Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система химических элементов имеет большое значение в развитии химии. Окунемся в 1871 год, когда профессор химии Д.И. Менделеев, методом многочисленных проб и ошибок, пришел к выводу, что «… свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Периодичность изменения свойств элементов возникает вследствие периодического повторения электронной конфигурации внешнего электронного слоя с увеличением заряда ядра.
Современная формулировка периодического закона
такова:
«свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов».
Преподавая химию, Менделеев понимал, что запоминание индивидуальных свойств каждого элемента, вызывает у студентов трудности. Он стал искать пути создания системного метода, чтобы облегчить запоминание свойств элементов. В результате появилась естественная таблица , позже она стала называться периодической .
Наша современная таблица очень похожа на менделеевскую. Рассмотрим ее подробнее.
Таблица Менделеева
Периодическая таблица Менделеева состоит из 8 групп и 7 периодов.
Вертикальные столбцы таблицы называют группами . Элементы, внутри каждой группы, обладают сходными химическими и физическими свойствами. Это объясняется тем, что элементы одной группы имеют сходные электронные конфигурации внешнего слоя, число электронов на котором равно номеру группы. При этом группа разделяется на главные и побочные подгруппы .
В Главные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешних ns- и np- подуровнях. В Побочные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешнем ns- подуровне и внутреннем (n — 1) d- подуровне (или (n — 2) f- подуровне).
Все элементы в периодической таблице , в зависимости от того, на каком подуровне (s-, p-, d- или f-) находятся валентные электроны классифицируются на: s- элементы (элементы главной подгруппы I и II групп), p- элементы (элементы главных подгрупп III — VII групп), d- элементы (элементы побочных подгрупп), f- элементы (лантаноиды, актиноиды).
Высшая валентность элемента (за исключением O, F, элементов подгруппы меди и восьмой группы) равна номеру группы, в которой он находится.
Для элементов главных и побочных подгрупп одинаковыми являются формулы высших оксидов (и их гидратов). В главных подгруппах состав водородных соединений являются одинаковыми, для элементов, находящихся в этой группе. Твердые гидриды образуют элементы главных подгрупп I — III групп, а IV — VII групп образуют а газообразные водородные соединения. Водородные соединения типа ЭН 4 – нейтральнее соединения, ЭН 3 – основания, Н 2 Э и НЭ — кислоты.
Горизонтальные ряды таблицы называют периодами . Элементы в периодах отличаются между собой, но общее у них то, что последние электроны находятся на одном энергетическом уровне (главное квантовое число n — одинаково).
Первый период отличается от других тем, что там находятся всего 2 элемента: водород H и гелий He.
Во втором периоде находятся 8 элементов (Li - Ne). Литий Li – щелочной металл начинает период, а замыкает его благородный газ неон Ne.
В третьем периоде, также как и во втором находятся 8 элементов (Na - Ar). Начинает период щелочной металл натрий Na, а замыкает его благородный газ аргон Ar.
В четвёртом периоде находятся 18 элементов (K - Kr) – Менделеев его обозначил как первый большой период. Начинается он также с щелочного металла Калий, а заканчивается инертным газом криптон Kr. В состав больших периодов входят переходные элементы (Sc - Zn) — d- элементы.
В пятом периоде, аналогично четвертому находятся 18 элементов (Rb - Xe) и структура его сходна с четвёртым. Начинается он также с щелочного металла рубидий Rb, а заканчивается инертным газом ксенон Xe. В состав больших периодов входят переходные элементы (Y - Cd) — d- элементы.
Шестой период состоит из 32 элементов (Cs - Rn). Кроме 10 d -элементов (La, Hf - Hg) в нем находится ряд из 14 f -элементов(лантаноиды)- Ce — Lu
Седьмой период не закончен. Он начинается с Франций Fr, можно предположить, что он будет содержать, также как и шестой период, 32 элемента, которые уже найдены (до элемента с Z = 118).
