Периодична система на химичните елементи на Д.И.Менделеев. Периодична система от елементи

Периодична система химически елементи- Това е класификация на химичните елементи, създадена от Д. И. Менделеев въз основа на открития от него през 1869 г. периодичен закон.

Д. И. Менделеев

Според съвременната формулировка на този закон, в непрекъсната поредица от елементи, подредени във възходящ ред на положителния заряд на ядрата на техните атоми, елементи с подобни свойства периодично се повтарят.

Периодичната система от химични елементи, представена под формата на таблица, се състои от периоди, серии и групи.

В началото на всеки период (с изключение на първия) има елемент с изразени метални свойства (алкален метал).

Символи за цветната таблица: 1 - химичен знак на елемента; 2 - име; 3 - атомна маса (атомно тегло); 4 - сериен номер; 5 - разпределение на електроните по слоевете.

С увеличаване на поредния номер на елемента, равен на стойността на положителния заряд на ядрото на неговия атом, металните свойства постепенно отслабват и се увеличават неметалните. Предпоследният елемент във всеки период е елемент с изразени неметални свойства (), а последният е инертен газ. В I период има 2 елемента, във II и III - по 8 елемента, в IV и V - по 18 елемента, в VI - 32 и в VII (незавършен период) - 17 елемента.

Първите три периода се наричат ​​малки периоди, всеки от тях се състои от един хоризонтален ред; останалите - в големи периоди, всеки от които (с изключение на VII период) се състои от два хоризонтални реда - четен (горен) и нечетен (долен). В четните редове с големи периоди има само метали. Свойствата на елементите в тези редове се променят леко с увеличаване на серийния номер. Свойствата на елементите в нечетни серии от големи периоди се променят. В период VI лантанът е последван от 14 елемента, които са много сходни по химични свойства. Тези елементи, наречени лантаниди, са изброени отделно под основната таблица. Актинидите, елементите след актиния, са представени по подобен начин в таблицата.

Таблицата има девет вертикални групи. Номерът на групата, с редки изключения, е равен на най-високата положителна валентност на елементите от тази група. Всяка група, с изключение на нула и осма, е разделена на подгрупи. - основен (разположен вдясно) и страничен. В основните подгрупи, с увеличаване на серийния номер, металните свойства на елементите се подобряват и неметалните свойства на елементите се отслабват.

По този начин, химически и серии физични свойстваелементи се определят от мястото, което даден елемент заема в периодичната система.

Биогенни елементи, т.е. елементи, които изграждат организмите и извършват определени биологична роля, заемат Горна частпериодични таблици. Клетките, заети от елементи, които съставляват по-голямата част (повече от 99%) от живата материя, са оцветени в синьо. розов цвят- клетки, заети от микроелементи (виж).

Периодичната система на химичните елементи е най-голямото постижение съвременна естествена наукаи ярък израз на най-общите диалектически закони на природата.

Вижте също, Атомно тегло.

Периодична система на химичните елементи - естествена класификацияхимически елементи, създадени от Д. И. Менделеев въз основа на открития от него през 1869 г. периодичен закон.

В първоначалната формулировка периодичният закон на Д. И. Менделеев гласи: свойствата на химичните елементи, както и формите и свойствата на техните съединения са в периодична зависимост от големината на атомните тегла на елементите. По-късно, с развитието на учението за структурата на атома, беше показано, че по-точна характеристика на всеки елемент не е атомното тегло (виж), а стойността на положителния заряд на ядрото на атома на елемент, равен на поредния (атомен) номер на този елемент в периодичната система на Д. И. Менделеев. Броят на положителните заряди в ядрото на атома е равен на броя на електроните, обграждащи ядрото на атома, тъй като атомите като цяло са електрически неутрални. В светлината на тези данни периодичният закон се формулира по следния начин: свойствата на химичните елементи, както и формите и свойствата на техните съединения, са в периодична зависимост от положителния заряд на ядрата на техните атоми. Това означава, че в непрекъсната поредица от елементи, подредени във възходящ ред на положителните заряди на ядрата на техните атоми, периодично ще се повтарят елементи с подобни свойства.

таблична форма периодична системахимични елементи е представена в неговата модерна форма. Състои се от периоди, серии и групи. Периодът представлява последователен хоризонтален ред от елементи, подредени във възходящ ред на положителния заряд на ядрата на техните атоми.

В началото на всеки период (с изключение на първия) има елемент с изразени метални свойства (алкален метал). След това, с увеличаване на серийния номер, металните свойства на елементите постепенно отслабват и неметалните свойства на елементите се увеличават. Предпоследният елемент във всеки период е елемент с изразени неметални свойства (халоген), а последният е инертен газ. I период се състои от два елемента, ролята алкален метали халогенът се изпълнява едновременно от водород. II и III периоди включват по 8 елемента, наречени Менделеев тип. IV и V периоди имат по 18 елемента, VI-32. VII период все още не е завършен и се допълва с изкуствено създадени елементи; в момента има 17 елемента в този период. I, II и III периоди се наричат ​​малки, всеки от тях се състои от един хоризонтален ред, IV-VII - големи: те (с изключение на VII) включват два хоризонтални реда - четен (горен) и нечетен (долен). В четните редове с големи периоди се срещат само метали, а промяната в свойствата на елементите в реда отляво надясно е слабо изразена.

В нечетни серии от големи периоди свойствата на елементите в серията се променят по същия начин, както свойствата на типичните елементи. В четен брой на периода VI след лантана следват 14 елемента [наречени лантаниди (виж), лантаниди, редкоземни елементи], подобни по химични свойства на лантана и един на друг. Техният списък е даден отделно под таблицата.

Отделно елементите след актиниевите актиниди (актиноиди) са изписани и дадени под таблицата.

В периодичната таблица на химичните елементи има девет вертикални групи. Номерът на групата е равен на най-високата положителна валентност (виж) на елементите от тази група. Изключенията са флуор (случва се само отрицателно едновалентен) и бром (не се случва седемвалентен); в допълнение, медта, среброто, златото могат да проявяват валентност, по-голяма от +1 (Cu-1 и 2, Ag и Au-1 и 3), а от елементите от група VIII само осмий и рутений имат валентност +8 . Всяка група, с изключение на осма и нула, е разделена на две подгрупи: основна (разположена вдясно) и вторична. Основните подгрупи включват типични елементи и елементи с големи периоди, вторичните - само елементи с големи периоди и освен това метали.

По отношение на химичните свойства елементите на всяка подгрупа от тази група се различават значително един от друг и само най-високата положителна валентност е еднаква за всички елементи от тази група. В основните подгрупи отгоре надолу металните свойства на елементите се увеличават, а неметалните отслабват (например франций е елемент с най-изразени метални свойства, а флуорът е неметален). По този начин мястото на даден елемент в периодичната система на Менделеев (сериен номер) определя неговите свойства, които са средната стойност на свойствата на съседните елементи вертикално и хоризонтално.

Някои групи от елементи имат специални имена. И така, елементите от основните подгрупи на група I се наричат ​​алкални метали, група II - алкалоземни метали, група VII - халогени, елементи, разположени зад урана - трансуран. Елементите, които влизат в състава на организмите, участват в метаболитните процеси и имат изразено биологична ролясе наричат ​​биогенни елементи. Всички те заемат горната част на таблицата на Д. И. Менделеев. Това е преди всичко O, C, H, N, Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg и Fe, които съставляват по-голямата част от живата материя (повече от 99%). Местата, заемани от тези елементи в периодичната таблица, са оцветени в светло синьо. Биогенните елементи, които са много малко в тялото (от 10 -3 до 10 -14%), се наричат ​​микроелементи (виж). В клетките на периодичната система, оцветени в жълто, са поставени микроелементи, чиято жизнена важност за човека е доказана.

Според теорията за структурата на атомите (виж Атом), химичните свойства на елементите зависят главно от броя на електроните във външната електронна обвивка. Периодична промяна в свойствата на елементите с увеличаване на положителния заряд атомни ядрапоради периодичното повторение на структурата на външната електронна обвивка (енергийно ниво) на атомите.

В малки периоди, с увеличаване на положителния заряд на ядрото, броят на електроните във външната обвивка нараства от 1 на 2 в период I и от 1 на 8 в периоди II и III. Оттук и промяната в свойствата на елементите в периода от алкален метал до инертен газ. Външната електронна обвивка, съдържаща 8 електрона, е пълна и енергийно стабилна (елементите от нулевата група са химически инертни).

В големи периоди в равни редове, с увеличаване на положителния заряд на ядрата, броят на електроните във външната обвивка остава постоянен (1 или 2) и втората външна обвивка се запълва с електрони. Оттук и бавната промяна на свойствата на елементите в четните редове. В нечетни серии от дълги периоди, с увеличаване на заряда на ядрата, външната обвивка се запълва с електрони (от 1 до 8) и свойствата на елементите се променят по същия начин, както при типичните елементи.

Броят на електронните обвивки в атома е равен на номера на периода. Атомите на елементите от главните подгрупи имат брой електрони на външните си обвивки, равен на номера на групата. Атомите на елементите от вторичните подгрупи съдържат един или два електрона на външните обвивки. Това обяснява разликата в свойствата на елементите на главните и вторичните подгрупи. Номерът на групата показва възможния брой електрони, които могат да участват в образуването на химични (валентни) връзки (виж Молекула), следователно такива електрони се наричат ​​валентни. За елементи от вторични подгрупи валентни са не само електроните на външните обвивки, но и предпоследните. Броят и структурата на електронните обвивки са посочени в приложената периодична таблица на химичните елементи.

Периодичният закон на Д. И. Менделеев и системата, базирана на него, имат изключително голямо значениев науката и практиката. Периодичният закон и системата са в основата на откриването на нови химични елементи, точно определениетехните атомни тегла, развитието на учението за структурата на атомите, установяването на геохимичните закони за разпределение на елементите в земната кораи развитие съвременни идеиза живата материя, чийто състав и свързаните с нея закони са в съответствие с периодичната система. Биологичната активност на елементите и съдържанието им в организма също до голяма степен се определят от мястото, което заемат в периодичната система на Менделеев. Така че, с увеличаване на серийния номер в редица групи, токсичността на елементите се увеличава и съдържанието им в тялото намалява. Периодичният закон е ярък израз на най-общите диалектически закони на развитието на природата.

Графичното представяне на Периодичния закон е Периодичната система (таблица). Хоризонталните редове на системата се наричат ​​периоди, а вертикалните колони се наричат ​​групи.

Общо в системата има 7 периода (таблица), като номерът на периода е равен на броя на електронните слоеве в атома на елемента, номера на външното (валентно) енергийно ниво и стойността на основното квантово число за най-високото енергийно ниво. Всеки период (с изключение на първия) започва с s-елемент - активен алкален метал и завършва с инертен газ, който се предхожда от p-елемент - активен неметал (халоген). Ако се движим по периода отляво надясно, тогава с увеличаване на заряда на ядрата на атомите на химични елементи с малки периоди, броят на електроните на външно енергийно ниво ще се увеличи, в резултат на което свойствата на елементите се променят - от типично метални (тъй като в началото на периода има активен алкален метал), през амфотерни (елементът проявява свойства както на метали, така и на неметали) до неметални (активен неметал - халоген в края на периода), т.е. металните свойства постепенно отслабват, а неметалните се увеличават.

