Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева. Строение атома

Открытие периодического закона и разработка периодической системы химических элементов Д. И. Менделеевым явились вершиной развития химии в XIX в.

Обширная сумма знаний о свойствах 63 элементов, известных к тому времени, была приведена в стройный порядок. Менделеев считал, что основной характеристикой элементов являются их атомные веса, и в 1869 г. впервые сформулировал периодический закон: Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

Данные о строении ядра и о распределении электронов в атомах позволяют рассмотреть периодический закон и периодическую систему элементов с фундаментальных физических позиций. На базе современных представлений периодический закон формулируется так: Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).

В периодической системе по горизонтали имеется 7 периодов, из них первые три называются малыми, а остальные — большими.

В первом периоде находится 2 элемента, во втором и третьем — по 8, в четвертом и пятом — по 18, в шестом — 32, в седьмом (незавершенном) — 21 элемент.

Каждый период, за исключением первого” начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом (7-й период — незаконченный). Все элементы периодической системы пронумерованы в том порядке, в каком они следуют друг за другом. Номера элементов называются порядковыми или атомными номерами. В системе 10 рядов. Каждый малый период состоит из одного ряда, каждый большой период — из двух рядов: четного (верхнего) и нечетного (нижнего). В четных рядах больших периодов (четвертом, шестом, восьмом и десятом) находятся одни металлы, и свойства элементов в ряду слева направо изменяются слабо. В нечетных рядах больших периодов (пятого, седьмого и девятого) свойства элементов в ряду слева направо изменяются, как у типических элементов В шестом периоде вслед за лантаном располагаются 14 элементов с порядковыми номерами 58-71, называемых лантаноидами (слово “лантаноиды” означает подобные лантану”, а “актиноиды” — “подобные актинию”). Химические свойства лантаноидов очень сходны. Например, все они являются реакционно-способными металлами, реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода.

В седьмом периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90-103 составляют семейство актиноидов. В периодической системе по вертикали расположены восемь групп (обозначены римскими цифрами). Номер группы связан со степенью окисления элементов, проявляемой ими в соединениях. Как правило, высшая положительная степень окисления элементов равна номеру группы. Исключением являются фтор — его степень окисления равна -1; медь, серебро, золото проявляют степень окисления +1, +2 и +3; из элементов VIII группы степень окисления +8 известна только для осмия, рутения и ксенона.

В VIII группе размещены благородные газы. Ранее считалось, что они не способны образовывать химические соединения.

Каждая группа делится на две подгруппы — главную и побочную

Главную подгруппу составляют типические элементы (элементы второго и третьего периодов) и сходные с ними по химическим свойствам элементы больших периодов. Побочную подгруппу составляют только металлы — элементы больших периодов. VIII группа отличается от остальных.

Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения; существует всего 8 форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R2O, RО, R2O3, RO2, R2O5, RО3, R2O7, RO4, где R — элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы (главной и побочной), кроме тех случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы. Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения, форм таких соединений 4. Их также изображают общими формулами в последовательности RН4, RН3, RН2, RН.

Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются: сверху вниз усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические. Очевидно, металлические свойства наиболее сильно выражены у франция, затем у цезия; неметаллические — у фтора, затем — у кислорода.

Согласно современной теории строения атома, атом состоит из ядра (протоны, нейтроны) и электронной оболочки (электроны).

Протон (р): относительный заряд равен +1; относительная масса 1, 0073.

Нейтрон(n): относительный заряд равен 0; относительная масса 1, 0087

Электрон(е): относительный заряд равен -1; относительная масса 5, 48 · 10

Английский физик Мозли установил, что «заряд ядра равен порядковому номеру элемента в Периодической системе»

Порядковый номер определяет число протонов. Атом по заряду - нейтральная частица, следовательно, число электронов в атоме равно числу протонов. Относительная атомная масса элемента определяется сумой масс протонов и нейтронов. Поэтому, число нейтронов в атоме равно атомной массе за вычетом числа протонов.

Пример 1. Определить число протонов, нейтронов, электронов в атоме элемента с порядковым номером 92 в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Элемент Уран U

Число протонов (р) равно 92

Число нейтронов (n) равно 238 - 92 = 146

Число электронов (е) равно 92

Изотопы - это структурные частицы, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов (частицы одного и того же элемента с различной массой).

Например Н-водород, Д -дейтерий, Т -тритий

Область пространства вокруг ядра, для которой вероятность пребывания электрона равна 95%, называется атомной орбиталью. Электрон не движется по орбите, а занимает трёхмерную область в пространстве вокруг ядра - орбиталь. Решения волнового уравнения Шредингера позволяют охарактеризовать орбиталь четырьмя квантовыми числами.

n- главное квантовое число. Может принимать значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7... Определяет энергетический уровень, на котором находится электрон, энергию электрона на уровне, размер орбитали. Чем больше значение главного квантового числа, тем больше энергия электрона и больше размер орбитали.

l-орбитальное квантовое число. Может принимать целочисленные значения от 0 до n-1. Если n= 4, то I = 0, 1, 2 и 3. Определяет энергетический подуровень, на котором находится электрон, энергию электрона на подуровне, а так же форму орбитали.

Электроны на s-подуровне (s-электроны) имеют сферическую форму орбитали, р-электроны симметричную гантель, у других орбиталь имеет более сложную конфигурацию.

m-магнитное квантовое число. Может принимать значение целых чисел от +1 до –1

1. Определяет возможное число орбиталей на подуровне, а так же пространственное расположение орбиталей.

Возможное число орбиталей для подуровней:

1 = 0 (s) m = 0 одна s-орбиталь

1 = 1 (р) m = 1, 0, -1 три р-орбитали

1 = 2 (d) m =: 2, 1, 0, -1, -2 пять d-орбиталей и т. д

S-спиновое квантовое число. Определяет вращение электрона вокруг собственной оси. Может принимать значения +1/2 (предполагает вращение по часовой стрелке) и -1/2 (вращение против часовой стрелки)

В соответствии с принципом Паули «в атоме не может быть двух электронов, которые имеют одинаковые наборы четырёх квантовых чисел. Таким образом, на одной орбитали могут находиться только два электрона с противоположными спинами. Отсюда следует, что:

на n=1 уровне находится 2 электрона

на n=2 уровне находится 8 электронов

на n=3 уровне находится 18 электронов

на n=4 уровне находится 32 электрона

Период - последовательный ряд элементов с одинаковым числом заполняемых энергетических уровней, причём номер периода показывает номер внешнего энергетического уровня.

Группа - последовательный ряд элементов, имеющих однотипную электронную конфигурацию.

Все элементы в соответствии с электронным строением атома можно подразделить на металлические и неметаллические.

Металлические свойства элементов определяются способностью атомов «отдавать» электроны (восстановительные свойства).

Неметаллические свойства элементов определяются способностью атомов «принимать» электроны (окислительные свойства).

Изменение свойств элементов в Периодической системе можно проследить в горизонтальном направлении (в периоде) и вертикальном направлении (в группе). С увеличением порядкового номера элементов по периоду (слева на право) происходит нарастание неметаллических' свойств. Сверху вниз по подгруппам возрастают металлические свойства. Эти свойства связаны с атомными радиусами, а в конечном счете - с электроотрицательностью. Элементы, для которых электроотрицательность меньше двух относят к металлическим элементам (атомы только отдают электроны). Элементы, для которых электроотрицательность больше двух, относят к неметаллическим элементам.

J Упражнения: