Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева

 

Дмитрий Иванович Менделеев, великий русский химик, в 1869г. сформулировал периодический закон на основе блестящего теоретического анализа огромного числа экспериментальных данных и предсказал на его основе существование и свойства элементов, которые вскоре были обнаружены экспериментально. Правильность закона была подтверждена. Но сам Д.И. Менделеев предполагал, что причина изменяемости свойств элементов кроется в «основных началах внутренней механики атомов». Строение атомов еще не было известно.

Современная формулировка Периодического закона строится на основе строения атома: свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра этих элементов. Периодическая система по сути является графическим отображением периодического закона

На основе современной формулировки периодического закона и с использованием периодической системы можно определить строение атома любого химического элемента, класс элемента, предсказать свойства простого вещества, образованного этим элементом, а также состав и свойства соединений этого элемента. Периодический закон и периодическая система – это основа основ химии как науки и одновременно универсальный справочник, в котором можно найти ответы на множество простых и сложных вопросов. Периодическая система состоит из семи периодов (строк) и восьми групп (столбцов). Положение элементов в периодической системе определяется строением их атомов.

Для четкого понимания периодического закона и для умения пользоваться периодической системой необходимо иметь представление о строении атома.

Атом

– это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Различные виды атомов названы химическими элементами. Строение и свойства атомов зависят от заряда ядра.

Химический элемент

– это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

 

Ядро атома

– часть атома, находящаяся в его центре и заряженная положительно; в ядре сосредоточена основная масса атома. Ядро состоит из нуклонов (протонов и нейтронов) Сумма числа протонов и нейтронов в атоме называется массовым числом.

Число протонов + число нейтронов = массовое число

Например, массовое число изотопа бора (

5(число протонов) + 6(число нейтронов) = 11(массовое число)

 

Протоны

– положительно заряженные частицы ядра атома (относительная масса протона округленно равна 1). Каждый элемент имеет свое специфическое число протонов. Оно определяет общий положительный заряд ядра и место элемента в периодической системе. Число протонов равно порядковому номеру элемента.

Число протонов = заряд ядра = порядковый номер элемента

Химический элемент

– определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра

Порядковый номер элемента = заряд ядра = число протонов

 

Нейтроны

– электрически нейтральные частицы (относительная масса примерно равна массе протона) Число нейтронов в ядрах одного и того же элемента может быть различным.

 

Электроны

– отрицательно заряженные частицы (масса равна примерно 1/1836 массы протона), совмещающие в себе свойства частицы и электромагнитной волны.

Электроны образуют оболочку атома. Число электронов в оболочке атома равно числу протонов в ядре атома.

Число протонов = заряд ядра = число электронов = порядковый номер элемента

Главное квантовое число n

Определяет общую энергию электрона. Электроны с близкими энергиями располагаются на соответствующих энергетических уровнях, которые обозначаются арабскими цифрами, равными главному квантовому числу (n = 1,2,3,4,…). Число энергетических уровней равно номеру периода, в котором расположен элемент.

Число энергетических уровней = номеру периода

Атомная (электронная) оболочка

Содержит все принадлежащие данному атому электроны. Электроны в атомной оболочке распределены согласно своей энергии по энергетическим уровням. Электроны разных уровней отличаются запасом энергии: чем дальше они находятся от ядра, тем больше их энергия и тем слабее связь с ядром.

Области наиболее вероятного местонахождения электрона называются электронными орбиталями.

На каждом энергетическом уровне может находиться строго определенное число электронов, максимально 2n²

энергетический максимальное

уровень n число электронов

1 2 ∙ 1² = 2

2 2 ∙ 2² = 8

3 2 ∙ 3² = 18

4 2 ∙ 4² = 32

 

 

Энергетические уровни подразделяются в свою очередь на подуровни s, p, d и f. Электроны, расположенные на этих подуровнях, обозначаются как s-, p-, d- и f- электроны.

Атомная (электронная) орбиталь

– область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона. Отвечает определенному энергетическому уровню. На одной орбитали может находиться не более двух электронов.

Первому энергетическому уровню (уровень 1) соответствует одна s-орбиталь

второму (уровень 2) – одна s- и три р-орбитали

третьему (уровень 3) – одна s-, три р- и пять d-орбиталей

четвертому (уровень 4) – одна s-, три р-, пять d- и семь f-орбиталей.

s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбитали – форму объемной восьмерки, d- и f-орбитали имеют более сложную форму.

Спин

– свойство электрона, не имеющее известных аналогов. Это собственный момент импульса электрона, не связанный с движением в пространстве. Обозначение ориентации спина в занятой электронами орбитали: ↑↓

 

Внешние электроны

– электроны внешних (последних) орбиталей атома. Они в значительной мере определяют свойства элемента. На внешних орбиталях расположены валентные электроны, которые данный атом может отдать на связь с другими атомами. Максимальное число валентных электронов равно номеру группы.

Число валентных электронов = номеру группы.

У элементов главных подгрупп (s- и р-элементы) все валентные электроны расположены на s- и р-подуровнях последнего энергетического уровня. У элементов побочных подгрупп (d-элементы) – на последнем и предпоследнем уровнях.

 

Изотопы

– атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Изотопы элемента отличаются по массовому числу.

Углерод ¹²С: 6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов.

Углерод ¹³С: 6 протонов, 7 нейтронов, 6 электронов.

В периодической системе указана относительная атомная масса элемента. Это усредненная масса всех природных изотопов данного элемента.

 

Химические элементы в периодической системе расположены в соответствии со строением атомов, следовательно, по положению элемента можно определить строение его атома. Строение является причиной всех свойств. Значит, основываясь на знании строения атома, можно предсказать свойства элемента, а также свойства простых веществ и соединений, которые этот элемент образует.