В големи периоди, с увеличаване на ядрения заряд, запълването на електрони е по-трудно, което обяснява по-сложна промяна в свойствата на елементите в сравнение с елементите с малки периоди. И така, в четни редици от дълги периоди, с увеличаване на ядрения заряд, броят на електроните във външното енергийно ниво остава постоянен и равен на 2 или 1. Следователно, докато следващото ниво след външното (второто отвън) се запълва с електрони, свойствата на елементите в четни редове се променят бавно. При преминаване към нечетни редове, с увеличаване на ядрения заряд, броят на електроните във външното енергийно ниво се увеличава (от 1 до 8), свойствата на елементите се променят по същия начин, както при малки периоди.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вертикалните колони в периодичната система са групи от елементи с подобна електронна структура и са химични аналози. Групите са обозначени с римски цифри от I до VIII. Разграничават се главните (А) и вторичните (В) подгрупи, първата от които съдържа s- и p-елементи, втората - d - елементи.

Номерът на подгрупата A показва броя на електроните във външното енергийно ниво (броя на валентните електрони). За елементи от B-подгрупи няма пряка връзка между номера на групата и броя на електроните във външното енергийно ниво. В А-подгрупите металните свойства на елементите нарастват, а неметалните намаляват с увеличаване на заряда на ядрото на атома на елемента.

Съществува връзка между позицията на елементите в Периодичната система и структурата на техните атоми:

- атомите на всички елементи от един и същи период имат еднакъв брой енергийни нива, частично или напълно запълнени с електрони;

— атомите на всички елементи от подгрупи А имат равен брой електрони на външно енергийно ниво.

План за характеризиране на химичен елемент въз основа на позицията му в периодичната система

Обикновено характеристика на химичен елемент въз основа на неговото положение в периодичната система се дава съгласно следния план:

- посочете символа на химичния елемент, както и името му;

- посочва се пореден номер, номер на периода и група (тип подгрупа), в която се намира елементът;

- посочват ядрения заряд, масовото число, броя на електроните, протоните и неутроните в атома;

- записвам електронна конфигурацияи посочете валентни електрони;

- начертайте електронно-графични формули за валентни електрони в основно и възбудено (по възможност) състояние;

- посочете семейството на елемента, както и неговия тип (метал или неметал);

- сравняват свойствата на просто вещество със свойствата на прости вещества, образувани от елементи, съседни в подгрупа;

- сравняват свойствата на просто вещество със свойствата на прости вещества, образувани от елементи, съседни в период;

- посочете формулите на висшите оксиди и хидроксиди с Кратко описаниетехните свойства;

- посочете стойностите на минималните и максималните степени на окисление на химичен елемент.

Характеристики на химичен елемент, използвайки магнезий (Mg) като пример

Помислете за характеристиките на химичен елемент, като използвате примера на магнезий (Mg) съгласно описания по-горе план:

1. Mg - магнезий.

2. Пореден номер - 12. Елементът е в период 3, във II група, А (главна) подгрупа.

3. Z=12 (ядрен заряд), M=24 (масово число), e=12 (брой електрони), p=12 (брой протони), n=24-12=12 (брой неутрони).

4. 12 Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 – електронна конфигурация, валентни електрони 3s 2 .

5. Основно състояние

възбудено състояние

6. s-елемент, метал.

7. Най-високият оксид - MgO - проявява основните свойства:

MgO + H 2 SO 4 \u003d MgSO 4 + H 2 O

MgO + N 2 O 5 \u003d Mg (NO 3) 2

Като магнезиев хидроксид съответства основата Mg (OH) 2, която проявява всички типични свойства на основите:

Mg(OH) 2 + H 2 SO 4 = MgSO 4 + 2H 2 O

8. Степента на окисление "+2".

9. Метални свойствав магнезия те са по-изразени, отколкото в берилия, но по-слаби, отколкото в калция.

10. Металните свойства на магнезия са по-слабо изразени от тези на натрия, но по-силни от тези на алуминия (съседни елементи от 3-ти период).

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Периодичната система на химичните елементи е класификация на химичните елементи, основана на определени характеристики на структурата на атомите на химичните елементи. Съставен е въз основа на Периодичния закон, открит през 1869 г. от Д. И. Менделеев. По това време Периодичната система включва 63 химични елемента и се различава по външен вид от съвременната. Сега Периодичната система включва около сто и двадесет химични елемента.

Периодичната система е съставена под формата на таблица, в която са подредени химичните елементи определен ред: тъй като техните атомни маси се увеличават. Сега има много видове изображения на периодичната система. Най-често срещаното е изображение под формата на таблица с подреждане на елементи отляво надясно.

Всички химични елементи в Периодичната система са групирани в периоди и групи. Периодичната система включва седем периода и осем групи. Периодите се наричат ​​хоризонтални редове от химични елементи, в които свойствата на елементите се променят от типични метални към неметални. Вертикални колони от химични елементи, които съдържат елементи с подобни химични свойства, образуват групи от химични елементи.

Първият, вторият и третият период се наричат ​​малки, защото съдържат бр голям бройелементи (първият - два елемента, вторият и третият - по осем елемента). Елементите от втория и третия период се наричат ​​типични, техните свойства редовно се променят от типичен метал до инертен газ.

Всички останали периоди се наричат ​​големи (четвъртият и петият съдържат по 18 елемента, шестият - 32 и седмият - 24 елемента). Особено сходство на свойствата се показва от елементи, разположени в големи периоди, в края на всеки четен ред. Това са така наречените триади: Ферум – Кобалт – Никол, които образуват семейството на желязото и други две: Рутений – Родий – Паладий и Осмий – Иридий – Платина, които образуват семейството на платиновите метали (платиноиди).

