№ | Слайд | Текст |
1 |
 |
Лекция 8Периодический закон |
2 |
 |
История создания периодической системыВ истории каждого научного открытия можно определить два основных этапа: 1) установление частных закономерностей; 2) сам факт открытия и признания этого открытия. До того как Д.И. Менделеев сформулировал периодический закон и предложил его графическое изображение (периодическую систему ) существовали и другие попытки систематизировать знания о свойствах элементов. Ученые предлагали свои таблицы и графики элементов. Некоторые из ученых утверждали, что именно им принадлежит право первенства открытия. Поэтому познакомимся с некоторыми главными идеями предшественников открытия периодического закона. |
3 |
 |
Закон триадНачало 19 века Дж. Дальтон (основатель атомистики) ввел важнейшую характеристику элементов – атомный вес (позже атомная масса). Это понятие позволило изучать и определять важнейшую характеристику – количественный состав простых и сложных тел. Первым, кто применил количественные характеристики элементов был немецкий ученый Иоганн Вольфганг Деберейнер (1780 – 1849). |
4 |
 |
В 1829 г он опубликовал таблицу, в которой в группы по 3 элементаобъединялись элементы со сходными свойствами. Помимо химического сходства наблюдается и закономерность в отношении масс атомов. Например: 7Li, 23Na, 39K; 40Ca, 88Sr, 137Ba Закон триад: атомная масса среднего элемента равна среднему арифметическому атомных масс двух крайних элементов Ar(Na)= (Ar(Li)+ Ar(K))/2=(7+39)/2=23. |
5 |
 |
Позднее ученые Макс Петтенкофер (1850) и Жан Батист Дюма (1857)объединили большее число элементов в триады. |
6 |
 |
Винтовая линия Шанкартуа1862 г. французский ученый Александр Эмиль Бетье де Шанкуртуа предложил систему элементов в виде графика. Он разместил все известные элементы в порядке увеличения массы атомов по винтовой линии, описанной вокруг цилиндра. Сходные элементы располагались друг под другом. Однако эта схема не получила конкретного анализа и развития, не указывала точное место элемента в системе. |
7 |
 |
Закон октав1863 – Джон Александер Рейна Ньюлендс. Английский химик. Если сходные элементы расположить друг за другом, то каждый восьмой элемент располагается под первым, свойства элементов повторяются подобно октавам в музыке. В таком графическом изображении без пропусков исключалась возможность открытия новых элементов, кроме того многие элементы попадали на несоответствующие им места. |
8 |
 |
Таблица Мейера1864 – немецкий ученый Юлиус Лотар Мейер Расположил 44 элемента из известных 62-х в шести столбцах в соответствии с их валентностью по водороду. Однако эта таблица не отражала периодичности свойств. В 1870 г. статья «Природа химических элементов как функция их атомных весов», приведена графическая зависимость атомных объемов от атомных масс (кривая Мейера). |
9 |
 |
Периодический закон и его графическое отображение1869 – русский ученый Д.И.Менделеев открыл периодический закон и опубликовал свой первый вариант периодической системы химических элементов «Опыт системы элементов основанный на их атомном весе и химическом сходстве». В этом первоначальном варианте таблицы многое было неясно, требовало уточнений и изменений. На протяжении 37 лет Менделеев продолжает творческую разработку таблицы. Д.И. Менделеев неоднократно подчеркивал значение тех трудов, которые побуждали его к исканиям: «…Я пользовался прежними исследованиями Дюма, Гладстона, еттенкофера, Кремерса и Ленссена» «Я считаю, что обязан преимущественно двум: Ленссену и Дюма. Я изучил их исследования и они побудили меня искать действительный закон» Д.И. Менделеев. Собр. со.ч., т.2,1934,стр.288 и 321 |
10 |
 |
Формулировка периодического закона Д.И Менделеева Свойства простых тела также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов. |
