов VIIIб-подгруппы объясняется тем, что их d-подоболочки близки к завершению, в связи с чем эти элементы не склонны (за исключением Ru и Os) проявлять высшие . У элементов Iб-подгруппы (Cu, Ag, Au) d-подоболочка фактически оказывается завершенной, но ещё недостаточно стабилизированной, эти элементы проявляют и более высокие (до III в случае Au).
Значение периодической системы элементов . Периодическая система элементов сыграла и продолжает играть огромную роль в развитии естествознания. Она явилась важнейшим достижением атомно-молекулярного учения, позволила дать современное определение понятия « » и уточнить понятия о и соединениях. Закономерности, вскрытые периодической системой элементов, оказали существенное влияние на разработку теории строения , способствовали объяснению явления изотонии. С периодической системой элементов связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в , что проявилось как в предсказании существования неизвестных элементов и их свойств, так и в предсказании новых особенностей химического поведения уже открытых элементов. Периодическая система элементов - фундамент , в первую очередь неорганической; она существенно помогает решению задач синтеза с заранее заданными свойствами, разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специфических для различных химических процессов и т.д. Периодическая система элементов- также научная основа преподавания .
Лит.: Менделеев Д. И., Периодический закон. Основные статьи, М., 1958; Кедров Б. М., Три аспекта атомистики. ч. 3. Закон Менделеева, М., 1969; Рабинович Е., Тило Э., Периодическая система элементов. История и теория, М.- Л., 1933; Карапетьянц М. Х., Дракин С. И., Строение , М., 1967; Астахов К. В., Современное состояние периодической системы Д. И. Менделеева, М., 1969; Кедров Б. М., Трифонов Д. Н., Закон периодичности и . Открытия и хронология, М., 1969; Сто лет периодического закона . Сборник статей, М., 1969; Сто лет периодического закона . Доклады на пленарных заседаниях, М., 1971; Spronsen J. W. van, The periodic system of chemical elements. A history of the first hundred years, Amst.- L.- N. Y., 1969; Клечковский В. М., Распределение атомных и правило последовательного заполнения (n + l)-групп, М., 1968; Трифонов Д. Н., О количественной интерпретации периодичности, М., 1971; Некрасов Б. В., Основы , т. 1-2, 3 изд., М., 1973; Кедров Б. М., Трифонов Д. Н., О современных проблемах периодической системы, М., 1974.
Д. Н. Трифонов.
Рис. 1. Таблица «Опыт системы элементов», основанной на их и химическом сходстве, составленная Д. И. Менделеевым 1 марта 1869.
Рис. 3. Длинная форма периодической системы элементов (современный вариант).
Рис. 4. Лестничная форма периодической системы элементов (по Н. , 1921).
Рис. 2. «Естественная система элементов» Д. И. Менделеева (короткая форма), опубликованная во 2-й части 1-го издания Основ в 1871.
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.
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.