Как составить семейство химического элемента

В зависимости от того, какой подуровень
последним заполняется электронами, все
элементы делятся на четыре типа –
электронные семейства:

1. s
   – элементы;
   заполняется электронами s
   – подуровень внешнего уровня. К ним
   относятся первые два элемента каждого
   периода. Валентными¹являютсяs-электроны
   внешнего уровня.

2. p
   – элементы;
   заполняется электронами р – подуровень
   внешнего уровня. Это последние шесть
   элементов каждого периода (кроме I
   и VII).
   Валентными
   являются s—
   и p—
   электроны внешнего уровня.

3. d
   – элементы; заполняется
   электронами d
   – подуровень второго снаружи уровня,
   а на внешнем уровне – один или два
   электрона (y
   ₄₆Pd
   – нуль). К ним относятся элементы
   вставных декад больших периодов,
   расположенных между s
   – и p
   – элементами (их также называют
   переходными элементами). Валентными
   являются s
   – электроны внешнего уровня и d
   – электроны предвнешнего уровня
   (второго
   снаружи).

4. f
   – элементы;
   заполняется электронами f
   – подуровень третьего снаружи уровня,
   а на внешнем уровне остается два
   электрона. Они расположены в 6 – м (4f
   – элементы) и 7 – м (5f
   – элементы) периодах периодической
   системы. 4f
   – элементы объединяют в семейство
   лантаноидов, а 5f
   – элементы – семейство актиноидов.

В периодической системе s – элементов
14, p – элементов 30, d – элементов 38, f –
элементов 28.

2.9. Понятие об электронных аналогах

Атомы элементов с одинаковым заполнением
внешнего энергетического уровня носят
название электронных аналогов.Например:

;

.

Элементы с одинаковым строением
внешнего и предвнешнего энергетических
уровней называют полными электронными
аналогами.Например:

;

.

2.10. Периодический закон и периодическая система элементов д.И. Менделеева

Важнейшим событием химии в 19 веке было
открытие периодического закона, сделанное
в 1869 г. гениальным русским ученым Д.
И. Менделеевым. Периодический закон
в формулировке Д. И. Менделеева гласит:
“ свойства элементов, а потому и свойства
образуемых ими простых и сложных тел,
стоят в периодической зависимости от
их атомного веса”.

Графическим выражением этого закона
стала созданная им периодическая система
элементов.

В настоящее время известно несколько
сотен вариантов периодической системы
элементов, но все они в своей основе
содержат предложенные Менделеевым
принципы её построения. Наибольшее
распространение получили короткая
(восьмиклеточная) и длинная
(тридцатидвухклеточная) формы периодической
система элементов.

Развитие учения о строении атома вскрыло
глубокий физической смысл периодического
закона. Как было доказано, свойства
элементов зависят, прежде всего, от
заряда атомных ядер, который в свою
очередь определяет распределение
электронов на электронных оболочках
атомов. Основной характеристикой атома
является положительный заряд ядра,
численно равный порядковому номеру
элемента. В нейтральном атоме заряд
ядра и общее число электронов равны.
Распределением электронов на электронных
оболочках атомов определяются свойства
элементов и их соединений, положение
элемента в периодической системе.
Периодичность изменения свойств
химических элементов и их соединений
зависит от периодически повторяющейся
сходной структуры электронных оболочек
атомов.

В 1913 г. ученик Резерфорда английский
ученый Мозли, исследуя спектры лучей
Рентгена для различных элементов,
установил простое соотношение между
длиной волны рентгеновских лучей и
порядковым номером элемента (закон
Мозли):

Корень квадратный из величины, обратной
длине волны рентгеновских лучей,
испускаемых атомами различных элементов,
находится в линейной зависимости от
порядкового номера элемента, т. е.

где

– длина волны; Z
– порядковый номер элемента; 
– постоянная, одинаковая для всех
элементов.

Из
уравнения следует, что, зная 
и измерив ,
можно вычислить порядковый номер
элемента. Это экспериментальный метод
проверки правильности распределения
элементов в периодической системе по
возрастанию заряда ядра. Закон Мозли
показал, что Д.И. Менделеев правильно
расположил элементы в периодической
системе, позволил установить общее
число элементов в каждом периоде, а
главное, направил усилия ученых на
открытие предсказанных им элементов.
Вскоре несколько элементов было открыто
с помощью анализа рентгеновских спектров
(гафний, Z=72;
рений, Z=75
и др.).

Вместе с тем из закона
Мозли следует, что порядковый номер –
это не простая нумерация элементов, а
выражение конкретного внутреннего
свойства атома – величины элементарных
положительных зарядов ядра. Именно
положительный заряд ядра (а не атомная
масса) является главной характеристикой
атома.

В
свете современных представлений о
строении атома изменилась и формулировка
периодического закона: свойства
химических элементов, а также формы и
свойства их соединений находятся в
периодической зависимости от величины
заряда атомных ядер.

В се­ре­дине XIX века по­яви­лось много работ уче­ных, ко­то­рые пы­та­лись клас­си­фи­ци­ро­вать хи­ми­че­ские эле­мен­ты. Фран­цуз­ский гео­лог и химик А.Э. Шан­кур­туа в 1862 году пред­ло­жил свою клас­си­фи­ка­цию хи­ми­че­ских эле­мен­тов.

Рис. 1. Спи­раль Шан­кур­туа

Он рас­по­ло­жил все из­вест­ные к тому вре­ме­ни хи­ми­че­ские эле­мен­ты  в по­ряд­ке воз­рас­та­ния их атом­ных масс, а по­лу­чен­ный ряд нанес на по­верх­ность ци­лин­дра, по линии ис­хо­дя из его ос­но­ва­ния под углом 45к плос­ко­сти ос­но­ва­ния, так на­зы­ва­е­мая зем­ная спи­раль. Рис.1.

После раз­вер­ты­ва­ния этого ци­лин­дра ока­за­лось, что на вер­ти­каль­ных ли­ни­ях, па­рал­лель­ных оси ци­лин­дра, на­хо­дят­ся хи­ми­че­ские эле­мен­ты со сход­ны­ми хи­ми­че­ски­ми свой­ства­ми. Так на одну вер­ти­каль по­па­да­ли Li, Na, K; а также Be, Mg, Ca. Кис­ло­род, сера, тел­лур. Недо­стат­ком спи­ра­ли Шан­кур­туа было то, что в  вер­ти­каль­ную груп­пу хи­ми­че­ских эле­мен­тов по­па­да­ли не име­ю­щие ни­че­го сход­но­го с ними хи­ми­че­ские эле­мен­ты. Так в груп­пу ще­лоч­ных ме­тал­лов, по­па­дал мар­га­нец. А в груп­пу кис­ло­ро­да и серы, по­па­дал титан.

В 1865 году 18 ав­гу­ста ан­глий­ский уче­ный  Дж.А.Нью­лендс рас­по­ло­жил хи­ми­че­ские эле­мен­ты в по­ряд­ке воз­рас­та­ния их атом­ных масс. В ре­зуль­та­те он за­ме­тил, что каж­дый вось­мой эле­мент на­по­ми­на­ет по свой­ствам пер­вый эле­мент. Най­ден­ную за­ко­но­мер­ность, он на­звал за­ко­ном октав по ана­ло­гии с семью ин­тер­ва­ла­ми му­зы­каль­ной гаммы.Рис.2.Закон октав он сфор­му­ли­ро­вал сле­ду­ю­щим об­ра­зом:

Рис. 2. Ок­та­вы Нью­ленд­са

«Но­ме­ра ана­ло­гич­ных эле­мен­тов, как пра­ви­ло, от­ли­ча­ют­ся или на целое число семь или на крат­ное семи; дру­ги­ми сло­ва­ми члены одной и той же груп­пы со­от­но­сят­ся друг с дру­гом в том же от­но­ше­нии, как и край­ние точки одной или боль­ше октав в му­зы­ке».

Он рас­по­ло­жил эле­мен­ты по семь в груп­пы. Таким об­ра­зом, он за­ме­тил, что вер­ти­каль­ные ряды, по­лу­чен­ные после та­ко­го рас­по­ло­же­ния, вклю­ча­ют в себя эле­мен­ты, схо­жие по своим хи­ми­че­ским свой­ствам. Дж.А. Нью­лендс был пер­вым, кто со­от­нес атом­ные массы хи­ми­че­ских эле­мен­тов и их хи­ми­че­ские свой­ства и при­сво­ил каж­до­му эле­мен­ту по­ряд­ко­вый номер. Но все же в его таб­ли­це не было сво­бод­ных мест. Он огра­ни­чил себя семью клет­ка­ми в каж­дом пе­ри­о­де ,и неко­то­рые клет­ки ему при­ш­лось по­ме­стить по несколь­ко эле­мен­тов. По­это­му на­уч­ный мир от­нес­ся скеп­ти­че­ски к его от­кры­тию.

В 1864 году  ан­глий­ский химик У. Од­линг опуб­ли­ко­вал таб­ли­цу, в ко­то­рой эле­мен­ты были раз­ме­ще­ны, со­глас­но их атом­ным весам и сход­ствам хи­ми­че­ских свойств. Но он не дал ни­ка­ких ком­мен­та­ри­ев к своей ра­бо­те, и она не была за­ме­че­на.

Рис. 3. Таб­ли­ца хи­ми­че­ских эле­мен­тов Мей­е­ра

В 1870 году по­яви­лась пер­вая таб­ли­ца немец­ко­го хи­ми­ка Ю.Л. Мей­е­ра под на­зва­ни­ем « При­ро­да эле­мен­та, как функ­ция их атом­но­го веса». В неё были вклю­че­ны 28 эле­мен­тов, раз­ме­щен­ные в 6 столб­цов, со­глас­но их ва­лент­но­сти. Ю.Л. Мейер на­ме­рен­но огра­ни­чил число эле­мен­тов в таб­ли­це, чтобы под­черк­нуть за­ко­но­мер­ные из­ме­не­ния атом­ной массы в рядах сход­ных эле­мен­тов. Рис. 3.Сход­ные эле­мен­ты рас­по­ла­га­ют­ся в вер­ти­каль­ных рядах таб­ли­цы. Неко­то­рые ячей­ки Ю.Л. Мейер оста­вил неза­пол­нен­ны­ми.

В марте 1869 года рус­ский химик Д. И. Мен­де­ле­ев пред­ста­вил рус­ско­му хи­ми­че­ско­му об­ще­ству со­об­ще­ние об от­кры­тии им пе­ри­о­ди­че­ско­го за­ко­на хи­ми­че­ских эле­мен­тов. В том же году вышло пер­вое из­да­ние Мен­де­ле­ев­ско­го учеб­ни­ка «Ос­но­вы химии», в ко­то­ром была при­ве­де­на его пе­ри­о­ди­че­ская таб­ли­ца.

В конце 1870 года Д. И. Мен­де­ле­ев де­ла­ет до­клад рус­ско­му хи­ми­че­ско­му об­ще­ству под на­зва­ни­ем «Есте­ствен­ные си­сте­мы хи­ми­че­ских эле­мен­тов и при­ме­не­ние её к ука­за­нию свойств еще неиз­вест­ных эле­мен­тов». В этом до­кла­де Д. И. Мен­де­ле­ев пред­ска­зы­ва­ет су­ще­ство­ва­ние трех еще неиз­вест­ных эле­мен­тов: эка­си­ли­ций, эка­бор и эка­а­лю­ми­ний. Он утвер­жда­ет, что свой­ства хи­ми­че­ских эле­мен­тов, сто­я­щих в одной груп­пе, будут нечто сред­ним между свой­ства­ми эле­мен­тов, сто­я­щих свер­ху и снизу дан­но­го эле­мен­та. Если рас­смат­ри­вать этот эле­мент в пе­ри­о­де, то он будет об­ла­дать сред­ни­ми свой­ства­ми эле­мен­тов, сто­я­щи­ми слева и спра­ва от него.

Рис.  4. Таб­ли­ца хи­ми­че­ских эле­мен­тов Мен­де­ле­е­ва

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.

Видео-фильм о Д.И. Менделееве

II. Открытие Периодического закона

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 экаалюминияоказалось 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.

III. Периодическая система химических элементов

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. Валентность элементов в формулах высших оксидов возрастает от I до VII, а в формулах летучих водородных соединений уменьшается от IV до I.

