Периодический закон Д.И. Менделеева - это фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт Д.И. Менделеевым в феврале 1869 г. При сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных масс. Термин "периодический закон" Менделеев впервые употребил в ноябре 1870, а в октябре 1871 дал окончательную формулировку Периодического закона: "Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса". Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая система элементов. Периодический закон имеет огромное естественнонаучное и философское значение. Он позволил рассматривать все элементы в их взаимной связи и прогнозировать свойства неизвестных элементов.

Первые представления о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появилось в глубокой древности. В древней Индии признавалось не только существование первичных неделимых частиц вещества, но и их способность соединяться друг с другом, образуя новые частицы. Аристотель писал, что причинами всех вещей являются определенные различия в атомах, а именно: форма, порядок и положение. Позднее древнегреческий философ - материалист ввел понятие о массе атомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения. Французский ученый Пьер Гассенди ввел понятие о молекуле, под которой он понимал качественно новое образование, составленное путем соединения нескольких атомов.

периодический закон химический элемент

По мысли английского ученого Р. Бойля, мир корпускул (молекул), их движение и "сплетение" очень сложны. Мир в целом и его мельчайшие части - это целесообразно устроенные механизмы.

М.В. Ломоносов развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость, но и способность к движению и взаимодействию.

Английский ученый Дж. Дальтон рассматривал атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов прежде всего массой.

Большой вклад в атомно-молекулярное учение внесли французский ученый Ж. Гей-Люссак, итальянский ученый А. Авогадро, русский ученый Д.И. Менделеев. В 1860 году состоялся международный конгресс химиков.

Благодаря усилиям итальянского ученого С. Канниццаро были приняты следующие определения атома и молекулы: молекула - "количество тела, вступающее в реакции и определяющее химические свойства"; атом - "наименьшее количество элемента, входящее в частицы (молекулы) соединений. Установленные С. Канниццаро атомные массы элементов послужили Д.И. Менделееву основной при открытии периодического закона.

Объект: периодический закон и строение атома.

Цель: Изучение периодического закона и строения атома.

Задачи:

1. На основе теории строения атома раскрыть физический смысл Периодического закона.

2. На примере Периодического закона раскрыть значение классификации и научной теории для объяснения и научного прогнозирования новых явлений и фактов.

3. Расширить знания в этой области.

4. Узнать из чего состоит атом.

Методы исследования: изучение и обобщение, анализ и синтез, обобщение.

1. Периодический закон

1.1 История открытия

В 1829 году немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер предпринял первую значимую попытку систематизации элементов. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три в группы, которые он назвал триадами. Сущность предложенного закона триад Дёберейнера состояла в том, что атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов триады. Несмотря на то, что триады Деберейнера в какой-то мере являются прообразами менделеевских групп, эти представления в целом ещё слишком несовершенны. Отсутствие магния в едином семействе кальция, стронция и бария или кислорода в семействе серы, селена и теллура является результатом искусственного ограничения совокупностей сходных элементов лишь тройственными союзами. Очень показательна в этом смысле неудача Деберейнера выделить триаду из четырех близких по своим свойствам элементов: P, As, Sb, Bi. Дёберейнер отчётливо видел глубокие аналогии в химических свойствах фосфора и мышьяка, сурьмы и висмута, но, заранее ограничив себя поисками триад, он не смог найти верного решения. Спустя полвека Лотар Майер скажет, что если бы Дёберейнер хоть ненадолго отвлекся от своих триад, то он сразу же увидел бы сходство всех этих четырех элементов одновременно. Хотя разбить все известные элементы на триады Дёберейнеру не удалось, закон триад явно указывал на наличие взаимосвязи между атомной массой и свойствами элементов и их соединений. Все дальнейшие попытки систематизации основывались на размещении элементов в соответствии с их атомными массами.

Идеи Дёберейнера были развиты другим немецким химиком Леопольдом Гмелиным, который показал, что взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами значительно сложнее, нежели триады. В 1843 году Гмелин опубликовал таблицу, в которой химически сходные элементы были расставлены по группам в порядке возрастания соединительных (эквивалентных) весов. Элементы составляли триады, а также тетрады и пентады (группы из четырёх и пяти элементов), причём электроотрицательность элементов в таблице плавно изменялась сверху вниз.

В 1850-х годах Макс фон Петтенкофер и Жан Дюма предложили "дифференциальные системы", направленные на выявление общих закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые детально разработали немецкие химики Адольф Штреккер и Густав Чермак.

В начале 60-х годов XIX века появилось сразу несколько работ, которые непосредственно предшествовали Периодическому закону.

1.1.2 Спираль де Шанкуртуа

Александр де Шанкуртуа располагал все известные в то время химические элементы в единой последовательности возрастания их атомных масс и полученный ряд наносил на поверхность цилиндра по линии, исходящей из его основания под углом 45° к плоскости основания. При развертывании поверхности цилиндра оказывалось, что на вертикальных линиях, параллельных оси цилиндра, находились химические элементы со сходными свойствами. Так, на одну вертикаль попадали литий, натрий, калий; бериллий, магний, кальций; кислород, сера, селен, теллур и т.д. Недостатком спирали де Шанкуртуа было то обстоятельство, что на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения. В группу щелочных металлов попадал марганец, в группу кислорода и серы - ничего общего с ними не имеющий титан.