В долната част на таблицата на Д. И. Менделеев са химичните елементи, които образуват семейството на лантанидите и семейството на актинидите. Всички тези елементи формално са включени в третата група и идват след химичните елементи лантан (номер 57) и актиний (номер 89).

Периодичната таблица на елементите съдържа десет реда. Малките периоди (първи, втори и трети) се състоят от един ред, големите периоди (четвърти, пети и шести) съдържат по два реда. В седмия период има един ред.

всеки голям периодсе състои от четни и нечетни редове. Сдвоените редове съдържат метални елементи, в нечетните редове свойствата на елементите се променят по същия начин, както в типичните елементи, т.е. от метален до изразен неметален.

Всяка група от таблицата на Д. И. Менделеев се състои от две подгрупи: основна и второстепенна. Съставът на основните подгрупи включва елементи както от малки, така и от големи периоди, т.е. основните подгрупи започват или от първия, или от втория период. Вторичните подгрупи включват елементи само от големи периоди, т.е. страничните подгрупи започват едва от четвъртия период.

Всеки, който е ходил на училище, помни, че един от задължителните предмети за изучаване беше химията. Тя може да го хареса или може да не го хареса - няма значение. И вероятно много знания в тази дисциплина вече са забравени и не се прилагат в живота. Въпреки това, вероятно всеки си спомня таблицата на химичните елементи на Д. И. Менделеев. За мнозина тя остава многоцветна таблица, където във всеки квадрат са вписани определени букви, обозначаващи имената на химичните елементи. Но тук няма да говорим за химията като такава, а ще опишем стотици химична реакцияи процеси, но ще говорим за това как се появи периодичната таблица като цяло - тази история ще бъде от интерес за всеки човек и наистина за всички, които са гладни за интересна и полезна информация.

Малко предистория

Още през 1668 г. изключителният ирландски химик, физик и теолог Робърт Бойл публикува книга, в която са развенчани много митове за алхимията и в която той говори за необходимостта от търсене на неразложими химични елементи. Ученият дава и техен списък, състоящ се само от 15 елемента, но допуска идеята, че може да има повече елементи. Това стана отправна точка не само в търсенето на нови елементи, но и в тяхното систематизиране.

Сто години по-късно френският химик Антоан Лавоазие съставя нов списък, който вече включва 35 елемента. 23 от тях по-късно се оказват неразложими. Но търсенето на нови елементи продължи от учени по целия свят. И основната роля в този процес изигра известният руски химик Дмитрий Иванович Менделеев - той пръв изложи хипотезата, че може да има връзка между атомната маса на елементите и тяхното разположение в системата.

Благодарение на усърдна работа и сравнение на химични елементи, Менделеев успява да открие връзка между елементите, в която те могат да бъдат едно цяло, а свойствата им не са нещо, което се приема за даденост, а са периодично повтарящо се явление. В резултат на това през февруари 1869 г. Менделеев формулира първия периодичен закон, а през март неговият доклад „Връзката на свойствата с атомното тегло на елементите“ е представен на Руското химическо общество от историка на химията Н. А. Меншуткин. След това през същата година публикацията на Менделеев е публикувана в списанието Zeitschrift fur Chemie в Германия, а през 1871 г. нова обширна публикация на учения, посветена на откритието му, е публикувана от друго немско списание Annalen der Chemie.

Създаване на периодична таблица

Основната идея към 1869 г. вече е била формирана от Менделеев и то доста дълго кратко време, но дълго време не можеше да го подреди в някаква подредена система, която ясно да показва какво има. В един от разговорите с колегата си А. А. Иностранцев той дори каза, че всичко вече се е развило в главата му, но не може да донесе всичко на масата. След това, според биографите на Менделеев, той започва да усърдна работанад масата му, което продължи три дни без прекъсвания за сън. Бяха подредени всякакви начини за организиране на елементите в таблица и работата се усложняваше от факта, че по това време науката все още не знаеше за всички химични елементи. Но въпреки това таблицата все още беше създадена и елементите бяха систематизирани.

Легенда за съня на Менделеев

Мнозина са чували историята, че Д. И. Менделеев мечтае за масата си. Тази версия беше активно разпространена от гореспоменатия колега на Менделеев, А. А. Иностранцев, като забавна история, с която той забавляваше учениците си. Той каза, че Дмитрий Иванович си легнал и насън ясно видял масата си, в която били подредени всички химически елементи правилен ред. След това студентите дори се пошегуваха, че водка 40° е открита по същия начин. Но все пак имаше реални предпоставки за историята на съня: както вече беше споменато, Менделеев работеше на масата без сън и почивка, а Иностранцев веднъж го намери уморен и изтощен. Следобед Менделеев реши да си вземе почивка и известно време по-късно се събуди внезапно, веднага взе лист хартия и изобрази на него вече готова маса. Но самият учен опроверга цялата тази история със сън, като каза: „Мислех за това от може би двадесет години и си мислите: седях и изведнъж ... е готово.“ Така че легендата за съня може да е много привлекателна, но създаването на масата е възможно само чрез упорит труд.

По-нататъшна работа

В периода от 1869 до 1871 г. Менделеев развива идеите за периодичност, към които научната общност е склонна. И една от най-важните стъпки този процесимаше разбиране, което всеки елемент в системата трябва да притежава въз основа на съвкупността от неговите свойства в сравнение със свойствата на други елементи. Въз основа на това, както и въз основа на резултатите от изследването на промяната на стъклообразуващите оксиди, химикът успява да промени стойностите на атомните маси на някои елементи, сред които са уран, индий, берилий и други.

