Какие свойства химических элементов положил в основу системы
Периодический закон химических элементов был открыт 1 марта 1869 года когда Менделеев закончил работу над «Опытом системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве».
6 марта 1869 года знаменитый доклад Д. И. Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов» был прочтён Н. А. Меншуткиным на заседании Русского химического общества и вскоре опубликован в «Журнале Русского физико-химического общества»[40]. В том же году это сообщение на немецком языке появилось в журнале «Zeitschrift für Chemie», а в 1872 году в журнале «Annalen der Chemie und Pharmacie» была осуществлена развёрнутая публикация Д. И. Менделеева, посвящённая его открытию — «Die periodische Gesetzmässigkeit der Elemente» (Периодическая закономерность химических элементов). В этой работе, датированной августом 1871 года, Менделеев приводит формулировку периодического закона, которая затем оставалась в силе на протяжении более сорока лет[36]:
Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса[41].
Оригинальный текст (нем.)[показать]
Не давая представления о строении атома, периодический закон, тем не менее, вплотную подводит к этой проблеме, и решение её было найдено несомненно благодаря ему — именно этой системой руководствовались исследователи, указывая факторы, выявленные им с интересовавшими их другими физическими характеристиками. В 1984 году академик В. И. Спицын пишет: «…Первые представления о строении атомов и природе химической валентности, разработанные в начале нашего столетия, основывались на закономерностях свойств элементов, установленных с помощью периодического закона»[44].
Немецкий учёный, главный редактор фундаментального пособия «Анорганикум» — объединённого курса неорганической, физической и аналитической химии, выдержавшего более десяти изданий, академик Л. Кольдиц так истолковывает особенности открытия Д. И. Менделеева, сопоставляя в высшей степени убедительные результаты его труда с работами других исследователей, искавших подобные закономерности[45]:
Развивая в 1869—1871 годах идеи периодичности, Д. И. Менделеев ввёл понятие о месте элемента в периодической системе как совокупности его свойств в сопоставлении со свойствами других элементов. На этой основе, в частности, опираясь на результаты изучения последовательности изменения стеклообразующих оксидов, исправил значения атомных масс 9 элементов (бериллия, индия, урана и др.). В статье, датированной 29 ноября 1870 года (11 декабря 1870 года) предсказал существование, вычислил атомные массы и описал свойства трёх ещё не открытых тогда элементов — «экаалюминия» (открыт в 1875 году и назван галлием), «экабора» (открыт в 1879 году и назван скандием) и «экасилиция» (открыт в 1885 году и назван германием)[46]. Затем предсказал существование ещё восьми элементов, в том числе «двителлура» — полония (открыт в 1898 году), «экаиода» — астата (открыт в 1942—1943 годах), «экамарганца» — технеция (открыт в 1937 году), «двимарганца» — рения (открыт в 1925 году), «экацезия» — франция (открыт в 1939 году).
В 1900 году Дмитрий Иванович Менделеев и Уильям Рамзай пришли к выводу о необходимости включения в периодическую систему элементов особой, нулевой группы благородных газов.
Источник
Существуют две формулировки периодического закона химических элементов: классическая и современная.
Классическая, в изложении его первооткрывателя Д.И. Менделеева: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.
Современная: свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера).
Графическим изображением периодического закона является периодическая система элементов, которая представляет собой естественную классификацию химических элементов, основанную на закономерных изменениях свойств элементов от зарядов их атомов. Наиболее распространёнными изображениями периодической системы элементов Д.И. Менделеева являются короткая и длинная формы.
Группы и периоды Периодической системы. Физический смысл порядкового номера химического элемента
Группами называют вертикальные ряды в периодической системе. В группах элементы объединены по признаку высшей степени окисления в оксидах. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. Главные подгруппы включают в себя элементы малых периодов и одинаковые с ним по свойствам элементы больших периодов. Побочные подгруппы состоят только из элементов больших периодов. Химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.
Периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров. В периодической системе имеются семь периодов: первый, второй и третий периоды называют малыми, в них содержится соответственно 2, 8 и 8 элементов; остальные периоды называют большими: в четвёртом и пятом периодах расположены по 18 элементов, в шестом — 32, а в седьмом (пока незавершенном) — 31 элемент. Каждый период, кроме первого, начинается щелочным металлом, а заканчивается благородным газом.
Физический смысл порядкового номера химического элемента: число протонов в атомном ядре и число электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, равны порядковому номеру элемента.
Закономерности изменения свойств элементов и их соединений в связи с положением в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева
Напомним, что группами называют вертикальные ряды в периодической системе и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.
Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются сверху вниз:
- усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические;
- возрастает атомный радиус;
- возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот;
- электроотрицательность падает.
Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения, существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R2O, RO, R2O3, RO2, R2O5, RO3, R2O7, RO4, где символом R обозначают элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы, кроме исключительных случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы (например, фтор).
Оксиды состава R2O проявляют сильные основные свойства, причём их основность возрастает с увеличением порядкового номера, оксиды состава RO (за исключением BeO) проявляют основные свойства.
Оксиды состава RO2, R2O5, RO3, R2O7 проявляют кислотные свойства, причём их кислотность возрастает с увеличением порядкового номера.
Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности RH4, RH3, RH2, RH.
Соединения RH4 имеют нейтральный характер; RH3 — слабоосновный; RH2 — слабокислый; RH — сильнокислый характер.
Напомним, что периодом называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров.
В пределах периода с увеличением порядкового номера элемента:
- электроотрицательность возрастает;
- металлические свойства убывают, неметаллические возрастают;
- атомный радиус падает.
Тренировочные задания
1. Среди перечисленных химический элемент с максимальным радиусом атома — это
1) неон
2) алюминий
3) калий
4) кальций
2. Среди перечисленных химический элемент с минимальным радиусом атома — это
1) алюминий
2) бор
3) калий
4) неон
3. Наиболее ярко металлические свойства выражены у элемента
1) Rb
2) Li
3) Mg
4) Ca
4. Наиболее ярко неметаллические свойства выражены у элемента
1) F
2) S
3) O
4) N
5. Наибольшее число валентных электронов у элемента
1) фтор
2) водород
3) натрий
4) сера
6. Наименьшее число валентных электронов у элемента
1) кислород
2) кремний
3) водород
4) кальций
7. Металлические свойства элементов возрастают в ряду
1) Ba, Li, Cs, Mg
2) Al, Mg, Ca, K
3) Li, Cs, Mg, Ba
4) Na, Mg, Li, Al
8. Неметаллические свойства элементов ослабевают в ряду:
1) N, S, Br, Cl
2) O, S, Se, Te
3) Se, I, S, O
4) N, P, O, F
9. Химические элементы перечислены в порядке возрастания атомного радиуса в ряду
1) углерод, бериллий, магний
2) калий, магний, алюминий
3) хлор, натрий, фтор
4) азот, фосфор, фтор
10. Химические элементы перечислены в порядке убывания атомного радиуса в ряду
1) водород, бор, алюминий
2) углерод, кремний, калий
3) натрий, хлор, фтор
4) сера, кремний, магний
11. Кислотные свойства водородных соединений усиливаются в ряду
1) HI – PH3 – HCl – H2S
2) PH3 – H2S – HBr – HI
3) H2S – PH3 – HCl – SiH4
4) HI – HCl – H2S – PH3
