Какие свойства химических элементов положил в основу системы
Еще алхимики пытались
найти закон природы, на основе которого можно было бы систематизировать
химические элементы. Но им недоставало надежных и подробных сведений об
элементах. К середине XIX в. знаний о химических элементах стало достаточно, а
число элементов возросло настолько, что в науке возникла естественная
потребность в их классификации. Первые попытки классификации элементов на
металлы и неметаллы оказались несостоятельными. Предшественники Д.И.Менделеева (И.
В. Деберейнер, Дж. А. Ньюлендс, Л. Ю. Мейер) многое сделали для подготовки
открытия периодического закона, но не смогли постичь истину. Дмитрий Иванович
установил связь между массой элементов и их свойствами.
Дмитрий Иванович родился в г.
Тобольске. Он был семнадцатым ребенком в семье. Закончив в родном городе
гимназию, Дмитрий Иванович поступил в Санкт-Петербурге в Главный педагогический
институт, после окончания которого с золотой медалью уехал на два года в
научную командировку за границу. После возвращения его пригласили в Петербургский
университет. Приступая к чтению лекций по химии, Менделеев не нашел ничего, что
можно было бы рекомендовать студентам в качестве учебного пособия. И он решил
написать новую книгу – «Основы химии».
Открытию периодического закона предшествовало 15 лет напряженной работы. 1
марта 1869 г. Дмитрий Иванович предполагал выехать из Петербурга в губернии по
делам.
Периодический
закон был открыт на основе характеристики атома – относительной атомной массы.
Менделеев расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных
масс и заметил, что свойства элементов повторяются через определенный
промежуток – период, Дмитрий Иванович
расположил периоды друг под другом., так,
чтобы сходные элементы располагались друг под другом – на одной вертикали, так
была построена периодическая система элементов.
1
марта 1869г. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева.
Свойства
простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в
периодической зависимости от величины атомных весов элементов.
К сожалению,
сторонников периодического закона сначала было очень мало, даже среди русских
ученых. Противников – много, особенно в Германии и Англии.
Открытие периодического закона – это блестящий образец научного предвидения: в
1870 г. Дмитрий Иванович предсказал существование трех еще неизвестных тогда
элементов, которые назвал экасилицием, экаалюминием и экабором. Он сумел
правильно предсказать и важнейшие свойства новых элементов. И вот через 5 лет,
в 1875 г., французский ученый П.Э. Лекок де Буабодран, ничего не знавший о
работах Дмитрия Ивановича, открыл новый металл, назвав его галлием. По ряду
свойств и способу открытия галлий совпадал с экаалюминием, предсказанным
Менделеевым. Но его вес оказался меньше предсказанного. Несмотря на это,
Дмитрий Иванович послал во Францию письмо, настаивая на своем предсказании.
Ученый мир был ошеломлен тем, что предсказание Менделеевым свойств экаалюминия
оказалось таким точным. С этого момента периодический закон начинает
утверждаться в химии.
В 1879 г. Л. Нильсон в Швеции открыл скандий, в котором воплотился
предсказанный Дмитрием Ивановичем экабор.
В 1886 г. К. Винклер в Германии открыл германий, который оказался
экасилицием.
Но гениальность Дмитрия Ивановича Менделеева и его открытия — не только эти
предсказания!
В четырёх местах периодической системы Д. И. Менделеев расположил элементы
не в порядке возрастания атомных масс:
Ar – K, Co – Ni, Te – I, Th — Pa
Ещё в конце 19 века Д.И. Менделеев писал, что, по-видимому, атом состоит из
других более мелких частиц. После его смерти в 1907 г. было доказано, что атом
состоит из элементарных частиц. Теория
строения атома подтвердила правоту
Менделеева, перестановки данных элементов не в соответствии с ростом
атомных масс полностью оправданы.
Современная
формулировка периодического закона.
Свойства
химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от
величины заряда ядер их атомов, выражающейся в периодической повторяемости
структуры внешней валентной электронной оболочки.
И вот спустя
более 130 лет после открытия периодического закона мы можем вернуться к словам
Дмитрия Ивановича, взятым в качестве девиза нашего урока: «Периодическому
закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие
обещаются». Сколько химических элементов открыто на данный момент? И это далеко
не предел.
Графическим
изображением периодического закона является периодическая система химических
элементов. Это краткий конспект всей химии элементов и их соединений.
Изменения
свойств в периодической системе с ростом величины атомных весов в периоде
(слева направо):
1.
