Материалы для изучения темы "Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева"

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Периодический закон открыт великим русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году. Формулировка закона в то время:

Свойства элементов, а потому и образуемых ими простых и сложных тел (веществ), стоят в периодической зависимости от их атомного веса.

Современная формулировка:

свойства химических элементов, образуемых ими простых веществ и соединений, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов.

Физический смысл химической периодичности:

Периодические изменения свойств химических элементов обусловлены правильным повторением электронной конфигурации внешнего энергетического уровня (валентных электронов) их атомов с увеличением заряда ядра.

Графическим изображением периодического закона является периодическая таблица. Она содержит 7 периодов и 8 групп.

Период - горизонтальные ряды элементов с одинаковым числом энергетических уровней (электронных слоёв).

То есть, номер периода обозначает число энергетических уровней в атоме элемента.

Периоды могут состоять из 2 (первый), 8 (второй и третий), 18 (четвертый и пятый) или 32 (шестой) элементов, в зависимости от количества электронов на внешнем энергетическом уровне. Последний, 7 период незавершен.

В периодах слева направо закономерно уменьшаются радиусы атомов, металлические свойства ослабевают и усиливаются неметаллические. Все периоды (кроме первого) начинаются щелочным металлом (s-элементом), а заканчиваются благородным газом (ns² np⁶).

Металлические свойства рассматриваются, как способность атомов элементов легко отдавать электроны, а неметаллические - присоединять электроны из-за стремления атомов приобрести устойчивую конфигурацию с заполненными подуровнями. Заполнение внешнего s-подуровня указывает на металлические свойства атома, а формирование внешнего p-подуровня ― на неметаллические свойства. Увеличение числа электронов на p-подуровне (от 1 до 5) усиливает неметаллические свойства атома. Атомы с полностью сформированной, энергетически устойчивой конфигурацией внешнего электронного слоя (ns² np⁶) химически инертны – это благородные газы.

В больших периодах переход свойств от активного металла к благородному газу происходит более плавно, чем в малых периодах, т.к. происходит формирование внутреннего (n - 1) d-подуровня при сохранении внешнего ns² - слоя.

Большие периоды состоят из четных и нечетных рядов (короткий вариант Периодической системы). У элементов четных рядов на внешнем слое ns² -электроны, поэтому преобладают металлические свойства и их ослабление с ростом заряда ядра невелико; в нечетных рядах формируется np-подуровень, что объясняет значительное ослабление металлических свойств.

Группы - вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равным номеру группы. Различают главные и побочные подгруппы.

Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов, валентные электроны которых расположены на внешних ns- и np-подуровнях.

Побочные подгруппы состоят из элементов только больших периодов. Их валентные электроны находятся на внешнем ns- подуровне и внутреннем

 (n - 1) d-подуровне или (n - 2) f-подуровне.

В зависимости от того, какой подуровень (s-, p-, d- или f-) заполняется валентными электронами, элементы периодической системы подразделяются на: s-элементы (элементы главной подгруппы I и II групп), p-элементы (элементы главных подгрупп III - VII групп), d-элементы (элементы побочных подгрупп), f-элементы (лантаноиды, актиноиды).

В главных подгруппах сверху вниз увеличиваются радиусы атомов, металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают.

Элементы главных и побочных групп сильно отличаются по свойствам.

Номер группы показывает высшую валентность элемента (кроме O, F, элементов подгруппы меди и восьмой группы).

Общими для элементов главных и побочных подгрупп являются формулы высших оксидов (и их гидратов). У высших оксидов и гидроксидов  элементов I - III групп (кроме бора) преобладают основные свойства, с IV по VIII - кислотные.

Группа	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII (кроме благородных газов)
Высший оксид	R2О	RО	R2О3	RО2	R2О5	RО3	R2О7	RО4
Гидроксид	RОН	R(ОН)2	R(ОН)3	Н2RО3	Н3RО4	Н2RО4	НRО4	Н4RО4

Для элементов главных подгрупп   общими являются формулы водородных соединений. Элементы главных подгрупп I - III групп образуют твердые вещества - гидриды (водород в степени окисления - 1), а IV - VII групп – газообразные (летучие). Водородные соединения элементов главных подгрупп IV группы (RН₄) - нейтральны, V группы (RН₃) - основания, VI и VII групп (Н₂R и НR) - кислоты.

Вывод. От положения элементов в периодической системе зависят свойства атома, связанные с его электронной конфигурацией:

1)    атомный радиус - по периоду слева направо уменьшается, а в подгруппе сверху вниз возрастает; 

2)    металлические свойства в подгруппе сверху вниз ― усиливаются, а в периоде слева направо ― ослабевают;

3)    электроотрицательность - по периоду увеличивается, а в подгруппе уменьшается.

Физический смысл числовых характеристик элемента:

1)    Порядковый номер – число протонов в ядре атома, положительный заряд ядра, общее число электронов в атоме;

2)    Относительная атомная масса – при округлении её получаем массовое число элемента, то есть общее число нуклонов в ядре атома;

3)    Вычитая из массового числа число протонов (№), получаем число нейтронов в ядре атома;

4)    Номер периода – число энергетических уровней в атоме;

5)    Номер группы – высшая степень окисления атома, а в главной подгруппе – число электронов на внешнем энергетическом уровне.