12. Кислотные свойства водородных соединений ослабевают в ряду
1) HI – PH3 – HCl – H2S
2) PH3 – H2S – HBr – HI
3) H2S – PH3 – HCl – SiH4
4) HI – HBr – HCl – HF
13. Основные свойства соединений усиливаются в ряду
1) LiOH – KOH – RbOH
2) LiOH – KOH – Ca(OH)2
3) Ca(OH)2 – KOH – Mg(OH)2
4) LiOH – Ca(OH)2 – KOH
14. Основные свойства соединений ослабевают в ряду
1) LiOH – Ba(OH)2 – RbOH
2) LiOH – Ba(OH)2 – Ca(OH)2
3) Ca(OH)2 – KOH – Mg(OH)2
4) LiOH – Ca(OH)2 – KOH
15. Во втором периоде Периодической системы элементов Д.И. Менделеева с увеличением заряда ядра у химических элементов:
1) возрастает электроотрицательность
2) уменьшается заряд ядра
3) возрастает атомный радиус
4) возрастает степень окисления
16. Наиболее сильной кислотой, образованной элементом второго периода, является
1) угольная
2) азотная
3) фтороводородная
4) азотистая
17. Наиболее сильное основание образует химический элемент
1) магний
2) литий
3) алюминий
4) калий
18. Наиболее сильная бескислородная кислота соответствует элементу
1) селен
2) фтор
3) йод
4) сера
19. В ряду элементов Li → B → N → F
1) убывает атомный радиус
2) возрастают металлические свойства
3) уменьшается число протонов в атомном ядре
4) увеличивается число электронных слоёв
20. В ряду элементов Li → Na → K → Rb
1) убывает атомный радиус
2) ослабевают металлические свойства
3) уменьшается число протонов в атомном ядре
4) увеличивается число электронных слоёв
Ответы
Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке
Источник
В предыдущих частях мы, во-первых, ввели понятие атомного радиуса, к которому не раз сегодня обратимся. Во-вторых, ввели понятие о металлических и неметаллических свойствах. И, в-третьих, научились отличать металлы от неметаллов по таблице Менделеева.
Сегодня поговорим о том, какие закономерности можно выделить в рамках таблицы Менделеева благодаря всем вышеперечисленным знаниям.
Обо всём по порядку
Напомню:
Атомный радиус – условная величина, характеризующая удалённость электронов на внешнем энергетическом уровне от ядра атома.
Условное изображение атомного радиуса атома не примере атома углерода
Металлические свойства – способность атомов химических элементов отдавать электроны
Неметаллические свойства – способность атомов химических элементов эти электроны принимать.
Выделять закономерности в пределах таблицы Менделеева мы будем в двух направлениях:
В пределах подгруппы (сверху – вниз)
Сделаю акцент на том, что работать мы будем исключительно в пределах главных подгрупп
О том, почему атомный радиус в пределах подгруппы (сверху вниз) возрастает, мы говорили здесь.
- А почему же в пределах подгруппы (сверху вниз) усиливаются металлические свойства?
Дело в том, что с в пределах подгруппы с увеличением атомного радиуса возрастает удалённость электронов на внешнем энергетическом уровне от ядра, а чем более электроны удалены от ядра, тем выше запас их свободной энергии, тем менее прочно они связаны с ядром (об этом здесь) – это значит, что тем проще эти электроны будет отдать! А металлические свойства как раз-таки характеризуют способность атомов химических элементов отдавать электроны.
Ещё раз. Чем больше электроны удалены от ядра, тем менее прочно они связаны с ядром, тем проще их оказывается отдать. Я думаю, Вы интуитивно чувствуете эту простую логику, согласно которой прочность связи обратно пропорциональна расстоянию.
- Почему же в пределах подгруппы (сверху вниз) неметаллические свойства ослабевают?
Всё очень просто, неметаллические свойства – прямо противоположное понятие металлическим свойствам, и если одно усиливается, то другое ослабевает.
Как можно проследить данные закономерности? Посмотрим в таблицу Менделеева, а именно в главную подгруппу четвёртой группы.
Белый, зелёный – металлы, красный – неметаллы.
