Основы химии

Очень немногое она хранит в течение века. Удивительная и привычная простота

и четкость менделеевской таблицы из школьного учебника наших дней скрывает

теперь от нас ту непостижимую, гигантскую кропотливую работу по освоению и

переработке всего, что было найдено и познано до Менделеева, которую

пришлось выполнить ему, чтобы стала возможной и осуществимой гениальная

интуитивная догадка о существовании в мире Закона периодичности свойств

элементов».

В прошлом веке химия стала развиваться ускоренными темпами. Накопилось

большое количество опытных данных. Возникла необходимость систематизации

химических элементов. Многие ученые до Менделеева принимались за эту

работу, но никто не смог открыть всеобщую связь элементов, создать стройную

систему, отображающую закон развития материи. Ни одна предлагаемая

«Система» не могла удовлетворить ученых.

Д.И. Менделеев приступая к работе, четко представил себе, какие

трудности его ожидают и чем может закончиться его поиск «Системы»: либо

успехом, либо неудачей, как всех его предшественников.

3.1. Три этапа работы Д.И. Менделеева над проблемой систематики химических

элементов.

Работу Д.И. Менделеева над вопросами систематики химических элементов

можно логически разделить на три этапа:

Открытие Периодического закона;

Построение Периодической системы элементов;

Логические выводы, сделанные на основе Закона и Периодической

системы.

Хотя все эти этапы переплетаются друг с другом, но для правильной

оценки научного подвига нашего соотечественника рассмотрим каждый из этапов

отдельно.

Открытие периодического закона.

Главная заслуга Д.И. Менделеева состоит в том, что он открыл

фундаментальный закон природы – Периодический закон (1869г.).

До Менделеева ни один ученый не смог обнаружить универсальной

закономерности в существовании многообразия химических элементов. Ни

«триады» Деберейнера, ни «октавы» Ньюлендса, ни «таблица» Мейера не

отражали фундаментальной закономерности и не могли объяснить как сходство,

так и различия между отдельными элементами.

К моменту начала работы Д.И. Менделеева над систематикой элементов

существовало всего 63 химических элемента. Расположив элементы в порядке

возрастания атомных масс, Д.И. Менделеев после длительного и глубокого

анализа их свойств обнаружил универсальную закономерность, выражавшуюся в

периодической повторяемости свойств через определенные интервалы элементов.

Следует заметить и тот факт, что в то время у ряда элементов

неправильно были определены атомные массы, а значит элементы не могли

находиться на своих законных местах, но вопреки этому Менделеев обнаружил

закономерность. Д.И. Менделеев установил, что свойства

элементов зависят от атомных масс и форма зависимости – периодическая.

Менделеев сформулировал открытый им закон так: «Свойства простых тел, а

также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической

зависимости от величин атомных масс элементов».

Построение периодической системы элементов.

Периодическая система является графическим изображением периодического

закона, и является естественным продолжением и развитием Менделеевым идей в

области систематизации химических элементов.

Создавая периодическую систему элементов, Менделеев руководствовался не

только атомными массами элементов, но и всей совокупностью их физических и

химических свойств.

Второй этап работы Д.И. Менделеева был наиболее сложным. Во-первых,

атомные массы ряда элементов (Be, Zn, In, Th и др.) были неправильно

определены. Во-вторых, еще не был открыт целый ряд элементов.

Со всеми трудностями Д.И. Менделеев успешно справился и система была

создана. Он распределил элементы на группы сходных по свойствам элементов,

исправил атомные массы и оставил места для неоткрытых элементов.

Логические выводы, сделанные Менделеевым, заключаются в следующим:

1). должны существовать и должны быть открыты неизвестные в то время

элементы ;

2). должны быть исправлены атомные массы ряда элементов;

3). переход от типичных металлов к типичным неметаллам не должен

быть очень резким.

Для некоторых элементов Менделеев оставил в таблице ряд свободных

мест. Так были оставлены клеточки для элементов №21 (скандия), №31

(галлия), №32 (германия), №43 (технеция), эти элементы

в течение 15 лет были открыты.

Менделеев очень подробно описал физические и химические свойства

некоторых элементов. После открытия элементов, их свойства, установленные

опытным путем, с удивительной точностью совпадали с предсказанными

Менделеевым.

Будучи убежденным в том, что периодический закон отражает объективную

реальность, он незамедлительно исправил атомные массы некоторых элементов

( Бериллия с 13,5 на 9; Индия с 76,6 на 113; Урана со 120 на 240;

Тория с 116 на 232).