По положению элемента в периодической системе можно прогнозировать его основные свойства как средние всех его соседей.

Для характеристики химического элемента по периодической системе Д.И.Менделеева следует рассмотреть:

1)    Положение в периодической таблице (порядковый номер; период, ряд; группа, подгруппа; атомная масса).

2)    Строение атома (заряд ядра; состав ядра - количество протонов ₊р, нейтронов ₀n и электронов ē; число энергетических уровней и подуровней; написать формулу электронной конфигурации; квантовые ячейки; по числу и характеру валентных электронов определить тип элемента).

3)    Формулы и химический характер соединений (высшего оксида и гидроксида; водородных соединений).

4)    Сравнить с соседями (по периоду, подгруппе).

Li	Be	B
Na	Mg	Al
K	Ca	Ga

Задания:

А.  Описать строение атома кальция по плану

1)       элемент металл или неметалл;

2)       порядковый номер;

3)       заряд ядра;

4)       число протонов в ядре;

5)       число электронов в оболочке атома;

6)       атомная масса;

7)       число нуклонов в ядре;

8)       число нейтронов в ядре;

9)       номер периода;

10)    число энергетических уровней (электронных слоёв);

11)    номер группы;

12)    число электронов на внешнем уровне;

13)    валентности и степени окисления;

14)    формула высшего оксида.

Б.  Описать строение атома серы по плану

1)       элемент металл или неметалл;

2)       порядковый номер;

3)       заряд ядра;

4)       число протонов в ядре;

5)       число электронов в оболочке атома;

6)       атомная масса;

7)       число нуклонов в ядре;

8)       число нейтронов в ядре;

9)       номер периода;

10)    число энергетических уровней (электронных слоёв);

11)    номер группы;

12)    число электронов на внешнем уровне;

13)    валентности и степени окисления;

14)    формула высшего оксида.

Открытие химических элементов

Наименование	Символ	Атомный номер	Атомная масса	Первооткрыватель	Год
Азот	N	7	14.0067	Д.Резерфорд	1772
Актиний	Ac	89	227.0278	А.Дебьерн	1899
Алюминий	Al	13	26.9815	Х.К.Эрстед	1825
Америций	Am	95	(243)	Г.Сиборг и др.	1944
Аргон	Ar	18	39.948	У.Рамзай, Дж.Рэлей	1894
Астат	At	85	(210)	Д.Корсон и др.	1940
Барий	Ba	56	137.33	Г.Дэви	1774
Бериллий	Be	4	9.01218	Л.Воклен	1798
Берклий	Bk	97	(247)	Г.Сиборг и др.	1949
Бор	B	5	10.81	Л.Ж.Гей-Люссак	1808
Бром	Br	35	79.904	Ж.Балар	1826
Ванадий	V	23	50.9115	Г.Э.Роско	1869
Висмут	Bi	83	208.98	И.Потт	1739
Водород	H	1	1.0079	Г.Кавендиш	1766
Вольфрам	W	74	183.85	К.В.Шееле	1781
Гадолиний	Gd	64	157.25	Ж.Мариньяк	1880
Галлий	Ga	31	69.72	П.Э.Лекок де  Буабодран	1875
Гафний	Hf	72	178.49	Д.Костер и др.	1922
Гелий	He	2	4.0026	Ж.Жансен,  Дж.Н.Локьер	1868
Германий	Ge	32	72.59	К.А.Винклер	1886
Гольмий	Ho	67	164.93	П.Клеве	1879

Диспрозий	Dy	66	162.50	П.Э.Лекок де Буабодран	1886
Европий	Eu	63	151.96	Э.Демарсе	1901
Железо	Fe	26	55.847	известно до н.э.	-
Золото	Au	79	196.9665	известно до н.э.	-
Индий	In	49	114.82	Р.Рейх, И.Рихтер	1863
Йод	I	53	126.904	Б.Куртуа	1811
Иридий	Ir	77	192.22	С.Теннант	1804
Иттербий	Yb	70	173.04	Ж.Мариньяк	1878
Иттрий	Y	39	88.9059	Ю.Гадолин	1794
Кадмий	Cd	48	112.41	Ф.Штромейер	1817
Калий	K	19	39.0983	Г.Дэви	1807
Калифорний	Cf	98	(251)	Г.Сиборг и др.	1950
Кальций	Ca	20	40.08	Г.Дэви	1808
Кислород	O	8	15.9994	К.В.Шееле	1772
Кобальт	Co	27	58.9332	Ю.Брандт	1735
Кремний	Si	14	28.086	Ж.Л.Гей-Люссак,  Л.Ж.Тенар	1811
Криптон	Kr	36	83.80	У.Рамзай, М.Траверс	1898
Ксенон	Xe	54	131.30	У.Рамзай, М.Траверс	1898
Курчатовий	Ku	104	(261)	Г.Н.Флеров и др.	1964
Кюрий	Cm	96	(247)	Г.Сиборг и др.	1944
Лантан	La	57	138.9055	К.Мосандер	1839
Литий	Li	3	6.941	А.Арфедсон	1817
Лоуренсий	Lr	103	(260)	А.Гиорсо	1961

