Надо Знать

добавить знаний



Периодическая система элементов



План:


Введение

Периодическая система элементов ( рус. периодическая система элементов , англ. periodic law, periodic system, periodic table ; нем. Periodensystem (der Elemente), periodisches System (der Elemente) ) - Классификация химических элементов, разработанная на основе периодического закона.

Современная формулировка периодического закона звучит так: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра Z равен атомному (порядковому) номеру элемента в системе. Элементы, расположенные по возрастанию Z (H, He, Li ...) образуют 7 периодов. Период - совокупность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивается благородным газом (особый случай - первый период, состоящий из двух газообразных элементов - Н и Не). Во 2-й и 3-ю периодах - по 8 элементов, в 4-ю и 5-ю - по 18, в 6-в 32. Вертикальные столбцы - группы элементов с подобными химическими свойствами. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно (напр., в щелочных металлов от Li к Fr возрастает химическая активность). Элементы Z = 58-71 и Z = 90-103, особенно схожи по свойствам, образуют два семейства - лантаноидов и актиноидов. Периодичность свойств элементов обусловлена ​​периодическим повторением конфигурации внешних электронных оболочек атомов.


1. История открытия

Первый перечень химических элементов составил в 1789 г. французский химик А.Л.Лавуазье. В этот список вошли 25 известных в то время элементов. Первую таблицу относительных атомных масс пяти химических елентив ( кислород, азот, углерод, сера и фосфор) составил английский ученый Дж. Дальтон в 1803 г.

1.1. Триады Деберайнера

К середине XIX века были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. В 1829 году Деберайнер опубликовал найденный им ?закон триад": атомная масса многих элементов близка к среднему арифметическому двух других элементов, близкому к исходному по химическим свойствам ( стронций, кальций и барий; хлор, бром и йод и др.). [1].

Элемент Атомная масса Плотность Элемент Атомная масса Плотность
Cl 35,5 1,56 г / л Ca 40,1 1,55 г / см 3
Br 79,9 3,12 г / л Sr 87,6 2,6 г / см 3
I 126,9 4,95 г / л Ba 137 3,5 г / см 3

Таким образом ему удалось упорядочить 30 из 53 известных в то время элементы. Вертикальные триады: щелочные металлы - литий, натрий, калий; щелочноземельные металлы - кальций, стронций, барий; солетворни элементы - Хлор, Бром, Йод; и кислотворные - Сера, Селен, теллур. Водород, кислород, азот, и Карбон рассматривались им как изолированные элементы. Элементы платиновой группы были сгруппированы в две триады: Платина, иридий, осмий и палладий, родий, Плюран. Существование Плюрану было позже оспорено. Таким образом Деберайнер закладывает основательную признак для открытия периодического закона - влияние на закономерность атомной массы. Работы Деберайнера по систематизации элементов вначале не привлекли к себе внимания. В 1840 Л. Гмелин, расширив список элементов, показал, что характер их классификации по свойствам гораздо сложнее, чем разделение на триады. Однако закон триад Деберайнера подготовил почву для систематизации элементов позже завершилась созданием Периодического закона.


1.2. Земная модель Шанкуртуа

Как химик Шанкуртуа известен тем, что в 1862 предложил систематизацию химических элементов основанную на закономерный изменении атомных масс - т. н. "Земной спираль" ( фр. vis tellurique ) Или "цилиндр Бегуйе". Предложенная им система базировалась на определенных в 1858 году итальянским химиком Станислао Канниццаро ​​правильных массах химических элементов. Систематизация Шанкуртуа представляла собой развитие подобных дифференциальных систем Жана Дюма и Макса фон Петтенкофера, которые пытались найти у элементов соотношения, подобные тем, которые проявляются в гомологических рядах органических соединений, и отметили, что атомные веса некоторых элементов отличаются друг от друга на величину, кратную восьми .

Шанкуртуа нанес на боковую поверхность цилиндра, размеченную на 16 частей, линию под углом 45 ?, на которой поместил точки, соответствующие атомным массам элементов. Таким образом, элементы, атомные веса которых отличались на 16, или на число кратно 16, располагались на одной вертикальной линии. При этом точки, отвечающие сходным по свойствам элементов, часто оказываются на одной вертикальной линии.

Систематизация Шанкуртуа стала существенным шагом вперед по сравнению с существующими тогда системами, однако его работа сначала осталась практически незамеченной; интерес к ней возник только после открытия периодического закона. Шанкуртуа был одним из первых ученых, отметивших периодичность свойств элементов, его винтовой график действительно фиксирует закономерные отношения между атомными массами элементов.


1.3. Закон Октав

В 1864 г. свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Ньюлендс. По предложенному им правилу "Все элементы при составлении их по атомной массой повторяют химические свойства периодически в каждой восьмой позиции". Поэтому он называет эту периодическую смену Законом Октав. Во времена Ньюлендса инертные газы не были известны.