11 |
 |
Итогом работы Менделеева в развитии периодического закона являетсяследующий вариант таблицы, который был помещен в 8 издании Основ химии. |
12 |
 |
Значение периодического законаПериодическая система элементов явилась одним из наиболее ценных обобщений в химии. Она представляет собой как бы конспект химии всех элементов, график по которому можно читать свойства элементов и их соединений. Система позволила уточнить положение, величины атомных масс, значение валентности некоторых элементов. На основе таблицы можно было предсказать существование и свойства еще не открытых элементов. Менделеев предсказал и описал свойства не открытых в то время элементов, которые он назвал экабор (скандий), экаалюминий (галий), экасилиций (германий). Менделеев сформулировал периодический закон и предложил его графическое отображение, однако в то время нельзя было определить природу периодичности. Не была вскрыта причина периодичности изменения свойств и их соединений.Смысл периодического закона был выявлен позднее, в связи с открытиями по строеию атома. |
13 |
 |
Открытия, позволившие развить периодический закон1875 – французкий ученый П.Э. Лекок де Буабодран открыл новый элемент галий. |
14 |
 |
1879 – шведский ученый Ларс Фредерик Нильсон окрыл новый элементскандий. 1886 – немецкий ученый Клеменс Александр Винклер –открыл элемент германий. Германиевый диод |
15 |
 |
1893-1898 – английский ученый Уильям Рамзай открыл сначала инертныйгаз аргон, а позже и остальные. |
16 |
 |
Закон МозлиОднако несмотря на огромное естественнонаучное значение открытия периодического закона физический смысл обобщенных Д.И.Менделеевым фактов долгое время оставался непонятным (из-за отсутствия в 19 веке каких-либо представлений о сложности строения атома). Например, почему элемент калий(А=39,1) в таблице находится после аргона (А=39,9); никель (58,7) после кобальта (58,9); йод(126,9) после теллура (127,6). Менделеев отступил от принятого им порядка, исходя из свойств данных элементов, требовавших именно такого расположения. Таким образом он не придавал исключительного значения атомной массе, а руководствовался совокупностью свойств. Развитие теории строения атома доказало верность размещения этих элементов. |
17 |
 |
Периодическое изменение свойств элементов зависит от их порядковогономера. 1913 – английский физик Генри Мозли на основании экспериментальных данных (исследование рентгеновских спектров химических элементов) установил, что порядковый номер элемента совпадает с зарядом ядра атома |
18 |
 |
Современная формулировка периодического законаСвойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов. А точнее свойства химических элементов определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями |
19 |
 |
Структура периодической системы химических элементов Д.И. МенделееваПериод – горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядкового номера от первого s-элемента (ns1) до шестого p-элемента(ns2np6) Каждый период начинается активным щелочным металлом и заканчивается инертным газом Периоды: 1) малые – 1-й (2 элемента), 2-й и 3-й(8 элементов) 2) большие – 4-й, 5-й (18 элементов) 6-й (32 элемента) 7-й (19 элементов, незавершенный) Состоят из 2-х рядов: четный содержит только металлы; нечетный содержит металлы и неметаллы |
20 |
 |
Группы делятся на подгруппыПодгруппа – это вертикальный ряд элементов, имеющих однотипное электронное строение и являющихся электронными аналогами. Главные подгрупы (А-подгруппы)- содержат элементы s- и p-электронных семейств, которые расположены и в больших и в малых периодах. s-элементы только металлы p-элементы металлы и неметаллы. Побочные подгруппы(В-подгруппы) содержат элементы d-электронных семейств. В побочных подгруппах элементы только больших периодов, только металлы. Группы – вертикальные ряды. Номер группы определяет максимальную валентность элемента, максимальную положительную степень окисления, число валентных электронов (исключения кислород и фтор) |