Интерактивная таблица Менделеева
Если посмотреть на периодическую таблицу Менделеева и провести воображаемую черту, начинающуюся у бора и заканчивающуюся между полонием и астатом, то все металлы будут находиться слева от черты, а неметаллы – справа. Элементы, непосредственно прилегающие к этой линии будут обладать свойствами как металлов, так и неметаллов. Их называют металлоидами или полуметаллами. Это бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур и полоний.
Периодический закон
Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Существует четыре основных периодических закономерности:
Правило октета
утверждает, что все элементы стремятся приобрести или потерять электрон, чтобы иметь восьмиэлектронную конфигурацию ближайшего благородного газа. Т.к. внешние s- и p-орбитали благородных газов полностью заполнены, то они являются самыми стабильными элементами.
Энергия ионизации
– это количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома. Согласно правилу октета, при движении по периодической таблице слева направо для отрыва электрона требуется больше энергии. Поэтому элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, а с правой стороны – его приобрести. Самая высокая энергия ионизации у инертных газов. Энергия ионизации уменьшается при движении вниз по группе, т.к. у электронов низких энергетических уровней есть способность отталкивать электроны с более высоких энергетических уровней. Это явление названо эффектом экранирования
. Благодаря этому эффекту внешние электроны мене прочно связаны с ядром. Двигаясь по периоду энергия ионизации плавно увеличивается слева направо.
Сродство к электрону – изменение энергии при приобретении дополнительного электрона атомом вещества в газообразном состоянии. При движении по группе вниз сродство к электрону становится менее отрицательным вследствие эффекта экранирования.
Электроотрицательность — мера того, насколько сильно стремится притягивать к себе электроны связанного с ним другого атома. Электроотрицательность увеличивается при движении в периодической таблице слева направо и снизу вверх. При этом надо помнить, что благородные газы не имеют электроотрицательности. Таким образом, самый электроотрицательный элемент – фтор.
На основании этих понятий, рассмотрим как меняются свойства атомов и их соединений в таблице Менделеева.
Итак, в периодической зависимости находятся такие свойства атома, которые связанны с его электронной конфигурацией: атомный радиус, энергия ионизации, электроотрицательность.
Рассмотрим изменение свойств атомов и их соединений в зависимости от положения в периодической системе химических элементов .
Неметалличность атома увеличивается при движении в периодической таблице слева направо и снизу вверх . В связи с этим основные свойства оксидов уменьшаются, а кислотные свойства увеличиваются в том же порядке — при движении слева направо и снизу вверх. При этом кислотные свойства оксидов тем сильнее, чем больше степень окисления образующего его элемента
По периоду слева направо основные свойства гидроксидов ослабевают,по главным подгруппам сверху вниз сила оснований увеличивается. При этом, если металл может образовать несколько гидроксидов, то с увеличением степени окисления металла, основные свойства гидроксидов ослабевают.
По периоду слева направо увеличивается сила кислородосодержащих кислот. При движении сверху вниз в пределах одной группы сила кислородосодержащих кислот уменьшается. При этом сила кислоты увеличивается с увеличением степени окисления образующего кислоту элемента.
По периоду слева направо увеличивается сила бескислородных кислот. При движении сверху вниз в пределах одной группы сила бескислородных кислот увеличивается.
Категории ,В период девятнадцатого века сильную реформацию претерпели многие направления, в том числе и химия. Менделеева, сформулированная в 1869 году, привела к единому пониманию зависимости положения простых веществ в таблице Менделеева, установившей взаимосвязь между относительной атомной массой, валентностью и свойством элемента.
Доменделеевский период химии
Несколько ранее, в начале девятнадцатого века, предпринимались неоднократные попытки систематизации Немецкий химик Дёберейнер провёл первую серьёзную работу по систематизации в области химии. Он определил, что ряд сходных веществ по свойствам можно объединить в группы - триады.