Основные принципы построения периодической системы

На се­го­дняш­ний день от­кры­то 118 хи­ми­че­ских эле­мен­тов, каж­дый из ко­то­рых занял свою ячей­ку в Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­ме. Новые от­кры­ва­е­мые эле­мен­ты имеют боль­шую от­но­си­тель­ную атом­ную массу, чем уже из­вест­ные и по­па­да­ют в конец таб­ли­цы. В на­сто­я­щее время ис­поль­зу­ют­ся длин­ная и ко­рот­кая формы пе­ри­о­ди­че­ских таб­лиц.

В ячей­ке таб­ли­цы за­пи­сы­ва­ет­ся сим­вол хи­ми­че­ско­го эле­мен­та, его на­зва­ние и по­ряд­ко­вый номер, зна­че­ние от­но­си­тель­ной атом­ной массы.

Рис. Ин­фор­ма­ция о хи­ми­че­ском эле­мен­те кис­ло­ро­де

При изу­че­нии школь­но­го курса химии, как пра­ви­ло, поль­зу­ют­ся ко­рот­кой фор­мой Пе­ри­о­ди­че­ской таб­ли­цы. Она со­дер­жит 8 вер­ти­каль­ных столб­цов (групп), ко­то­рые ну­ме­ру­ют­ся рим­ски­ми циф­ра­ми. Каж­дая груп­па вклю­ча­ет в себя глав­ную (А) и по­боч­ную (В) под­груп­пы.

У эле­мен­тов глав­ных под­групп выс­шая ва­лент­ность, как пра­ви­ло, равна но­ме­ру груп­пы. Од­ни­ми из ис­клю­че­ний этого пра­ви­ла яв­ля­ют­ся кис­ло­род (его ва­лент­ность все­гда равна II) и фтор (выс­шая ва­лент­ность ко­то­ро­го – I).

С по­мо­щью Пе­ри­о­ди­че­ской таб­ли­цы можно опре­де­лить и низ­шую ва­лент­ность эле­мен­та. Для этого из 8 (мак­си­маль­но­го числа групп) надо вы­честь номер груп­пы, в ко­то­рой на­хо­дит­ся эле­мент. На­при­мер, выс­шая ва­лент­ность фос­фо­ра равна V (т. к. фос­фор на­хо­дит­ся в V груп­пе), а низ­шая равна III. Толь­ко это пра­ви­ло при­ме­ни­мо для эле­мен­тов глав­ных под­групп V–VII групп.

Го­ри­зон­таль­ные ряды хи­ми­че­ских эле­мен­тов в Пе­ри­о­ди­че­ской таб­ли­це на­зы­ва­ют­ся пе­ри­о­да­ми. Пока их 7. Пер­вые три пе­ри­о­да на­зы­ва­ют ма­лы­ми (пер­вый пе­ри­од со­дер­жит всего 2 хим. эле­мен­та, а 2 и 3 – по 8 эле­мен­тов). Пе­ри­о­ды 4, 5, 6, 7 на­зы­ва­ют­ся боль­ши­ми.

По по­ло­же­нию эле­мен­та в Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­ме можно опре­де­лить его при­над­леж­ность к ме­тал­лам или неме­тал­лам. Для этого в ко­рот­кой форме таб­ли­цы нужно про­ве­сти диа­го­наль от бе­рил­лия к аста­ту. Эле­мен­ты глав­ных под­групп, на­хо­дя­щи­е­ся выше этой диа­го­на­ли (плюс во­до­род), от­но­сят­ся к неме­тал­лам. Все осталь­ные эле­мен­ты – ме­тал­лы. Инерт­ные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn не от­но­сят ни к ме­тал­лам, ни к неме­тал­лам.

В длин­ной форме таб­ли­цы можно про­ве­сти диа­го­наль от бора к аста­ту. Все эле­мен­ты, ко­то­рые на­хо­дят­ся ниже этой диа­го­на­ли, об­ра­зу­ют про­стые ве­ще­ства ме­тал­лы.

Рис. Длин­ная форма пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы хи­ми­че­ских эле­мен­тов

По по­ло­же­нию эле­мен­та в пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­ме можно по­лу­чить ин­фор­ма­цию о его выс­шем ок­си­де и гид­рок­си­де. У неме­тал­лов выс­ший оксид и гид­рок­сид имеют кис­лот­ный ха­рак­тер, у ме­тал­лов – ос­нов­ный, у пе­ре­ход­ных ме­тал­лов оксид и гид­рок­сид, как пра­ви­ло, ам­фо­тер­ные (см. рис.).