Разбира се, Менделеев искаше възможно най-скоро да запълни празните клетки, останали в таблицата, и през 1870 г. той предсказа, че скоро ще бъдат открити неизвестни на науката химични елементи, чиито атомни маси и свойства той успя да изчисли. Първите от тях са галий (открит през 1875 г.), скандий (открит през 1879 г.) и германий (открит през 1885 г.). След това прогнозите продължават да се изпълняват и са открити още осем нови елемента, сред които: полоний (1898), рений (1925), технеций (1937), франций (1939) и астат (1942-1943). Между другото, през 1900 г. Д. И. Менделеев и шотландският химик Уилям Рамзи стигнаха до извода, че елементите от нулевата група също трябва да бъдат включени в таблицата - до 1962 г. те се наричаха инертни, а след това - благородни газове.

Организация на периодичната система

Химичните елементи в таблицата на Д. И. Менделеев са подредени в редове, в съответствие с нарастването на масата им, а дължината на редовете е избрана така, че елементите в тях да имат сходни свойства. Например благородни газове като радон, ксенон, криптон, аргон, неон и хелий не реагират лесно с други елементи и също имат ниска химическа активност, поради което се намират в най-дясната колона. А елементите от лявата колона (калий, натрий, литий и т.н.) реагират перфектно с други елементи, а самите реакции са експлозивни. Казано по-просто, във всяка колона елементите имат подобни свойства, вариращи от една колона до друга. Всички елементи до No92 се срещат в природата, а с No93 започват изкуствените елементи, които могат да бъдат създадени само в лаборатория.

В първоначалния си вариант периодичната система се разбираше само като отражение на съществуващия в природата ред и нямаше обяснения защо всичко трябва да е така. И едва когато се появи квантова механика, стана ясно истинското значение на реда на елементите в таблицата.

Уроци по творчески процес

Говорейки за това какви уроци може да научи творческият процес от цялата история на сътворението периодичната таблицаД. И. Менделеев, могат да се цитират като пример идеите на английския изследовател в областта на творческото мислене Греъм Уолъс и френския учен Анри Поанкаре. Нека ги разгледаме накратко.

Според Поанкаре (1908) и Греъм Уолъс (1926) има четири основни етапа в творческото мислене:

• обучение- етапът на формулиране на основната задача и първите опити за нейното решаване;
• Инкубация- етапът, през който има временно отвличане на вниманието от процеса, но работата по намирането на решение на проблема се извършва на подсъзнателно ниво;
• прозрение- етапът, на който се намира интуитивното решение. Освен това това решение може да се намери в ситуация, която абсолютно не е свързана със задачата;
• Преглед- етапът на тестване и внедряване на решението, на който се извършва проверката на това решение и евентуалното му по-нататъшно развитие.

Както виждаме, в процеса на създаване на своята таблица Менделеев интуитивно следва тези четири етапа. Колко ефективно е това може да се съди по резултатите, т.е. тъй като таблицата е създадена. И като се има предвид, че създаването му беше огромна крачка напред не само за химическата наука, но и за цялото човечество, горните четири етапа могат да бъдат приложени както за изпълнението на малки проекти, така и за изпълнението на глобални планове. Основното нещо, което трябва да запомните, е, че нито едно откритие, нито едно решение на проблем не може да бъде намерено само по себе си, колкото и да искаме да ги видим насън и колкото и да спим. За да успеете, независимо дали става въпрос за създаване на таблица с химични елементи или разработване на нов маркетингов план, трябва да имате определени знания и умения, както и умело да използвате потенциала си и да работите усилено.

Желаем ви успех в начинанията и успешно изпълнениезамислен!

Периодичната система на химичните елементи е естествена класификация на химичните елементи, която е графичен (табличен) израз на периодичния закон на химичните елементи. Неговата структура, в много отношения подобна на съвременната, е разработена от Д. И. Менделеев въз основа на периодичния закон през 1869-1871 г.

Прототипът на периодичната система беше „Опитът на система от елементи, базирана на техните атомно теглои химическа връзка", съставен от Д. И. Менделеев на 1 март 1869 г. В продължение на две години ученият непрекъснато подобрява "Опитът на системата", въвежда концепцията за групи, серии и периоди на елементи. В резултат на това структурата на периодичната система придоби в много отношения съвременни очертания.

Важно за нейната еволюция беше концепцията за мястото на елемента в системата, определено от номерата на групата и периода. Въз основа на тази концепция Менделеев стига до извода, че е необходимо да се променят атомните маси на някои елементи: уран, индий, церий и неговите спътници. Това беше първото практическа употребапериодична система. Менделеев беше и първият, който предсказа съществуването на няколко неизвестни елемента. Ученият описа най-важните свойстваекаалуминий (бъдещият галий), екабора (скандий) и екасилиций (германий). Освен това той прогнозира съществуването на аналози на манган (бъдещи технеций и рений), телур (полоний), йод (астат), цезий (франций), барий (радий), тантал (протактиний). Прогнозите на учения по отношение на тези елементи бяха общ характер, тъй като тези елементи са били разположени в слабо проучени региони на периодичната система.

Първите версии на периодичната система в много отношения представляват само емпирично обобщение. В крайна сметка физическият смисъл на периодичния закон не беше ясен, нямаше обяснение на причините за периодичната промяна на свойствата на елементите в зависимост от увеличаването на атомните маси. В резултат на това много проблеми останаха нерешени. Има ли граници на периодичната система? Възможно ли е да се определи точният брой на съществуващите елементи? Структурата на шестия период остана неясна - какво е точното количество редкоземни елементи. Не беше известно дали все още има елементи между водорода и лития, каква е структурата на първия период. Следователно, чак до физическото обосноваване на периодичния закон и развитието на теорията на периодичната система, са възниквали сериозни трудности повече от веднъж. Неочаквано е откритието през 1894-1898 г. галактика от инертни газове, която сякаш нямаше място в периодичната таблица. Тази трудност беше елиминирана благодарение на идеята за включване на независима нулева група в структурата на периодичната система. Масово откриване на радиоелементи в началото на 19-ти и 20-ти век. (до 1910 г. броят им е около 40) доведе до остро противоречие между необходимостта от поставянето им в периодичната система и съществуващата й структура. За тях в шестия и седмия период имаше само 7 свободни места. Този проблем беше решен в резултат на установяването на правилата за смяна и откриването на изотопи.

