Периодическое изменение свойств элементов и их соединений зависит от периодически повторяющейся подобной структуры электронной оболочки их атомов

Современная формулировка периодического закона. Виды периодических систем. Параметры, определяющие химические свойства элементов. Физический смысл порядкового номера элемента. Валентные электроны и орбитали. Электронные аналоги.

ЛЕКЦИЯ №3.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА:

После утверждения атомно-молекулярной теории важнейшим событием в химии было открытие периодического закона. Попытки создания систематики химических элементов предпринимались долгое время. Над этим важнейшим для химии вопросом работал ряд ученых, начиная с 1817 года Доберейнера. Помимо химического сходства у Доберейнера имело место и закономерность в отношении атомного веса. Лишь через 30 лет ученые вернулись к обсуждению этого вопроса, но существенных сдвигов получено не было. В 1862 годуШанкуртуа разместил элементы в порядке возрастания атомных весов по винтовой линии, описанной вокруг цилиндра. Сходные по свойствам элементы располагались друг под другом.

В 1864 году появились работы Мейера и Одлинга. первый из них объединил 6 групп элементов. В 1865 годуНьюлендс расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных весов по октавам, т.к. заметил, что их свойства повторяются на восьмом элементе. Не открытые элементы не получили своего места в таблице, т.е. никаких пропусков в его таблице не было.

И только в 1869 году Д.И.Менделеев предложил свой первый вариант периодического закона. Он заключался в следующем:

а) «Элементы, расположенные по величине атомного веса, представляют явственную периодичность свойств.»

б) «Величина атомного веса определяет характер элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела.»

в) «Должно ожидать открытия ещё многих неизвестных простых тел»

г) «Величина атомного веса элемента иногда может быть исправлена, зная его аналоги.»

д) «Некоторые аналоги элементов открываются по величине веса их атома», но колонок было 17.

В 1870 году Мейер опубликовал свою таблицу, ссылаясь на таблицу Менделеева, несколько отличающуюся по форме, но не по существу. Мейер не допускал изменения атомного веса.

Гениальность Менделеева заключалась в том, что некоторые элементы

(Os, Ir,Pt, Au,Te, J,Ni, Co)

он расположил вопреки их атомным весам, т.к. они были определены в то время неточно. И это в дальнейшем подтвердилось. И самое главное, он допускал существование ряда элементов ещё не открытых. Нужна была гениальность Менделеева, чтобы пойти на все это и дать в 1871 году развернутое изложение периодической системы элементов, мало отличающейся от современной. Кроме того, он предсказал подробную химическую характеристику некоторых ещё не открытых элементов атомным весом 44, 68 и 72.

экаалюминий	экабор	экасилиций
Ga	Sc	Ge
галий	скандий	германий
1875	1879	1886

и ещё трех Tc _{[Технеция]}, Re и Po.

Первоначально этот закон был принят химиками очень холодно. Окончательное признание этот закон получил в 1890 году. Большое испытание закон выдержал после открытия в 1893 году аргона – инертного газа. Лишь после нахождения гелия и других инертных газов стало ясно, что все они являются членами особой группы – восьмой, т.е. периодическая таблица была надстроена, после седьмой группы Менделеев добавил восьмую группу элементов – инертных газов. Следующим этапом в развитии этого закона были работы Мозли в 1912 году, который показал, что истинной основой этого закона являются не атомные веса, а положительные заряды ядер атомов, численно выражаемые атомными номерами соответствующих элементов. Исследования Мозли подтвердили положение в таблице некоторых элементов, которые стояли как бы не на своем месте (Co с Ni), (Te _{[теллур]} с J) и Ar _{[аргона]} перед K _{[калием]}. Работы Мозли со всей определенностью установили, что между водородом и гелием новых элементов быть не может и что общее их число между барием (№56) и танталом (№73) – 16.

Например, переход от аргона (№18) к калию (№19) связан с возникновением добавляемого электрона в уже имеющийся внешний слой, а у Sc (№21) наиболее устойчива структура 2, 8, 9, 2, т.е. включение нового электрона происходит во второй снаружи слой и т.д., до меди, атом которого имеет структуру 2, 8, 18, 1. Дальше идёт заполнение наружного слоя, начиная с меди до Kr – криптона. В 5, 6 ряду эти свойства повторяются. В 6 ряду у лантана (№57) новый электрон включается во второй снаружи слой 2, 8, 18, 18, 9, 2. А у лантаноидов №58... до Lu (№71) в третий снаружи слой 2, 8, 18, 19, 9, 2 №58 – Ce. и т.д. до 32 электронов, что соответствует №71 – лютецию.

В следующем элементе №72 – Hf гафний заполняется второй снаружи слой 2,8,18,32,10,2 и с химической стороны он должен быть аналогом не лантаноидов, а циркония 2,8,18,10,2 – Zr. Поэтому и искать его надо было не в тех рудах, которые содержат лантаниды, в циркониевых минералах. И действительно, после этого открытия Hf (№72) был найден в циркониевой руде (в1923 году). После открытия Hf расположение лантаноидов в периодической системе было отнесено к третьей группе, как элементы с достройкой глубоко лежащего электронного слоя. Подобным образом к третьей группе относят в настоящее время и актиниды, т.е. элементы за актинием (№89). Их выносят в отдельные строки, что позволяет избежать излишнего удлинения табличной формы периодической системы. Теория строения атомов тем самым вскрыла физический смысл периодического закона, т.е. мы стали понимать его не формально, а по существу.

Структура периодической системы

Система элементов Менделеева Д.И. слагается из периодов и групп. Периодов в системе – семь, из них три – малых и четыре больших. Каждый период (кроме первого и последнего) включает в себя элементы, электронные структуры которых являются промежуточными между структурами двух последовательных инертных газов:

Не_гелий(2) – Ne_неон(2,8) – Ar_аргон(2,8,8) – Kr_{криптон}(2,8,18,8) – Xe_ксенон(2,8,18,18,8) – Rn_радон(2,8,18,32,18,8).

Из малых периодов первый содержит только водород и гелий, остальные два – по 8 элементов. Из больших периодов – четвертый и пятый – по 18, шестой – 32 и седьмой незаконченный.

Группы объединяют элементы по признаку химического сродства (сходства). Восьмая – инертные газы, а триады содержат только элементы больших периодов. Элементы малых периодов Менделеев называл «типическими». За «типическими» элементами в группах больших периодов следует две подгруппы элементов – основная и побочная.

Существенным недостатком обычного варианта периодической таблицы являлось то обстоятельство, что в нем не была выявлена связь между «типическими» элементами каждой группы и членами её левой и правой подгрупп. Так, например, в V группе Sb является аналогом As, Nb (ниобий) аналогом V (ванадия), а Р (фосфор) – аналогом N (азота). Оставалось неясным, в каком отношении к фосфору стоят V и As. При решении этого вопроса долгое время руководствовались отдельными свойствами элементов. Так, например, к V группе применяли наличие водородных соединений ЭН₃, у P и As, но отсутствующую у ванадия. поэтому подгруппу As рассматривали как «главную», а подгруппу V(ванадия) как «побочную», т.к. она не проявляет свойств характерных для типических элементов. Отсюда было неясным само помещение подгруппы ванадия в пятую группу. То же самое было и в других группах. Многим поэтому хотелось перестроить таблицу, что и было предложено Вернером в 1905 г. (см. Некрасова стр.220). В форме периодической системы представленной Бором за основу строение электронных структур нейтральных атомов. Некрасов (стр.223). Эта система была весьма односторонней. Структура атомов может иметь определяющее значение лишь для свойств простых веществ и тех реакций, которые протекают с их участием.

Но для свойств сложных веществ и реакций между ними необходимо учитывать валентные состояния атомов.

Группы I, II, III включают элементы левой части всех периодов, группы V, VI, VII элементы правой части. Элементы, занимающие среднюю часть называются переходными элементами, занимающие левую часть и центр периодической таблицы являются металлами. Элементы, занимающие правую часть – неметаллы. Особенно металлические свойства выражены у элементов, расположенных в нижнем левом углу периодической системы, а неметаллические в верхнем правом углу периодической таблицы. Ту часть таблицы, которая отделяет металлы от неметаллов, занимают элементы с промежуточными свойствами, т.е. от верхней средней точки таблицы к нижнему правому углу. Эти элементы называются металлоидами (Бор, Si, Германий, As, Sb, Теллур и Полоний).

Так выглядит короткая форма периодической системы. Длиннопериодная форма таблицы впервые предложена Д.И.Менделеевым (1869) и в различных вариантах помещалась им в изданиях «Основ химии». Состоит она также из 7 периодов. Они содержат соответственно 2, 8, 8, 18, 18, 32 и 18 элементов. Начиная с 4^го периода символы элементов, в атомах которых имеет место одиночный «проскок» электронов, подчеркнуты одной чертой. Это Cr, Cu, Nb, Mo, Ru _{(рутений)}, Rh _(родий), Pt, Au, с двойным «проскоком» двумя чертами (Z=46. Это Pd_{[паладий]}).

В системе 32 группы аналогов по вертикали. Каждая группа состоит из элементов, атомы которых имеют подобное строение электронных оболочек. Например, в группе (C – Si – Ge – Sn – Pb) атомы элементов на внешнем энергетическом уровне имеют s²p² электроны. Подобные электронные структуры повторяются через определенные промежутки, а следовательно, повторяются и подобные химические свойства. На основе этого может быть дана новая формулировка закона:

Электронные аналоги являются химическими аналогами и обозначаются А и В.

Буквой Аобозначены группы тех элементов, в атомах которых заполняются электронами s и p – подуровни внешнего слоя. Это s и p – элементы. Номер А группы совпадает с числом внешних электронов в атомах. Исключение составляют водород и гелий, имеющие 1 и 2 s – электрона, но по совокупности свойств они помещены в VII Aи VIII A группы. номер группы совпадает также с валентностью элементов в возбужденном состоянии. (кроме F и O)

Группы d – элементов обозначены римскими цифрами с буквой В: III B, IV B, V B, VI B, VII B, VIII B, I B и II B, кроме групп Co и Ni. Номер группы также совпадает с числом валентных электронов в возбужденном состоянии. Исключение составляют элементы группы I B для которых номер показывает число внешних электронов, а max их валентность = 3. (Cu, Ag, Au). Только у элементов группы II B (Zn – Cd – Hg) валентность осуществляется за счет двух s – электронов внешнего уровня. У остальных групп валентность осуществляется не только внешними s – электронами, но и электронами внешнего d – подуровня. Например, Mn – max валентность = 7 за счет двух внешних s и пяти d – электронов 3d⁵4s². Лантаноиды и актиноиды находятся в длинной форме таблицы в одном периоде и не снесены вниз. Они объединены в одну группу по строению их электронных оболочек. Элементы s, p, d и f выделены различной штриховкой внизу таблицы.

Известна также периодическая система элементов по Некрасову, где выделены все аналоги химических элементов. Всего существует 400 вариантов периодической таблицы.

Дата добавления: 2013-12-13