Периодическая система элементов

Определение понятия атомного номера.

В 1913 А.ван ден Брук предположил, что порядковый номер элемента – его атомный номер – должен идентифицироваться с числом электронов, вращающихся вокруг ядра нейтрального атома, и с положительным зарядом ядра атома в единицах заряда электрона. Однако необходимо было экспериментальное подтверждение идентичности заряда атома и атомного номера. Бор далее постулировал, что характеристическое рентгеновское излучение элемента должно подчиняться такому же закону, что и спектр водорода. Так, если атомный номер Z идентифицируется с зарядом ядра в единицах заряда электрона, то частоты (длины волн) соответствующих линий в рентгеновских спектрах различных элементов должны быть пропорциональны Z2, квадрату атомного номера элемента.

В 1913–1914 Г.Мозли, изучая характеристическое рентгеновское излучение атомов различных элементов, получил блестящее подтверждение гипотезы Бора. Работа Мозли таким образом подтвердила предположение ван ден Брука об идентичности атомного номера элемента с зарядом его ядра; атомный номер, а не атомная масса, является истинной основой для определения химических свойств элемента.

Значение

Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей было предсказано существование неизвестных науке химических элементов, установлено их положение относительно известных в таблице и их свойства. Позже многие элементы были обнаружены и встали на те места, которые предсказал Менделеев в своей таблице. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Прогнозирующая роль периодической системы, показанная ещё самим Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.

Разработанная в XIX веке в рамках науки химии, периодическая таблица явилась готовой систематизацией типов атомов для новых разделов физики, получивших развитие в начале XX веке — атомной физики и физики ядра. В ходе исследований атома методами физики было установлено, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева (атомный номер, называемый также числом Менделеева), является мерой электрического заряда атомного ядра этого элемента, номер горизонтального ряда (периода) в таблице определяет число электронных оболочек атома, а номер вертикального ряда (группы) — квантовую структуру верхней электронной оболочки, чему элементы группы и обязаны сходством химических свойств.

Появление периодической системы и открытие периодического закона открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук — взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях Д. И. Менделеевым и его последователями создана стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.

По решению ООН 2019 год был объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов.

Значение

Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей было предсказано существование неизвестных науке химических элементов, установлено их положение относительно известных в таблице и их свойства. Позже многие элементы были обнаружены и встали на те места, которые предсказал Менделеев в своей таблице. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Прогнозирующая роль периодической системы, показанная ещё самим Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.

Разработанная в XIX веке в рамках науки химии, периодическая таблица явилась готовой систематизацией типов атомов для новых разделов физики, получивших развитие в начале XX веке — атомной физики и физики ядра. В ходе исследований атома методами физики было установлено, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева (атомный номер, называемый также числом Менделеева), является мерой электрического заряда атомного ядра этого элемента, номер горизонтального ряда (периода) в таблице определяет число электронных оболочек атома, а номер вертикального ряда (группы) — квантовую структуру верхней электронной оболочки, чему элементы группы и обязаны сходством химических свойств.

Появление периодической системы и открытие периодического закона открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук — взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях Д. И. Менделеевым и его последователями создана стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.

По решению ООН 2019 год был объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов.

Динамика

Всё завязано на радиусе атома. Помня об этом, вы всегда можете показать изменение электроотрицательности, окислительно-восстановительных, металлических/неметаллических свойств.

Посмотрите внимательно на распределение электронов по слоям у первых четырёх элементов первой группы и первых четырёх элементов седьмой группы.

Так уж мир устроен — всё стремится к стабильности

Люди ли это, государства, какие-то химические частицы — неважно. Среди химических элементов своеобразным образцом стабильности являются так называемые «благородные газы» — элементы главной подгруппы восьмой группы

Все остальные химические элементы стремятся этому образцу соответствовать, поэтому химические свойства веществ обусловлены…

Очевидно, что натрию легче отдать один электрон, чтобы достигнуть конфигурации неона, чем присоединить семь электронов и стать «вторым аргоном» — у него и свободных орбиталей-то для этого нет!

Ещё легче с этим решением калию — мало того, что ему так же выгоднее затратить меньшее количество энергии, отдав один электрон вместо присоединения нескольких, так у него ещё и сам валентный электрон далеко — радиус больше, из-за этого его труднее удерживать.

Обратную картину наблюдаем в седьмой группе. Картина, впрочем, объясняется теми же самыми общими закономерностями.

Есть фтор. Ему «впадлу» отдавать семь электронов, когда можно отнять у кого-нибудь один и начать косплеить неон. А есть йод, йоду тоже впадлу — но у него радиус больше, поэтому ему сложнее присоединять присоединить этот несчастный электрон.

Исходя из этих примеров, мы можем вывести некоторые закономерности изменения химических свойств при движении по группам и периодам:

1. Окислительно-восстановительныесвойства — собственно, способность присоединять/отдавать электроны, изменяя степень окисления.

