Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМОВ

§ 2.9. Периодический закон и периодическая система элементов в свете учения о строение атомов

Учение о строении атомов раскрыло глубокий физический смысл периодического закона.

Как отмечалось в § 2.4, главной характеристикой атома является положительный заряд его ядра. Это более общая и более точная характеристика атома, а значит, и элемента. Заряд ядра определяет число электронов в электронной оболочке атома, ее строение, а этим самым - все свойства элемента и его положение в периодической системе. В связи с этим претерпело изменений и формулировка закона.

Современная формулировка периодического закона Д.И. Менделеева такое:

свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Такая формулировка закона вовсе не противоречит формулировке, которое дал Д. И. Менделеев. Оно базируется только на новых данных, которые предоставляют закона и системе научной обоснованности и подтверждают их правильность. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева отражает периодический закон, а вместе с тем и строение атомов элементов.

Теория строения атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов. Увеличение положительных зарядов атомных ядер от 1 до 107 вызывает периодическое повторение строения внешнего энергетического уровня. А поскольку свойства элементов зависят в основном от числа электронов на внешнем уровне их атомов, то они также периодически повторяются. В этом физический смысл периодического закона.

В малых периодах с увеличением положительного заряда ядер атомов возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 - в VI периоде и от 1 до 8 - во II и III периодах), чем объясняется смена свойств элементов: в начале периода (кроме И периода) расположен лужный металл, далее металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются свойства неметаллические. В больших периодах с увеличением зарядов ядер заполнения уровней электронами происходит сложнее (см. § 2.8), чем объясняется и сложнее изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с увеличением заряда число электронов на внешнем уровне остается стабильным и равен 2 или 1. Поэтому, пока происходит заполнение электронами следующего за внешним (второго извне) уровня, свойства элементов в этих рядах изменяются чрезвычайно медленно. Только в нечетных рядах, когда с увеличением заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем уровне (от 1 до 8), свойства элементов начинают меняться так же, как в типовых.

В варианте короткой формы периодической системы обычно выделяются ряды. Однако теперь это понятие редкое, поскольку не имеет физического смысла.

В свете учения о строении атомов приобретает обоснованности разделение Д. И. Менделеевым всех элементов на семь периодов. Номер периода соответствует числу энергетических уровней атомов заполняются электронами. Поэтому s-элементы содержатся во всех периодах, р-элементы - в II и последующих, f-элементы - в IV и последующих, f-элементы - в VI и VII периодах.

Легко объясняется и разделение групп на подгруппы, который основывается на различном заполнении электронами энергетических уровней. У элементов главных подгрупп заполняются или s- подуровни (это s-элементы), или р-подуровни (это р-элементы) внешних уровней. У элементов побочных подгрупп заполняется d-подуровень второго снаружи уровня (это d-элементы). У лантаноидов и актиноидов заполняются соответственно 4f- 5f-подуровне (это f-eкрики). Итак, в каждой подгруппе объединены элементы, атомы которых имеют подобное строение внешнего энергетического уровня. Причем атомы элементов главных подгрупп содержат на внешних уровнях число электронов, равное номеру группы. К побочным подгруппам принадлежат элементы, атомы которых содержат на внешнем уровне по два или по одному электрону.

Отличие в строении обусловливает и различие свойств элементов разных подгрупп одной группы. Так, на внешнем уровне атомов элементов подгруппы галогенов содержится по семь электронов, а элементов подгруппы марганца - по два электрона. Первые - типичные неметаллы, а вторые - металлы. Однако у элементов этих подгрупп есть и общие свойства: вступая в химические реакции, все они (за исключением фтора F) способны отдавать по 7 электронов на образование химических связей. При этом атомы подгруппы марганца отдают 2 элек чины положительного заряда ядра, а не от атомной массы. Экспериментальное определение зарядов ядер указанных четырех пар элементов подтвердило, что Д. И. Менделеев расположил их правильно:

₁₈Аr - ₁₉К; ₂₇Сo- ₂₈Ni; ₅₂Tе - ₅₃l; ₉₀Th - ₉₁Ра.

Как же объяснить тот факт, что атомная масса аргона больше, чем атомная масса калия (то же - для других пар)? Как известно, атомная масса элемента - это среднее значение массовых чисел его изотопов. Очевидно, атомная масса аргона в основном определяется изотопом с большим массовым числом (он встречается в природе в большем количестве), в то время как у калия преобладает изотоп с меньшим массовым числом (см. § 2.4). Итак, недостатков в периодической системе нет, и с точки зрения величины зарядов атомных ядер элементы расположены правильно.

Экспериментальное определение заряда ядер элементов позволило определить число элементов между гідрогеном и ураном, а также число лантаноидов. Теперь все места в периодической системе заполнено и новые элементы в промежутке от Z = 1 до Z = 107 нельзя открыть ни на Земле, ни в космосе.

Действительно, химическим анализом почвы Месяца, доставленного на Землю в бывшем Советском Союзе и США, выявлены только те элементы, которые есть в периодической системе. Однако периодическая система не закончена. Возможно открытие новых трансурановых элементов.