Металлические свойства уменьшаются
2.
Неметаллические свойства возрастают
3.
Свойства высших оксидов и гидроксидов изменяются от основных через амфотерные к
кислотным.
4.
Валентность элементов в формулах высших оксидов возрастает от I до VII, а в формулах летучих водородных
соединений уменьшается от IVдо I.
Основные
принципы построения периодической системы.
Признак | Д.И.Менделеев |
1. Как устанавливается | Элементы Ar – K, Co – Ni, Te – I, Th — Pa |
2. Принцип объединения элементов в | Качественный |
3. Принцип объединения элементов в | Совокупность |
Д.И Менделеев (видеофильм)
Периодический закон Д. И. Менделеева
Тренажёр №1
«Периодический закон и Периодическая система элементов Д. И.
Менделеева»
Тренажёр №2.
«Закономерности изменения свойств атомов элементов в периодах и группах
Периодической системы элементов Д. И. Менделеева»
Рассказ в стихах об открытии периодического закона
Смотрите так же статью
Смотрите фильм Периодический закон Менделеева
Периодический закон химических элементов был открыт 1 марта 1869 года когда Менделеев закончил работу над «Опытом системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве».
6 марта 1869 года знаменитый доклад Д. И. Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов» был прочтён Н. А. Меншуткиным на заседании Русского химического общества и вскоре опубликован в «Журнале Русского физико-химического общества»[40]. В том же году это сообщение на немецком языке появилось в журнале «Zeitschrift für Chemie», а в 1872 году в журнале «Annalen der Chemie und Pharmacie» была осуществлена развёрнутая публикация Д. И. Менделеева, посвящённая его открытию — «Die periodische Gesetzmässigkeit der Elemente» (Периодическая закономерность химических элементов). В этой работе, датированной августом 1871 года, Менделеев приводит формулировку периодического закона, которая затем оставалась в силе на протяжении более сорока лет[36]:
Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса[41].
Оригинальный текст (нем.)[показать]
Не давая представления о строении атома, периодический закон, тем не менее, вплотную подводит к этой проблеме, и решение её было найдено несомненно благодаря ему — именно этой системой руководствовались исследователи, указывая факторы, выявленные им с интересовавшими их другими физическими характеристиками. В 1984 году академик В. И. Спицын пишет: «…Первые представления о строении атомов и природе химической валентности, разработанные в начале нашего столетия, основывались на закономерностях свойств элементов, установленных с помощью периодического закона»[44].
Немецкий учёный, главный редактор фундаментального пособия «Анорганикум» — объединённого курса неорганической, физической и аналитической химии, выдержавшего более десяти изданий, академик Л. Кольдиц так истолковывает особенности открытия Д. И. Менделеева, сопоставляя в высшей степени убедительные результаты его труда с работами других исследователей, искавших подобные закономерности[45]:
Развивая в 1869—1871 годах идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. На этой основе, в частности, опираясь на результаты изучения последовательности изменения стеклообразующих оксидов, исправил значения атомных масс 9 элементов (бериллия, индия, урана и др.). В статье, датированной 29 ноября 1870 года (11 декабря 1870 года) предсказал существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов — «экаалюминия» (открыт в 1875 году и назван галлием), «экабора» (открыт в 1879 году и назван скандием) и «экасилиция» (открыт в 1885 году и назван германием)[46]. Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе «двителлура» — полония (открыт в 1898 году), «экаиода» — астата (открыт в 1942—1943 годах), «экамарганца» — технеция (открыт в 1937 году), «двимарганца» — рения (открыт в 1925 году), «экацезия» — франция (открыт в 1939 году).
В 1900 году Дмитрий Иванович Менделеев и Уильям Рамзай пришли к выводу о необходимости включения в периодическую систему элементов особой, нулевой группы благородных газов.
Каждый элемент имеет свое строго уникальное строение, в соответствии с которым он и занимает свое постоянное, четко определенное место в периодической системе.
При рассмотрении периодической таблицы элементов, зная химические и физические свойства каждого элемента, можно сделать выводы о закономерностях изменения этих свойств.
Повторение свойств элементов
С увеличением атомной массы происходит периодическое повторение свойств элементов.
Так, одиннадцатый элемент ряда – натрий – имеет общие свойства с третьим химическим элементом – литием. В рамках ряда от лития до фтора металлические свойства соединений постепенно уменьшаются и при этом возрастают неметаллические свойства. И действительно, после активного щелочного металлического элемента лития четвертым размещен тоже металлический элемент бериллий, но уже с амфотерными свойствами соединений. Пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый элементы – неметаллические. Активность простых веществ и соединений этих элементов с увеличением порядкового номера возрастает и достигает максимума у фтора.
