Размещено на http://www.allbest.ru/

35

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

ТЕМА: Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Выполнила:студентка гр. РВ-32

Иванова Галина.

Проверил: Сидельников С.Б

БАРНАУЛ 2004

План

I. Вступление

II. История открытия Периодического закона

Накопление фактологического материала

Классификация Берцелиуса

Триады Деберейнера

Спираль Шанкуртуа

Октавы Ньюлендса

Классификация Мейера

Съезд химиков в Карлсруэ

III. Периодический закон и Периодическая система химических элементов

Открытие Д.И. Менделеевым Периодического закона

Структура Периодической системы

IV. Периодический закон и строение атома

Основные сведения о строении атома

Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы

Строение электронных оболочек атомов

V. Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева

I. Вступление

Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - основа современной химии. Они относятся к таким научным закономерностям, которые отражают явления, реально существующие в природе, и поэтому никогда не потеряют своего значения.

Их открытие было подготовлено всем ходом истории развития химии, однако потребовалась гениальность Д. И. Менделеева, его дар научного предвидения, чтобы эти закономерности были сформулированы и графически представлены в виде таблицы.

II. История открытия Периодического закона

Накопление фактологического материала

Основные периоды открытия химических элементов с древнейших времен до 1869 г. - года установления Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) Периодического закона: "1. Древнейший период (от V тысячелетия до н.э. и до 1200 г. н.э.). К этому длительному периоду относится знакомство человека с 7 металлами древности - золотом, серебром, медью, свинцом, оловом, железом и ртутью. Кроме этих элементарных веществ в древности были известны сера и углерод, встречающиеся в природе в свободном состоянии. 2. Алхимический период. В этот период (от 1200 до 1600 г.) было установлено существование нескольких элементов, выделенных либо в процессе алхимических поисков путей трансмутации металлов, либо в процессах производства металлов и переработки различных руд ремесленниками-металлургами. Сюда относятся мышьяк, сурьма, висмут, цинк, фосфор. 3. Период возникновения и развития технической химии (конец XVII в.-1751 г.). В это время в результате практического изучения особенностей различных металлических руд и преодоления трудностей, возникавщих при выделении металлов, а также открытий в процессе минералогических экспедиций было установлено существование платины, кобальта, никеля. 4. Первый этап химико-аналитического периода в развитии химии (1760-1805 гг.). В этот период с помощью качественного и весового количественного анализов был открыт ряд элементов, причем часть из них лишь в виде "земель": магний, кальций (установление различия извести и магнезии), марганец, барий (барит), молибден, вольфрам, теллур, уран (окисел), цирконий (земля), стронций (земля), титан (окисел), хром, бериллий (окисел), иттрий (земля), тантал (земля), церий (земля), фтор (плавиковая кислота), палладий, родий, осмий и иридий. 5. Этап пневматической химии. В это время (1760-1780 гг.) были открыты газообразные элементы - водород, азот, кислород и хлор (последний считался сложным веществом - окисленной соляной кислотой до 1809 г.). 6. Этап получения элементов в свободном состоянии путем электролиза (Г.Дэви, 1807-1808 гг.) и химическим путем: калий, натрий, кальций, стронций, барий и магний. Все они, впрочем, и ранее были известны в виде "огнепостоянных" (едких) щелочей и щелочных земель, или мягких щелочей. 7. Второй этап химико-аналитического периода в развитии химии (1805-1850 гг.). В это время в результате усовершенствования методов количественного анализа и разработки систематического хода качественного анализа были открыты бор, литий, кадмий, селен, кремний, бром, алюминий, иод, торий, ванадий, лантан (земля), эрбий (земля), тербий (земля), рутений, ниобий. 8. Период открытия элементов с помощью спектрального анализа, непосредственно вслед за разработкой и введением этого метода в практику (1860-1863 гг.): цезий, рубидий, таллий и индий." Как известно, первая в истории химии "Таблица простых тел" была составлена А.Лавуазье в 1787 г. Все простые вещества были разделены на четыре группы: "I. Простые вещества, представленные во всех трех царствах природы, которые можно рассматривать как элементы тел: 1) свет, 2) теплород, 3) кислород, 4) азот, 5) водород. II. Простые неметаллические вещества, окисляющиеся и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) фосфор, 3) уголь, 4) радикал муриевой кислоты, 5) радикал плавиковой кислоты, 6) радикал борной кислоты. III. Простые металлические вещества, окисляемые и дающие кислоты: 1) сурьма, 2) серебро, 3) мышьяк, 4) висмут, 5) кобальт, 6) медь, 7) олово, 8) железо, 9) марганец, 10) ртуть, 11) молибден, 12) никель, 13) золото, 14) платина, 15) свинец, 16) вольфрам, 17) цинк. IV. Простые вещества, солеобразующие и землистые: 1) известь (известковая земля), 2) магнезия (основание сульфата магния), 3) барит (тяжелая земля), 4) глинозем (глина, квасцовая земля), 5) кремнезем (кремнистая земля)". Эта таблица легла в основу химической номенклатуры, разработанной Лавуазье. Д.Дальтон ввел в науку важнейшую количественную характеристику атомов химических элементов - относительный вес атомов или атомный вес. При отыскании закономерностей в свойствах атомов химических элементов ученые прежде всего обратили внимание на характер изменения атомных весов. В 1815-1816 гг. английский химик У.Праут (1785-1850) опубликовал в "Анналах философии" две анонимные статьи, в которых была высказана и обоснована идея, что атомные веса всех химических элементов являются целочисленными (т.е. кратными атомному весу водорода, который принимался тогда равным единице): "Если взгляды, которые мы решились высказать, правильны, то мы почти можем считать, что первоматерия древних воплощена в водороде...". Гипотеза Праута была очень заманчивой и вызвала постановку многих экспериментальных исследований с целью возможно более точного определения атомных весов химических элементов.

