Научной основой развития естественных наук в XIX веке становится периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева, которые являются и на сегодняшний день основой познания строения и свойств простых и сложных веществ.
Предшественники Д.И. Менделеева – французский химик Шанкартуа, немецкий химик Дёберейнер, английский ученый Ньюлендс — осуществляли попытки классифицировать элементы, но в основу их классификации были положены свойства веществ (осуществлялся подбор элементов по свойствам). Ближе всех к решению задачи систематизации подошёл в 1864г. немецкий химик Юлиус Лотар Мейер. Изучение свойств элементов, равно как свойств образуемых ими соединений, привело к накоплению богатого фактического материала. В отличие от своих предшественников, Д.И. Менделеев находит общее среди всех элементов. И основой его классификации становится атомная масса.
Расположив все известные к тому времени химические элементы в порядке возрастания их относительных атомных масс, он увидел периодичность повторения свойств элементов и их соединений. Так Д.И. Менделеев в марте 1869г. сформулировал важнейшую для химии закономерность, называемую периодическим законом.
«Свойства элементов, а потому и образуемых ими простых и сложных тел (веществ), стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Несмотря на важность сделанного Д.И. Менделеевым открытия, многие противоречия все же не были разрешены. И было сделано ряд исключений для расположения элементов по атомным массам. Так, была непонятна причина периодичности изменения свойств элементов. Ответы на этот и другие вопросы были найдены лишь после раскрытия внутренней структуры атома. Учение о строении атома подтвердило глубинный смысл периодического закона и скорректировало его формулировку.
Современная формулировка:
«Свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов».
Свое выражение периодический закон нашел в построенной Д.И.Менделеевым периодической системе. Периодическая система – это упорядоченное множество элементов, имеющих свой порядковый номер. Графическая форма представления периодической системы – периодическая таблица.
Периодическая система – одна, а форм периодических таблиц – более 500. Наиболее известны длинный, полудлинный и короткий варианты периодической таблицы.
Как показали достижения физики в области квантовой механики строения атома, периодичность свойств элементов обусловлена периодической повторяемостью расположения валентных электронов на уровнях и подуровнях по мере роста заряда ядра атома. Закономерности периодической системы элементов широко используются современными интегрированными науками: геохимией, космохимией, физхимией, биохимией, при подборе катализаторов и т.д.
После открытия строения атома главной характеристикой атома становится заряд ядра. Он численно равен количеству протонов в ядре и определяет число электронов в электронной оболочке атома, ее строение, а значит свойства элемента и его положение в периодической системе.
В периодах и группах периодической системы химические элементы располагаются в порядке возрастания заряда их атомных ядер, т.е. порядкового номера элемента. Последовательное увеличение заряда ядра определяет периодичность повторения структуры внешнего энергетического уровня атома, а значит и периодичность повторения свойств элементов и их соединений. В этом – физический смысл периодического закона.
Прямую связь со строением атома имеют также номер периода и группы. Всего в периодической системе семь периодов и восемь групп (короткая форма таблицы).
- Вспомните и дайте толкование: что такое период? Какие периоды бывают? Что такое группа? Какие бывают подгруппы?
- Что показывает номер периода? Номер группы? В чем их физический смысл?
Говоря о физическом смысле номера группы, важно помнить, что каждая из них делится на главную и побочную подгруппы.
Главная подгруппа (А) – это вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне, числено равное номеру группы.
В главных подгруппах располагаются s- и p-элементы. Число внешних электронов для этих элементов определяется суммой s- и p-электронов последнего уровня и равно номеру группы.
Побочная подгруппа (В) – это вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое число электронов на внешнем и предвнешнем энергетических уровнях, в сумме, как правило, равное номеру группы.
В побочных подгруппах располагаются d- и f-элементы. В их атомах последними заполняются электронами d- и f-подуровни предвнешних энергетических уровней. Число внешних электронов для этих элементов не совпадает с номером группы. При этом валентными у элементов побочных подгрупп являются электроны как внешних, так и предвнешних энергетических уровней.
Характер изменения свойств элементов и их соединений в периодах и главных подгруппах.
Изменение электронных структур атомов определяет горизонтальные (в периоде) и вертикальные(в подгруппе) закономерности изменения свойств химических элементов, обобщаемые периодическим законом (табл.). Поэтому, свойства элементов определяются на пересечении его горизонтальных и вертикальных отношений с соседями по периоду и подгруппе.
- Установите взаимосвязь между характером изменения металлических и неметаллических свойств элементов в периодах и главных подгруппах и другими свойствами элементов, используя интерактивную периодическую систему и следующие данные таблицы.
Таблица 1. Изменение свойств элементов в периодической системе и их соединений
|
Свойство |
Период (слева на право) |
Главная подгруппа (сверху вниз) |
|
Заряд ядра атома |
Возрастает |
|
|
Радиус атома |
Уменьшается |
Увеличивается |
|
Валентность по отношению к кислороду |
Возрастает от I до VII |
Не изменяется |
|
Валентность по отношению к водороду |
I−II−III−IV−III−II−I |
|
|
Относительная электроотрицательность |
Возрастает |
Уменьшается |
|
Металлические свойства |
Ослабевают |
Усиливаются |
|
Основные свойства соединений |
||
|
Неметаллические свойства |
Усиливаются |
Ослабевают |
|
Кислотные свойства соединений |
||
Выводы и обобщения:
- Научная классификация отражает закономерные взаимосвязи между классами объектов с целью определения места объектов в системе, которое указывает на его свойства. Именно так устроена Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.
- На основании этой Системы были предсказаны свойства еще не открытых (неизвестных) элементов и эти прогнозы блестяще подтвердились.
- Многие свойства атомов, простых и сложных веществ изменяются периодически и зависят от местоположения соответствующего элемента в Периодической системе.
- Периодический закон имеет философское значение, как общий закон природы и носит прогностический характер, позволяет предсказывать новые элементы и их свойства.
Закрепление:
Расставьте элементы в порядке убывания металлических свойств в каждом ряду элементов...
а) С, Si, Ge;
б) В, Be, Li;
в) Na, Mg, Al.
Ответы:
а) Ge; Si; С;
б) Li; Be; В;
в) Na; Mg; Al.
Подсказка. Сравните радиусы атомов химических элементов в зависимости от расположения в периодической системе. Чем больше радиус атома, тем больше металлические свойства элемента.
Решение. С увеличением порядкового номера в периоде металлические свойства элементов убывают слева направо, а с увеличением порядкового номера в главной подгруппе металлические свойства элементов возрастают сверху вниз.
Домашнее задание:
Выучить и повторить материал из конспекта.