Сверху-вниз по группе — возрастают восстановительные (вспомните натрий и калий), уменьшаются окислительные, слева-направо по периоду — уменьшаются восстановительные (вспомните элементы первой группы и элементы седьмой), увеличиваются окислительные.

2. Металлические/неметаллические свойства — то же самое, что и в первом свойстве — отдача/принятие электронов, следовательно — закономерности будут аналогичны.

3. Электроотрицательность — способность присоединять электронные пары при образовании химической связи. Снова присоединение/отдача электронов => аналогично первым двум свойствам.

А вот со следующими двумя свойствами рекомендую быть максимально осторожным.

4. Кислотно-основные свойства ОКСИДОВ И ГИДРОКСИДОВ — в группе (сверху вниз) увеличиваются основные свойства, уменьшаются кислотные, по периоду (слева направо) — наоборот, кислотные увеличиваются, а основные — уменьшаются.

5. А однажды моему знакомому встретилось такое задание:

«Тематический тренинг» В. Н. Доронькина

Как вы видите, под цифрой 2 просят указать элементы в порядке возрастания кислотных свойств водородных соединений. Которые он, очевидно, принял за кислотные свойства оксидов и гидроксидов, поэтому там написан неправильный ответ и недоумевающий знак вопроса.

С кислотными свойствами водородных соединений всё с точностью до наоборот… Хотя, нет, ладно, не всё. Наполовину.

Давайте просто вспомним, что вообще такое кислотные свойства. Если очень коротко и упрощённо:

А какая разница, протон, электрон — ведь всё опять возвращается на круги своя, к атомному радиусу!

Чем больше он, тем больше длина связи. Чем больше длина связи, тем легче отдавать те или иные частицы. Значит, по группе (сверху вниз) кислотные свойства водородных соединений УСИЛИВАЮТСЯ. Это, кстати, объясняет, почему плавиковую кислоту (HF) считают слабее, чем её соседей с нижних этажей — HCl, HBr, HI.

Пятое свойство упоминается не так часто, как четвёртое, но оно имеет место быть в том числе и в заданиях ЕГЭ. Будьте внимательны.

На сегодня всё, не забудьте определить ЧИСЛО НЕЙТРОНОВ ХЛОРА, в следующей статье мы рассмотрим детальнее этот вопрос (а заодно обсудим изотопы, атомную массу и многие другие интересные вещи) и проверим, правы ли вы в своих рассуждениях, поэтому не забудьте поставить лайк и подписаться на канал!

Крайне занятная таблица. Но если вы школьник, то учить её не стоит, одолейте хотя бы классику 🙂

Инертные (благородные) газы

Группа VIII(18). Атомы элементов этой группы имеют полностью «укомплектованный» внешний электронный слой. Поэтому им «не надо» принимать электроны. И отдавать их они «не хотят». Отсюда — элементы этой группы очень «неохотно» вступают в химические реакции. Долгое время считалось, что они вообще не вступают в реакции (отсюда и название «инертный», т.е. «бездействующий»). Но химик Нейл Барлетт открыл, что некоторые из этих газов при определенных условиях все же могут вступать в реакции с другими элементами.

Электронные конфигурации:

• Ne — 1s22s22p6;
• Ar — 1s22s22p63s23p6;
• Kr — 1s22s22p63s23p64s23d104p6

Подробнее об инертных (благородных) газах см. Атомы элементов 0 группы: общая характеристика…

Электронное строение

Все металлы имеют слабую связь валентных электронов (электронов внешнего энергетического уровня) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, то есть течёт электрический ток.

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).

Периодический закон.

Два других химика, русский ученый Д.И.Менделеев и немецкий ученый Л.Мейер независимо друг от друга предложили классификацию элементов в виде семейств, в которых периодически повторяются сходные свойства, когда элементы расположены в порядке увеличения атомного веса. Оба опубликовали свои таблицы (Менделеев – в 1869, а Мейер – в 1870) и дали формулировку нового открытого периодического закона. Уверенность Менделеева в правильности периодического закона была так велика, что он не колеблясь исправил известные значения атомных весов на основании открытого закона. Он предсказал существование и довольно точно описал свойства трех новых, еще неизвестных тогда элементов, которые были открыты через несколько лет: галлия (1875), скандия (1879) и германия (1886).

Математическая карта

Во многих случаях в истории науки великие предсказания, основанные на новых уравнениях, оказывались верными. Каким-то образом математика раскрывает некоторые природные секреты, прежде чем экспериментаторы их обнаружат. Один из примеров — антиматерия, другой — расширение Вселенной. В случае Менделеева, предсказания новых элементов возникли без какой-либо творческой математики. Но на самом деле Менделеев открыл глубокую математическую карту природы, поскольку его таблица отражала значение квантовой механики, математических правил, управляющих атомной архитектурой.