Ошибочность представлений немецкого учёного
Суть представленного закона триад Дёберейнера определялась тем, что атомная масса искомого вещества близка к полусумме (среднему значению) атомных масс двух последних элементов таблицы триады.
Однако отсутствие магния в единой подгруппе кальция, стронция и бария было ошибочным.
Данный подход являлся следствием искусственного ограничения аналогичных веществ только тройственными союзами. Дёберейнер хорошо видел сходство в химических параметрах фосфора и мышьяка, висмута и сурьмы. Однако он ограничил себя отыскиванием триад. В итоге он не смог прийти к правильной классификации химических элементов.
Разделить существующие элементы на триады Дёберейнеру, безусловно, не удалось, закон явно указывал на присутствие взаимосвязи между и свойствами химических простых веществ.
Процесс систематизации химических элементов
Все последующие попытки систематизации опирались на распределение элементов в зависимости от их атомной массы. В дальнейшем гипотеза Дёберейнера была использована другими химиками. Появилось формирование триад, тетрад и пентад (объединение в группы по три, четыре и пять элементов).
Во второй половине девятнадцатого века появилось одновременно несколько работ, основываясь на которых Дмитрий Иванович Менделеев привёл химию к полноценной систематизации химических элементов. Иное строение периодической системы Менделеева привело к революционному пониманию и очевидности механизма распределения простых веществ.
Периодическая система элементов Менделеева
На заседании русского химического сообщества весной 1869 года было зачитано уведомление русского учёного Д. И. Менделеева об открытии им периодического закона химических элементов.
В ноябре 1870 года он показал коллегам дополнение «Естественная система элементов и использование её к указанию качеств неоткрытых элементов». В этом труде Д. И. Менделеев впервые использовал термин «периодический закон». Система элементов Менделеева на основании периодического закона определяла возможность существования не открытых простых веществ и чётко указывала на их свойства.
Исправления и уточнения
В итоге к 1971 году периодический закон и периодическая система элементов Менделеева были доработаны и дополнены
В окончательной статье «Периодическая законность химических элементов» ученый установил определение периодического закона, где указывается, что характеристики простых тел, свойства соединений, а также образуемых ими сложных тел определяются прямой зависимостью согласно их атомному весу.
Несколько позже, в 1872 году, строение периодической системы Менделеева было реорганизовано в классический вид (короткопериодный способ распределения).
В отличие от предшественников, русский химик полноценно составил таблицу, ввёл понятие закономерности атомного веса химических элементов.
Характеристика элементов периодической системы Менделеева и выведенные закономерности позволили учёному описать свойства элементов, которые еще не открыты. Менделеев опирался на то, что свойства каждого вещества можно определить согласно характеристикам двух соседних элементов. Он назвал это правилом «звезды». Его суть в том, что в таблице химических элементов для определения свойства выбранного элемента необходимо ориентироваться по горизонтали и вертикали в таблице химических элементов.
Периодическая система Менделеева способна предсказать...
Таблица элементов Менделеева, несмотря на свою точность и верность, не была признана научным обществом полноценно. Некоторые великие учёные с мировым именем открыто высмеивали возможность предсказать свойства неоткрытого элемента. И только в 1885 году, после открытия предсказанных элементов - экаалюминия, экабора и экасилиция (галлий, скандий и германий), новая классификационная система Менделеева и периодический закон были признаны в качестве теоретической основы химии.
В начале двадцатого века строение периодической системы Менделеева неоднократно корректировалось. В процессе получения новых научных данных Д. И. Менделеев и его коллега У. Рамзай пришли к заключению о необходимости введения нулевой группы. В её состав вошли инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон).
В тысяча девятьсот одиннадцатом году Ф. Содди внёс предложение размещать неразличимые химические элементы - изотопы - в одной ячейке таблицы.