21 |
 |
Порядковый номер, массовое числоИз закона Мозли следует, что порядковый номер элемента соответствует положительному заряду ядра атома. Атом характеризуют три фундаментальных элементарных частицы. Протон, нейтрон, электрон. Ядро заряжено положительно и в нем сосредоточена основная масса. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Сумма количества протонов и нейтронов МАССОВОЕ ЧИСЛО – А. A= N(11p)+ N(10n) |
22 |
 |
А соответствует относительной атомной массе элемента,которые приведеныв п.с.: A=Ar . Число протонов равно порядковому номеру: N(11p)=Z Число нейтронов: N(10n)= A- Z Число электронов равно заряду ядра? число электронов равно порядковому номеру: N(e)=Z. |
23 |
 |
Характеристики элементарных частиц |
24 |
 |
ИзотопыАтомы одного элемента, имеющие одинаковый заряд ялра, но разные массовые числа называются изотопами. Изотопы содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Примеры: 11Н – протий, 21Н-дейтерий 31Н-тритий 3517Cl (77,3%), 3717Cl (22,7%) Ar(Cl)=(35•77,3+37 •22,7)/100=35,454-относительная атомная масса – среднее арифметическое масс изотопов с учетом их % содержания |
25 |
 |
Периодическая система и строение атомовВ настоящее время периодическую систему элементов Менделеева можно рассматривать как классификацию атомов по строению их электронной оболочки. Таблица дает исчерпывающую информацию о разнообразии и подобии в строении электронной оболочки, а следовательно классификацию элементов по строению их атомов. Физико-химические свойства элементов тесно связаны со строением электронной оболочки атома, следовательно таблица представляет классификацию элементов и по физико-химическим свойствам. |
26 |
 |
Классификация атомовПо способу застраивания электронной оболочки s- элементы заполняется s-подуровень наружного слоя. Внутренние электронные слои остаются неизменными.Это два первые элемента любого периода p-элементы заполняется р-подуровень наружного слоя Внутренние электронные слои остаются неизменными.Это шесть последних элементов периода (кроме 7-го) |
27 |
 |
d – элементыЗастраивается соседний с наружным уровень. В наружном слое этих элементов на s-подуровне находится чаще 2 реже 1 электрон. Таких элементов по 10 в каждом большом периоде (кроме 7-го) f – элементы. В атомах этих элементов заполняется f-подуровень третьего уровня, считая от внешнего. Сейчас известно 28 таких элементов. Они делятся на два семейства лантаноидов (заполняется 4f-подуровень) и актиноиды (заполняется 5f-подуровень. |
28 |
 |
2. По числу электронов в наружном квантовом слое электронной оболочкиметаллы – все элементы в наружном квантовом слое которых 1-3 электрона (кроме водорода, бора, гелия). Могут только отдавать электроны, поэтому не образуют отрицательно заряженных ионов. К ним относятся s-, некоторые p-, а также d-,f-элементы. d-,f-металлы могут проявлять переменную степень окисления. Максимальная положительная степень окисления равна номеру группы в которой находится элемент. |
29 |
 |
Неметаллы – элементы наружный слой которых содержит 4 - 7 электронов,а также водород и бор. Неметаллы способны как принимать так и отдавать электроны. Поэтому могут проявлять как отрицательные, так и положительные степени окисления. Однако тенденция к приему электронов у них выражена сильнее. Все неметаллы кроме водорода относятся к р-элементам. Инертные (благородные) газы – элементы в наружном слое которых находится 8 (р-элементы :неон, аргон, криптон, ксенон, радон) или 2 электрона (гелий s-элемент). |
30 |
 |