В пределах главной подгруппы четвёртой группы мы видим, как неметаллы углерод (C) и кремний (Si) в какой-то момент сменяет металл германий (Ge), и это неслучайно! Мы знаем, что металлические свойства в пределах подгруппы усиливаются, а неметаллические – ослабевают, и именно поэтому в какой-то момент при движении в пределах подгруппы сверху вниз металлические свойства усилились настолько, а неметаллические свойства ослабли настолько, что неметаллы в какой-то момент уступают место металлам.
И данную закономерность Вы можете пронаблюдать в пределах главной подгруппы любой группы!
Почему именно главные подгруппы? Дело в том, что классический вариант таблицы Менделеева, с которым мы чаще всего и работаем, в угоду компактности размещает элементы побочных подгрупп, которые, мы знаем, являются исключительно металлами, таким образом, что они, кажется, игнорируют рассматриваемые нами закономерности, то есть, попросту говоря оказываются исключениями. Ради интереса можете посмотреть на развёрнутый вариант таблицы.
В пределах периода (слева – направо)
Здесь попроще. здесь никаких подгрупп.
Итак, мы знаем, что в пределах периода (слева направо) атомный радиус убывает (об этом здесь). Так что же из этого вытекает?
А то, что металлические свойства будут убывать, а неметаллические – возрастать! Судите сами:
чем меньше атомный радиус, тем ближе электроны на внешнем энергетическом уровне оказываются к ядру, то есть тем более прочно эти электроны оказываются связаны с ядром и тем труднее их оказывается отдать, то есть тем менее выражены оказываются металлические свойства и более выражены неметаллические.
Мы легко можем проследить данную закономерность по таблице Менделеева, пользуясь тем же способом размышления, что и выше:
Белый, зелёный – металлы, красный – неметаллы.
В переделах любого периода (слева – направо) металлы закономерно начинают сменяться неметаллами, так как металлические свойства ослабевают, а неметаллические – возрастают.
Осталось сделать последний штрих – ввести понятие электроотрицательности.
Электроотрицательность – способность атомов химических элементов оттягивать на себя электронную плотность.
Электроотрицательность – понятие тождественное по смыслу неметаллическим свойствам и используется для характеристики неметаллических свойств атома. Оно даже изменяется в пределах таблицы Менделеева аналогичным образом! То есть, в пределах подгруппы (сверху вниз) убывает, а в пределах периода (слева – направо) возрастает.
Таблица электроотрицательности по Полингу
А на этом у меня всё. В следующий раз продолжим обозревать типы химической связи. Спасибо. Пока.
Источник
Источник: https://allpozitive.ru/
Даже если вы не химик, вы точно знаете хоть что-то об этой таблице — например, кто её открыл, как она выглядит, что в ней находится.
Но если вы химик или хотите начать изучать химию — на мой взгляд, вы просто обязаны знать всё, что заложено в ней. Ведь таблица — один большой кладезь справочных данных и свойств, без которых в химии ни шагу нельзя ступить!
В данной статье будут рассмотрены все основные закономерности таблицы… в рамках школьного курса химии — на самом-то деле их гораздо больше.
! Кстати, настоятельно рекомендую положить перед собой таблицу во время прочтения этой статьи. Или хотя бы отдельную вкладку в браузере с ней открыть. Иначе восприниматься материал будет крайне тяжело.
Статика: определённое положение элемента
Положения
Как шахматная доска состоит из строк, столбцов и полей, так и таблица состоит из периодов, групп (которые, в свою очередь, делятся на главные и побочные подгруппы) и фиксированных номеров химических элементов.
Период — это строки, горизонтальные ряды.
Группы — столбцы, ряды вертикальные.
Как определить, где главная подгруппа, а где побочная? Посмотрите на второй и третий период — там элементы только главных подгрупп. Они находятся с одного “бока” ячейки. Если опуститься на периоды ниже, можно заметить, что некоторые элементы смещены в другую сторону ячеек (Cu, Ag, Au, Rg в первой группе, например). Вот это и есть побочная подгруппа.
