Периодический закон и
периодическая система
|
 |
Таблица из статьи Д.И.Менделеева
|
Английский химик Дж.А.Р.Ньюлендс предложил «закон октав» – он очень любил музыку, считал, что в природе все подвластно музыкальной гармонии и подобное в свойствах химических элементов должно повторяться, как в музыкальной октаве, через семь элементов на восьмом. Ньюлендс расположил химические элементы в порядке возрастания атомного веса (массы) так, чтобы похожие по свойствам элементы находились друг под другом. Его система внешне похожа на менделеевскую, и Ньюлендс пытался доказать собственный приоритет в открытии периодической системы. Похожа на менделеевскую и система элементов немецкого химика Л.Ю.Мейера, опиравшегося в систематизации не только на возрастание атомного веса и подобие свойств, но и на валентность.
В чем же коренное отличие периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева от систематизаций других химиков?
Ученик. Определяя место химического элемента в системе, Дмитрий Иванович опирался на все известные к тому времени свойства элементов и их соединений. Он выписывал все известное об элементе и его соединениях на отдельные карточки и анализировал разные варианты взаимного расположения химических элементов, учитывая весь комплекс их свойств. В отличие от других химиков он предположил существование еще неизвестных тогда науке химических элементов и оставил для них пустые места – всего 12. Для трех химических элементов Менделеев подробно предсказал их свойства. Он назвал эти элементы «экаалюминий», «экабор» и «экасилиций» (приставка «эко» означает «подобный»).
Учитель. Когда Д.И.Менделеев открыл периодический закон?
Ученик. 1 марта 1869 г.
Учитель. Какова «менделеевская» формулировка периодического закона?
Ученик. Свойства элементов (а следовательно, и образованных из них простых и сложных тел) находятся в периодической зависимости от их атомного веса.
Учитель. Есть ли в периодической системе отклонения от порядка возрастания атомных масс?
Ученик. Есть. Например, аргон–калий, кобальт–никель, теллур–йод.
Учитель. Отличалась ли первая периодическая система от современного варианта?
Ученик. В первом варианте периодической системы похожие по свойствам элементы располагались не друг под другом, а рядом, и не было порядковых номеров. Порядковые номера введены в 1913 г. нидерландским физиком А. ван ден Бруком как значения функции, выражающей зависимость свойств элемента от еще неизвестной внутренней особенности.
Учитель. Какие события способствовали признанию периодического закона?
Ученик. Прежде всего это открытие тех элементов, существование и свойства которых были предсказаны Д.И.Менделеевым. В 1875 г. молодой французский спектроскопист П.Э.Лекок де Буабодран выделил из минерала, добытого в Пиренейских горах, новый элемент, названный им галлием. Свойства галлия совпали со свойствами «экаалюминия». В 1879 г. шведский химик Л.Ф.Нильсон открыл элемент скандий, свойства которого совпали со свойствами «экабора». В 1886 г. немецкий химик К.А.Винклер открыл элемент германий – «экасилиций».
Учитель. Эти события ярко отражает шутливое стихотворение:
Вот как-то раз узнали
Ученые всех стран –
Металл чудесный галлий
(в честь Франции назвали)
Открыл Буабодран.
Довольный и счастливый рассматривал металл
И писем из России никак не ожидал.
«Ошибся я! Слыхали?! – француз был удивлен, –
В глаза не видел галлий, а свойства знает он!
Вес вычислил удельный точней, чем я, стократ
Какой-то Менделеев еще пять лет назад!»
Глаза его сверкали, топорщились усы,
И вот металл свой галлий он кинул на весы.
Ответ в Россию мчится: «Я вами восхищен!
Проверен мной практически
Закон периодический,
И я категорически приветствую закон!»
Так галлий стал одним из трех,
Предсказанных заранее,
И следом, как из-под земли,
Уж скандий в Швеции нашли,
На свет германий извлекли,
Естественно, в Германии.
Кстати, первооткрыватель германия Винклер хотел назвать элемент, предсказанный благодаря периодическому закону, в честь России. На «географическом» названии, в соответствии с традицией, настаивал Менделеев. А какой элемент назван в честь России?
Ученик. Рутений с порядковым номером 44 – от латинского названия России – Ruthenia.
Учитель. Сам Менделеев не сомневался в огромном научном значении периодического закона. «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются», – писал он. Но периодический закон подвергся двум очень серьезным проверкам «на прочность». Первая из них связана с открытием инертных газов. Для инертных газов в периодической системе места предусмотрено не было, но в соответствии со своими свойствами они образовали в ней дополнительную, «нулевую» группу. Первый из инертных газов, гелий, был сначала открыт методом спектрального анализа в спектре солнечных протуберанцев (1868), и только спустя более 25 лет инертные газы были выделены из воздуха английскими физиками и химиками Дж.У.Рэлеем и У.Рамзаем. Об этом стихотворные строки:
Другого ничего в природе нет.
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.
(С.Щипачев)
Второе испытание оказалось еще более серьезным, т. к. ставило под сомнение саму основу периодичности – атомную массу. В 1913 г. английский радиохимик Фредерик Содди, изучая радиоактивный распад, открыл существование элементов с одинаковыми свойствами, но разной атомной массой. Как называются такие элементы?
Ученик. Изотопы.
Учитель. Чтобы объяснить результаты второго испытания периодического закона, потребовалось объединение усилий химии и физики. «Природа не знает о нашем делении на науки. Она едина. И это значит, что постижение ее законов требует коллективного усилия многих наук», – утверждал Н.Н.Семенов, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 г.
Какова современная модель строения атома? Какие ученые внесли вклад в ее создание?
Ученик. Благодаря опытам Эрнеста Резерфорда по рассеиванию a-частиц золотой фольгой в 1913 г. утвердилась планетарная модель строения атома: в центре – положительно заряженное ядро, размеры которого в ~100 000 раз меньше размеров атома, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Суммарный заряд электронов совпадает с зарядом ядра, поэтому атом в целом электронейтрален. В соответствии с постулатами Н.Бора электроны могут находиться только на разрешенных (стационарных) орбитах. Находясь на стационарной орбите, электрон энергию не излучает. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую происходит выделение или поглощение энергии.
Учитель. Экспериментально определяя частоты рентгеновских излучений атомов, ученик Резерфорда английский физик Генри Мозли установил линейную зависимость квадратного корня из этих частот от атомных (порядковых) номеров химических элементов. Согласно же гипотезе А. ван ден Брука (1913) порядковые номера химических элементов равны зарядам ядер атомов. Заряд ядра атома химического элемента определяется количеством протонов в ядре атома. Так определился физический смысл порядкового номера – не только положение химического элемента в периодической системе, но и заряд ядра его атома, число протонов в ядре и общее число электронов в атоме.
В 1932 г. английский физик-экспериментатор Ч.Дж.Чедвик и советский физик-теоретик Д.Д.Иваненко практически одновременно пришли к выводу о существовании внутри атомных ядер еще одного вида частиц – нейтронов с массой, приблизительно равной массе протона, но не имеющих заряда. Как определить количество нейтронов в ядре атома?
Ученик. Из атомной массы вычесть порядковый номер элемента.
Учитель. Как объяснить с позиций теории строения атома существование изотопов?
Ученик. Имеют одинаковый заряд ядра, т. е. одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов и, следовательно, разную атомную массу.
Учитель. Каков физический смысл номера периода в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?
Ученик. Число энергетических уровней в атоме химического элемента.
Учитель. Что такое периоды в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?
Ученик. Горизонтальные ряды химических элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, начинающиеся щелочными металлами и заканчивающиеся инертными газами.
Учитель. Какими бывают периоды в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?
Ученик. Малые и большие. Малые
периоды – первый (два элемента), второй и третий
(по восемь элементов). Остальные периоды –
большие, т. е. состоят из двух рядов элементов. В
четных рядах больших периодов находятся только
металлы, в их атомах, кроме щелочных и
щелочно-земельных металлов, заполняются не
внешние энергетические уровни, а
d- и f-подуровни предвнешних энергетических
уровней, поэтому металлические свойства
«угасают» медленно. Нечетные ряды больших
периодов начинаются металлами, но не щелочными,
затем металлические свойства резко ослабевают,
неметаллические усиливаются до галогенов.