3.2. Современная формулировка периодического закона.

Д.И. Менделеев прекрасно понимал, что открытый им периодический закон и

составленная на его основе периодическая система элементов обладает

внутренней способностью к развитию. Современная квантово-механическая

теория строения атома подтвердила правильность менделеевских воззрений на

периодичность свойств химических элементов. Сейчас установлено, что главной

характеристикой атома любого элемента является не атомная масса, а величина

положительного заряда его ядра. Заряд ядра является наиболее универсальной

характеристикой атома. От величины заряда ядра зависит общее число

электронов в атоме и его положение в периодической системе (номер элемента

в периодической системе равен величине заряда ядра. Заряд ядра определяет

число электронов). От заряда ядра зависят свойства элементов. В связи с

этим внесены уточнения в формулировке периодического закона. Современная

формулировка периодического закона следующая:

Свойства элементов, формы и свойства соединений элементов находятся в

периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Эта формулировка периодического закона не противоречит формулировке,

данной Менделеевым. Она базируется на новых данных, которые придают закону

и периодической системе научную обоснованность и подтверждают их

правильность. Современная формулировка закона – это новый этап развития

периодического закона, открытого Д.И. Менделеевым. Она легко объясняет те

незначительные ономалии, которые встречаются в таблице Д.И. Менделеева.

(Например, аргон с атомной массой 39,948 стоит впереди калия, атомная масса

которого меньше, 39,102; теллур с атомной массой 127,60 стоит впереди йода,

атомная масса которого равна 126,90).

3.3. Структура современной периодической системы элементов.

Д.И. Менделеев постоянно совершенствовал структуру периодической

системы элементов. В 1871г он представил второй вариант системы – так

называемую короткую форму таблицы. В этом варианте уже четко были выявлены

различные степени сродства между элементами. Элементы разделены на восемь

групп, номер группы равен высшей валентности, которую может иметь элемент.

Современная периодическая система элементов в общих чертах напоминает

последние варианты менделеевской таблицы.

Сейчас наибольшее распространение имеют две формы периодической системы

элементов: короткопериодная (табл. 3.1.) и длиннопериодная (табл. 3.2.) 105

элементов, известных в настоящее время, расположены в таблице в порядке

увеличения заряда ядер атомов. Заряд ядра определяет порядковый номер

элемента в периодической системе. Ключом к разгадке периодичности свойств

элементов является строение электронных оболочек атомов.

Современная периодическая система состоит из 7 периодов и 8 групп.

Периодом называют последовательный ряд элементов, в пределах которого

происходит постепенный переход от ярко выраженных металлических к ярко

выраженным неметаллическим свойствам.

Например, второй период начинается типичным щелочным металлом (литием)

и заканчивается двумя элементами (фтором и неоном) яркими неметаллами.

Номер периода указывает на число квантовых электронных уровней в атоме и он

равен значению главного квантового числа (n). Период начинается s-

элементами и заканчивается p-элементами. s-элементами называют такие

элементы, в атомах которых последние электроны заполняют s-подуровень

внешнего квантового уровня. p-элементами – такие элементы, в атомах которых

в последнюю очередь электроны заполняют p-подуровень внешнего уровня.

Максимально в каждом периоде может быть только два s-элемента (например, Li

и Be во втором периоде) и не более шести p-элементов (например, B, C, N,

O, F, Ne во втором периоде).

Первых четыре периода являются малыми периодами. Причем первый период

содержит только два элемента (H, He). Структура электронной оболочки,

определяемая квантовыми числами, разрешает атому иметь на первом квантовом

уровне только один подуровень (s-подуровень) с одной s-орбиталью, а

следовательно на одной s-орбитали может быть только два электрона с разными

спинами.

Второй, третий и четвертый периоды содержат по 8 элементов (s-элементов

два и p-элементов шесть). Четвертый и все последующие периоды – большие. В

короткопериодной системе большие периоды сложены в два ряда, но в

длиннопериодной таблице большие периоды составляют один ряд. В больших

периодах между s-элементами и p-элементами вклиниваются d-элементы.

Максимальное число d-элементов в больших периодах – десять. d-элементами

называют такие элементы, в атомах которых последние электроны заполняют

d-подуровень предпоследнего уровня. Например, в четвертом периоде

за двумя s-элементами (K, Ca) следует 10 d-элементов (от Sc до

Zn). У d-элементов 4-го периода последние электроны заполняют d-подуровень

третьего квантового уровня, т.е. 3d-подуровень.

Шестой и седьмой периоды становятся еще длиннее. В этих периодах

появляются f-элементы. f-элементами называют такие элементы, в атомах

которых последние электроны заполняют f-подуровень третьего от вне уровня,

т.е. предпредпоследнего уровня. Например f-элементы шестого периода

заполняют последними электронами 4f-подуровень. Максимальное число f-

элементов в периоде – четырнадцать. f-элементы идут вслед

за первым d-элементов, разбивая при этом d-подуровень на две части. Так в

шестом периоде после двух s-элементов (Cs и Ba) идет один d-элемент под №57

(La). Затем следует четырнадцать f-элементов (Cs–Lu) и только после них, с

№72 гафния продолжается d-подуровень (Hf–Hg) и заканчивается шестой период

шестью p-элементами (Tl–Rn). Аналогичная картина имеет место в седьмом

периоде. В короткопериодной форме периодической системы f-элементы вынесены

в отдельную строчку и располагаются под таблицей. (ряд лантаноидов и ряд

актиноидов).

Если внимательно рассмотреть длиннопериодную форму периодической

системы, то можно заметить, что с увеличением номера периода число

неметаллов в периоде уменьшается. Практически неметаллы образуют компактный

«треугольник».

Периоды.

I –– –– –– –– –– –– H He

II –– –– B C N O F Ne

III –– –– –– Si P S Cl Ar

IV –– –– –– –– As Se Br Kr

V –– –– –– –– –– Te J Xe

VI –– –– –– –– –– –– At Rn

В этом «треугольнике» два неметалла (H и He) являются s-элементами,

остальные неметаллы относятся к p-элементам. Диагональ, выделенная

рамочкой, содержит элементы, разделяющие неметаллы от металлов. Некоторые

ученые выделенные рамочкой элементы, т.е. элементы, лежащие на диагональной

границе треугольника (B, Si, As, Te, At), иногда называют полуметаллами или

полунеметаллами по причине их двойственных свойств.

Группой называют вертикальный ряд, столбец, элементов для которых

существует идентичность свойств, т.е. группа – это совокупность элементов

сходных по своим химическим свойствам. Группа делится на подгруппы.

Рассмотрим два типа деления группы на подгруппы. Каждое деление

основывается на своих принципах. Первая форма деления группы на подгруппы

известна еще из средней школы: каждая группа делится на главную и побочную

подгруппы. В главную подгруппу каждой группы входят элементы больших и

малых периодов, а в побочную – только элементы больших периодов (d-

элементы). Так, во второй группе к главной подгруппе относятся шесть

элементов (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra), а к побочной подгруппе всего три

элемента (Zn, Cd, Hg). По второму типу деления каждая группа делится на три

подгруппы: подгруппу типических элементов и две подгруппы полных

электронных аналогов.

В подгруппу типических элементов входят элементы малых периодов,

элементов, для которых наиболее ярко выражены свойства, определяемые

номером группы.

Полными электронными аналогами называют элементы, в атомах которых

содержится одинаковое число электронов на внешнем и предпоследнем квантовых

уровнях. Так вторая группа делится на следующие три подгруппы:

1. Подгруппа типических элементов – Be, Mg.

2. Подгруппа полных электронных аналогов кальция (подгруппа кальция) –

Ca, Sr, Ba, Ra.

3. Подгруппа полных электронных аналогов цинка (подгруппа цинка) – Zn,

Cd, Hg.

Особняком стоит восьмая группа. Она включает в себя пять подгрупп:

1. Подгруппу типических элементов – He, Ne.

2. Подгруппу полных электронных аналогов криптона (подгруппа криптона)

– Kr, Xe, Rn.

3. Подгруппу железа – Fe, Ru, Os.

4. Подгруппу кобальта – Ko, Rh, Ir.

5. Подгруппу никеля – Ni, Pd, Pt.

В длиннопериодной таблице элементы главных подгрупп каждой группы называют

просто – элементы IA группы; элементы IIA – группы и т.д. Элементы побочных

подгрупп называют элементами Б групп – элементы IB – группы, элементы IIB –

группы. Например: во IIA группу входят элементы Be, Mg, Ca, Sr, Ba и Ro. A

IIB группа содержит элементы Zn, Cd, Hg.

3.4. Обзор закономерностей, выражаемых периодической системой элементов.

Закономерность изменения основных характеристик атомов предопределяется

рамками периодической системы элементов. Опираясь на периодический закон,

периодическую систему элементов, знание электронной структуры атомов можно

достаточно точно описать свойства простых и сложных веществ. Свойства

элементов в простых и сложных веществах в общем случае определяется

размером атома (его радиусом) и структурой электронной оболочки.

