ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
Формулировка периодического закона Д. И. Менделеева: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов (1869).
Современная формулировка закона следующая: свойства химических элементов, а также форма и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.
Величина положительного заряда ядра атома равна порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Атом электронейтрален, следовательно, число электронов в электронной оболочке атома равно заряду ядра или порядковому номеру элемента в периодической системе Z. Протон (р) – это частица с массой, равной 1 а. е. м., и зарядом + 1. Нейтрон (n) – это электронейтральная частица массой, близкой к массе протона. Заряд ядра атома определяется числом протонов, которые входят в его состав.
Следовательно, число протонов в ядре атома также равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Масса атома А равна сумме масс всех частиц, которые входят в атом:
А = масса протонов + масса нейтронов + масса электронов.
Maссa электронов настолько мала, что ею можно пренебречь, и масса атома определяется суммой масс его протонов и нейтронов. Общее число протонов и нейтронов называется массовым числом (А). Оно равно округленному до целого числа значению относительной атомной массы
Ar = Z + N,
где Ar – относительная атомная масса элемента; Z – число протонов (или порядковый номер элемента в периодической системе); N – число нейтронов.
Таким образом, число нейтронов в ядре атома равно разности между относительной атомной массой элемента и его порядковым номером:
N = Ar – Z.
Разновидности атомов одного элемента, обладающие одинаковыми зарядами ядер, но разными массовыми числами, называются изотопами.
Реакции, при которых изменяется состояние атомного ядра или ядро превращается в ядра новых элементов, называются ядерными.
Электроны в атоме характеризуются разной энергией, находятся на разном расстоянии от ядра и образуют разные энергетические уровни. Электроны, которые находятся на одинаковом расстоянии от ядра, образуют один энергетический уровень. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. Порядок заполнения электронных орбиталей следующий:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14… .
Графическим изображением периодического закона является таблица Периодической системы элементов.
В основе построения любой таблицы лежит единый подход – элементы расположены в порядке возрастания заряда ядер их атомов.
Периодом в Периодической системе элементов называют последовательный ряд элементов (расположенных в порядке возрастания заряда ядер их атомов), электронная конфигурация внешнего энергетического уровня которых изменяется от ns1 до ns2np6. при этом номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего энергетического уровня.
Каждый из периодов (исключая первый) начинается типичным металлом (металл щелочной группы) и заканчивается инертным газом. В периоде с увеличением заряда ядра атомов наблюдается постепенное изменение свойств от металлических к типично неметаллическим, что связано с увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне. Первые три периода содержат только s - и р-элементы – их называют малыми периодами. Большие периоды начинаются с IV периода – они включают в свой состав элементы, у которых происходит заполнение d- и f-подуровней соответствующих внутренних энергетических уровней.
Группа – вертикальная колонка, которая объединяет элементы, имеющие сходное электронное строение внешнего энергетического уровня. Каждая группа состоит из главной и побочной подгрупп. У элементов главных подгрупп происходит заполнение s- и р- подуровни внешних энергетических уровней, а у элементов побочных подгрупп – внутренних (n-1)d- и (n–2)f-подуровней при наличии на внешнем уровне (ns-)одного или двух электронов.
Элементы-аналоги имеют сходное строение внешних электронных оболочек атомов при различных значениях главного квантового числа, и, поэтому проявляют сходными химические свойствами.
Физический смысл периодического закона – при последовательном увеличении зарядов атомных ядер периодически повторяется конфигурация электронных оболочек, и как следствие, периодически повторяются химические свойства элементов и их соединений.
Физический смысл номера группы – номер группы указывает на число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей (валентные электроны).
Наиболее ярко периодичность свойств элементов выражена в электронной структуре атомов. Периодически изменяются и свойства атомов элементов, определяемые их электронным строением. К важнейшим характеристикам атомов относятся их размеры, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.
Орбитальные радиусы атомов элементов изменяются периодически:
а) в периодах по мере роста заряда ядер орбитальные радиусы атомов уменьшаются. Это связано с ростом заряда ядра, а следовательно, и притяжением электронов к ядру;
б) в группах с ростом заряда ядер орбитальные радиусы атомов увеличиваются. При этом в главных подгруппах такое увеличение происходит в значительной степени, чем в побочных. Это связано с увеличением энергетических уровней и экранирующим действием внутренних электронов.
Энергия ионизации – минимальная энергия, которую требуется затратить на то, чтобы удалить электрон с атомной орбитали невозбужденного атома на бесконечно большое расстояние от ядра без сообщения ему кинетической энергии
Э + Е ® Э+ + е–
Энергия ионизации количественно характеризует способность атома удерживать электроны. Энергия ионизации возрастает в периоде по мере увеличения порядкового номера элемента. Наименьшее ее значение имеют щелочные металлы, наибольшее – инертные газы.
В группе элементов энергия ионизации уменьшается с повышением порядкового номера, что связано с увеличением размера атомов и экранированием внешних электронов внутренними.
Способность атома отдавать электроны определяется потенциалом ионизации – это разность потенциалов, под действием которой электрон принимает энергию. соответствующую энергии ионизации.
Сродство к электрону – энергия, которая выделяется (или затрачивается) при присоединении кнейтральному атому электрона с образованием отрицательного иона:
Э + е–® Э– + Е
Сродство к электрону зависит от электронной структуры атома. Наибольшим сродством к электрону обладают элементы подгруппы галогенов (VIIА). У большинства металлов и благородных газов сродство к электрону невелико или даже отрицательно.
Наименьшие значения сродства к электрону у атомов с заполненными и наполовину заполненными s- и р-подуровнями.
В подгруппах сверху вниз сродство к электрону атомов уменьшается немонотонно. Это связано с особенностями электронной структуры атомов.
Электроотрицательность (Полинг) – это способность атома в молекуле или сложном ионе притягивать к себе электроны, участвующие в образовании химической связи. Э. о. зависит от типа соединений, валентного состояния элемента.
По шкале Полинга э. о. в периоде возрастает с увеличением порядкового номера элемента (слева направо), а в группе – убывает по мере увеличения заряда ядер (сверху вниз). Таким образом, наименьшие значения э. о. имеют щелочные элементы, наибольшие – р-элементы VI VII групп.
Основные порталы (построено редакторами)