Закон октав за Джоном Ньюлендс

1.4. Дмитрий Менделеев и Лотар Майер

В этом же десятилетии появилось еще несколько попыток систематизации химических элементов; ближе всего к окончательному варианту в 1864 подошел Лотар Юлиус Майер (1830-1895). В своей книге "Современные теории химии и их значение для химической статики" ( нем. "Die modernen Theorien der Chemie und ihre Bedeutung f?r die chemische Statik" ) Он упорядочивает известные в то время элементы по значениям их относительной атомной массы в таблицу. В следующем издании книги 1870 появляется усовершенствованная таблица периодической системы элементов [2].

Лотар Юлиус Майер

Д. И. Менделеев опубликовал свою первую схему периодической таблицы в 1869 г. в статье "Соотношение свойств с атомным весом элементов" (в журнале Русского химического общества) еще раньше (февраль 1869 г.) научное сообщение об открытии было им разослано ведущим химикам мира.

Д. И. Менделеев

Написав на карточках основные свойства каждого элемента (их в то время было известно 63, из которых один - Дидим Di - оказался впоследствии смесью двух вновь открытых элементов празеодима и неодима), Менделеев начал многократно переставлять эти карточки, составлять из них ряды сходных по свойствам элементов, сопоставлять ряды один с другим. Итогом работы стал отправлен в 1869 году до научных учреждений России и других стран первый вариант системы ("Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве"), в котором элементы были расставлены в девятнадцати горизонтальных рядах (рядах подобных элементов, которые стали прообразами групп современной системы) и в шести вертикальных столбцах (прообразов будущих периодов). В 1870 году Менделеев в "Основах химии? публикует второй вариант системы ("Естественную систему элементов"), которая имеет привычный для нас вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп, шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинались щелочным металлом и заканчивались галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных рядов, вошедших в группу, образовали подгруппы.

Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определенного количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Например, натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото похоже на серебро и медь. Разумеется, свойства не повторяются в точности, к ним добавляются и изменения. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что оснований для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две - атомная масса и химическая сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеевым были сделаны очень смелые шаги: он исправил атомные массы некоторых элементов (например, бериллия, индия, урана, тория, церия, титана, иттрия), несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими (например, таллий, считавшийся щелочным металлом, он поместил в третью группу согласно его фактической максимальной валентностью), оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. В 1871 году на основе этих работ Менделеев сформулировал периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.

Научная достоверность периодического закона получила подтверждение очень скоро: в 1875 - 1886 годах были открыты галлий (екаалюминий), скандий (екабор) и германий (экасилиций), для которых Менделеев, пользуясь периодической системой, предсказал не только возможность их существования, но и, с поразительной точностью, целый ряд физических и химических свойств. В 1882 Лондонское королевское общество присудило золотые медали Дэви с формулировкой "За открытие периодических соотношений атомных весов" совместно Менделееву и Майером.


1.5. Генри Мозли

В 1913 году Генри Мозли (HGJ Moseley) установил зависимость частоты и длины волны серий характеристического рентгеновского излучения от атомного номера химического элемента ( Закон Мозли). Этим законом подтверждено и откорректирован порядок расположения элементов в Периодической системе элементов и предусмотрено доподлинно неизвестны в то время элементы, например элементы с номерами 43 и 61. Таким образом на основе своих опытов Мозли располагал, Аргон (Z = 18) перед Натрием (Z = 19), хотя Аргон имеет большую атомную массу, чем Натрий. Это хорошо соотносилось с химическими свойствами этих элементов. Подобным образом Мозли также располагал в Периодической системе элементов Кобальт перед Никелем и объяснил, почему Теллур должен занимать место перед Йодом при меньшей атомной массе Йода.


1.6. Концепция актиноидов Гленна Теодора Сиборг

Американский физик Гленн Теодор Сиборг в 1942 году входил в команду Манхэттенского проекта под руководством итальянского физика Энрико Ферми. Он отвечал за изоляцию плутония, который он синтезировал и охарактеризовал в феврале 1941 года, из урановой матрицы, где он образовался в результате ядерной реакции. Именно во время этой работы Сиборг изучил химию этих элементов. Он определил и их положение в периодической таблице. До Уран был помещен в группе под Вольфрамом, а Плутоний под Осмий, что не отражало их свойств.

В 1944 году ему удалось синтезировать и охарактеризовать Америций и Кюрий (элементы 95 и 96), что позволило формализовать понятие актиноидов, т.е. новой серии химических элементов со специальными свойствами, сформированной из элементов от 89 до 103 и расположенной ниже лантаноидов в периодической таблице элементов. Сиборг также предположил существование суперактиноидив, серию элементов с номерами от 121 по 153, расположенных под актиноидов.

Итак таблица периодической системы элементов, используется сейчас, переработана Гленном Теодором Сиборг.


2. Современная формулировка Периодического закона

В начале XX века с открытием строения атома было установлено, что периодичность изменения свойств элементов определяется не атомной массой, а зарядом ядра, що дорівнює атомному номеру і числу електронів, розподіл яких за електронними оболонками визначає його хімічні властивості.