3.4.1. Закономерность изменения радиусов атомов.

Так как движение электрона в атоме не имеет строгой, боровской

траектории, а носит волновой характер, то и размер атома не имеет строго

определенной границы. За радиус атома обычно принимают теоретически

рассчитанные положения максимума плотности внешнего электронного облака.

Такие радиусы называют орбитальными. Практически используют эффективные

радиусы, которые определены из строения молекул и кристаллов. Радиусы

атомов являются одной из важных характеристик элементов, т.к. размеры

атомов определяют ряд физико–химических показателей и химическую активность

элементов. Изменение атомных радиусов элементов носит периодический

характер. Рассмотрим, как меняют радиуса атомов в пределах одного периода и

одной группы. Такое рассмотрение сделаем на группе элементов второго

периода и главной подгруппы первой группы. На приведенном ниже рисунке

показан характер (тенденция) изменения радиусов атомов элементов второго

периода. Значения радиусов даны в ангстремах А0. (А0=10 –8см).

Li Be B C N O F

А0

1,52 1,13 0,88 0,77 0,70 0,60 0,66

Na – 1,86

K – 2,31 Характер уменьшения

радиусов атомов.

Rb – 2,44

Cs –2,62

Fr – 2,71 рис. 3.1.

В периодах радиуса атомов по мере увеличения заряда ядра, т.е. от

начала к концу периода, уменьшается. Хотя в атомах элементов, находящихся в

одном периоде, содержится одно и тоже количество электронных квантовых

уровней, но по мере увеличения числа электронов происходит уменьшение

радиусов атомов от начала к концу периода. Этот факт отличается тем, что

при увеличении заряда ядра и числа электронов усиливается кулоновское

взаимодействие между электронной оболочкой и ядром ( F=z*e/r 2 ), которое

приводит к сжатию атома. Так, в ряду элементов второго периода от Лития до

Фтора радиусы атомов уменьшались примерно в 2,5 раза.

В группах сверху вниз радиусы атомов увеличиваются, т.к. с каждым новым

периодом появляется еще один квантовый уровень, который начинает

заполняться электронами.

На рисунке стрелкой указана только общая тенденция изменения радиусов.

Но это не значит, что в указанном направлении имеется линейная зависимость.

На следующем рисунке отражен характер изменения радиусов атомов для

интервала 100 элементов. (рис. 3.2.).

В рядах d-элементов изменения радиусов менее значительны, чем у s- и

p-элементов. У d-элементов идет заполнение электронами d-

подуровня предвнешнего квантового уровня и поэтому величина сжатия атома в

целом меньше, чем в случае увеличения числа электронов на внешнем уровне. В

ряду d-элементов величина сжатия радиусов атомов составляет всего около

0,3А0 (d-сжатие).

В ряду f-элементов величина сжатия еще меньше. Дело в том, что у f-

элементов идет заполнение f-подуровня предпредпоследнего уровня, и

увеличения заряда ядра и числа электронов очень мало влияет на размеры

атомов. Величина f-сжатия составляет всего 0,1А0. Однако это незначительное

изменение радиусов в ряду f-элементов влияет на свойства последующих

элементов. И, естественно, сами f-элементы, имея очень близкие радиусы

атомов, схожи по химическим свойствам.

Полные данные по радиусам атомов представлены в Периодической системе

Д.И. Менделеева, дополненной Кембелом значениями радиусов атомов.

(табл.3.3.). Радиусы атомов были определены рентгеноскопическим методом

3.4.2. Закономерность изменения энергии ионизации.

Химическую активность элемента можно оценить способностью его атома

терять и приобретать электроны. Способность атома отдавать электроны

количественно оценивается энергией ионизации.

Энергией ионизации называется такое количество энергии, которое

необходимо затратить для отрыва одного элемента от нейтрального атома.

Энергию ионизации обозначают буквой I и выражают в кДж/моль или

ЭВ/атом.

A+I=A++e

Многоэлектронные атомы характеризуются несколькими энергиями ионизации:

I1, I2, I3,…, соответствующими отрыву первого, второго, третьего и т.д.

электронов. При этом, всегда I1< I2< I3< In, т.к. с увеличением числа

отрываемых электронов растет заряд образующегося положительного иона,

который сильнее притягивает электроны. Для характеристики химической

активности элемента обычно пользуются значением первой энергии ионизации I1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10