Причиной периодической повторяемости свойств химических элементов и образованных ими соединений является образование у элементов одинакового строения внешнего энергетического уровня (для элементов главных подгрупп) и предпоследнего энергетического уровня (для элементов побочных подгрупп).
Закономерности изменений свойств
Таким образом, рассмотрев свойства каждого из соединений и их изменения в группах и периодах можно составить определенные закономерности.
В рамках одного периода с увеличением порядковых номеров элементов (при движении вниз по периоду) прослеживаются закономерные изменения, характерные для всей таблицы.
При движении вниз по периоду металлические и основные свойства у простых веществ ослабляются, а неметаллические и кислотные – усиливаются.
Кроме размещения в горизонтальных рядах — периодах, элементы входят в состав вертикальных столбиков — групп. Рассмотренные свойства природных семей щелочных элементов, галогенов и инертных элементов дают возможность сделать вывод, что наиболее активные металлы размещены в группе под номером 1, то есть в начале периодов, а самые активные неметаллы — в группе под номером 7, то есть в конце периодов.
Инертным элементом 18 группы заканчивается каждый период.
Если провести воображаемую линию через элементы алюминий, германий, олово, стибий, свинец, полоний, которая разделит периодическую систему на две не равных части, то верхняя правая часть будет содержать неметаллы, нижняя левая — металлы, а элементы, образующие линию разделения, — это металлы с амфотерными свойствами оксидов и гидроксидов.
Зависимость от строения электронных оболочек атомов
На основе современной теории строения атома ученые объясняют, что характер химических свойств и его изменение в периодах находятся в зависимости от изменения строения электронных оболочек атомов. Чтобы понять, какие различия в строении электронных оболочек вызывают ослабление металлических и усиление неметаллических свойств, сравним электронные формулы атомов пары элементов — алюминия и фосфора.
Как видим, количество энергетических уровней у атомов алюминия и фосфора одинаково — их 3. Однако у каждого из них разное число электронов на внешнем (крайнем) энергетическом уровне, которое с увеличением порядкового номера элемента (13 у алюминия и 15 у фосфора) растет. Делаем вывод, что причиной ослабления металлических и усиления неметаллических свойств элементов одного периода является рост числа электронов на внешнем энергетическом уровне.
Итак, в зависимости от собственно строения атома элемента и, соответственно, в какой части периодической системы размещен этот элемент, его соединения проявляют или основные, или кислотные, или амфотерные химические свойства.
Рассмотренные зависимости еще раз подтверждают универсальный характер периодического закона и доказывают, что он является фундаментальным законом природы.
Существуют две формулировки периодического закона химических элементов: классическая и современная.
Классическая, в изложении его первооткрывателя Д.И. Менделеева: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.
Современная: свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера).
Графическим изображением периодического закона является периодическая система элементов, которая представляет собой естественную классификацию химических элементов, основанную на закономерных изменениях свойств элементов от зарядов их атомов. Наиболее распространёнными изображениями периодической системы элементов Д.И. Менделеева являются короткая и длинная формы.
Группы и периоды Периодической системы. Физический смысл порядкового номера химического элемента
Группами называют вертикальные ряды в периодической системе. В группах элементы объединены по признаку высшей степени окисления в оксидах. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. Главные подгруппы включают в себя элементы малых периодов и одинаковые с ним по свойствам элементы больших периодов. Побочные подгруппы состоят только из элементов больших периодов. Химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.
Периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров. В периодической системе имеются семь периодов: первый, второй и третий периоды называют малыми, в них содержится соответственно 2, 8 и 8 элементов; остальные периоды называют большими: в четвёртом и пятом периодах расположены по 18 элементов, в шестом — 32, а в седьмом (пока незавершенном) — 31 элемент. Каждый период, кроме первого, начинается щелочным металлом, а заканчивается благородным газом.
Физический смысл порядкового номера химического элемента: число протонов в атомном ядре и число электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, равны порядковому номеру элемента.
Закономерности изменения свойств элементов и их соединений в связи с положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева
Напомним, что группами называют вертикальные ряды в периодической системе и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.
Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются сверху вниз:
- усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические;
- возрастает атомный радиус;
- возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот;
- электроотрицательность падает.
Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения, существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R2O, RO, R2O3, RO2, R2O5, RO3, R2O7, RO4, где символом R обозначают элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы, кроме исключительных случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы (например, фтор).
Оксиды состава R2O проявляют сильные основные свойства, причём их основность возрастает с увеличением порядкового номера, оксиды состава RO (за исключением BeO) проявляют основные свойства.
Оксиды состава RO2, R2O5, RO3, R2O7 проявляют кислотные свойства, причём их кислотность возрастает с увеличением порядкового номера.
Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности RH4, RH3, RH2, RH.
Соединения RH4 имеют нейтральный характер; RH3 — слабоосновный; RH2 — слабокислый; RH — сильнокислый характер.
Напомним, что периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров.
В пределах периода с увеличением порядкового номера элемента:
- электроотрицательность возрастает;
- металлические свойства убывают, неметаллические возрастают;
- атомный радиус падает.
Тренировочные задания
1. Среди перечисленных химический элемент с максимальным радиусом атома — это
1) неон
2) алюминий
3) калий
4) кальций
2. Среди перечисленных химический элемент с минимальным радиусом атома — это
1) алюминий
2) бор
3) калий
4) неон
3. Наиболее ярко металлические свойства выражены у элемента
1) Rb
2) Li
3) Mg
4) Ca
4. Наиболее ярко неметаллические свойства выражены у элемента
1) F
2) S
3) O
4) N
5. Наибольшее число валентных электронов у элемента
1) фтор
2) водород
3) натрий
4) сера
6. Наименьшее число валентных электронов у элемента
1) кислород
2) кремний
3) водород
4) кальций
7. Металлические свойства элементов возрастают в ряду
1) Ba, Li, Cs, Mg
2) Al, Mg, Ca, K
3) Li, Cs, Mg, Ba
4) Na, Mg, Li, Al
8. Неметаллические свойства элементов ослабевают в ряду:
1) N, S, Br, Cl
2) O, S, Se, Te
3) Se, I, S, O
4) N, P, O, F
9. Химические элементы перечислены в порядке возрастания атомного радиуса в ряду
1) углерод, бериллий, магний
2) калий, магний, алюминий
3) хлор, натрий, фтор
4) азот, фосфор, фтор
10. Химические элементы перечислены в порядке убывания атомного радиуса в ряду
1) водород, бор, алюминий
2) углерод, кремний, калий
3) натрий, хлор, фтор
4) сера, кремний, магний
11. Кислотные свойства водородных соединений усиливаются в ряду
1) HI – PH3 – HCl – H2S
2) PH3 – H2S – HBr – HI
3) H2S – PH3 – HCl – SiH4
4) HI – HCl – H2S – PH3
12. Кислотные свойства водородных соединений ослабевают в ряду
1) HI – PH3 – HCl – H2S
2) PH3 – H2S – HBr – HI
3) H2S – PH3 – HCl – SiH4
4) HI – HBr – HCl – HF
13. Основные свойства соединений усиливаются в ряду
1) LiOH – KOH – RbOH
2) LiOH – KOH – Ca(OH)2
3) Ca(OH)2 – KOH – Mg(OH)2
4) LiOH – Ca(OH)2 – KOH
14. Основные свойства соединений ослабевают в ряду
1) LiOH – Ba(OH)2 – RbOH
2) LiOH – Ba(OH)2 – Ca(OH)2
3) Ca(OH)2 – KOH – Mg(OH)2
4) LiOH – Ca(OH)2 – KOH
15. Во втором периоде Периодической системы элементов Д.И. Менделеева с увеличением заряда ядра у химических элементов:
1) возрастает электроотрицательность
2) уменьшается заряд ядра
3) возрастает атомный радиус
4) возрастает степень окисления
16. Наиболее сильной кислотой, образованной элементом второго периода, является
1) угольная
2) азотная
3) фтороводородная
4) азотистая
17. Наиболее сильное основание образует химический элемент
1) магний
2) литий
3) алюминий
4) калий
18. Наиболее сильная бескислородная кислота соответствует элементу
1) селен
2) фтор
3) йод
4) сера
19. В ряду элементов Li → B → N → F
1) убывает атомный радиус
2) возрастают металлические свойства
3) уменьшается число протонов в атомном ядре
4) увеличивается число электронных слоёв
20. В ряду элементов Li → Na → K → Rb
1) убывает атомный радиус
2) ослабевают металлические свойства
3) уменьшается число протонов в атомном ядре
4) увеличивается число электронных слоёв