Една от основните причини за невъзможността да се обясни физическият смисъл на периодичния закон и структурата на периодичната система беше, че не беше известно как е построен атомът. Най-важният крайъгълен камък в развитието на периодичната система е създаването на атомния модел от Е. Ръдърфорд (1911). Въз основа на това холандският учен А. Ван ден Брук (1913) предполага, че поредният номер на елемент в периодичната система е числено равен на заряда на ядрото на неговия атом (Z). Това е експериментално потвърдено от английския учен Г. Моузли (1913 г.). Периодичният закон получи физическа обосновка: периодичността на промените в свойствата на елементите започна да се разглежда в зависимост от Z-заряда на атомното ядро ​​на елемента, а не от атомната маса.

В резултат на това структурата на периодичната система е значително укрепена. Определено е долната линиясистеми. Това е водородът, елементът с минимално Z = 1. Стана възможно точно да се оцени броят на елементите между водорода и урана. Бяха идентифицирани „пропуски“ в периодичната система, съответстващи на неизвестни елементи с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87. Въпросите за точния брой на редкоземните елементи обаче останаха неясни и, най-важното, причините за не са разкрити периодичните промени в свойствата на елементите в зависимост от Z.

Въз основа на сегашната структура на периодичната система и резултатите от изследването на атомните спектри, датският учен Н. Бор през 1918-1921 г. развива идеи за последователността на изграждане на електронни обвивки и подобвивки в атомите. Ученият стигнал до извода, че подобни типове електронни конфигурации на атомите се повтарят периодично. По този начин беше показано, че периодичността на промените в свойствата на химичните елементи се обяснява с наличието на периодичност в изграждането на електронни обвивки и подобвивки на атомите.

В момента периодичната система обхваща 126 елемента. От тях всички трансуранови елементи (Z = 93-107), както и елементи с Z = 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат), 87 (франций) са получени по изкуствен път. През цялата история на съществуването на периодичната система са предложени голям брой (> 500) нейни варианти. графично изображение, главно под формата на таблици, но също и под формата на различни геометрични форми(пространствени и равнинни), аналитични криви (спирали и др.) и др. Най-широко приложение намират късата, дългата и стълбичатата форма на таблиците.

В момента се предпочита късата.

Основният принцип за изграждане на периодичната система е нейното разделяне на групи и периоди. Концепцията на Менделеев за редове от елементи в момента не се използва, тъй като е лишена от физическо значение. Групите от своя страна се делят на главни (а) и вторични (б) подгрупи. Всяка подгрупа съдържа елементи - химични аналози. Елементите на a- и b-подгрупите в повечето групи също показват известно сходство помежду си, главно в по-високи степени на окисление, които като правило са равни на номера на групата. Периодът е набор от елементи, който започва с алкален метал и завършва с инертен газ (специален случай е първият период). Всеки период съдържа строго определен брой елементи. Периодичната система се състои от осем групи и осем периода.

Особеност първи периоде, че съдържа само 2 елемента: водород и хелий. Мястото на водорода в системата е двусмислено. Тъй като проявява свойства, общи с алкалните метали и халогените, той се поставя или в Iaα-, или в VIIaα - подгрупа, като последният вариант се използва по-често. Хелият е първият представител на VIIIa подгрупа. За дълго времехелият и всички инертни газове бяха отделени в независима нулева група. Тази разпоредба изискваше преразглеждане след синтеза химични съединениякриптон, ксенон и радон. В резултат на това инертните газове и елементите от предишната група VIII (желязо, кобалт, никел и платинени метали) бяха комбинирани в една група. Тази опция не е перфектна, тъй като инертността на хелий и неон е извън съмнение.

Втори периодсъдържа 8 елемента. Започва с алкалния метал литий, чиято единствена степен на окисление е +1. Следва берилий (метал, степен на окисление +2). Борът вече проявява слабо изразен метален характер и е неметал (степен на окисление +3). Освен бора, въглеродът е типичен неметал, който проявява както +4, така и -4 степени на окисление. Азотът, кислородът, флуорът и неонът са всички неметали, а при азота най-високата степен на окисление +5 съответства на номера на групата; за флуора е известно, че степента на окисление е +7. Инертният газ неон допълва периода.

Трети период(натрий - аргон) също съдържа 8 елемента. Характерът на изменението на техните свойства е до голяма степен подобен на наблюдавания при елементите от втория период. Но има и своя специфика. И така, магнезият, за разлика от берилия, е по-метален, както и алуминият в сравнение с бора. Силицият, фосфорът, сярата, хлорът, аргонът са типични неметали. И всички те, с изключение на аргона, показват най-високи степени на окисление, равни на номера на групата.

Както виждаме, и в двата периода с нарастване на Z се наблюдава отслабване на металните и засилване на неметалните свойства на елементите. Д. И. Менделеев нарече елементите на втория и третия период (по думите му малки) типични. Елементите на малките периоди са сред най-често срещаните в природата. Въглеродът, азотът и кислородът (заедно с водорода) са органогени, т.е. основни елементи на органичната материя.

Всички елементи от първи-трети периоди са поставени в а-подгрупи.