Классификация Берцелиуса

Выдающийся шведский химик Берцелиус разделил все элементы на металлы неметаллы на основе различий в свойствах, образованных ими простых веществ и соединений. Он определил, что металлам соответствуют основные оксиды и основания, а неметаллам - кислотные оксиды и кислоты.

Но групп было всего две, они были велики включали значительно отличающиеся друг от друга элементы. Наличие амфотерных оксидов и гидроксидов у некоторых металлов вносило путаницу. Классификация была неудачной.

Триады Деберейнера (1816г)

Немецкий химик И. В. Деберейнер разделил элементы по три на основе сходства в свойствах образуемых м веществ и так, чтобы величина которую мы сейчас понимаем как относительную атомную массу среднего элемента, была равна среднему арифметическому двух крайних. Примеры триад:



Li	Ca	Cl	S	Mn
Na	Sr	Br	Se	Sr
K	Ba	I	Te	Fe

Работа И. Деберейнера послужила подтверждением мысли о наличии определённой связи между атомными массами и свойствами элементов. Но ему удалось составить лишь четыре триады, классифицировать все известные в то время элементы он не сумел.

Спираль Шанкуртуа (1862г)

Профессор парижской высшей школы Шанкуртуа предложил располагать элементы по спирали или образующей цилиндра в порядке возрастания их атомных масс и указал, что в этом случае можно заметить сходство свойств образуемых элементами веществ, если они попадают на одну и ту же вертикальную линию цилиндра, располагаясь один под другим, например:

F

Li

Cl

Na

Br

K

I

Rb

Так впервые родилась мысль о периодичности свойств элементов, но на неё не обратили внимания, и вскоре она оказалась забытой.

Октавы Ньюлендса (1865г)

Американский химик Ньюлендс пытался расположить известные ему элементы в порядке возрастания их атомных масс и обнаружил поразительное сходство между каждым восьмым по счёту элементом, начиная с любого, подобно строению музыкальной октавы, состоящей из восьми звуков.

Он назвал своё открытие законом октав.

H	Li	Be	B	C	N	O
F	Na	Mg	Al	Si	P	S
Cl	K	Ca	Cr	Ti	Mn	Fe
Co	Cu	Zn	Y	In	As	Se

Однако ему не удалось удовлетворительно объяснить найденную закономерность, более того, в его таблице не нашлось места неоткрытым ещё элементам, а в некоторые вертикальные столбцы попали элементы резко отличающиеся по своим свойствам. Лондонское химическое общество встретило его закон октав равнодушно и предложило Ньюлендсу попробовать расположить элементы по алфавиту и выявить какую - нибудь закономерность.

Классификация Мейера (1864г)

Немецкий исследователь Л. Мейер расположил химические элементы также в порядке увеличения их атомных масс:

-	-	-	-	Li	Be
C	N	O	F	Na	Mg
Si	P	S	Cl	K	Ca
-	As	Se	Br	Rb	Sr
Sn	Sb	Te	I	Cs	-
Pb	Bi	-	-	-	Ba

Но в эту таблицу Мейер поместил всего 27 элементов, то есть меньше половины известных в то время. Расположение остальных элементов: B, Al, Cu, Ag и др. - осталось неясным, а структура таблицы была неопределённой.

До Д. И. Менделеева было предпринято около 50 попыток классифицировать химические элементы. Большинство учёных пытались выявить связь между химическими свойствами элементов и их соединений и атомной массой.

Но создать классификацию, включающую все известные в о время химические элементы, не удалось. Ни одна из попыток не привела к созданию системы, отражающей взаимосвязь элементов и выявляющей природу их сходства и различия.

Съезд химиков в Карлсруэ

Предпосылкой открытия Периодического закона послужили решения международного съезда химиков в городе Карлсруэ в 1860 году, когда окончательно утвердилось атомно - молекулярное учение были предприняты первые единые определения понятий молекулы и атома, а также атомного веса, который мы теперь называем относительной атомной массой.

Д. И. Менделеев в своём открытии опирался на чётко сформулированные исходные положения:

Общее неизменное свойство атомов всех химических элементов - их атомная масса;

Свойства элементов зависят от их атомных масс;

Форма этой зависимости - периодическая.

Рассмотренные выше предпосылки можно назвать объективными, то есть не зависящими от личности ученого, так как они были обусловлены историческим развитием химии как науки.

III. Периодический закон и Периодическая система химических элементов

Открытие Менделеевым Периодического закона

Первый вариант Периодической таблицы элементов был опубликован Д. И. Менделеевым в 1869 году - задолго до того, как было изучено строение атома. В это время Менделеев преподавал химию в Петербургском университете. Готовясь к лекциям, собирая материал для своего учебника "Основы химии", Д. И. Менделеев раздумывал над тем, как систематизировать материал таким образом, чтобы сведения о химических свойствах элементов не выглядели набором разрозненных фактов.

Ориентиром в этой работе Д. И. Менделееву послужили атомные массы (атомные веса) элементов. После Всемирного конгресса химиков в 1860 году, в работе которого участвовал и Д. И. Менделеев, проблема правильного определения атомных весов была постоянно в центре внимания многих ведущих химиков мира, в том числе и Д. И. Менделеева.

Располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, Д. И. Менделеев обнаружил фундаментальный закон природы, который теперь известен как Периодический закон:

Свойства элементов периодически изменяются в соответствии с их атомным весом.

Приведенная формулировка нисколько не противоречит современной, в которой понятие "атомный вес" заменено понятием "заряд ядра". Ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов и нейтронов в ядрах большинства элементов примерно одинаково, поэтому атомный вес увеличивается примерно так же, как увеличивается число протонов в ядре (заряд ядра Z).

Принципиальная новизна Периодического закона заключалась в следующем:

1. Устанавливалась связь между НЕСХОДНЫМИ по своим свойствам элементами. Эта связь заключается в том, что свойства элементов плавно и примерно одинаково изменяются с возрастанием их атомного веса, а затем эти изменения ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОВТОРЯЮТСЯ.

2. В тех случаях, когда создавалось впечатление, что в последовательности изменения свойств элементов не хватает какого-нибудь звена, в Периодической таблице предусматривались ПРОБЕЛЫ, которые надо было заполнить еще не открытыми элементами.

Во всех предыдущих попытках определить взаимосвязь между элементами другие исследователи стремились создать законченную картину, в которой не было места еще не открытым элементам. Наоборот, Д. И. Менделеев считал важнейшей частью своей Периодической таблицы те ее клеточки, которые оставались пока пустыми. Это давало возможность предсказать существование еще неизвестных элементов.

Достойно восхищения, что свое открытие Д. И. Менделеев сделал в то время, когда атомные веса многих элементов были определены весьма приблизительно, а самих элементов было известно всего 63 - то есть чуть больше половины известных нам сегодня.

В свою Периодическую таблицу, опубликованную в марте 1869 года, Д. И. Менделеев поместил элементов больше, чем было открыто к тому времени!

Глубокое знание химических свойств различных элементов позволило Менделееву не только указать на еще не открытые элементы, но и точно предсказать их свойства! Д. И. Менделеев точно предсказал свойства элемента, названного им "эка-силицием". Спустя 16 лет этот элемент действительно был открыт немецким химиком Винклером и назван германием.

Сопоставление свойств, предсказанных Д. И. Менделеевым для еще не открытого элемента "эка-силиция" со свойствами элемента германия (Ge). В современной Периодической таблице германий занимает место "эка-силиция".

Свойство	Предсказано Д. И. Менделеевым для "эка-силиция" в 1870 году	Определено для германия Ge, открытого в 1886 году
Цвет, внешний вид	коричневый	светло-коричневый
Атомный вес	72	72,59
Плотность (г/см3)	5,5	5,35
Формула оксида	ХО2	GeO2
Формула хлорида	XCl4	GeCl4
Плотность хлорида (г/см3)	1,9	1,84

Точно так же блестяще подтвердились предсказанные Д. И. Менделеевым свойства "эка-алюминия" (элемент галлий Ga, открыт в 1875 году) и "эка-бора" (открытый в 1879 году элемент скандий Sc).

После этого ученым всего мира стало ясно, что Периодическая таблица Д. И. Менделеева не просто систематизирует элементы, а является графическим выражением фундаментального закона природы - Периодического закона.

Структура Периодической системы

На основе Периодического закона Д.И. Менделеев создал Периодическую систему химических элементов, которая состояла из 7 периодов и 8 групп (короткопериодный вариант таблицы). В настоящее время чаще используется длиннопериодный вариант Периодической системы (7 периодов, 8 групп, отдельно показаны элементы - лантаноиды и актиноиды).

Периоды - это горизонтальные ряды таблицы, они подразделяются на малые и большие. В малых периодах находится 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды), в больших периодах - 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й, 7-й период). Каждый период начинается с типичного металла, а заканчивается неметаллом (галогеном) и благородным газом.

Группы - это вертикальные последовательности элементов, они нумеруется римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А и Б. Короткопериодный вариант Периодической системы включал подгруппы элементов (главную и побочную).

Подгруппа - это совокупность элементов, являющихся безусловными химическими аналогами; часто элементы подгруппы обладают высшей степенью окисления, отвечающей номеру группы.

В А-группах химические свойства элементов могут меняться в широком диапазоне от неметаллических к металлическим (например, в главной подгруппе V группы азот - неметалл, а висмут - металл).

В Периодической системе типичные металлы расположены в IА группе (Li-Fr), IIА (Mg-Ra) и IIIА (In, Tl). Неметаллы расположены в группах VIIА (F-Al), VIА (O-Te), VА (N-As), IVА (C, Si) и IIIА (B). Некоторые элементы А-групп (бериллий Ве, алюминий Al, германий Ge, сурьма Sb, полоний Po и другие), а также многие элементы Б-групп проявляют и металлические, и неметаллические свойства (явление амфотерности).

Для некоторых групп применяют групповые названия: IА (Li-Fr) - щелочные металлы, IIА (Ca-Ra) - щелочноземельные металлы, VIА (O-Po) - халькогены, VIIА (F-At) - галогены, VIIIА (He-Rn) - благородные газы. Форма Периодической системы, которую предложил Д.И. Менделеева, называлась короткопериодной или классической. В настоящее время больше используется другая форма Периодической системы - длиннопериодная.

Периодический закон Д.И. Менделеева и Периодическая система химических элементов стали основой современной химии. Относительные атомные массы приведены по Международной таблице 1983 года. Для элементов 104-108 в квадратных скобках приведены массовые числа наиболее долгоживущих изотопов. Названия и символы элементов, приведенные в круглых скобках, не являются общепринятыми.

IV. Периодический закон и строение атома

Основные сведения строения атомов

В конце XIX - начале XX века физики доказали, что атом является сложной частицей и состоит из более простых (элементарных) частиц. Были обнаружены:

катодные лучи (английский физик Дж. Дж. Томсон, 1897 г.), частицы которых получили название электроны e^? (несут единичный отрицательный заряд);

естественная радиоактивность элементов (французские ученые - радиохимики А. Беккерель и М. Склодовская-Кюри, физик Пьер Кюри, 1896 г.) и существование б-частиц (ядер гелия ⁴He²⁺);

наличие в центре атома положительно заряженного ядра (английский физик и радиохимик Э. Резерфорд, 1911 г.);

искусственное превращение одного элемента в другой, например азота в кислород (Э. Резерфорд, 1919 г.). Из ядра атома одного элемента (азота - в опыте Резерфорда) при соударении с б-частицей образовывалось ядро атома другого элемента (кислорода) и новая частица, несущая единичный положительный заряд и названная протоном (p⁺, ядро ¹H)

наличие в ядре атома электронейтральных частиц - нейтронов n⁰ (английский физик Дж. Чедвик, 1932 г.).