В процессе долгой и кропотливой работы таблица периодической системы химических элементов Менделеева была окончательно доработана и приобрела современный вид. В её состав вошло восемь групп и семь периодов. Группы - это вертикальные столбцы, периоды - горизонтальные. В группах определено деление на подгруппы.
Положение элемента в таблице указывает на его валентность, чисто электронов и химические особенности. Как выяснилось позже, в ходе разработки таблицы Д. И. Менделеевым было обнаружено случайное совпадение количества электронов элемента с его порядковым номером.
Этот факт в дальнейшем упростил понимание принципа взаимодействия простых веществ и образование сложных. А также процесс в обратном направлении. Расчёт количества полученного вещества, а также необходимого для протекания химической реакции стал теоретически доступен.
Роль открытия Менделеева в современной науке
Система Менделеева и его подход к упорядочиванию химических элементов предопределили дельнейшее развитие химии. Благодаря правильному пониманию взаимосвязи химических констант и анализу Менделеев смог верно скомпоновать и сгруппировать элементы согласно их свойствам.
Новая таблица элементов даёт возможность ясно и чётко рассчитывать данные до начала проведения химической реакции, предсказывать новые элементы и их свойства.
Открытие русского учёного оказало прямое влияние на дальнейший ход развития науки и технологий. Не существует технологической области, которая бы не задействовала знания химии. Возможно, если бы подобное открытие не состоялось, то наша цивилизация пошла бы по иному пути развития.
Опровергая устоявшуюся историю о том, что гениальное открытие в области было всего лишь ночным кошмаром, нужно сказать, что многие ученые перед Менделеевым делали попытки создать химическую систему. Основы ее были заложены немецким ученым И.В. Дёберейнером, французом А. де Шанкуртуа и некоторыми другими.
Сам Д.И. Менделеев провел невероятное количество экспериментов и потратил около двадцати лет своей жизни на поиски истины. Им были сформированы основные значения и функции элементов, а также их свойства, вот только информация никак не укладывалась во что-то более менее структурированное. И когда после очередной бессонной ночи он решил пару часов, мозг выдал то, чего добивался Менделеев на протяжении лет.
Именно так в распоряжении химиков в 1869 году появилась периодическая , и только в 1871 был сформулирован сам закон, который позволил идти не только химии, но и многим другим наукам вперед.
Суть закона
Российским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым впервые было сделано потрясающее открытие того факта, что атом – это не конечная единица, что в нем есть ядро и вращающиеся вокруг протоны, а также , что основная масса атома сосредоточена именно в его ядре. Было выведено правило об изменении свойств всех существующих в природе элементов и их химических соединений в зависимости от того, как изменяется заряд атомных ядер.
Возрастание ядерного заряда происходит именно при переходе от одного химического элемента таблицы ко второму, находящемуся по соседству. Растет заряд на 1 элементарную зарядную единицу, а отражено это в таблице внизу каждого элемента, обозначенного как атомный номер. Это значит, что число протонов, находящееся в ядре, равно численно количеству электронов того нейтрального атома, который соответствует ядру.
Именно внешними оболочками, состоящими из электронов, определяются свойства любых химических элементов. Эти оболочки могут изменяться лишь периодически, и эти изменения напрямую зависят от увеличения либо от уменьшения зарядов самого ядра, расположенного в атоме, и именно это, а не атомная масса элементов, лежит в основе периодического закона.
Почему это так важно
Благодаря периодическому закону появилась возможность предсказывать поведение тех или иных химических элементов в различных реакциях. Также было определено, что существуют еще не открытые наукой соединения. Лишь спустя столетия таблица была полностью заполнена.
Периодический закон Д.И.Менделеева, его современная формулировка. В чем её отличие от той, которая была дана Д.И.Менделеевым? Поясните, чем обусловлено такое изменение формулировки закона? В чем заключается физический смысл Периодического закона? Поясните причину периодического изменения свойств химических элементов. Как вы понимаете явление периодичности?