Лютеций	Lu	71	174.967	Ж.Урбэн, Ч.Джеймс	1907
Магний	Mg	12	24.305	Г.Дэви	1808
Марганец	Mn	25	54.938	Ю.Ган	1774
Медь	Cu	29	63.546	известна до н.э.	-
Менделевий	Md	101	(258)	А.Гиорсо и др.	1955
Молибден	Mo	42	95.94	К.В.Шееле	1778
Мышьяк	As	33	74.9216	Альберт Великий	1250
Натрий	Na	11	22.98977	Г.Дэви	1807
Неодим	Nd	60	144.24	К.Ауер фон Вельсбах	1842
Неон	Ne	10	20.179	У.Рамзай, М.Траверс	1898
Нептуний	Np	93	237.0482	Э.М.Макмиллан,  Ф.Х.Эйблсон	1940
Никель	Ni	28	58.7	А.Кронштедт	1751
Ниобий	Nb	41	92.90064	Ч.Хатчет	1801
Нобелий	No	102	(259)	Ученые СССР	1966
Олово	Sn	50	118.69	известно до н.э.	-
Осмий	Os	76	190.2	С.Теннант	1804
Палладий	Pd	46	106.4	У.Волластон	1803
Платина	Pt	78	195.09	изв.с древности	-
Плутоний	Pu	94	(244)	Г.Сиборг и др.	1940
Полоний	Po	84	(209)	М.и П.Кюри	1898
Празеодим	Pr	59	140.9077	К.Ауэр фон Вельсбах	1885
Прометий	Pm	61	(145)	Л.Гленденин,  Ч.Кориэлл и др.	1942
Протактиний	Pa	91	231.0359	О.Ган, Л.Мейтнер, Ф.Содди, Дж.Кранстон	1918

Радий	Ra	88	226.0254	М.и П.Кюри, Ж.Бемюн	1898
Радон	Rn	86	(222)	Э.Дорн	1900
Рений	Re	75	186.207	И.и В.Ноддак и О.Берг	1925
Родий	Rh	45	102.9055	У.Волластон	1804
Ртуть	Hg	80	200.59	известна до н.э.	-
Рубидий	Rb	37	85.4678	Р.Бунзен, Г.Кирхгоф	1861
Рутений	Ru	44	101.07	К.К.Клаус	1844
Самарий	Sm	62	150.4	П.Лекок де Буабодран	1879
Свинец	Pb	82	207.2	известен до н.э.	-
Селен	Se	34	78.96	Й.Берцелиус	1817
Сера	S	16	32.06	известна до н.э.	-
Серебро	Ag	47	107.868	известно до н.э.	-
Скандий	Sc	21	44.9559	Л.Ф.Нильсон	1879
Стронций	Sr	38	87.62	А.Крофорд	1808
Сурьма	Sb	51	121.75	известна до н.э.	-
Таллий	Tl	81	204.37	У.Крукс	1861
Тантал	Ta	73	180.9479	А.Г.Экеберг	1802
Теллур	Te	52	127.60	Ф.Мюллер	1782
Тербий	Tb	65	158.925	К.Мосандер	1843
Технеций	Tc	43	(97)	Э.Сегре, К.Перье	1937
Титан	Ti	22	47.90	У.Грегор	1790
Торий	Th	90	232.0381	Й.Берцелиус	1828
Тулий	Tm	69	168.9342	П.Клеве	1879
Углерод	C	6	12.011	известен до н.э.	-
Уран	U	92	238.029	М.Клапрот	1789
Фермий	Fm	100	(257)	А.Гиорсо, С.Томпсон,  Г.Хиггинс	1952
Фосфор	P	15	30.97376	Х.Брандт	1669
Франций	Fr	87	(223)	М.Перей	1939
Фтор	F	9	18.9984	А.Муассан	1886
Хлор	Cl	17	35.453	К.Шееле	1774
Хром	Cr	24	51.996	Л.Н.Воклен	1797
Цезий	Cs	55	132.9054	Р.Бунзен, Г.Кирхгоф	1860
Церий	Ce	58	140.12	К.Мосандер	1839
Цинк	Zn	30	65.38	известен со средних веков	-
Цирконий	Zr	40	91.22	М.Клапрот	1789
Эйнштейний	Es	99	254	А.Гиорсо, С.Томпсон, Х.Хиггинс	1952
Эрбий	Er	68	167.26	К.Мосандер	1843
Жолиотий	Jl	105	262	Г.Н. Флеров и др.	1970
Резерфордий	Rf	106	263	Г.Н.Флеров и др.	1974
Борий	Bh	107	264	Г.Н.Флеров и др.	1976
Ганий	Hn	108	265	Оганесян и др.	1984
Мейтнерий	Mt	109	266	-	-
(Экаплатина)	(E-Pt)	110	-	-	-

Красным выделены элементы, по поводу названия и символов которых существуют разногласия