В результате проведенных исследований было установлено, что в атоме каждого элемента (кроме ₁H) присутствуют протоны, нейтроны и электроны, причем протоны и нейтроны сосредоточены в ядре атома, а электроны - на его периферии (в электронной оболочке).

Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке атома и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической системе.

Электронная оболочка атома представляет собой сложную систему. Она делится на подоболочки с разной энергией (энергетические уровни); уровни, в свою очередь, подразделяются на подуровни, а подуровни включают атомные орбитали, которые могут различаться формой и размерами (обозначаются буквами s, p, d, f и др.).

Итак, главной характеристикой атома является не атомная масса, а величина положительного заряда ядра. Это более общая и точная характеристика атома, а значит, и элемента. От величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства элемента и его положение в периодической системе. Таким образом, порядковый номер химического элемента численно совпадает с зарядом ядра его атома. Периодическая система элементов является графическим изображением периодического закона и отражает строение атомов элементов.

Теория строения атома объясняет периодическое изменение свойств элементов. Возрастание положительного заряда атомных ядер от 1 до 110 приводит к периодическому повторению у атомов элементов строения внешнего энергетического уровня. А поскольку от числа электронов на внешнем уровне в основном зависят свойства элементов, то и они периодически повторяются. В этом физический смысл периодического закона.

Каждый период в периодической системе начинается элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют один s-электрон (незавершенные внешние уровни) и потому проявляют сходные свойства -- легко отдают валентные электроны, что обуславливает их металлический характер. Это щелочные металлы -- Li, Na, К, Rb, Cs.

Заканчивается период элементами, атомы которых на внешнем уровне содержат 2(s²) электрона (в первом периоде) или 8 (s²p⁶) электронов (во всех последующих), то есть имеют завершенный внешний уровень. Это благородные газы Не, Ne, Аr, Кr, Хе, имеющие инертные свойства.

Именно вследствие сходства строения внешнего энергетического уровня похожи их физические и химические свойства. В каждом периоде с возрастанием порядкового номера элементов металлические свойства постепенно ослабевают и возрастают неметаллические, заканчивается период инертным газом.

В свете учения о строении атома становится понятным разделение всех элементов на семь периодов, сделанное Д. И. Менделеевым. Номер периода соответствует числу энергетических уровней атома, то есть положение элементов в Периодической системе обусловлено строением их атомов. В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами, все элементы делят на четыре типа

s-элементы. Заполняется s-подуровень внешнего уровня (s¹ -- s²). Сюда относятся первые два элемента каждого периода.

р-элементы. Заполняется p-подуровень внешнего уровня (p¹ -- p⁶)- Сюда относятся последние шесть элементов каждого периода, начиная со второго.

d-элементы. Заполняется d-подуровень последнего уровня (d¹ -- d¹⁰), а на последнем (внешнем) уровне остается 1 или 2 электрона. К ним относятся элементы вставных декад (10) больших периодов, начиная с 4-го, расположенные между s- и p-элементами (их также называют переходными элементами).

f-элементы. Заполняется f-подуровень глубинного (треть­его снаружи) уровня (s¹ -- s²), а строение внешнего электронного уровня остается неизменным. Это лантаноиды и актиноиды, находящиеся в шестом и седьмом периодах.

Таким образом, число элементов в периодах (2-8-18-32) соответствует максимально возможному числу электронов на соответствующих энергетических уровнях: на первом -- два, на втором -- восемь, на третьем -- восемнадцать, а на четвертом -- тридцать два электрона.

Деление групп на подгруппы (главную и побочную) основано на различии в заполнении электронами энергетических уровней. Главную подгруппу составляют s- и р-элементы, а побочную подгруппу -- d и f-элементы. Например в IV группу Периодической системы элементов входят следующие элементы:

Главная подгруппа (подгруппа углерода)	Побочная подгруппа (подгруппа титана)
C...2s22p2	Ti...3d24s2
Si...3s23p2	Zr...4d25s2
Се…4s24р2	Hf...5d26s2
Sn...5s25p2	Ku...6d27s2
Pb…6s26р2
р-элементы	d-элементы

Итак, в каждой группе объединены элементы, атомы которых имеют сходное строение внешнего энергетического уровня. При этом атомы элементов главных подгрупп содержат на внешних (последних) уровнях число электронов, равное номеру группы. Это так называемые валентные электроны.

У элементов побочных подгрупп валентными являются электроны не только внешних, но и предпоследних (вторых снаружи) уровней, в чем и состоит основное различие в свойствах элементов главных и побочных подгрупп.

Отсюда следует, что номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей. В этом физический смысл номера группы.

С позиций теории строения атома легко объясняется возрастание металлических свойств элементов в каждой группе с ростом заряда ядра атома. Сравнивая, например, распределение электронов по уровням в атомах ₉F (1s² 2s² 2р⁵) и ₅₃J (1s² 2s² 2р⁶ 3s² 3р⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁵) можно отметить, что у них по 7 электронов на внешнем уровне, что указывает на сходство свойств. Однако внешние электроны в атоме йода находятся дальше от ядра и поэтому слабее удерживаются. По этой причине атомы йода могут отдавать электроны или, иными словами, проявлять металлические свойства, что нехарактерно для фтора.

Итак, строение атомов обуславливает две закономерности:

а) изменение свойств элементов по горизонтали -- в периоде слева направо ослабляются металлические и усиливаются неметаллические свойства;

б) изменение свойств элементов по вертикали -- в группе с ростом порядкового номера усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические.

Таким образом, по мере возрастания заряда ядра атомов химических элементов периодически изменяется строение их электронных оболочек, что является причиной периодического изменения их свойств.

