Химические элементы

Лекция 8

Периодический закон

История создания периодической системы

В 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.

Закон триад

Начало 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).

В 1829 г он опубликовал таблицу, в которой в группы по 3 элемента

объединялись 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.

Позднее ученые Макс Петтенкофер (1850) и Жан Батист Дюма (1857)

объединили большее число элементов в триады.

Винтовая линия Шанкартуа

1862 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.

Закон октав

1863 – 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.

Таблица Мейера

1864 – 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).

Периодический закон и его графическое отображение

1869 – 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

Формулировка периодического закона Д.И Менделеева Свойства простых тел

а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.

Итогом работы Менделеева в развитии периодического закона является

следующий вариант таблицы, который был помещен в 8 издании Основ химии.

Значение периодического закона

Периодическая 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.

Открытия, позволившие развить периодический закон

1875 – французкий ученый П.Э. Лекок де Буабодран открыл новый элемент галий.

1879 – шведский ученый Ларс Фредерик Нильсон окрыл новый элемент

скандий.

1886 – немецкий ученый Клеменс Александр Винклер –открыл элемент германий.

Германиевый диод

1893-1898 – английский ученый Уильям Рамзай открыл сначала инертный

газ аргон, а позже и остальные.

Закон Мозли

Однако 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.

Периодическое изменение свойств элементов зависит от их порядкового

номера.

1913 – английский физик Генри Мозли на основании экспериментальных данных (исследование рентгеновских спектров химических элементов) установил, что порядковый номер элемента совпадает с зарядом ядра атома

Современная формулировка периодического закона

Свойства 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

Структура периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева

Период – 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

Группы делятся на подгруппы

Подгруппа – 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)

Порядковый номер, массовое число

Из 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)

А соответствует относительной атомной массе элемента,которые приведены

в 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.

Характеристики элементарных частиц

Изотопы

Атомы 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

Периодическая система и строение атомов

В 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.

Классификация атомов

По 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)

d – элементы

Застраивается 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.

2. По числу электронов в наружном квантовом слое электронной оболочки

металлы – 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.

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).

Некоторые характеристики атома и свойства элементов

Периодичность 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.

Атомные объемы

Атомный 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.

Радиус атома

Rан >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)

Изменение радиусов атомов в группе и периодах

Рассмотрим закономерность изменения этой характеристики атома на примере элементов IA, IIA, VA групп и 2-6 периодов.

Выводы из таблицы: 1) в группе сверху вниз радиус атома увеличивается

Число 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.

Энергия ионизации

Определение: 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

Величины энергии ионизации некоторых элементов одного периода

Выводы из таблицы

Общая 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.

Исключения : элементы бериллий и азот

Энергии 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

??

??

?

?

?

Энергия сродства к электрону

Определение: 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.

Выводы

Характер 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.

Электроотрицательность

Определение: 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.

Общие выводы по теме

На 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.

Электронные конфигурации этих элементов: Cu - …3d104s1; Ag - …4d105s1;

Au – 5d106s1; Cr - …3d54s1; Mo - …4d55s1.

2. С увеличением заряда ядра и количества электронов во внешнем уровне

изменение 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.

Изменение некоторых характеристик атомов и свойств элементов в

периодической 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.

Подгруппы аналогов

Подгруппа 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

4. Подгруппа углерода

Общая 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.

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.

Подгруппа скандия Sc, Y, La, Ac

Общая 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.

Характеристика элемента по его положению в периодической системе

Положение 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.

3. Электронное семейство к которому относится элемент, металл или

неметалл, формула и характер высшего оксида (основной, амфотерный, кислотный) и соответствующего ему гидрата. Реакции подтверждающие свойства оксида и гидрата.

Примеры

Дайте 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

Основное состояние: …6s26р0 В(Ва)=0

Возбужденное 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;

??

?

?

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.

Проверочная работа

Что 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

http://margo1

nm.ru.