И, наконец, есть определённая нумерация этих самых ячеек, в которых находятся элементы — их порядковые номера.
Давайте потренируемся и составим “паспортные данные” хрома. Будет лучше, если вы сначала попробуете сами, а потом посмотрите ответ.
https://himi4ka.ru/
Легко и ненавязчиво находим, что хром находится в четвёртом периоде и шестой группе. Находится чуть в стороне от кислорода и серы — следовательно, подгруппа побочная. Ну и, не без некоторых усилий (спасибо, Дзен, за качество и невозможность приближать изображение) обнаруживаем его под двадцать четвёртым номером.
Ответ: четвёртый период, шестая группа, побочная подгруппа, двадцать четвёртый номер.
Всё очень просто!
Свойства
Каждому положению элемента относительно той или иной части таблицы соответствует определённое свойство.
Сопоставим их:
1. Период, в котором находится элемент — показывает число электронных слоёв элемента.
2. Группа — показывает наибольшее число электронов, которые атом может отдавать для образования хим. связи (максимальная валентность). Также показывает максимальную положительную степень окисления.
Следует отметить, что в химии присутствует некое “зло”. Химическое “зло” — большое количество исключений в некоторых разделах, и данный пункт, простите за каламбур, не является исключением.
Так, например, фтор, пусть и находится в седьмой группе, никогда не проявляет степень окисления +7, а у железа нет валентности VIII.
3. По тому, находится элемент в побочной или главной подгруппе, можно определить, металл это или неметалл.
Зачем это нужно, если в учебниках они всегда есть на красиво разукрашенном форзаце?
Всё это, конечно, замечательно, но что будет, если вам попадётся вариант в ч/б?
Кстати, именно такую таблицу раздают на ЕГЭ по химии. И некоторые ребята впадают в ступор уже на втором задании, когда их просят определить, относится элемент к металлам или неметаллам.
Чтобы не потерять лёгкие баллы, запомните:
Металлы — это элементы главных подгрупп 1-ой и 2-ой группы (исключение — водород и гелий), а также все элементы побочных подгрупп.
Неметаллы — все остальные.
Ну и, наконец, есть порядковый номер. Зная его, мы можем определить заряд ядра, число протонов, число электронов и, соответственно, найти число нейтронов через относительную атомную массу и протоны.
Вернёмся к нашему хрому. Как мы помним, он находится в четвёртом периоде, шестой группе, побочной подгруппе и имеет 24-ый номер.
Переводя на свойства: имеет четыре электронных слоя; имеет максимальную валентность VI и степень окисления +6; металл; его заряд/число протонов/число электронов равно 24, а число нейтронов — 28 (52 – 24 = 28).
Очень коварен в плане расчёта нейтронов хлор. Попробуйте сами найти нужное их количество, а в следующей статье узнаете, правы ли вы — поэтому не забудьте подписаться на канал, чтобы ничего не пропустить!
Ну а мы переходим к изменению свойств по периодам и группам.
Динамика
Всё завязано на радиусе атома. Помня об этом, вы всегда можете показать изменение электроотрицательности, окислительно-восстановительных, металлических/неметаллических свойств.
Посмотрите внимательно на распределение электронов по слоям у первых четырёх элементов первой группы и первых четырёх элементов седьмой группы.
Так уж мир устроен — всё стремится к стабильности. Люди ли это, государства, какие-то химические частицы — неважно. Среди химических элементов своеобразным образцом стабильности являются так называемые “благородные газы” — элементы главной подгруппы восьмой группы.
Все остальные химические элементы стремятся этому образцу соответствовать, поэтому химические свойства веществ обусловлены…
… не чем иным, как желанием достигнуть электронной конфигурации благородных газов путём принятия либо отдачи электронов.