Четвърти период(калий - криптон) съдържа 18 елемента. Според Менделеев това е първият голям период. След алкалния метал калий и алкалоземния метал калций следва поредица от елементи, състоящи се от 10 т. нар. преходни метали (скандий - цинк). Всички те принадлежат към b-подгрупи. Повечето преходни метали показват по-високи степени на окисление, равни на номера на групата, с изключение на желязото, кобалта и никела. Елементите от галий до криптон принадлежат към а-подгрупите. Криптонът, за разлика от предишните инертни газове, може да образува химически съединения.

Пети период(рубидий - ксенон) по своята конструкция е подобен на четвъртия. Съдържа и вложка от 10 преходни метала (итрий - кадмий). Елементите на този период имат свои собствени характеристики. В триадата рутений - родий - паладий са известни съединения за рутений, където той показва степен на окисление +8. Всички елементи от a-подгрупите показват най-високи степени на окисление, равни на номера на групата, с изключение на ксенона. Вижда се, че характеристиките на промяната на свойствата на елементите от четвъртия и петия период с нарастване на Z са по-сложни в сравнение с втория и третия период.

Шести период(цезий - радон) включва 32 елемента. В този период, освен 10 преходни метала (лантан, хафний - живак), има и набор от 14 лантанида - от церий до лутеций. Елементите от церий до лутеций са химически много сходни и поради тази причина отдавна са включени в семейството на редкоземните елементи. В кратката форма на периодичната система лантанидната серия е включена в лантановата клетка и декодирането на тази серия е дадено в долната част на таблицата.

Каква е спецификата на елементите на шестия период? В триадата осмий - иридий - платина степента на окисление +8 е известна за осмий. Астатът има доста ясно изразен метален характер. Радонът е може би най-реактивният от всички инертни газове. За съжаление, поради факта, че е силно радиоактивен, химията му е малко проучена.

Седми периодзапочва с франция. Подобно на шестия, той също трябва да съдържа 32 елемента. Франций и радий, съответно, са елементи от Iaα- и IIaα-подгрупи, актиний принадлежи към IIIb-подгрупа. Най-често срещаната идея е за семейството на актинидите, което включва елементи от торий до лауренций и е подобно на лантанидите. Декодирането на този ред от елементи също е дадено в долната част на таблицата.

Сега нека да видим как се променят свойствата на химичните елементи в подгрупите на периодичната система. Основният модел на тази промяна е засилването на металната природа на елементите с увеличаване на Z. Този модел е особено ясно изразен в подгрупите IIIaα-VIIaα. За металите от Iaα-IIIaα-подгрупите се наблюдава повишаване на химичната активност. При елементите от подгрупите IVaα - VIIaα с увеличаване на Z се наблюдава отслабване на химичната активност на елементите. За елементи от b-подгрупи промяната в химичната активност е по-трудна.

Теорията на периодичната система е разработена от Н. Бор и други учени през 20-те години на миналия век. 20-ти век и се основава на реална схема за образуване на електронни конфигурации на атомите. Според тази теория, с увеличаването на Z, запълването на електронни обвивки и подобвивки в атомите на елементите, включени в периодите на периодичната система, се извършва в следната последователност:

Цифри на периода

Въз основа на теорията на периодичната система може да се даде следната дефиниция на период: периодът е колекция от елементи, която започва с елемент със стойност n, равна на номера на периода и l \u003d 0 (s-елементи ) и завършва с елемент със същата стойност на n и l \u003d 1 (p- елементи). Изключение прави първият период, съдържащ само 1s елементи. Броят на елементите в периодите следва от теорията на периодичната система: 2, 8, 8, 18, 18, 32 ...

В приложения цветен раздел символите на елементите от всеки тип (s-, p-, d- и f-елементи) са изобразени на определен цветен фон: s-елементи - на червено, p-елементи - на оранжево, d-елементи - на синьо, f -елементи - на зелено. Всяка клетка съдържа серийните номера и атомните маси на елементите, както и електронните конфигурации на външните електронни обвивки, които основно определят химичните свойства на елементите.

От теорията на периодичната система следва, че към a-подгрупите принадлежат елементи с n, равно на номера на периода и l = 0 и 1. B-подгрупите включват онези елементи, в чиито атоми са завършени черупките, които преди това са останали незавършени. Ето защо първият, вторият и третият период не съдържат елементи от b-подгрупи.

Структурата на периодичната система от елементи е тясно свързана със структурата на атомите на химичните елементи. С нарастването на Z подобни типове конфигурация на външните електронни обвивки периодично се повтарят. Именно те определят основните характеристики на химичното поведение на елементите. Тези особености се проявяват по различен начин за елементите от a-подгрупите (s- и p-елементи), за елементите от b-подгрупите (преходни d-елементи) и елементите от f-семействата - лантаниди и актиниди. Специален случайпредставляват елементите от първия период - водород и хелий. Водородът се характеризира с висока химическа активност, тъй като неговият единствен 1s електрон лесно се отцепва. В същото време конфигурацията на хелия (1s 2) е много стабилна, което обуславя пълната му химическа неактивност.

За елементи от a-подгрупи външните електронни обвивки са запълнени (с n равно на номера на периода); следователно свойствата на тези елементи се променят забележимо с увеличаването на Z. Така през втория период литий (конфигурация 2s) - активен метал, лесно губене на един валентен електрон; берилият (2s 2) също е метал, но по-малко активен поради факта, че неговите външни електрони са по-здраво свързани с ядрото. Освен това, борът (2s 2 p) има слабо изразен метален характер и всички следващи елементи от втория период, в който се извършва изграждането на 2p подобвивка, вече са неметали. Осемелектронната конфигурация на външната електронна обвивка на неона (2s 2 p 6) - инертен газ - е много силна.