Рис. Связь свойств эле­мен­тов и об­ра­зо­ван­ных ими со­еди­не­ний

От­кры­тие новых хи­ми­че­ских эле­мен­тов

В 1875 году П.Л. Бу­а­бо­дран от­крыл гал­лий. В 1879 году Л.Ф. Ниль­сон от­крыл скан­дий, а в 1886 году  К.Вин­клер от­кы­ва­ет гер­ма­ний. Это со­от­вет­ствен­но были эка­бор , эка­а­лю­ми­ний, эка­си­ли­ций, пред­ска­зан­ные Д. И. Мен­де­ле­е­вым.

С этого мо­мен­та пе­ри­о­ди­че­ский закон и пе­ри­о­ди­че­ская си­сте­ма Д. И. Мен­де­ле­е­ва ста­но­вит­ся об­ще­при­знан­ной всем ми­ро­вым хи­ми­че­ским со­об­ще­ством. Осо­бая за­слу­га Д. И. Мен­де­ле­е­ва за­клю­ча­ет­ся в том, что он не толь­ко рас­по­ло­жил хи­ми­че­ские эле­мен­ты в опре­де­лен­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти, но и дал опи­са­тель­ную ха­рак­те­ри­сти­ку своей пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы. При по­мо­щи её можно было пред­ска­зы­вать хи­ми­че­ские свой­ства раз­лич­ных хи­ми­че­ских эле­мен­тов.

По этому по­во­ду Д. И. Мен­де­ле­ев писал: « Утвер­жде­ние за­ко­на воз­мож­но толь­ко при по­мо­щи вы­во­да из него след­ствий, без него невоз­мож­ных и неожи­да­е­мых, и оправ­да­ние тех след­ствий в опыт­ной про­вер­ке. По­то­му-то, уви­дев пе­ри­о­ди­че­ский закон, я со своей сто­ро­ны вывел из него такие ло­ги­че­ские след­ствия, ко­то­рые могли по­ка­зать — верен ли он или нет. Без та­ко­го спо­со­ба ис­пы­та­ния не может утвер­дить­ся ни один закон при­ро­ды».

Д. И. Мен­де­ле­ев взял на себя сме­лость оста­вить пу­стые клет­ки в своей таб­ли­це и ис­пра­вить неко­то­рые зна­че­ния атом­ных масс хи­ми­че­ских эле­мен­тов, пред­ска­зать свой­ства еще неот­кры­тых целых групп со­еди­не­ний. Таким об­ра­зом, Д. И. Мен­де­ле­ев яв­ля­ет­ся пер­во­от­кры­ва­те­лем од­но­го из глав­ных за­ко­нов при­ро­ды.

Значение периодического закона 
«Будут появляться, и умирать новые теории, блестящие сообщения будут сменять наши понятия, величайшие открытия будут сводить на нет прошлые и открывать невиданные по новизне и широте горизонты – все это будет приходить, и уходить, Периодический закон Д.И. Менделеева будет всегда жить, развиваться и совершенствоваться» (А.Е. Ферсман)

Вероятно речь идёт о s-, p-, d- и f-элементах. Определить это очень просто. У s- элементов заполняются электронами s- орбитали, y p- элементов — p-орбитали и т.д. Посмотрите в Периодическую таблицу. Скажем, второй период. У элемента Li конфигурация внешнего электронного слоя 2s1, то есть на s-орбитали имеется один электрон. Значит, Li — это s-элемент. Далее стоит Be. У него s-орбиталь содержит на один электрон больше, чем у Li, то есть конфигурация Be — 2s2. Это тоже s-элемент. Следующие 6-элементов (от B до Ne) — это p-элементы. У них электроны заполняют уже не s-орбиталь как у Li и Be, а p-орбиталь. Каждый следующий атом, начиная с Be, имеет на p-орбитали на один электрон больше, чем предыдущий.

Третий период совершенно аналогичен второму. Сначала идут два s-элемента: Na и Mg, затем идут 6 p-элементов: Al — Ar.

Четвертый период начинается снова с двух s-элементов (K, Ca). Но в третьем периоде существует «вставка» из 10-ти d-элементов (от Sc до Zn). У них заполняются d-орбитали. А после цинка идут 6 p-элементов (Ga-Kr).