Изменение в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы

Формулировка закона, данная Д.И. Менделеевым, не могла быть точной и полной с современной точки зрения так как она соответствовала состоянию науки на тот период времени, когда не было известно строение атома. Поэтому новые научные открытия вступили с ней в противоречие. Так были открыты изотопы.

Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа. Сумму чисел протонов и нейтронов в ядре атома называют массовым числом обозначают буквой А. Следовательно, химический элемент - это вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом ядра, то есть содержащих одинаковое число протонов.

Строение электронных оболочек атомов

Заполнение атомных орбиталей электронами определяется правилом минимума энергии, принципом Паули и правилом Хунда.

Электроны заполняют атомные орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией. В этом состоит правило минимума энергии. Последовательность в нарастании энергии подуровней акова: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ? 3d < 4p < 5s и так далее …

Согласно расчетам, электрон движется не по какой-то определенной траектории, а может находиться в любой части околоядерного пространства - т.е. можно говорить лишь о вероятности (возможности) его нахождения на определенном расстоянии от ядра.

Электроны в атоме занимают самые энергетически выгодные атомные орбитали (орбитали с минимальной энергией), образуя электронные облака определенной формы.

В случае s-орбитали электронное облако сферическое:

В случае p-орбиталей форма электронного облака гантелеобразная:

Внутри атомных орбиталей вероятность нахождения электронов велика; иными словами, имеется высокая электронная плотность. Пространство вне объема орбиталей соответствует малой электронной плотности.

В каждой атомной орбитали может размещаться максимально два электрона (принцип Паули).

При наличии орбиталей с одинаковой энергией (например, трех р-орбиталей одного подуровня) каждая орбиталь заполняется вначале наполовину (и поэтому на р-подуровне не может быть более трех неспаренных электронов), а затем уже полностью, с образованием электронных пар (правило Хунда).

Для изображения электронной конфигурации атома нужно распределить его электроны по подуровням так, чтобы каждой атомной орбитали соответствовала одна квантовая ячейка, и в соответствии с тремя указанными правилами заселения

Электронные конфигурации атомов

Электронные конфигурации атомов записываются в виде полных и сокращенных электронных формул:

₁H 1s¹ ₂He 1s² ₃Li 1s²2s¹

₄Be 1s²2s²

₅B 1s² 2s² 2p¹ ₆C 1s² 2s² 2p² ₇N 1s² 2s² 2p³ ₈O 1s² 2s² 2p⁴ ₉F 1s² 2s² 2p⁵ ₁₀Ne 1s² 2s² 2p⁶ ₁₁Na 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ ₁₂Mg 1s² 2s² 2p⁶ 3s² ₁₃Al 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ ₁₄Si 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² ₁₅P 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ ₁₆S 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ ₁₇Cl 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵

Из рассмотрения электронных конфигураций атомов видно, что элементы VIIIА-группы (He, Ne, Ar и другие) имеют завершенные s- и p- подуровни (s²p⁶). Такие конфигурации обладают повышенной устойчивостью и обеспечивают химическую пассивность благородных газов.

В атомах остальных элементов внешние s- и p- подуровни - незавершенные, например у хлора: ₁₇Cl = [₁₀Ne] 3s² 3p⁵. Незавершенные подуровни и электроны на них называются также валентными, поскольку именно они могут участвовать в образовании химических связей между атомами.

f-Элементы. Открытие новых элементов. Ядерные реакции.

Итак, с увеличением атомного номера неизбежно наступает момент, когда у элементов начинают заполняться f-орбитали. Это происходит после заполнения 6s-орбиталей - сразу после элемента ₅₆Ba с валентной оболочкой ...6s².

Поскольку при заполнении семи f-орбиталей образуется целых 14 элементов, то как в короткой, так и в длинной форме Периодической таблицы f-элементы вынесены отдельными строчками внизу. В нижней части любой таблицы одна строчка из f-элементов “лантаноидов” (по имени элемента лантана La, открывающего ряд f-элементов) и строчка из f-элементов “актиноидов” (по имени элемента актиния Ac). У лантаноидов постепенно заполняются 4f-орбитали, у актиноидов - 5f-орбитали.

Клеточки с f-элементами в Периодической таблице обычно окрашены в зеленый цвет. Для удобства не только в короткой, но даже в длинной форме Периодической таблицы f-элементы вынесены за ее пределы - иначе вся таблица еще сильнее "вытянулась" бы в ширину.

Итак, f-элементами являются 14 лантаноидов и 14 актиноидов.

У лантаноидов заполняются "глубинные" 4f-орбитали третьего снаружи уровня. На внешнем 6s-подуровне все они имеют по 2 электрона (...6s²) и обладают очень похожими химическими свойствами. Лантаноиды - активные металлы, все они реагируют с водой с образованием элементарного водорода и гидроксида металла. Их преимущественная степень окисления +3.

Из-за похожести химических свойств многие лантаноиды долго не удавалось выделить в чистом виде. Кроме того, в природных минералах они встречаются редко и в небольших количествах. Отсюда еще одно общее название лантаноидов - редкоземельные элементы.

Актиноиды меньше похожи друг на друга по своим химическим свойствам. Их исследование очень затруднено из-за неустойчивости (радиоактивности) атомов этих элементов. Кстати, у первого члена ряда актиноидов - элемента актиния (₈₉Ac) наблюдается аналогичный “проскок” 5f¹-электрона на 6d¹! Это, как мы уже знаем, связано с требованием минимизации энергии атома данного элемента (хотя, повторим, здесь не все еще понятно), но никак не меняет общих закономерностей Периодической таблицы.

Заполнение 5f-оболочек у актиноидов заканчивается на элементе 103 (Lr, лоуренсий). Здесь в Периодической таблице расположены элементы с уже очень "тяжелыми" и поэтому неустойчивыми ядрами.