1.1.3 Октавы Ньюлендса

Вскоре после спирали де Шанкуртуа, английский учёный Джон Ньюлендс сделал попытку сопоставить химические свойства элементов с их атомными массами. Расположив элементы в порядке возрастания их атомных масс, Ньюлендс заметил, что сходство в свойствах проявляется между каждым восьмым элементом. Найденную закономерность он назвал законом октав по аналогии с семью интервалами музыкальной гаммы. В своей таблице он располагал химические элементы в вертикальные группы по семь элементов в каждой и при этом обнаружил, что (при небольшом изменении порядка некоторых элементов) сходные по химическим свойствам элементы оказываются на одной горизонтальной линии. Джон Ньюлендс первым дал ряд элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, присвоил химическим элементам соответствующий порядковый номер и заметил систематическое соотношение между этим порядком и физико-химическими свойствами элементов. Он писал, что в такой последовательности повторяются свойства элементов, эквивалентные веса (массы) которых отличаются на 7 единиц, или на значение, кратное 7, т.е. как будто бы восьмой по порядку элемент повторяет свойства первого, как в музыке восьмая нота повторяет первую. Ньюлендс пытался придать этой зависимости, действительно имеющей место для лёгких элементов, всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные элементы, однако в том же ряду часто оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных мест; в итоге закон октав был принят чрезвычайно скептически.

В принципе, свойства химического элемента объединяют все без исключения его характеристики в состоянии свободных атомов или ионов, гидратированных или сольватированных, в состоянии простого вещества, а также формы и свойства образуемых им многочисленных соединений. Но обычно под свойствами химического элемента подразумевают, во-первых, свойства его свободных атомов и, во-вторых, свойства простого вещества. Большинство этих свойств проявляет явную периодическую зависимость от атомных номеров химических элементов. Среди этих свойств наиболее важными, имеющими особое значение при объяснении или предсказании химического поведения элементов и образуемых ими соединений являются:

· энергия ионизации атомов;

· энергия сродства атомов к электрону;

· электроотрицательность;

· атомные (и ионные) радиусы;

· энергия атомизации простых веществ

· степени окисления;

· окислительные потенциалы простых веществ.

1.2.1 Графический способ выражения периодического закона

Графическим отражением периодического закона является периодическая система химических элементов Менделеева. Современная периодическая система содержит 110 открытых на сегодняшний день химических элементов, каждый из которых занимает определенное место, имеет свой порядковый номер и название.

Период - это горизонтальный ряд элементов, начинающийся (за исключением первого периода) щелочным металлом и заканчивающийся инертным газом.

Первый период содержит два элемента; второй и третий периоды - 8 элементов. Первый, второй и третий периоды называют малыми периодами. Четвертый и пятый содержат по 18 элементов. Шестой - 32 элемента. Седьмой период содержит элементы с 87 и далее, вплоть до последнего из известных на настоящее время элементов. Четвертый, пятый, шестой и седьмой периоды называются большими (длинными) периодами.

Группа - вертикальный ряд элементов.

Каждая группа периодической системы состоит из двух подгрупп: главной-А и побочной - В. Главная подгруппа содержит элементы малых и больших периодов (металлы и неметаллы). Побочная подгруппа содержит элементы только больших периодов.

Свойства простых веществ и соединений элементов изменяется монотонно в каждом периоде и скачкообразно на границах периодов. В периодах слева направо неметаллические свойства элементов монотонно увеличиваются, а металлические ослабевают.

На границах периода свойства изменяются скачкообразно: период начинается щелочными металлами и заканчивается инертным газом.

В периодах слева направо кислотные свойства оксидов элементов и их гидратов усиливаются, а основные - ослабевают.

В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические - ослабевают.

В главных подгруппах сверху вниз основные свойства оксидов и гидратов усиливаются, а кислотные ослабевают.

Характеристики химических элементов изменяются в группах и периодах.

В периодах (с увеличением порядкового номера):

1. Увеличивается заряд ядра.

2. Увеличивается число внешних электронов.

3. Уменьшается радиус атомов.

4. Увеличивается прочность связи электронов с ядром.

5. Увеличивается электроотрицательность.

6. Увеличиваются окислительные свойства простых веществ.

7. Ослабевают восстановительные свойства.

8. Ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих им оксидов.

9. Возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих им оксидов.

В группах (с увеличением порядкового номера):

1. Увеличивается заряд ядра.

2. Увеличивается радиус атомов (только в А-группах).

3. Уменьшается прочность связи электронов с ядром.

4. Ослабевают окислительные свойства веществ и неметалличность.

5. Усиливаются восстановительные свойства простых веществ.

6. Возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих им оксидов.

7. Ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих им оксидов

8. Снижается устойчивость водородных соединений.

Периодический закон Д.И. Менделеева имеет очень большое значение в науке. Он положил начало современной химии и сделал ее целостной наукой.

Этот закон помог получить новые знания о элементах, прогнозировать их свойства. Благодаря этому закону были разработаны теории строения атома и химической связи.

2. Строение атома