В своей книге Менделеев отметил, что «внутренние различия материи, которую составляют атомы», могут быть ответственны за периодически повторяющиеся свойства элементов. Но он не придерживался этой линии мышления. По сути, многие годы он размышлял о том, насколько важна атомная теория для его таблицы.

Но другие смогли прочитать внутреннее послание таблицы. В 1888 году немецкий химик Йоханнес Вислицен объявил, что периодичность свойств элементов, упорядоченных по массе, указывает на то, что атомы состоят из регулярных групп более мелких частиц. Таким образом, в некотором смысле таблица Менделеева действительно предвидела (и предоставила доказательства) сложную внутреннюю структуру атомов, в то время как никто не имел ни малейшего представления о том, как на самом деле выглядел атом или имел ли он какую-нибудь внутреннюю структуру вовсе.

К моменту смерти Менделеева в 1907 году ученые знали, что атомы делятся на части: электроны, переносящие отрицательный электрический заряд, плюс некоторый положительно заряженный компонент, делающий атомы электрически нейтральными. Ключом к тому, как эти части выстраиваются, стало открытие 1911 года, когда физик Эрнест Резерфорд, работающий в Манчестерском университете в Англии, обнаружил атомное ядро. Вскоре после этого Генри Мозли, работавший с Резерфордом, продемонстрировал, что количество положительного заряда в ядре (число протонов, которое он содержит, или его «атомное число») определяет правильный порядок элементов в периодической таблице.

Генри Мозли.

Атомная масса была тесно связана с атомным числом Мозли — достаточно тесно, чтобы упорядочение элементов по массе только в нескольких местах отличалось от упорядочения по числу. Менделеев настаивал на том, что эти массы были неправильными и нуждались в повторном измерении, и в некоторых случаях оказался прав. Осталось несколько расхождений, но атомное число Мозли прекрасно легло в таблицу.

Примерно в то же время датский физик Нильс Бор понял, что квантовая теория определяет расположение электронов, окружающих ядро, и что самые дальние электроны определяют химические свойства элемента.

Подобные расположения внешних электронов будут периодически повторяться, объясняя закономерности, которые первоначально выявила таблица Менделеева. Бор создал свою собственную версию таблицы в 1922 году, основываясь на экспериментальных измерениях энергий электронов (наряду с некоторыми подсказками из периодического закона).

Таблица Бора добавила элементы, открытые с 1869 года, но это был тот же периодической порядок, открытый Менделеевым. Не имея ни малейшего представления о квантовой теории, Менделеев создал таблицу, отражающую атомную архитектуру, которую диктовала квантовая физика.

Новая таблица Бора не стала ни первым, ни последним вариантом изначального дизайна Менделеева. Сотни версий периодической таблицы с тех пор были разработаны и опубликованы. Современная форма — в горизонтальном дизайне в отличие от первоначальной вертикальной версии Менделеева — стала широко популярной только после Второй мировой войны, во многом благодаря работе американского химика Гленна Сиборга.

Сиборг и его коллеги создали несколько новых элементов синтетически, с атомными числами после урана, последнего природного элемента в таблице. Сиборг увидел, что эти элементы, трансурановые (плюс три элемента, предшествовавшие урану), требовали новой строки в таблице, которую не предвидел Менделеев. Таблица Сиборга добавила строку для тех элементов под аналогичным рядом редкоземельных элементов, которым тоже не было места в таблице.

Вклад Сиборг в химию принес ему честь назвать собственный элемент — сиборгий с номером 106. Это один из нескольких элементов, названных в честь известных ученых. И в этом списке, конечно, есть элемент 101, открытый Сиборгом и его коллегами в 1955 году и названный менделевием — в честь химика, который прежде всех остальных заслужил место в периодической таблице.

Заходите на наш канал с новостями, если хотите больше подобных историй.

Литература

• Менделеев Д. И., —. Периодическая законность химических элементов // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Менделеев Д. И. Попытка химического понимания мирового эфира. СПб., 1905
• Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1973. — 208 с.
• Евдокимов Ю., кандидат химич. наук. К истории периодического закона. Наука и жизнь, № 5 (2009), С. 12-15.
• Макареня А. А., Рысев Ю. В. Д. И. Менделеев. — М.: Просвещение, 1983. — 128 с.
• Макареня А. А., Трифонов Д. Н. Периодический закон Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1969. — 160 с.
• Некрасов Б.В. Основы общей химии. — 3-е изд. — М.: Химия, 1973. — Т. 1. — 656 с.
• Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1963. — Т. 1. — 920 с.
• Eric R. Scerri. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. — Нью-Йорк: Oxford University Press, 2007. — 368 с. — ISBN 978-0-19-530573-9

Список химических элементов Таблицы Менделеева

Список химических элементов упорядочен в порядке возрастания атомных номеров, приводятся обозначения элемента в Таблице Менделеева, латинское и русское названия.