Последний из “тяжелых” элементов, еще существующих в природе - это уран (₉₂U). Уран радиоактивен, то есть постепенно распадается с образованием ядер других элементов. Однако скорость этого распада все же не так велика, чтобы весь уран на Земле успел исчезнуть. Все элементы с более тяжелыми ядрами давно распались и сегодня в минералах их найти невозможно. Такие элементы получают только искусственным путем - синтезом их атомов из ядер более легких элементов с помощью ядерных реакций.

Сначала атомы одного из исходных элементов превращают в ионы - чтобы они приобрели заряд и могли быть разогнаны до высоких скоростей на специальных сложных приборах - ускорителях. Затем разогнанными на ускорителе ядрами бомбардируют мишень из атомов другого элемента. При высоких энергиях ионных пучков на таких ионных ускорителях удается добиться слияния двух ядер в новое ядро с зарядом, равным сумме зарядов двух ядер.

Существуют три признанных во всем мире исследовательских центра по синтезу тяжелых элементов: в Дубне (Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все элементы, начиная с 93-го (нептуний) и до 109-го (майтнерий) были получены именно в этих лабораториях.

Открытие новых элементов сегодня - чрезвычайно сложный и долгий процесс. Атомы искусственных элементов живут очень недолго - порядка секунд для элементов с Z = 101-103, а при дальнейшем “утяжелении” ядер время жизни атомов катастрофически уменьшается. Из миллиардов образующихся ядер нового элемента удается зафиксировать и распознать лишь одно.

В качестве примера рассмотрим сравнительно недавние работы по синтезу 110-го элемента (еще не имеющего названия). Для синтеза ядер этого элемента в лаборатории Дармштадта на мощном ионном ускорителе мишень из свинца-208 (изотопа свинца ₈₂Pb с массовым числом A = (Z + N) = 208) облучалась ядрами никеля-62 (изотопа никеля ₂₈Ni с массовым числом 62). Это приводило к образованию ядер 110-го элемента с числом протонов (82 + 28) = 110 и с числом нейтронов - 159. Схематично ядерную реакцию, использованную в Дармштадте, можно записать так:

₈₂Pb + ₂₈Ni ? ₁₁₀Элемент (изотоп с массовым числом 269).

В Дубне для синтеза 110-го элемента использовали мишень из плутония-244, которая облучалась ядрами серы-34. Этот эксперимент проводился на ускорителе в Дубне совместно с Ливерморской лабораторией (США), которая изготовила для эксперимента плутониевую мишень высокого качества. Было зарегистрировано несколько атомов 110-го элемента с числом нейтронов 163. Ядерная реакция в этом случае выглядит так:

₉₄Pu + ₁₆S ? ₁₁₀Элемент (изотоп с массовым числом 273).

Новый элемент не считается открытым до тех пор, пока одна группа исследователей не получит надежных результатов по исследованию его атомов и пока другая (независимая) группа ученых не подтвердит эти результаты. Поэтому дальние клеточки Периодической таблицы заполняются очень медленно.

Есть и другая проблема - как называть вновь открытые элементы? По традиции исследователи, впервые получившие новый элемент, могут предлагать его название. Поэтому каждая группа физиков давала свои названия вновь открытым химическим элементам. По этому поводу было много споров.

Дело в том, что Периодический закон и Периодическая таблица Д. И. Менделеева являются общемировым достоянием и названия новых элементов, остающиеся в них навечно, могут закрепиться лишь при единодушном согласии ученых всего мира. В тех случаях, когда открытие нового элемента еще не подтверждено, либо название не утвердилось окончательно, используются “временные” названия, связанные с атомным номером элемента. Например, элемент 104 был получен советскими физиками в 1964 году и получил название “курчатовий” (Ku) в честь русского физика И. В. Курчатова. В 1969 году этот же элемент воспроизвели в своих опытах американские исследователи и предложили для него название “резерфордий” (Rf) в честь английского физика Э. Резерфорда. До тех пор, пока вопрос о названии 104-го элемента не был решен окончательно, во многих изданиях Периодической таблицы он назывался “унилквандий” и обозначался символом Unq. Здесь “ун” означает 1, “нил” - 0 и “квад” - 4. Точно так же элемент 105 назывался “унилпентий” (Unp), элемент 106 - “унилгексий” (Unh) и так далее.

В 1987 году Международные союзы чистой и прикладной химии (IUPAC) и физики (IUPAP) создали совместную международную комиссию, которая рассмотрела вопрос о приоритете в открытии новых элементов и сделала предложения относительно их наименований. А в январе 1997 г. специальный комитет IUPAC обнародовал решение по названиям элементов № 104-109. Вероятно, эти названия утвердятся уже окончательно:

- элемент 104 назван резерфордием (Rf) - в честь английского физика Эрнста Резерфорда, внесшего огромный вклад в установление строения атома;

- элемент 105 назван дубнием (Db) - в честь города в России, где был открыт этот и многие другие новые элементы.

- элемент 106 назван сиборгием (Sg) - в честь американского физика и радиохимика Гленна Сиборга, участвовавшего в выделении и синтезе многих новых элементов - плутония, нептуния, кюрия, америция, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделевия; сделавшего множество других важнейших работ по физике и химии тяжелых элементов;

- элемент 107 назван борием (Bh) - в честь знаменитого датского физика Нильса Бора. Кстати, неправы те, кто думает, что в честь Нильса Бора уже назван элемент бор. Этот элемент был открыт и назван химиками Гей-Люссаком и Тенаром еще в 1808 году;

- элемент 108 назван хассием (Hs) - в честь земли Гессен в Германии, где находится крупнейший научно-исследовательский центр по синтезу и изучению новых элементов;

- элемент 109 назван майтнерием (Mt) - в честь австрийской исследовательницы (физика и радиохимика) Лизе Майтнер, которая вместе с О. Ганом открыла элемент протактиний и сделала много других важнейших работ, способствовавших установлению строения атома.

