Периодический закон Менделеева

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

История открытия периодического закона и периодической системы

Первые попытки классификации элементов относятся к концу 18-началу 19 вв. Особенно же богат работами в этой области 19 век, что связано с открытием и исследованием многих новых элементов. Первоначально классификацию основывали лишь на резко выраженных физических или химических свойствах. Так, в конце 18-начале 19 вв. возникло деление элементов на металлы и неметаллы (А. Лавуазье, Я. Берцелиус). В начале 19 в. с развитием идей химической атомистики и методов химического анализа, появились первые попытки систематизации элементов по их атомным весам, признанным основной количественной характеристикой элемента.

В 1864 г. Лотар Мейер изложил в монографии «Современные теории химии и их значение для химической статистики» имевшиеся литературные данные по вопросу о соотношении атомных весов родственных элементов и привел таблицу, где показал такие соотношения для нескольких характерных групп. Каких-либо теоретических обобщений из своей таблицы Мейер не вывел. Таким образом, ни в одной из работ по классификации химических элементов, предшествовавших трудам Менделеева, не была обнаружена взаимосвязь всех химических элементов. Вместе с тем работы предшественников подготовили почву для открытия Менделеева. Важным событием, подготовившим это открытие, являлся международный химический съезд в г. Карлеруэ (1860), где были разграничены понятия «атомный вес» и «химический эквивалент», до сих пор нередко смешиваемые. Это позволило создать единую систему атомных весов, и рассмотрение соотношений между атомными весами элементов получило прочную основу.

Менделеев открыл периодический закон в 1869 г. Это открытие было подготовлено и предшествующей 15-летней научной деятельностью самого Менделеева, нашедшего отдельные важные соотношения в свойствах элементов; непосредственным же поводом к поискам послужило составление систематического курса химии, названного впоследствии «Основы химии». Как и его предшественники, Менделеев в качестве основной характеристики, однозначно определяющей химический элемент, выбрал атомный вес. Но, в отличие от них. Менделеев руководствовался твердой уверенностью в существовании общего закона природы, определяющего свойства и различия между всеми элементами. И искал закономерности в изменении атомных весов не только у химически сходных элементов, внутри одной естественной группы, но и между несходными элементами. Сопоставив такие крайне противоположные в химическом отношении, но близкие по атомным весам их членов группы, как щелочные металлы и галогены, и написав первые под вторыми, Менделеев расположил под и над ними и другие группы сходных элементов в порядке изменения атомных весов. Оказалось. Что члены этих естественных групп образуют общий закономерный ряд, причем химические свойства элементов периодически повторяются.

При размещении элементов в периодической системе Менделеев руководствовался не только правилом постепенного возрастания атомного веса. Но и принципом периодичности химических свойств; среди последних в качестве непосредственного и основного критерия он выбрал формы кислородных и водородных соединений элементов, соответствующие их высшей валентности. Соблюдение правил периодичности позволило Менделееву в нескольких местах системы правильно расположить элементы не в порядке возрастания атомных весов, а с нарушением этого порядка, как требовали химические аналогии (Co-Ni, Te-J), а для некоторых элементов изменить общепринятые в то время атомные веса даже в 1,5-2 раза (Be, In, Ce, U и др.). Одновременно Менделеев предсказал многие неизвестные тогда элементы, для которых в периодической системе обнаружились незаполненные места, а для трех из них - так наз. экаалюминия, экабора и экасицилия, подробно описал ожидаемые свойства. Вскоре эти элементы были открыты: аналог алюминия - галлий, Лекоком де Буабодраном в 1875, аналог бора - скандий, Л. Нильсоном в 1879; аналог кремния - германий, А. Винклером в 1886. Поразительное совпадение их свойств с предсказаниями Менделеева привлекло внимание ученых всего мира; периодический закон получил всеобщее признание и лег в основу всего последующего развития химии. Над уточнением и развитием своей системы Менделеев работал ок.40 лет. Но особенно больших успехов достигла система Менделеева после его смерти, с открытием самой причины периодичности, заключенной в сложном строении атомов.

Принципы построения периодической системы

Каждый электрон в атоме, в соответствии с квантовой механикой, характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом n, принимающим значения n=1,2,3,4 …, азимутальным l, принимающим значения l=0,1,2 …,n-1, магнитным m, имеющим (2l+1) значений, и спиновым ms, принимающим значения +1/2 и -1/2. Состояние с l=0,1,2,3,4… принято обозначать буквами s, p, d, j, g - и соответственно называть s-, p-, d-, j-, g-… состояниями. Электроны с данным n образуют электронный слой, который состоит из n оболочек с l=0,1,2 … n-1 и содержит 2n в квадрате электронов. Отсюда получаем следующее распределение электронов по слоям и оболочкам.

Таблица 1. Распределение электронов по слоям и оболочкам.

периодический закон менделеев электрон

Отсюда видно, что максимально возможное число электронов в первом слое (n=1) равно 2 (1s-состояния); во втором слое - 8 (2s- и 2p-состояния); в третьем и в четвертом слоях - соответственно 18 и 32 электрона. Тем самым устанавливается связь между слоистым расположением электронов в атоме и периодической системой: периоды таблицы Менделеева содержат 2, 8, 18 и 32 элемента. Остается выяснить, почему в таблице Менделеева встречаются по два раза периоды из 8 и 18 элементов. Это объясняется тем, что в таблице 1 указано возможное максимальное число электронов в различных слоях, в действительности же электроны в атомах располагаются в тех состояниях (из числа возможных), которые соответствуют наименьшей энергии. Энергия электрона на орбите тем выше, чем больше n, а при данном n тем выше, чем больше l. Поэтому последовательность энергетических уровней отдельных состояний электрона не всегда совпадает с последовательностью главных квантовых чисел n.

В табл.2 (см. Приложение) представлена схема заполнения электронных оболочек последовательно для всех элементов периодической системы по отдельным периодам. Первый период содержит лишь два элемента, что соответствует максимальному числу электронов в 1s-состоянии первого слоя. Начиная с Li идет постепенное заполнение второго слоя вплоть до Ne (Z=10). С одиннадцатого электрона Na начинается заполнение третьего слоя - третьего периода системы Менделеева. В элементах, следующих за Na, идет последовательное заполнение электронами состояний 3s и 3p третьего слоя. У Ar восемь электронов составляют симметричную группу и обусловливают сходство его физико-химических свойств с неоном. Этим завершается третий период, содержащий, как и второй, 8 элементов. 19-й элемент К начинает новый, четвертый, слой и четвертый период таблицы. Однако число свободных мест третьего слоя далеко не исчерпано. После Ar остаются еще свободными 10 мест 3d-состояния. Здесь впервые последовательный порядок заполнения нарушается из-за энергетических соображений. Состояние 4s оказывается энергетически более выгодным, чем состояние 3d. Но начиная со Sc и вплоть до Ni вновь становится энергетически более выгодным заполнение состояния 3d. Все места этого состояния у Ni оказываются заполненными и с Cu начинается нормальное заполнение состояния 4s четвертого слоя. Это обстоятельство обусловливает некоторое сходство меди со щелочными металлами. Kr с восьмью электронами в этом слое, заканчивающий четвертый период, оказывается сходным с Ne и Ar. С последующего за Kr 37-го элемента Rb начинается застройка пятого слоя, хотя в четвертом слое еще остаются 24 свободных места - 10 мест в состоянии 4d и 14 мест в состоянии 4f. Здесь, как и у К, состояние 5s оказывается энергетически более выгодным. Достройка четвертого слоя возобновляется с Y, начиная с которого идет заполнение 4d-оболочки. Состояния 4f остаются незаполненными вплоть до 58-го элемента. Лишь с Се они начинают заполняться. Застройка 4f-состояния охватывает 14 элементов, образующих своеобразную группу лантанидов, весьма сходных между собой по своим физико-химическим свойствам. Такая же группа элементов с достраивающимися 5f-состояниями, называемая актинидами, начинается с Th (Z=90).

Таким образом, каждый период (кроме первого) начинается со щелочного металла с одним валентным электроном и кончается инертным газом с восьмью валентными электронами, образующими замкнутую оболочку. Второй и третий периоды, где нормально застраиваются s- и p-состояния, содержат в соответствии с этим по 8 элементов. Периоды же четвертый и пятый, в которые вклиниваются группы элементов с достраивающимися d-состояниями, содержат по 18 элементов. Наконец, последний полный период - шестой - содержит 32 элемента, т.к. в нем появляется новая группа из 14 элементов с достраивающимися 4j-состояниями. Тем самым вся сложная периодичность, открытая Менделеевым, полностью объясняется расположением электронов по группам, характеризуемым определенными квантовыми числами.

Интересно отметить, что 72-й элемент в то время, когда Н.Бор строил табл.2, не был открыт. Было неясно, сколько должно быть лантанидов. Полагая, что число их равно пятнадцати, 72-й элемент искали среди минералов, содержащих редкие земли. Т.к. число 4f-электронов равно 14, то этот элемент должен иметь близкую к Zr внешнюю электронную оболочку. Поэтому Бор предложил искать 72-й элемент в циркониевых рудах. Этот элемент, наз. гафнием, к торжеству теории Бора, и был обнаружен в циркониевых рудах.

Что же касается аналогов лантанидов - актинидов, у которых заполняются 5f-состояния, то здесь следует иметь в виду, что 6d- и 5f-состояния энергетически весьма близки, что обусловливает легкость переходов электронов между ними и приводит к большим трудностям при установлении истинного расположения электронов по этим состояниям.

С момента открытия системы Менделеева было опубликовано несколько сот различных вариантов ее изображения на плоскости и в пространстве.