Некоторые характеристики атома и свойства элементовПериодичность накопления электронов около ядра приводит к периодичности в изменении свойств атомов элементов. Периодически изменяются такие характеристики атомов, как валентность, объемы атомов, радиусы атомов и ионов, энергии ионизации, восстановительные свойства, энергии сродства к электрону, окислительные свойства, электроотрицательности, некоторые физические свойства (температуры плавления и кипения и др.). Понятие валентность более подробно рассмотрим позже. Перейдем к рассмотрению других характеристик. |
31 |
 |
Атомные объемыАтомный объем – объем, занимаемый одним молем атомов простого вещества в твердом состоянии. Дает четкое представление о периодичности изменения физических свойств простых веществ. Впервые графическую зависимость между величинами атомных масс и атомных объемов предложил Мейер. Наибольший атомный объем имеют щелочные металлы. |
32 |
 |
Радиус атомаRан >rат> rкат Радиус атома (радиус Слейтера) – расстояние от ядра атома до максимума электронной плотности его валентных электронов Обозначение r. Размерность пм (пикометр – 10-12м) или нм (нанометр – 10-9м) |
33 |
 |
Изменение радиусов атомов в группе и периодахРассмотрим закономерность изменения этой характеристики атома на примере элементов IA, IIA, VA групп и 2-6 периодов. |
34 |
 |
Выводы из таблицы: 1) в группе сверху вниз радиус атома увеличиваетсяЧисло электронов остается постоянным равным номеру группы. Чем меньше электронов на внешнем уровне и чем дальше эти электроны находятся от ядра, тем слабее электростатические силы между «+» ядром и электронами легче атом элемента отдает эти электроны. Элементы легко отдающие электроны проявляют металлические свойства, восстановительные свойства. Их оксиды и гидроксиды проявляют основные свойства (реже амфотерные) 2) В периоде слева направо радиус атома уменьшается, т.к. число энергетических уровней в пределах одного периода постоянно, но увеличивается число электронов на внешнем уровне. Следовательно электростатическое взаимодействие между «+» ядром и электронами усиливается, а радиус уменьшается (эффект р-сжатия). В связи с этим элементы конца периода будут легче принимать электроны. Такие элементы проявляют неметаллические и окислительные свойства. Их оксиды носят кислотный характер. |
35 |
 |
Энергия ионизацииОпределение: энергия ионизации – энергия, неоходимая для превращения нейтрального атома в положительно заряженный ион. Или это энергия которую необходимо затратить для отрыва электрона от электронейтралього атома : Э0 - е?Э+ . rкат.<rат. Характеризует восстановительные свойства атомов элементов. Обозначение – I . Размерность – эВ/атом или кДж/моль 1эВ=1,60*10-22*6,02*1023=96,32 кДж/моль |
36 |
 |
Величины энергии ионизации некоторых элементов одного периода |
37 |
 |
Выводы из таблицыОбщая тенденция: 1) в периоде с увеличением заряда ядра, уменьшается радиус энергия ионизация увеличивается. Наименьшее значение энергии ионизация у элемента лития, наибольшее у фтора. Следовательно наибольшей восстановительной активностью характеризуются щелочные металлы. 2) Отрыв каждого следующего электрона требует большей затраты энергии. Особенно резко возрастает энергия ионизации при переходе к другому электронному слою. |
38 |
 |
Исключения : элементы бериллий и азотЭнергии ионизации бериллия выше, чем у соседних бора и углерода. То же справедливо для азота. Это объясняется следующим правилом: наиболее устойчивы электронные конфигурации атомов элементов с полностью или наполовину заполненным подуровнем. Электронные конфигурации. Бериллия 1s22s2 Азот 1s22s22p3 ?? ?? ? ? ? |
39 |
 |
Энергия сродства к электронуОпределение: энергия, которая выделяется (реже поглощается) при присоединении электрона к атому. Э0+е?Э- rат.<rаниона Обозначение: Е. Размерность эВ/атом, кДж/моль Имеет чаще всего отрицательные значения. Наибольшее отрицательные значения Е имеют атомы галогенов. |
40 |
 |
ВыводыХарактер изменения энергии сродства к электрону в группе: в группе сверху вниз увеличивается радиус атома, силы электростатического взаимодействия «+» заряженного ядра и внешних электронов ослабевают, поэтому энергия сродства к электрону уменьшается. В периоде слева направо уменьшается радиус атома, количество электронов на внешнем уровне увеличивается, поэтому энергия сродства к электрону тоже увеличивается. |
41 |
 |
ЭлектроотрицательностьОпределение: электроотрицательность – способность атома притягивать к себе электроны в химическом соединении. Определяется как полусумма энергии ионизации и сродства к электрону: ЭО= (I+E)/2 (шкала Р. Малликена). Недостаток – нет надежных методов определния Е. На практике пользуются относительными значениями электроотрицательности. Величины приводятся в таблицах. Существует несколько шкал ОЭО. Мы будем пользоваться значениями ОЭО по Полингу. Характер изменения ОЭО аналогичен уже рассмотренным характеристикам. За единицу принята ОЭО лития. Самая высокая ОЭО у фтора. По величине ОЭО можно судить о свойствах элемента, его заряде в соединении, типах связи. |
42 |
 |
Общие выводы по темеНа основании энергетических характеристик атомов элементов, энергетически устойчивы электронные конфигурации с полностью или наполовину заполненными подуровнями. В связи с этим для ряда элементов наблюдается провал электрона с текущего уровня на предыдущий. Например: для элементов подгруппы меди наблюдается провал электрона с текущего ns-подуровня на (n-1)d-подуровень. Аналогичное явление наблюдается для элементов хрома и молибдена. |
43 |
 |
Электронные конфигурации этих элементов: Cu - …3d104s1; Ag - …4d105s1;Au – 5d106s1; Cr - …3d54s1; Mo - …4d55s1. |
44 |
 |
2. С увеличением заряда ядра и количества электронов во внешнем уровнеизменение свойств химических элементов не совершается непрерывно в одном и том же направлении (от типично металлических до неметаллических), а имеет периодический характер. Таким образом элементы выделены в электронные аналоги. Электронные аналоги имеют общее строение валентных подуровней, а следовательно общую электронную формулу. Общую формулу и общие свойства оксидов и т.д. 3.Свойства и характеристики атомов элементов изменяются в известной последовательности как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Изменение некоторых свойств и характеристик по таблице Д.И.Менделеева приведено на следующем слайде 4. На основании положения элемента в п.с. можно дать его характеристику и характеристику его соединений. |
45 |
 |
Изменение некоторых характеристик атомов и свойств элементов впериодической системе Д.И. Менделеева. Уменьшение радиуса атома Увеличение значений энергий ионизации, сродства к электрону, ОЭО Усиление неметаллических и окислительных свойств элементов Ослабление основных свойств оксидов Уменьшение температур кипения и плавления простых веществ. |
46 |
 |
Подгруппы аналоговПодгруппа щелочных металлов. Общая электронная формула …ns1. Возбужденного состояния нет. Максимальная степень окисления +1. Общая формула оксидов Ме2О. Водородные соединения МеН-гидриды. 2. Подгруппа бериллия. Общая электронная формула …ns2. Возбужденное состояние есть. Максимальная степень окисления +2. Общая формула оксидов МеО. Водородные соединения МеН2-гидриды. 3.Подгруппа бора. Общая электронная формула …ns2np1. Возбужденное состояние есть. Максимальная степень окисления +3. Общая формула оксидов Э2О3. Бор – неметалл. Простейшее водородное соединение ВН3-бороводород. Остальные элементы металлы. Водородные соединения МеН3-гидриды |
47 |
 |