Периодический закон был сформулирован Д. И. Менделеевым в следующем виде (1871): «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
В настоящее время Периодический закон Д. И. Менделеева имеет следующую формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов».
Особенность Периодического закона среди других фундаментальных законов заключается в том, что он не имеет выражения в виде математического уравнения. Графическим (табличным) выражением закона является разработанная Менделеевым Периодическая система элементов.
Периодический закон универсален для Вселенной: как образно заметил известный русский химик Н. Д. Зелинский, Периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».
В современном состоянии Периодическая система элементов состоит из 10 горизонтальных рядов (периодов) и 8 вертикальных столбцов (групп). Первые три ряда образуют три малых периода. Последующие периоды включают по два ряда. Кроме того, начиная с шестого, периоды включают дополнительные ряды лантаноидов (шестой период) и актиноидов (седьмой период).
По период наблюдается ослабление металлических свойств и усиление неметаллических. Конечный элемент периода представляет собой благородный газ. Каждый последующий период начинается со щелочного металла, т. е. по мере роста атомной массы элементов изменение химических свойств имеет периодический характер.
С развитием атомной физики и квантовой химии Периодический закон получил строгое теоретическое обоснование. Благодаря классическим работам Й. Ридберга (1897), А. Ван-ден-Брука (1911), Г. Мозли (1913) был раскрыт физический смысл порядкового (атомного) номера элемента. Позднее была создана квантово-механическая модель периодического изменения электронного строения атомов химических элементов по мере возрастания зарядов их ядер (Н. Бор, В. Паули, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг и др.).
Периодические свойства химических элементов
В принципе, свойства химического элемента объединяют все без исключения его характеристики в состоянии свободных атомов или ионов, гидратированных или сольватированных, в состоянии простого вещества, а также формы и свойства образуемых им многочисленных соединений. Но обычно под свойствами химического элемента подразумевают, во-первых, свойства его свободных атомов и, во-вторых, свойства простого вещества. Большинство этих свойств проявляет явную периодическую зависимость от атомных номеров химических элементов. Среди этих свойств наиболее важными, имеющими особое значение при объяснении или предсказании химического поведения элементов и образуемых ими соединений являются:
Энергия ионизации атомов;
Энергия сродства атомов к электрону;
Электроотрицательность;
Атомные (и ионные) радиусы;
Энергия атомизации простых веществ
Степени окисления;
Окислительные потенциалы простых веществ.
Физический смысл периодического закона состоит в том, что периодическое изменение свойств элементов находится в полном соответствии с периодически возобновляющимися на все более высоких энергетических уровнях сходными электронными структурами атомов. С их закономерным изменением закономерно изменяются физические и химические свойства.
Физический смысл периодического закона стал понятен после создания теории строения атома.
Итак, физический смысл периодического закона состоит в том, что периодическое изменение свойств элементов находится в полном соответствии с периодически возобновляющимися на все более высоких энергетических уровнях сходными электронными структурами атомов. С их закономерным изменением закономерно изменяются физические и химические свойства элементов.
В чем состоит физический смысл периодического закона.
Этими выводами вскрывается физический смысл периодического закона Д. И. Менделеева, который оставался неясным в течение полувека после открытия этого закона.
Отсюда следует, что физический смысл периодического закона Д. И. Менделеева состоит в периодичности повторения сходных электронных конфигураций при возрастании главного квантового числа и объединении элементов по близости их электронного строения.
Теория строения атомов показала, что физический смысл периодического закона состоит в том, что при последовательном возрастании зарядов ядер периодически повторяются сходные валентные электронные структуры атомов.
Из всего изложенного ясно, что теория строения атома раскрыла физический смысл периодического закона Д. И. Менделеева и еще ярче выявила его значение как основы для дальнейшего развития химии, физики и ряда других наук.
Замена атомной массы зарядом ядра была первым шагом в раскрытии физического смысла периодического закона, Далее, было важно установить причины возникновения периодичности, характер периодической функции зависимости свойств от заряда ядра, объяснить величины периодов, число редкоземельных элементов и пр.
Для элементов-аналогов наблюдается одинаковое число электронов на одноименных оболочках при разных значениях главного квантового числа. Поэтому физический смысл Периодического закона заключается в периодическом изменении свойств элементов в результате периодически возобновляющихся сходных электронных оболочек атомов при последовательном возрастании значений главного квантового числа.
Для элементов - аналогов наблюдается одинаковое число электронов на одноименных орбиталях при разных значениях главного квантового числа. Поэтому физический смысл Периодического закона заключается в периодическом изменении свойств элементов в результате периодически возобновляющихся сходных электронных оболочек атомов при последовательном возрастании значений главного квантового числа.
Таким образом, при последовательном увеличении зарядов атомных ядер периодически повторяется конфигурация электронных оболочек и, как следствие, периодически повторяются химические свойства элементов. В этом заключается физический смысл периодического закона.
Периодический закон Д. И. Менделеева является основой современной химии. Изучение строения атомов вскрывает физический смысл периодического закона и объясняет закономерности изменения свойств элементов в периодах и в группах периодической системы. Знание строения атомов является необходимым для понимания причин образования химической связи. Природа химической связи в молекулах определяет свойства веществ. Поэтому данный раздел является одним из важнейших разделов общей химии.
естествознание периодический экосистема
ВВЕДЕНИЕ
Пенза
Введение
1. Периодический закон Д. И. Менделеева.
2. Структура периодической системы.
3. Семейства элементов.
4. Размеры атомов и ионов.
5.Энергия ионизации – количественная мера восстановительных свойств атомов.
6. Сродство к электрону – количественная мера окислительных свойств атома.
7. Электроотрицательность атома – количественная мера окислительно-восстановительных свойств элемента.
Заключение.
Литература:
1. Коровин Н.В. Общая химия. Учебник. – М.: Высшая школа, 1998. – с. 27 - 34.
Учебно – материальное обеспечение:
1. Мультимедийный проектор.
2. Короткопериодный и длиннопериодный варианты таблиц периодической системы Д.И. Менделеева.
3. Таблица электроотрицательностей элементов по Полингу.
Цель занятия:
Знать: 1.Периодический закон Д.И. Менделеева (формулировка Д.И. Менделеева и современная формулировка). Структура периодической системы. Порядковый номер элемента, период, группа, подгруппа. S -, p-, d-, f- электронные свойства элементов.
2.Атомные радиусы, энергия ионизации и сродство к электрону, электроотрицательность элементов, их изменение по периодам и группам.
Организационно-методические указания:
1.Проверить наличие обучаемых и их готовность к занятиям, устранить недостатки.
2.Объявить тему и цель занятия, учебные вопросы, литературу.
3.Обосновать необходимость изучения данной темы.
4.Рассмотреть учебные вопросы с применением кадров презентации и таблицы периодической системы.
5.По каждому учебному вопросу и в конце занятия подвести итоги.
6.В конце занятия выдать задание на самоподготовку.
Фундаментальным законом природы и теоретической базой химии является периодический закон, открытый Д.И Менделеевым в 1969 г. на основе глубоких знаний в области химии и гениальной интуиции. Позднее закон получил теоретическую интерпретацию на основе моделей строения атома.
Первый вариант периодического закона был предложен Менделеевым в 1869 году, а окончательно сформулирован в 1871 году.
Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева:
Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
В 1914 году Мозли, изучая рентгеновские спектры атомов, пришел к выводу, что порядковый номер элемента в ПС совпадает с зарядом ядра его атома.
Современная формулировка периодического закона
Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов.
Физический смысл периодического закона (его связь со строением атома):
Строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяются периодически повторяющимися однотипными конфигурациями их атомов.