Учитель. Что такое группы?
Ученик. Вертикальные ряды химических элементов с одинаковой электронной конфигурацией валентных электронов.
Учитель. По какому признаку группы делятся на главные и побочные подгруппы?
Ученик. В главных подгруппах находятся химические элементы и малых, и больших периодов. В их атомах заполняется внешний энергетический уровень, и номер группы совпадает с числом электронов на внешнем (валентном) энергетическом уровне. В побочных подгруппах находятся химические элементы только больших периодов, в их атомах заполняются d- и f-подуровни предвнешних энергетических уровней, и на внешнем уровне обычно содержится два электрона (исключения – Cr, Cu, Ag, Au – 1 e).
Учитель. Как меняются свойства химических элементов в группах и почему?
Ученик. Металлические свойства усиливаются, неметаллические ослабевают, т.к. на внешнем энергетическом уровне число электронов не меняется, а радиус атома увеличивается.
Учитель. Как меняются свойства химических элементов в периодах и почему?
Ученик. Металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются, т.к. возрастает число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов и уменьшается атомный радиус. (Иллюстрирует этот вывод подготовленными на доске характеристиками химических элементов.)
Учитель. Почему лантаноиды и актиноиды вынесены за рамку периодической системы?
Ученик. В их атомах заполняется третий от конца энергетический f-подуровень. Изменение электронного строения этого энергетического подуровня почти не отражается на свойствах химических элементов, в химическом отношении лантаноиды и актиноиды – близнецы. Поэтому помещать их в период периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, где предполагается угасание металлических свойств, было бы неверно.
Учитель. Почему у водорода два положения в периодической системе?
Ученик. У атома водорода всего один электрон на первом энергетическом уровне, и до его завершения не хватает одного электрона. Атом водорода способен и отдавать один электрон, как атомы щелочных металлов (в реакциях с неметаллами), и принимать один электрон, как атомы галогенов (в реакциях со щелочными и щелочно-земельными металлами).
Учитель. В чем причина периодического повторения свойств элементов и их соединений?
Ученик. Повторяется электронное строение внешнего энергетического уровня, а именно это определяет свойства.
Учитель. Какова современная формулировка периодического закона?
Ученик. Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов.
Учитель. Возможно ли существование элементов, предшествующих водороду в периодической системе?
Ученик. Нет, т.к. меньше одного протона в ядре атома быть не может.
Учитель. Предполагается ли предел для периодической системы?
Ученик. Предполагается, что периодическая система будет содержать примерно 160 химических элементов. Более крупные ядра будут вступать во взаимодействие с электронами первого энергетического уровня, что приведет к получению новых изотопов уже существующих элементов. По синтезу новых химических элементов успешно работают российские ученые (см. газету «Химия», 2004, № 4, с. 1).
Подведение
итогов «сократовской беседы»
Учитель. Итак, периодический закон и его наглядное выражение – периодическая система химических элементов – являются мостиком в микромир, позволяют без сложных приборов определять строение атома, уверенно предсказывать свойства химических элементов и их соединений, характеристики атомов, включая атомные массы. Учение о периодичности ярко иллюстрирует законы диалектики:
1) закон перехода количественных изменений в качественные: изменение числа электронов на внешнем энергетическом уровне ведет к изменению свойств химического элемента и его соединений;
2) закон единства и борьбы противоположностей: электрон сочетает свойства частицы (заряд и масса) и волны (дифракция и интерференция) – это так называемый корпускулярно-волновой дуализм;
3) закон отрицания отрицания: в электронной структуре атома щелочного металла калия полностью повторяется электронная структура атома инертного газа аргона, но высокая химическая активность калия полностью отрицает инертность аргона.
Периодический закон относится к фундаментальнейшим законам природы и величайшим открытиям человечества.