Пятый период аналогичен четвертому. А вот в шестом периоде возникает еще одна «вставка» из 14-ти f-элементов. Их называют Лантаноиды и обычно выносят за пределы таблицы. У лантаноидов заполняются электронами f-орбитали. Итак, шестой период, как и все предыдущие периоды начинается с двух s-элементов (Cs, Ba), затем идёт один d-элемент La, затем идёт вставка f-элементов (Лантаноиды), затем с Hf до Hg происходит заполнение d-орбиталей (это d-элементы) и заканчивается период шестью p-элементами (Tl — Rh).

Седьмой период был бы аналогичен шестому, если бы был закончен.

Если Вы заметили, количество элементов каждого семейства в одном периоде равно максимальному количеству электронов на соответствующих орбиталях. Например, s-электронов два, s-элементов в одном периоде два, p-электронов шесть, p-элементов тоже шесть в одном периоде, d-электронов 10, а f-электронов 14, такое же количество d- и f- элементов в каждом периоде.

План урока:

Классификация химических элементов

Строение периодической системы

Периодический закон Д. И. Менделеева

Характеристика элемента по его положению в периодической системе

Классификация химических элементов

Начнём с истории создания ПСХЭ. В определённый момент XIX века, когда наука значительно шагнула вперёд и достаточно быстрыми темпами открывались новые химические элементы, возникла необходимость рассортировать их. Несмотря на то, чтои все они отличались по своим свойствам, в процессе изучения можно было выделить общие их свойства.

Год открытия периодической системы считается 1869. Она была колоссальным успехом того времени, а так же не теряет актуальность и на данный момент.

Но давайте всё рассмотрим по порядку, ведь над проблемой систематизации на протяжении многих лет работало много учёных, которые внесли большой вклад в развитие науки. В силу разных причин, они не смогли в полной мере классифицировать элементы.

Так, самая первая попытка была разделить на металлы и неметаллы, автором которой был шведский учёный Йёнс Якоб Берцелиус.

Что характерно для металлов?

Представим перед собой, предметы с железа, золота, алюминия. Что первое мы можем сказать о свойствах этих металлов? Все они имеют металлический блеск.

(Источник)

Также они (за исключением ртути) при нормальных условиях находятся в твёрдом виде. Имеют хорошую электропроводность и теплопроводность, высокую плотность. Эти признаки объединяют группу металлов.

Как мы можем описать неметаллические вещества?

Какие они будут иметь общие характеристики? В простых соединениях неметаллы могут быть как газы (кислород О₂, хлор Cl₂, азот N₂), жидкости (бром Br₂), так и твёрдые вещества (алмаз – самоё твёрдое вещество, образован Углеродом С, также сера S, кремний Si, фосфор Р, йод I₂).Они могут быть не только разного агрегатного состояния, но и иметь разнообразную окраску.

Но, не смотря на такие резкие отличия между ними, возможно выделить общие черты: они диэлектрики и не пластичны. Большинство неметаллов имеют молекулярное строение. Данная классификация актуальна и в наше время.

Над классификацией элементов трудилось много учёных разных стран. Работая независимо друг от друга, они обнаружили интересный факт, что свойства элементов зависят от их атомной массы.

Немецкий химик И.В. Деберейнер отметил, что некоторые элементы сходны свойствами, и их можно объединить в группы, название которым дал – триады. Масса одного из элементов является средним арифметическим элементов с максимальной и минимальной массой в группе.

(Источник)

Недостатком данной систематизации является то, что данным способом удалось получить всего 5 триад. Не трудно подсчитать, что систематизировано было всего 15 элементов, а остальные 56 элементов не вписывались в его классификацию. Однако Деберейнер один из немногих заметил связь между свойствами и атомной массой элемента.

Ещё один необычный способ предложил французский химик А.Э. Шанкартуа. За основу он взял спираль и на её витках разместил элементы в порядке возрастания их атомных масс. Другое название она получила «Теллуровый винт», потому что заканчивалась Теллуром. Заслугой «спирали-винта» было обращение внимания на подобные свойства Водорода и галогенов (Cl, Br, I). Таким образом удалось систематизировать 50 элементов.