Очевидно, что натрию легче отдать один электрон, чтобы достигнуть конфигурации неона, чем присоединить семь электронов и стать “вторым аргоном” — у него и свободных орбиталей-то для этого нет!
Ещё легче с этим решением калию — мало того, что ему так же выгоднее затратить меньшее количество энергии, отдав один электрон вместо присоединения нескольких, так у него ещё и сам валентный электрон далеко — радиус больше, из-за этого его труднее удерживать.
Обратную картину наблюдаем в седьмой группе. Картина, впрочем, объясняется теми же самыми общими закономерностями.
Есть фтор. Ему “впадлу” отдавать семь электронов, когда можно отнять у кого-нибудь один и начать косплеить неон. А есть йод, йоду тоже впадлу — но у него радиус больше, поэтому ему сложнее присоединять присоединить этот несчастный электрон.
Исходя из этих примеров, мы можем вывести некоторые закономерности изменения химических свойств при движении по группам и периодам:
1. Окислительно-восстановительные свойства — собственно, способность присоединять/отдавать электроны, изменяя степень окисления.
Сверху-вниз по группе — возрастают восстановительные (вспомните натрий и калий), уменьшаются окислительные, слева-направо по периоду — уменьшаются восстановительные (вспомните элементы первой группы и элементы седьмой), увеличиваются окислительные.
2. Металлические/неметаллические свойства — то же самое, что и в первом свойстве — отдача/принятие электронов, следовательно — закономерности будут аналогичны.
Разница между окислительно-восстановительными свойствами и металлическими/неметаллическими состоит в том, что первые применительны к частицам (катионам, анионам), а вторые — к простым веществам.
3. Электроотрицательность — способность присоединять электронные пары при образовании химической связи. Снова присоединение/отдача электронов => аналогично первым двум свойствам.
А вот со следующими двумя свойствами рекомендую быть максимально осторожным.
4. Кислотно-основные свойства ОКСИДОВ И ГИДРОКСИДОВ — в группе (сверху вниз) увеличиваются основные свойства, уменьшаются кислотные, по периоду (слева направо) – наоборот, кислотные увеличиваются, а основные – уменьшаются.
5. А однажды моему знакомому встретилось такое задание:
“Тематический тренинг” В. Н. Доронькина
Как вы видите, под цифрой 2 просят указать элементы в порядке возрастания кислотных свойств водородных соединений. Которые он, очевидно, принял за кислотные свойства оксидов и гидроксидов, поэтому там написан неправильный ответ и недоумевающий знак вопроса.
С кислотными свойствами водородных соединений всё с точностью до наоборот… Хотя, нет, ладно, не всё. Наполовину.
Давайте просто вспомним, что вообще такое кислотные свойства. Если очень коротко и упрощённо:
Кислотные свойства – это способность отдавать протон водорода.
А какая разница, протон, электрон – ведь всё опять возвращается на круги своя, к атомному радиусу!
Чем больше он, тем больше длина связи. Чем больше длина связи, тем легче отдавать те или иные частицы. Значит, по группе (сверху вниз) кислотные свойства водородных соединений УСИЛИВАЮТСЯ. Это, кстати, объясняет, почему плавиковую кислоту (HF) считают слабее, чем её соседей с нижних этажей – HCl, HBr, HI.
Пятое свойство упоминается не так часто, как четвёртое, но оно имеет место быть в том числе и в заданиях ЕГЭ. Будьте внимательны.
На сегодня всё, не забудьте определить ЧИСЛО НЕЙТРОНОВ ХЛОРА, в следующей статье мы рассмотрим детальнее этот вопрос (а заодно обсудим изотопы, атомную массу и многие другие интересные вещи) и проверим, правы ли вы в своих рассуждениях, поэтому не забудьте поставить лайк и подписаться на канал!
Крайне занятная таблица. Но если вы школьник, то учить её не стоит, одолейте хотя бы классику 🙂
Источник