Михаил Бармин - Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач
Периодическая система является графическим (табличным) изображением периодического закона.
В 1870 году Менделеев публикует второй вариант системы элементов под названием «Естественная система элементов». По своей форме этот вариант значительно отличался от первого. Горизонтальные ряды элементов–аналогов первого варианта превратились здесь в вертикальные. Кроме того, произошло уплотнение, сдваивание родственных рядов и образовалось 8 групп элементов, чего не было в первом варианте системы. Номера групп указывали на высшую валент-ность по кислороду элементов трех рядов, которые включены в эти группы.
Шесть вертикальных столбцов первого варианта прооб-разы периодов – превратились в периоды, более близкие к современным. Теперь каждый период начинался щелочным металлом и заканчивался типичным неметаллом–галогеном. Второй вариант системы, конструктивно более современный, позволил Д.И. Менделееву предсказать существование 11-ти новых не открытых элементов. Эти элементы Менделеевым были названы «экабор», «экасилиций», «эка-алюминий» и т. д. «Эка» означает подобный, одно и то же. Таким путем Д.И. Менделеев обозначал элементы, которые по своим свойствам должны быть близки бору (B), алюминию (Al), кремнию (Si) и т.д. Уже при жизни Менделеева были открыты новые элементы, которые подтвердили истинность закона и укрепили его в науке. Это было началом триумфа периодического закона.
В 1875 году французский химик Лекок де Буабодран открыл элемент галий (Ga) – «экаалюминий», в 1879 году шведский химик Нильсон – скандий (Sc) – «экабор», в 1886 году немецкий химик Винклер – геманий(Ge) – «экасилиций».
III. Структура периодической системы. Зависимость свойств элементов от положения в системе.
Периодическому закону и периодической системе химических элементов посвящены многочисленные труды. Среди них множество исследований, посвященных вопросу о форме периодической системы элементов. В настоящее время известно несколько сотен вариантов изображения периодической систе-мы. Такое изобилие графических вариантов таблицы элементов является результатом стремления как можно полнее и точнее отразить в рамках таблицы периодическую повторяемость свойств химических элементов.
Короткая форма таблицы была разработана Д.И.Менделеевым в 1870 году и ее называют классической( первый вариант, пред-ложенный Менделеевым в 1869 году, имел длинную форму, то есть в ней периоды располагались одной строкой). Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки.
Так, существенный недостаток короткой формы – сочетание в одной группе несходных элементов. Недостатками длинной формы являются растянутость, некомпактность. В настоящее время чаще применяется короткая форма, как наиболее удобная.
В короткой форме таблицы каждый элемент, изображенный соответствующим символом, занимает определенную клетку. Когда говорят о расположении элемента в системе, прежде всего имеют в виду общую взаимосвязь между ним и окружающими его в системе элементами, а через них со всеми остальными элементами.
Каждая клетка – это занумерованное место элемента в системе, его координаты. Сами клетки получаются за счет пересечения горизонтальных и вертикальных граф или полос.
Периодическая система элементов основана на двух основных типах закономерностей:
закономерности, проявляющиеся в вертикальных рядах (группах);
закономерности, проявляющиеся в горизонтальных рядах(периодах) и связанные с последовательным увеличением порядкового номера.
Кроме того, существуют еще 2 диагональные закономерности, охватывающие как вертикальные, так и горизонтальные ряды.
Исходя из этих положений, можно увидеть, что любой элемент имеет свойства, промежуточные между свойствами двух его соседей по вертикали, горизонтали или по двум диагоналям.
Таким образом, каждый элемент сопоставим с восемью другими. Пересечение трех направлений: вертикального, горизонтального и диагонального, получило название «звездность». Этот термин введен советским академиком Ферсманом.
Горизонтальный ряд элементов, в котором имеет место законо-мерное изменение свойств элементов от типично металлических
типично неметаллическим и далее к благородным (инертным) газам, называется периодом.
Элементы в периодах, а также водородные и кислородные соединения, образованные ими имеют следующие свойства:
свойства простых веществ изменяются от металлических
неметаллическим
элементы (за исключением инертных газов) образуют водородные и кислородные соединения, физические свойства которых изменяются от твердых к газообразным.
LiH и NaH; BeH2 и МgH2 – твердые;
СH4 и SiH4; NH3 и PH3 – газообразные;
Li2O и Na2 O; BeO и MgO – твердые оксиды; CO2; NO2; SO2 – газообразные оксиды;
• химические свойства водородных соединений изменяют-ся от восстановительных к окислительным; свойства оксидов и гидрооксидов изменяются от основных к кислотным через амфотерные.
Всего в таблице 7 периодов.
В 1-м периоде два элемента: Н (водород) и Не (гелий).
Во 2-м и 3-м периодах содержится по 8 элементов. Это малые периоды.
Затем следуют большие периоды: в 4-м и 5-м периодах – по 18 элементов, в 6-м – 32 элемента, а в 7-м (незавершенном) из-вестно 25 химических элементов.
малых периодах слава направо валентность в соединениях
кислородом (О2), как правило, возрастает от 1 до 8 (например, в 5-м периоде от рубидия Rb до рутения Ru). Затем происходит резкий скачок, и валентность в соединениях с кислородом уменьшается до 1 (серебро Ag), потом снова возрастает.
Таким образом, в том месте, где происходит резкий скачок в изменении валентности элементов, периоды, начиная с 4-го, разделили на два ряда – четный и нечетный.
Вертикальные графы, представляющие собой совокупность элементов, обладающих одинаковой валентностью в высших оксидах, называются группами.
Каждая группа состоит из 2–х подгрупп – главной и побочной. Следует учитывать, что в состав главных подгрупп входят элементы как малых, так и больших периодов, т. е. главные подгруппы начинаются с 1-го или со 2-го периода. В состав побочных подгрупп входят элементы только четных рядов больших периодов. Таким образом, символы элементов побочных подгрупп 1-й и 2-й группы смещены вправо, а всех остальных – влево. Для элементов, объединенных в одну и ту же группу, характерны следующие закономерности:
высшая валентность в соединениях с О2 (за некоторыми исключениями) соответствует номеру группы. Валентность элементов в соединениях с водородом (Н2) определяется разно-стью между числом 8 и номером группы;
в главной подгруппе (сверху вниз) с увеличением атомной массы усиливаются металлические свойства элементов и ослабевают неметаллические (в побочных подгруппах эта закономерность не всегда соблюдается).
Закономерности, характерные для групп и периодов, позволяют на основании положения элемента предсказать и его важнейшие свойства.
Все элементы периодической системы пронумерованы в том порядке, в каком они следуют друг за другом. Номера элементов называются порядковыми или атомными номерами.
Следует отметить, что в 6-м периоде за лантаном располагаются 14 элементов с порядковыми номерами 48–71, называемых лантаноидами («лантаноиды» – «подобные лантану», «актиноиды» – «подобные актинию»). Лантаноиды помещены отдельно внизу таблицы, а в клетке звездочкой указано на последовательность их расположения в системе: Ce – Lu (от церия до лютеция). Химические свойства лантаноидов очень сходны. Например, все они являются реакционноспособными металлами, реагируют с водой с образованием гидроксида и водорода. Из этого следует, что у лантаноидов сильно выражена горизонтальная аналогия.
В 7-м периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90–103 составляют семейство актиноидов. Их также помещают отдельно – под лантаноидами, а в соответствующей клетке двумя звездочками указано на последовательность их расположения в системе: Th – Lr (от тория до лоуренсия).
Однако в отличие от лантаноидов, горизонтальная аналогия у актиноидов выражена слабо. Они в своих соединениях проявляют больше различных степеней окисления. Например, степень окисления актиния +3, а урана +3, +4, +5 и +6. Изучение химических свойств актиноидов крайне сложно вследствие неустойчивости их ядер.
IY. Современная формулировка периодического закона, объяснение явления периодичности с точки зрения теории строения атома.