Подальший розвиток періодичної системи пов'язаний із заповненням порожніх клітин таблиці Періодичної системи елементів, у якій поміщалися все нові й нові елементи: благородні гази, природні і штучно отримані радіоактивні елементи. В 2010 з синтезом 117 елементу, сьомий період періодичної системи був завершений, проте проблема нижньої межі таблиці Періодичної системи елементів у світлі передбачень Сіборґа залишається однією з найважливіших у сучасній теоретичній хімії.


3. Форми Періодичної системи елементів

Найпоширенішими з усіх є 3 форми таблиці Періодичної системи елементів: "коротка" (короткоперіодна), "довга" (довгоперіодна) і "наддовга". У "наддовгому" варіанті кожен період займає рівно один рядок. У "довгому" варіанті лантаноїди та актиноїди винесені із загальної таблиці, роблячи її компактнішою. У "короткій" формі запису, на додаток до цього, четвертий і наступні періоди займають по 2 рядки; символи елементів головних і побічних підгруп вирівнюються щодо різних країв клітин.

Нижче наведено довгий варіант, затверджений Міжнародним союзом теоретичної і прикладної хімії (IUPAC) як основний.

Періодична система

Група 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
I II III IV V VI VII VIII
Период
1 1
H
2
He
2 3
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
3 11
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
4 19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
5 37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
6 55
Cs
56
Ba
* 72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
7 87
Fr
88
Ra
** 104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Uut
114
Fl
115
Uup
116
Lv
117
Uus
118
Uuo
Лантаноиды * 57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
Актиноиды ** 89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
Щелочные металлы Щелочноземельные металлы Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы
Металлы Полуметаллы (полупроводники, металлоиды) Галогены Инертные газы Неметаллы

4. Периодичность элементов

Периодичность энергии ионизации [3] : каждый период начинается с минимума энергии для щелочного металла и завершается максимумом энергии ионизации инертного газа.

Некоторые свойства отдельных элементов или их групп можно предположить по их месту в периодической системе:

Элемент № 82 ( Свинец) являются последним элементом у которого существуют стабильные нерадиоактивные изотопы. Все высшие изотопы с порядковыми номерами 83 и больше есть радиоактивные и нестабильны. При этом Висмут (№ 83) находится на грани и имеет изотопы с очень длинным периодом полураспада. Однако между 1 и 82 элементами известны два исключения: № 43 ( Технеций) и 61 ( Прометий). Так что остается лишь 80 стабильных элементов существующих в природе. Из радиоактивных элементов встречаются Висмут, Торий и Уран, что есть в относительно больших количествах поскольку имеют период полураспада большой длительности. Другие радиоактивные (за исключением одного изотопа Плутония) элементы являются лишь продуктами радиоактивного распада урана или тория. Элементы с порядковым номером более 94 можно получить (синтезировать при ядерной реакции) только искусственно.


5. Значение периодической системы

Периодическая система стала важной вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химический элемент, были уточнены представления о простых веществ и соединений.

Разработанная в XIX в. в рамках науки химии, периодическая таблица оказалась готова систематизацией типов атомов для новых разделов физики, получившие развитие в начале XX ст. - физики атома и физики ядра. В ходе исследований атома методами физики было установлено, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева (атомный номер) является мерой электрического заряда атомного ядра этого элемента, номер горизонтального ряда (периода) в таблице определяет количество электронных оболочек атома, а номер вертикального ряда - квантовую структуру внешней оболочки, благодаря чему элементы этого ряда и обязаны сходством своих химических свойств.

Появление периодической системы открыло новую научную эру в истории химии и ряде смежных наук - вместо разрозненных сведений об элементах и ​​соединения появилась стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.


Примечания

  1. D?bereiners Feststellungen zu Calcium, Barium und Strontium (Нем.) - Gallica.bnf.fr / ark :/ 12148/bpt6k15065z/f344.pagination.langEN
  2. Периодическая система элементов Лотара Майера (Нем.) - Www.chemie-master.de/pse/pse.php?modul=pse_meyer
  3. WC Martin, Wiese, WL, Atomic, Molecular, & Optical Physics Handbook, Woodbury, American Institute of Physics, 1996, 2e ed. (ISBN 978-1-56396-242-4) (Англ.)

Литература

  • Агафошина Н. П. периодически закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева. - М.: Просвещение, 1973. - 208 с.
  • Евдокимов Ю., кандидат химич. наук. К истории периодического закона. Наука и жизнь, № 5 (2009), С. 12-15.
  • Макарена А. А., Рысев Ю. В. Д. И. Менделеев. - М.: Просвещение, 1983. - 128 с.
  • Макарена А. А., Трифонов Д. Н. периодически закон Д. И. Менделеева. - М.: Просвещение, 1969. - 160 с.
  • Eric R. Scerri. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. - Нью-Йорк: Oxford Univercity Press, 2007. - 368 с. - ISBN 978-0-19-530573-9

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам