РАЗДЕЛ И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

5. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Поиски основ для классификации химических элементов начались довольно давно. На момент открытия периодического закона Д. И. Менделеевым (1834-1907) и создание первого варианта периодической системы - 1 марта 1869 г. - было известно более 60 свойств элементов, с учетом которых было создано множество классификаций. При создании своей Д. И. Менделеев (как и его предшественники) преодолевал определенные трудности:

• было открыто не все химические элементы (всего 63);

• для многих элементов значения атомных масс были определены неправильно;

• некоторые химические элементы и их соединения были недостаточно изучены.

Менделеев, сравнивая между собой непохожие естественные группы элементов, обнаружил периодическое изменение свойств элементов в зависимости от изменения значений их атомных масс.

В процессе составления таблицы Д. И. Менделееву пришлось оставлять места (незаполненные ячейки) для неоткрытых на тот момент элементов; некоторым из них он дал названия и описал свойства: екабор (теперь Скандий), екаалюміній (Галлий), екасиліцій (Германий). Кроме этого, он был вынужден проверять значения атомных масс ряда элементов и в ходе проведения экспериментов уточнил атомные массы 15 элементов.

В процессе развития науки, в частности ядерной физики, претерпело изменения учения о строении атома, что раскрыло физический смысл периодического закона. Было выяснено, что основной характеристикой элемента является не его атомная масса, а заряд ядра (и, соответственно, электронной оболочки). Следовательно, периодическая система классификации химических элементов по электронной структурой их атомов. В связи с этим возникла необходимость изменить формулировку периодического закона, который сегодня звучит так: свойства химических элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных веществ, находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Графическим изображением периодического закона является периодическая таблица химических элементов. Поскольку знания человечества о веществе постоянно растут, работа над усовершенствованием периодической системы не прекращается (сейчас известно более 400 вариантов таблицы). Наиболее распространенными являются короткий и длинный варианты периодической таблицы.

Короткий вариант¹ используют до сих пор, поскольку он компактнее, удобнее и несет больше информации. Каждый элемент размещен в определенной ячейке периодической системы, в которой представлены следующие данные:

Основными составляющими периодической системы есть периоды и группы.

Период - это горизонтальный фрагмент таблицы химических элементов, начинающийся щелочным металлическим элементом (кроме первого) и заканчивается инертным элементом. Каждый вариант периодической таблицы имеет семь периодов. В длинном варианте период занимает один горизонтальный ряд системы, а в коротком - один или два соседние горизонтальные ряды (четный и нечетный). Периоды нумеруют арабскими цифрами.

Первый (в нем 2 элементы), второй и третий периоды содержат по 8 элементов) называют малыми, а четвертый, пятый (по 18 элементов), шестой (32 элементы) и седьмой (в нем пока что 29 элементов) - большими.

У элементов первого периода (Водорода Н и Гелия Не) электроны заполняют единственный (первый) энергетический уровень. У элементов второго периода (от Лития Li до Неона Ne) электроны заполняют энергетические два уровня (первый и второй). У элементов третьего периода (от Натрия Na до Аргона Аr) электроны заполняют три энергетические уровни, четвертого (от Калия К к Криптона Кr) - четыре и т. д. Таким образом, количество электронных слоев атома равно номеру периода. И наоборот, номер периода, в котором размещен элемент, указывает на число энергетических уровней в его атоме. Итак, можно сформулировать осовремененное его определения: период - это последовательность элементов, атомы которых имеют одинаковое число энергетических уровней.

В малых периодах (первый, второй и третий) с увеличением положительного заряда ядер постепенно увеличивается число электронов во внешнем энергетическом уровне, чем и объясняется изменение свойств элементов: от металлических до неметаллических. Большие периоды состоят из двух рядов - нечетных (верхних) и парных (нижних).

В больших периодах (четвертый, пятый и шестой) заполнение электронных слоев происходит сложнее, чем и объясняется сложнее изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. В четных рядах больших периодов с увеличением зарядов ядер элементов число электронов во внешнем электронном слое остается неизменной (два или один, где есть «провал» электрона). А поэтому свойства элементов в этих рядах меняется очень медленно. В нечетных рядах с ростом заряда ядра увеличивается число электронов во внешнем электронном слое (от 1 до 8) и свойства элементов изменяются так же, как и у элементов малых периодов.

Группа - это вертикальный столбик периодической таблицы, в котором размещены элементы с однотипным электронным строением в последовательности увеличения заряда ядра.

Короткий вариант периодической таблицы содержит 8 групп, которые принято нумеровать римскими цифрами (I-VIII). Каждая группа здесь разделена на 2 подгруппы: главную(А) и побочную (В). Символы элементов главных подгрупп смещено влево от центра ячеек, а символы элементов побочных подгрупп - справа. В главных подгрупп входят только s- и p-элементы (которые могут быть как металлическими, так и неметаллическими). У этих элементов число электронов во внешнем энергетическом уровне совпадает с номером группы:

Итак, номер группы (главной подгруппы) указывает на количество электронов во внешнем энергетическом уровне, а также на значение высшей валентности (за исключением Кислорода, Фтора и большинства инертных элементов).

Побочными называют подгруппы, состоящие из элементов, у которых заполняется d-підрівень. их атомы содержат на внешнем уровне по два электрона (по одному или - в случае «провала»). Побочные подгруппы не содержат элементов первых трех периодов. В их состав входят только металлические элементы, которые называют переходными: они размещены внутри больших периодов (четных рядов).

Все элементы, в зависимости от того, какой подуровень заполняется, поделили на четыре электронные семьи:

1) s-элементы - это элементы, в атомах которых в последнее застраивается s-подуровень внешнего электронного слоя. Первые два элемента каждого периода - это s-элементы;

2) р-элементы - это элементы, в атомах которых в последнее застраивается р-подуровень внешнего электронного слоя. В каждом периоде (кроме 1 и 7-го) есть шесть p-элементов (они составляют главные подгруппы III-VIII групп краткого варианта периодической таблицы);

3) d-элементы - это элементы, в атомах которых заполняется d-подуровень второго снаружи энергетического уровня, а во внешнем электронном слое остается один или два электрона (расположены в побочных подгруппах всех групп);

4) f-элементы - это элементы, в атомах которых заполняется f-подуровень третьего снаружи энергетического уровня, а во внешнем электронном слое остается два электрона. Различают 4f-элементы, лантаноїди (то есть похожи на Лантан), и 5f-элементы, актиноїди (то есть похожие на Актиний). Чтобы не увеличивать длину таблицы, они вынесены за пределы ее основного поля и расположены в нижней части короткого варианта периодической таблицы в двух отдельных рядах по 14 элементов (длинного - по 15).

Отличие электронного строения главных и побочных подгрупп одной группы предопределяет и различие свойств элементов в этих подгруппах. Так, например, в элементов VIIA группы (галогенов) во внешнем электронном слое атомы содержат семь электронов, а в элементов VIIB группы (подгруппы Марганца) - по два. Поэтому простые вещества, образованные галогенами, относящихся к типичных неметаллов, а элементами подгруппы Марганца - до типичных металлов.

Длинный вариант периодической таблицы содержит 18 групп, которые пронумерованы арабскими цифрами:

Периодическая таблица элементов (длинный вариант)

¹ Стандартные атомные массы (2005)

² Элементы не имеют стабильных изотопов

³ 110-й элемент получил название Дармштадтій, 111-й - Рентгеній, а 112-й - Коперніцій (2009). Элементы с атомными номерами 113 и выше зарегистрированы, но окончательно не утверждены

Кроме вышеуказанных, традиционно выделяют такие совокупности (группы) элементов (не путать с группами собственно периодической таблицы), схожих по своим физическим и химическим свойствам:

_______________________________________________________________

¹ Официально отменен IUPAC в 1989 г.

5.1. Основные закономерности Изменения свойств элементов

От размещения элементов в периодической системе зависит характер и свойства простых веществ.

В пределах отдельных периодов с увеличением заряда ядер:

• уменьшается атомный радиус, потому что растет сила притяжения электронов к ядру;

• ослабевают металлические свойства элементов усиливаются неметаллические;

• энергия ионизации для элементов одного периода возрастает слева направо;

• увеличивается максимальный положительный степень окисления элемента (за исключением Кислорода и Фтора, в которых нет степеней окисненя +6 и +7 соответственно);

• ослабляются основные свойства оксидов и гидроксидов элементов, одновременно повышаются их кислотные свойства.

В главных подгруппах с увеличением заряда ядер:

• электроотрицательности уменьшается;

• возрастает атомный радиус и количество электронных слоев;

• усиливаются металлические свойства элементов ослабляются неметаллические;

• энергия ионизации падает вследствие увеличения расстояния между электронами внешнего энергетического слоя и ядра;

• усиливаются основные свойства оксидов и гидроксидов.

Учитывая изменение свойств элементов в периодах и главных подгруппах, нетрудно прийти к выводу, что типичные металлические элементы должны находиться в левой нижней части периодической таблицы (Франций, Цезий, Радий), а типичные неметаллические элементы - в правой верхней (Фтора, Хлор, Кислород).