Как совершенству нет предела, так и фантазиям учёных. Так английский учёный Джон Ньюлендс связал элементы с музыкой, он предоставил их в виде нот и заострил своё внимание на том, что каждый восьмой повторяет свойства первого.

(Источник)

Как оказалось, и эта классификация имеет недочёты, во-первых, она не располагала местом для новых элементов, а, во-вторых, в одно семейство попадали элементы с разными свойствами, которые не имели ничего общего: Cl и Pt, S, Fe и Au. Однако данная систематизация имела и положительные моменты, учёные заметили, что периодичность возникает на 8 элементе по счёту, также появилось понятие порядковый номер.

Отдельно хочется выделить немецкого учёного Лотара Мейера. Он разместил 28 элементов в виде таблицы. В принцип создания таблицы он заложил атомную массу, её увеличение, а также выделил столбцы элементов с одинаковой валентностью.

Ему понадобилось почти шесть лет, чтобы усовершенствовать свою таблицу и расположить остальные элементы, которые он не учёл в версии таблицы, выданной в 1864 году. Ошибка Мейера заключалась в том, что не было никаких обобщений и выводов, но как видно, он был близок к открытию не только периодической системы, но и закона.

Схема показывает, что учёные не одно десятилетие работали над созданием упорядоченной таблицы для элементов. Необходим был фундаментальный закон, который будет применим в естествознании.

(Источник)

В 1869 году русский учёный Дмитрий Менделеев создаёт периодическую систему. Об истории написания таблицы существует множество легенд, как и самом учёном. Менделеев был достаточно многогранной личностью, он трудился в разных сферах науки. Открыл секрет изготовления бездымного пороха, придумал способ передачи нефти, используя трубопровод. К нефти он особенно относился, считая сжигание нефти кощунством, так как она служит источником для получения множества вещества. «Человек-чемодан» можно также услышать о нём, потому что любимым его делом было изготавливать чемоданы. Но самой значимой его заслугой было создание периодической системы, которую, поговаривают, создал он во сне.

Строение периодической системы

Для начала рассмотрим понятия таблица и система. Вы не один раз видели таблицу, она состоит из строк и столбцов. Но почему творение Менделеева имеет названия как таблица, так система да еще и с добавлением периодическая.

В таблице содержится упорядоченная информация в определённом порядке. Система указывает, что сведения связаны между собой. Периодичность означает, что через какой-то промежуток или отрезок происходит повторение свойств.

Как уже известно, в периодической системе находятся элементы. Принцип их расположения — это увеличение их атомной массы.

В таблице имеются строки – это периоды, и столбцы – группы.

Существует несколько вариантов ПСХЭ, так называемый короткий и длинный вариант.

Короткий вариант имеет 8 групп, номера которых указаны римскими цифрами I, II…VIII, содержит главную (А) и побочную (В) группы. Длинный формат вмещает 18 групп, нумерация осуществляется арабскими цифрами I, II…XVIII,

Если посмотреть на таблицу, то видим закономерность, так как абсолютно каждый период будет начинаться активным металлом и заканчиваться инертным газом. Такая периодичность сохраняется 7 раз.

Как видно из таблицы, I период включает 2 элемента, II и III состоят из 8, IV и V содержат 18, самые большие – это VI и VII вмещают 32 элемента (VII период незаконченный).

В периоде с ростом атомной массы металлические свойства уменьшаются, неметаллические – увеличиваются.

Вертикальные столбцы образуют группы. Это условно компании, где собираются единомышленники. Точнее, располагаются элементы, подобные по своим свойствам.

Обратите внимание, что подобие характерно только в пределах подгруппы. Так, натрий и медь принадлежат одной I группе, но располагаются в разных подгруппах. Натрий – элемент главной подгруппы, медь – побочной. Именно по этой причине они будут иметь разные физические и химические свойства.

В пределах группы с ростом атомной массы металлические свойства увеличиваются, неметаллические – уменьшаются.

Таким образом, периодическую систему можно условно назвать домом химических элементов, где каждый из них занимает своё определённое место (порядковый номер) согласно его свойствам.