4. Подгруппа углеродаОбщая электронная формула …ns2np2. Возбужденное состояние есть. Максимальная степень окисления +4. Минимальная степень окисления –4. Общая формула оксидов ЭО2. Формула водородных соединений ЭН4 5. Подгруппа азота. Общая электронная формула …ns2np3. Возбужденное состояние есть (исключение азот). Максимальная степень окисления +5. Минимальная степень окисления –3. Общая формула оксидов Э2О5. Формула водородных соединений ЭН3 6. Подгруппа кислорода. Общая электронная формула …ns2np4 Возбужденное состояние есть (исключение кислород). Максимальная степень окисления +6 (исключение кислород). Минимальная степень окисления –2. Общая формула оксидов ЭО3. Формула водородных соединений Н2Э. |
48 |
 |
7. Подгруппа галогенов (фтора)Общая электронная формула …ns2np5. Возбужденное состояние есть (исключение фтор). Максимальная степень окисления +7. Минимальная степень окисления –1. Общая формула оксидов Э2О7. Формула водородных соединений НЭ. К этой же подгруппе следует отнести и водород, т.к. его свойства схожи с галогенами,в частности в соединениях с металлами он проявляет степень окисления –1. Соединения водорода с металлами относятся к солеподобным. d-элементы не имеют аналогов в 1-3 периодах. Для них неизвестна отрицательная степень окисления. Валентные электроны располагаются на внешнем s-подуровне и соседним с внешним d-подуровне. В возбужденное состояние могут переходить только электроны с внешнего s- на внешний р-подуровень. Всего подгрупп аналогов 10. Рассмотрим некоторые из них. |
49 |
 |
Подгруппа скандия Sc, Y, La, AcОбщая электронная формула ns2(n-1)d1. Максимальная степень окисления +3. Возбужденное состояние есть. Формула высшего оксида Ме2О3. Подгруппа титана Ti, Zr, Hf. Общая электронная формула ns2(n-1)d2. Максимальная степень окисления +4. Возбужденное состояние есть. Формула высшего оксида МеО2. Подгруппа марганца Mn,Te, Re. Общая электронная формула ns2(n-1)d5. Максимальная степень окисления +5. Возбужденное состояние есть. Формула высшего оксида Ме2О7. Подгруппа меди Сu, Ag, Au. Общая электронная формула ns1(n-1)d10! Возможные степени окисления +1,+2,+3. Это можно объяснить нестабильностью d-подуровня. Возбужденного состояния нет. Формула высшего оксида Ме2О, МеО, Ме2О3. |
50 |
 |
Характеристика элемента по его положению в периодической системеПоложение в п.с. (порядковый номер, период, подгруппа). 2. Характеристика атома элемента. Заряд ядра Z, число протонов Nр, число нейтронов Nn, число электронов Ne. Полная электронная формула. Графическая электронная конфигурация валентных уровней в нормальном и возбужденном состояниях. |
51 |
 |
3. Электронное семейство к которому относится элемент, металл илинеметалл, формула и характер высшего оксида (основной, амфотерный, кислотный) и соответствующего ему гидрата. Реакции подтверждающие свойства оксида и гидрата. |
52 |
 |
ПримерыДайте характеристику элемента № 56 по положению в п.с. Элемент №56 – барий 56Ва. Ва находится в 6 периоде во второй группе главной подгруппы. 2) Z=+56, N(11p)=56, N(e)=56, N(10n)=A-N(11p)=137-56=81 Электронная формула: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2 |
53 |
 |
Основное состояние: …6s26р0 В(Ва)=0Возбужденное состояние …6s16р1 В(Ва*)=2 3. Ва – s-элемент, металл, ОЭО=0,9. Высший оксид ВаО – основной. Гидрат – Ва(ОН)2-основание ВаО+Н2О=Ва(ОН)2; ВаО+СО2= ВаСО3; ВаО+2HCl=BaCl2+ Н2О; ?? ? ? |
54 |
 |
Ba(oh)2+2hcl=bacl2+ Н2О ba(oh)2+co2= baco3 + Н2О ba(oh)2 +K2SO4= baso4+ 2KOН. 2.Дайте характеристику элемента №6, 16, 17, 25, 74 по положению в п.с. |
55 |
 |
Проверочная работаЧто общего для элементов 5 периода А) число валентных электроно равно 5 Б) Число энергетических уровней равно 5 В) главное квантовое число равно 5 2. Запишите электронную формулу для атома бора (5В). Распределите электроны по квантовым ячейкам в возбужденном состоянии |
56 |
 |
http://margo1nm.ru. |
«Химические элементы» |