Элементы 110-112 пока не считаются официально открытыми, хотя ждать этого, видимо, осталось недолго. Уже полным ходом идут работы по синтезу более тяжелых элементов, вплоть до 114-го, который, по некоторым данным, может оказаться гораздо стабильнее, чем его более “легкие” предшественники. Если это необычное свойство 114-го элемента подтвердится в опыте, физики и химики откроют новую страницу в изучении сверхтяжелых элементов.

V. Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева

периодический закон менделеев атом

Периодический закон позволил привести в систему и обобщить огромный объем научной информации в химии. Эту функцию закона принято называть интегративной. Особо четко она проявляется в структурировании научного и учебного материала химии. Академик А. Е. Ферсман говорил, что система объединила всю химию в рамки единой пространственной, хронологической, генетической, энергетической связи.

Интегративная роль Периодического закона проявилась и в том, что некоторые данные об элементах, якобы выпадавшие из общих закономерностей, были проверены и уточнены как самим автором, так и его последователями.

Так случилось с характеристиками бериллия. До работы Менделеева его считали трехвалентным аналогом алюминия из-за их так называемого диагонального сходства. Таким образом, во втором периоде оказывалось два трехвалентных элемента и ни одного двухвалентного. Именно на этой стадии сначала на уровне мысленных модельных построений Менделеев заподозрил ошибку в исследованиях свойств бериллия. Затем он нашел работу российского химика Авдеева, утверждавшего, что бериллий двухвалентен и имеет атомный вес 9. Работа Авдеева оставалась не замеченной ученым миром, автор рано скончался, по-видимому, получив отравление чрезвычайно ядовитыми бериллиевыми соединениями. Результаты исследования Авдеева утвердились в науке благодаря Периодическому закону.

Такие изменения и уточнения значений и атомных весов, и валентностей были сделаны Менделеевым еще для девяти элементов (In, V, Th, U, La, Ce и трех других лантаноидов). Еще у десяти элементов были исправлены только атомные веса. И все эти уточнения впоследствии были подтверждены экспериментально.

Точно так же работы Карла Карловича Клауса помогли Менделееву сформировать своеобразную VIII группу элементов, объяснив горизонтальное и вертикальное сходство в триадах элементов:

железо кобальт никель

рутений родий палладий

осьмий иридий платина

Прогностическая (предсказательная) функция Периодического закона получила самое яркое подтверждение в открытии неизвестных элементов с порядковыми номерами 21, 31 и 32. Их существование сначала было предсказано на интуитивном уровне, но с формированием системы Менделеев с высокой степенью точности смог рассчитать их свойства. Хорошо известная история открытия скандия, галлия и германия явилась триумфом менделеевского открытия. Ф. Энгельс писал: «Применив бессознательно гегелевский закон о переходе количества в качество, Менделеев совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Лаверрье, вычислившего орбиту неизвестной планеты Нептун». Однако возникает желание поспорить с классиком. Во-первых, все исследования Менделеева, начиная со студенческих лет, вполне осознанно опирались на гегелевский закон. Во-вторых, Лаверрье рассчитал орбиту Нептуна по давно известным и проверенным законам Ньютона, а Д. И. Менделеев все предсказания делал на основе им же самим открытого всеобщего закона природы.

В конце жизни Менделеев с удовлетворением отмечал: «Писавши в 1871 году статью о приложении периодического закона к определению свойств еще не открытых элементов, я не думал, что доживу до оправдания этого следствия периодического закона, но действительность ответила иначе. Описаны мной были три элемента: экабор, экаалюминий и экасилиций, и не прошло и 20 лет, как я имел уже величайшую радость видеть все три открытыми... Л. де Буабодра-на, Нильсона и Винклера я, со своей стороны, считаю истинными укрепителями периодического закона. Без них он не был бы признан в такой мере, как это случилось ныне». Всего же Менделеевым были предсказаны двенадцать элементов.

С самого начала Менделеев указал, что закон описывает свойства не только самих химических элементов, но и множества их соединений, в том числе дотоле неизвестных. Для подтверждения этого достаточно привести такой пример. С 1929 г., когда академик П. Л. Капица впервые обнаружил неметаллическую проводимость германия, во всех странах мира началось развитие учения о полупроводниках. Сразу стало ясно, что элементы с такими свойствами занимают главную подгруппу IV группы. Со временем пришло понимание, что полупроводниковыми свойствами должны в большей или меньшей мере обладать соединения элементов, расположенных в периодах равно удаленно от этой группы (например, с общей формулой типа АзВ;). Это сразу сделало поиск новых практически важных полупроводников целенаправленным и предсказуемым. На таких соединениях основывается практически вся современная электроника.

Важно отметить, что предсказания в рамках Периодической системы делались и после ее всеобщего признания. В 1913г. Моз-ли обнаружил, что длина волн рентгеновских лучей, которые получены от антикатодов, сделанных из разных элементов, изменяется закономерно в зависимости от порядкового номера, условно присвоенного элементам в Периодической системе. Эксперимент подтвердил, что порядковый номер элемента имеет прямой физический смысл. Лишь позднее порядковые номера были связаны со значением положительного заряда ядра. Зато закон Мозли позволил сразу экспериментально подтвердить число элементов в периодах и вместе с тем предсказать места еще не открытых к тому времени гафния (№ 72) и рения (№ 75).

Те же исследования Мозли позволили снять серьезную «головную боль», которую доставляли Менделееву известные отступления от правильного ряда возрастающих в таблице атомных масс элементов. Их Менделеев сделал под давлением химических аналогий, отчасти на экспертном уровне, а отчасти и просто на уровне интуитивном. Например, кобальт опережал в таблице никель, а иод с меньшим атомным весом следовал за более тяжелым теллуром. В естественных науках давно известно, что один «безобразный» факт, не укладывающийся в рамки самой прекрасной теории, может погубить ее. Так и необъясненные отступления грозили Периодическому закону. Но Мозли экспериментально доказал, что порядковые номера кобальта (№ 27) и никеля (№ 28) точно соответствуют их положению в системе. Оказалось, что эти исключения лишь подтверждают общее правило.

Важное предсказание было сделано в 1883 г. Николаем Александровичем Морозовым. За участие в народовольческом движении студент-химик Морозов был приговорен к смертной казни, замененной позднее на пожизненное заключение в одиночной камере. В царских тюрьмах он провел около тридцати лет. Узник Шлиссельбургской крепости имел возможность получать некоторую научную литературу по химии. На основании анализа интервалов атомных весов между соседними группами элементов в таблице Менделеева Морозов пришел к интуитивному выводу о возможности существования между группами галогенов и щелочных металлов еще одной группы неизвестных элементов с «нулевыми свойствами». Искать их он предложил в составе воздуха. Более того, он высказал гипотезу о строении атомов и на ее основе пытался вскрыть причины периодичности в свойствах элементов.

Однако гипотезы Морозова стали доступны для обсуждения намного позднее, когда он вышел на свободу после событий 1905 г. Но к тому времени инертные газы были уже открыты и изучены.

Долгое время факт существования инертных газов и их положение в таблице Менделеева вызывали серьезные разногласия в химическом мире. Сам Менделеев какое-то время полагал, что под маркой открытого аргона может прятаться неизвестное простое вещество типа Nj. Первое рациональное предположение о месте инертных газов сделал автор их открытия Вильям Рамзай. А в 1906 г. Менделеев писал: «При установлении Периодической системы (18б9) не только не был известен аргон, но и не было повода подозревать возможность существования подобных элементов. Нынче... эти элементы по величине их атомных весов заняли точное место между галогенами и щелочными металлами».

Долгое время шел спор: выделять инертные газы в самостоятельную нулевую группу элементов или считать их главной подгруппой VIII группы. Каждая точка зрения имеет свои «за» и «против».

Исходя из положения элементов в Периодической системе, химики-теоретики во главе с Лайнусом Полингом давно сомневались в полной химической пассивности инертных газов, напрямую указывая на возможную устойчивость их фторидов и оксидов. Но только в 1962 г. американский химик Нил Бартлетт впервые осуществил в самых обычных условиях реакцию гексафторида платины с кислородом, получив гексафтороплати-нат ксенона XePtF^, а за ним и другие соединения газов, которые теперь правильнее называть благородными, а не инертными.

Свою предсказательную функцию периодический закон сохраняет и до наших дней.

Нужно отметить, что предсказания неизвестных членов любого множества могут быть двух видов. Если предсказываются свойства элемента, находящегося внутри известного ряда подобных, то такое предсказание носит название интерполяции. Естественно предположить, что эти свойства будут подчинены тем же закономерностям, что и свойства соседних элементов. Так были предсказаны свойства недостающих элементов внутри периодической таблицы. Гораздо труднее предвидеть характеристики новых членов множеств, если они находятся за пределами описанной части. Экстраполяция -- предсказание значений функции, находящихся за пределами ряда известных закономерностей, -- всегда носит менее определенный характер.

Именно эта проблема встала перед учеными, когда начались поиски элементов, стоящих за известными границами системы. В начале XX в. таблица Менделеева заканчивалась ураном (№ 92). Первые попытки получения трансурановых элементов были предприняты в 1934 г., когда Энрико Ферми и Эмилио Сегре бомбардировали уран нейтронами. Так начиналась дорога к актинои-дам и трансактиноидам.

Ядерные реакции используют и для синтеза других, неизвестных ранее элементов.

Искусственно синтезированный Еиенном Теодором Сиборгом и его сотрудниками элемент № 101 получил название «менделевий». Сам Сиборг об этом сказал так: «Особенно существенно отметить, что элемент 101 назван в честь великого русского химика Д. И. Менделеева американскими учеными, которые всегда считали его пионером в химии».

Число вновь открытых, а точнее, искусственно созданных элементов постоянно растет. Синтез наиболее тяжелых ядер элементов с порядковыми номерами 113 и 115 осуществлен в российском Объединенном институте ядерных исследований в Дубне путем бомбардировки ядер искусственно полученного америция ядрами тяжелого изотопа кальция-48. При этом возникает ядро элемента № 115, тут же распадающееся с образованием ядра элемента № 113. Подобные сверхтяжелые элементы в природе не существуют, но они возникают при взрывах сверхновых звезд, а также могли существовать в период Большого взрыва. Их исследование помогает понять, как возникла наша Вселенная.

Всего в природе встречается 39 естественных радиоактивных изотопов. Различные изотопы распадаются с разной скоростью, которую характеризует период полураспада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 млрд. лет, а для некоторых других элементов он может быть равен миллионным долям секунды.

Радиоактивные элементы, последовательно распадаясь, превращаясь друг в друга, составляют целые ряды. Известны три таких ряда: по начальному элементу все члены рядов объединяются в семейства урана, актиноурана и тория. Еще одно семейство составляют искусственно полученные радиоактивные изотопы. Во всех семействах превращения завершаются возникновением нерадиоактивных атомов свинца.

Поскольку в земной коре могут находиться только изотопы, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли, то можно предположить, что на протяжении миллиардов лет ее истории существовали и такие короткоживущие изотопы, которые к настоящему времени в прямом смысле этого слова вымерли. К таким, вероятно, относился и тяжелый изотоп калия-40. В результате его полного распада табличное значение атомной массы калия сегодня составляет 39,102, поэтому он уступает по массе элементу № 18 аргону (39,948). Так объясняются исключения в последовательном увеличении атомных масс элементов в периодической таблице.

Академик В. И. Гольданский в речи, посвященной памяти Менделеева, отмечал «фундаментальную роль, которую труды Менделеева играют даже в совершенно новых областях химии, зародившихся через десятилетия после смерти гениального творца Периодической системы».