Рассмотрим подробнее на примере 2 и 3 периода. Что показывает сравнение: оба периода начинаются с активных металлов Li и Na, для которых характерно существование в виде соединений, в свободном виде могут находиться только под слоем керосина. Они относятся к группе щелочных металлов. Анализируя схему, мы видим, что первые три группы образованны металлами. С IV – VII находятся неметаллы. «Закрывают период» инертные газы.

Особое внимание располагают к себе элементы VI и VII периоды, которые образуют «семейство» лантаноидов (Лантан № 57) и актиноидов (Актиний 89), они формально близки к скандию. Но из-за их количества они вынесены за пределы системы.

Периодический закон Д. И. Менделеева

Проанализировав изменения свойств элементов II и III периода, можно сделать выводы, которые Д. И. Менделеев записал в виде периодического закона.

Благодаря периодическому закону, зная расположение элемента в периодической системе, мы можем прогнозировать свойства веществ. Элементы входят в состав как простых, так и сложных веществ, влияя при этом на их свойства. Обобщить данные тезисы можно в виде таблицы.

Таблица 1. Изменение свойств химических элементов в ПСХЭ

Рассмотрим на примере I группы. Li, Na, K, Cs, Fr собрались в компанию одновалентных металлов, которые образуют основные оксиды состава Ме₂О. При взаимодействии с водой образуют щёлочь. Эти характеристики их объединяют. Теперь рассмотрим отличия. Вам уже известно, что в пределах группы с ростом атомной массы металлические свойства увеличиваются.

Как это сказывается на реакционной способности данных металлов?

Интенсивность и скорость реакции калия и лития с водой будет отличаться. Реакция калия будет сопровождаться бурным выделением водорода, в то время как литий будет спокойно реагировать с водой.

Зная формулу и состав высшего оксида, можем предположить его характер. Например, марганец образует оксиды MnO, MnO₂, Mn₂O₇. Таблица поможет нам предположить их свойства.

MnO – будет основным оксидом (ищем аналогию со II группой), ему будет отвечать основание Mn(OH)₂. Не трудно догадаться, что MnO₂ и Mn₂O₇ будут кислотными (подобно IV и VII группе), они образуют кислоты H₂MnO₃ и HMnO₄.

Свинец образует два оксида PbO и PbO₂. Оксид свинца (II) PbO будет основной, оксид свинца (IV)PbO₂– кислотный.

Характеристика элемента по его положению в периодической системе

Зная «прописку» элементов в таблице, мы можем прогнозировать их свойства. Составим план, согласно которому сможем описать свойства элементов, рассматривать будем на примере серы.

Первое, что нам необходимо знать — это какой символ имеет сера, чтобы по нему найти её в ПСХЭ. Обозначение S занимает ячейку 16. (порядковый номер).

Уточняем «прописку». III период, VI группа, главная подгруппа. Зная эти элементарные сведения, мы предполагаем, что это неметалл (принадлежность к VI группе и нахождение в малом ряду даёт нам основание для предположения).

Формула высшего оксида и его свойства. Поскольку сера элемент VI группы, высшая валентность будет равна VI. Формула оксида SO₃. Пользуясь таблицей-шпаргалкой, определяем характер – кислотный. С курса физики известно, что противоположности притягиваются. Как плюс притягивает минус, так и кислотные оксиды взаимодействуют с основными, которые образованы элементами-металлами с валентностью I или II. Возьмём, например, барий, который образует оксид и гидроксид, соответственно ВаO и Вa(OH)₂.

ВаO + SO₃ → ВаSO₄

Ва(ОН)₂ + SO₃ → ВаSO₄ + H₂O

Формула высшего гидроксида и его свойства. Снова обратимся к нашей шпаргалке, высшие гидроксиды VI группы имеют формулу H₂ЭO₄, а именно H₂SO₄. Образованный гидроксид имеет кислотные свойства, для которого свойственны реакции с основными оксидами и основаниями. К примеру, возьмём двухвалентный стронций, формула оксида и гидроксида соответственно SrO и Sr(OH)₂.

SrO + H₂SO₄→ SrSO₄ + H₂O

Sr(OH)₂ + H₂SO₄ → SrSO₄ + 2H₂O

Как элемент-неметалл образует летучее водородное соединение состава H₂S.

На данном примере убеждаемся, что зная расположение элемента в ПСХЭ, можно прогнозировать его свойства, а также свойства веществ, в состав которых он входит.