Химичните свойства на елементите от втория период се обясняват с желанието на техните атоми да придобият електронната конфигурация на най-близкия инертен газ (хелийната конфигурация за елементи от литий до въглерод или неонова конфигурация за елементи от въглерод до флуор). Ето защо, например, кислородът не може да прояви по-висока степен на окисление, равна на номера на групата: в края на краищата за него е по-лесно да постигне неонова конфигурация чрез придобиване на допълнителни електрони. Същият характер на промяната на свойствата се проявява в елементите на третия период и в s- и p-елементите на всички следващи периоди. В същото време отслабването на силата на връзката между външните електрони и ядрото в a-подгрупи с увеличаване на Z се проявява в свойствата на съответните елементи. По този начин за s-елементите има забележимо повишаване на химическата активност с увеличаване на Z, а за p-елементите - повишаване на металните свойства.

В атомите на преходните d-елементи незавършените преди това обвивки се допълват със стойността на главното квантово число n, едно по-малко от номера на периода. С някои изключения, конфигурацията на външните електронни обвивки на атомите на преходния елемент е ns 2 . Следователно всички d-елементи са метали и затова промените в свойствата на d-елементите с увеличаване на Z не са толкова резки, колкото видяхме в s- и p-елементи. В по-високи степени на окисление d-елементите показват известно сходство с p-елементите от съответните групи на периодичната система.

Характеристиките на свойствата на елементите на триадите (VIII b-подгрупа) се обясняват с факта, че d-подчерупките са близо до завършване. Ето защо желязото, кобалтът, никелът и платиновите метали като правило не са склонни да дават съединения с по-високи степени на окисление. Единствените изключения са рутеният и осмият, които дават оксидите RuO 4 и OsO 4 . За елементи от Ib- и IIb-подгрупи, d-подобвивката всъщност се оказва пълна. Следователно, те показват степени на окисление, равни на номера на групата.

В атомите на лантанидите и актинидите (всички те са метали) завършването на преди това непълни електронни обвивки става със стойността на основното квантово число n с две единици по-малко от номера на периода. В атомите на тези елементи конфигурацията на външната електронна обвивка (ns 2) остава непроменена. В същото време f-електроните всъщност не влияят на химичните свойства. Ето защо лантанидите са толкова сходни.

При актинидите ситуацията е много по-сложна. В диапазона на ядрените заряди Z = 90 - 95, електроните 6d и 5f могат да участват в химични взаимодействия. И от това следва, че актинидите проявяват много по-широк диапазон от степени на окисление. Например за нептуний, плутоний и америций са известни съединения, при които тези елементи действат в седемвалентно състояние. Само за елементи, започващи от курий (Z = 96), тривалентното състояние става стабилно. По този начин свойствата на актинидите се различават значително от тези на лантанидите и следователно двете семейства не могат да се считат за подобни.

Семейството на актинидите завършва с елемент с Z = 103 (лауренций). Степен химични свойствакурчатовий (Z = 104) и нилсборий (Z = 105) показва, че тези елементи трябва да бъдат аналози съответно на хафний и тантал. Следователно учените смятат, че след семейството на актинидите в атомите започва систематичното запълване на 6d подобвивката.

Крайният брой елементи, които обхваща периодичната система, е неизвестен. Нейният проблем Горна граница- това е може би основната загадка на периодичната система. Повечето тежък елементкойто е открит в природата е плутоний (Z = 94). Достигнатата граница на изкуствения ядрен синтез е елемент с атомен номер 118. Остава въпросът дали ще могат да се получат елементи с по-високи атомни номера, кои и колко? Все още не може да се отговори със сигурност.

Използвайки най-сложните изчисления, извършени на електронни компютри, учените се опитаха да определят структурата на атомите и да оценят най-важните свойства на такива "суперелементи", до огромни серийни номера (Z = 172 и дори Z = 184). Получените резултати бяха доста неочаквани. Например в атома на елемент с Z = 121 се предполага появата на 8p електрон; това е след завършване на формирането на подобвивката 85 в атомите с Z = 119 и 120. Но появата на p-електрони след s-електрони се наблюдава само в атоми на елементи от втория и третия период. Изчисленията показват също, че в елементите на хипотетичния осми период запълването на електронните обвивки и подобвивки на атомите става в много сложна и особена последователност. Следователно да се оценят свойствата на съответните елементи е много труден проблем. Изглежда, че осмият период трябва да съдържа 50 елемента (Z = 119-168), но според изчисленията той трябва да завърши на елемента с Z = 164, т.е. 4 поредни номера по-рано. А "екзотичният" девети период, оказва се, трябва да се състои от 8 елемента. Ето неговия "електронен" рекорд: 9s 2 8p 4 9p 2 . С други думи, той ще съдържа само 8 елемента, като втория и третия период.

Трудно е да се каже доколко изчисленията, направени с помощта на компютър, биха отговаряли на истината. Въпреки това, ако те бъдат потвърдени, тогава ще бъде необходимо сериозно да се преразгледат моделите, лежащи в основата на периодичната система от елементи и нейната структура.

Периодичната система е играла и продължава да играе огромна роля в развитието различни областиприродни науки. Това беше най-важното постижение на атомната и молекулярната наука, допринесло за появата модерна концепция„химичен елемент“ и изясняване на понятията за прости веществаи връзки.

Законите, разкрити от периодичната система, оказаха значително влияние върху развитието на теорията за структурата на атомите, откриването на изотопите и появата на идеи за ядрената периодичност. С периодичната система е свързана строго научна постановка на проблема с прогнозирането в химията. Това се проявява в предсказването на съществуването и свойствата на неизвестни елементи и нови характеристики на химическото поведение на вече открити елементи. Сега периодичната система е в основата на химията, предимно неорганична, което значително помага за решаването на проблема химичен синтезвещества с предварително определени свойства, разработване на нови полупроводникови материали, избор на специфични катализатори за различни химични процеси и др. И накрая, периодичната система е в основата на преподаването на химия.