Периодический закон Д.И. Менделеева: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 2: "Периодический закон Д.И. Менделеева"

Уважаемые слушатели, теперь мы с вами обсудим периодический закон Дмитрия Ивановича Менделеева и периодическую таблицу элементов. Это очень важная тема, поскольку сам закон и таблица постоянно используются химиками, и считается, что если вы хорошо владеете всеми тонкостями определения свойств элементов, а также их соединений, то тогда вы значит хорошо разбираетесь в химии. Периодический закон был открыт Дмитрием Ивановичем Менделеевым, он был сформулирован им впервые в 1869 году. Когда он сформулировал свой закон, он сказал, что изменение свойств элементов, а также изменение свойств соединений данных элементов находится в периодической зависимости от атомных весов. Сейчас мы с вами формулируем в более современном виде, не в зависимости от атомного веса, молекулярной массы или атомной массы элемента, а в зависимости от заряда ядра. Надо сказать, что Дмитрий Иванович предвосхитил все это, потому что в то время еще пока не было сформулировано ни строение атома, ни то, как электроны распределяются в атомах и т.д. Поэтому гений Менделеева заключается в том, что он это чувствовал. Если мы расположим элементы по возрастанию массы, у нас будет несколько моментов, которые должны будут располагаться не совсем так, как сейчас располагаются в таблице Менделеева. Например, если мы возьмем теллур и иод. Теллур имеет массу чуть больше 127 , а иод имеет массу чуть меньше 127 . То есть получается, что сначала должен был бы следовать иод, а потом теллур. Но Дмитрий Иванович поставил все-таки теллур перед иодом. Исходя не просто из массы, а исходя из его свойств. То есть в первую очередь он строил свою таблицу согласно химическим свойствам элементов. Действительно, теллур должен находиться в одной группе с кислородом, серой и селеном, по своим свойствам. А иод больше тяготеть к свойствам хлора, брома, фтора. Дмитрий Иванович считал, что, может быть, массы не очень точно определены, но оказывается, что масса до сих пор, даже уже уточненные, все равно немножко нарушает порядок возрастания атомного веса. Например, это встречается у кобальта и никеля или в случае калия и аргона. Теперь мы знаем, что периодический закон и таблица элементов Менделеева построена именно согласно электронному строению атома. Прежде чем мы перейдем к этой взаимосвязи, я бы еще хотел сказать, что одно из важнейших достижений Менделеева не просто таблица элементов, а то, что он показал, что ее можно использовать для предсказания свойств элементов. Он предсказал некоторые свойства еще не открытого тогда элемента, которого он назвал экосилиций. Он предсказал, что атомная масса равна 72 , что плотность простого вещества будет около 5{,}5 г/см ^3 . При этом экосилиций должен образовывать оксид с формулой ЭО_2 по аналогии с кремнием, плотность оксида должна быть равна 4{,}7 г/см ^3 . Экосилиций может образовывать соединение с хлором с формулой ЭCl_4 , с плотностью около 1{,}9 г/см ^3 , и это должна быть жидкость с температурой кипения 90\,^{\circ} С. Через некоторое время был открыт элемент Германий, который как раз оказывается в этой позиции экосилиция в таблице Менделеева. Атомная масса германия 72{,}6 это очень близко к 72 . Плотность элементарного германия оказывается 5{,}35 г/см ^3 . Формула оксида GeО_2 , его плотность равна 4{,}7 г/см ^3 . Хлор содержащее соединение германия GeCl_4 – жидкость с температурой кипения 90\,^{\circ} С и плотностью 1{,}887 г/см ^3 . Таким образом, предсказательная сила Периодического закона очень большая. Совпадения, если не прям идеальные, то очень-очень близкие. И все эти предсказания Дмитрий Иванович сделал на основании положения элемента в таблице Менделеева. Спасибо.

Периодический закон Дмитрия Ивановича Менделеева гласит, что свойства элементов, их простых соединений, а также свойства их сложных соединений, находятся в периодической зависимости от заряда ядра данного элемента. Почему именно заряд ядра? Про массу я сказал, что у нас есть элементы, которые по массе должны быть переставлены. Масса не подходит. От количества электронов? Но количество электронов может немножко варьироваться. Какие-то электроны могут уходить, тогда у нас образуется катион, какие-то электроны могут приходить, тогда образуется анион, то есть это тоже вещь непостоянная. А вот заряд ядра у нас при химических процессах не меняется и, соответственно, заряд ядра соответствует количеству электронов в нейтральном атоме и определяет поведение в химических реакциях соединений. Почему же все-таки Периодический закон связан с электронным строением и почему именно такую структуру имеет Периодическая таблица Дмитрия Ивановича Менделеева. Мы с вами помним, что на первом уровне находится всего одна орбиталь, и эта орбиталь может содержать максимум два электрона. В начале таблицы стоит водород, и у него конфигурация 1s^1 , а в конце первого периода (горизонтальный ряд) находится гелий, у которого конфигурация 1s^2 . Атом водорода чаще в разных таблицах ставится в первой группе (вертикальный ряд), но не всегда, так как у него с одной стороны первый электрон появляется, а с другой стороны из-за того, что на первом уровне всего лишь 2 электрона максимальное количество, то он является предпоследним. Поэтому в некоторых таблицах он пишется перед гелием в седьмой (или семнадцатой) группе, то есть там, где находятся галогены. Если в первой группе пишут водород, то в седьмой группе его пишут в круглых скобочках или наоборот. Итак, в первом периоде всего два элемента. Во втором периоде уже восемь элементов, он начинается с лития 2s^1 и заканчивается неоном 2s^2 2p^6 . Всего 8 электронов на втором уровне, и поэтому 8 элементов: литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и неон. В третьем периоде должно было быть 18 элементов, но мы с вами помним, что 3 d-орбитали будут заполняться после 4 s. Это означает, что заполнение 3 d-орбиталей уже будет протекать не в третьем, а в четвертом периоде. Третий период начинается с натрия и заканчивается аргоном. У натрия 3s^1 , у аргона 3s^2 3p^6 . В четвертом периоде начинается заполнение 3 d-орбиталей. Четвертый период начинается с калия 4s^1 и кальция 4s^2 , а затем начинают заполняться 3 d-орбитали от скандия до цинка, у скандия будет 4s^2 3d^1 , у цинка уже будет 4s^2 3d^{10} .

После 3 d-элементов идут 4 р-элементы, начиная с галлия ( Ga ) и заканчивая благородным газом криптоном ( Kr ) с конфигурацией 4s^2 4p^6 . Пятый период повторяет четвертый период, здесь тоже 18 элементов (от рубидия до ксенона). В шестом периоде после заполнения 6 s-орбитали уже появляются 4 f-элементы, которые выносятся в низ таблицы, их называют лантаноиды. Этот ряд состоит из 14 элементов, начиная с церия и заканчивая лютецием. И эти элементы выносятся вниз, потому что они как бы уже не помещаются. Нужно сказать, что существует два вида таблицы Менделеева. Первый вид – так называемая короткопериодная таблица. Она более компактная. Начиная с четвертого периода, весь период складывается в два ряда. Группы в этой таблице будут называться IА и IB , IIА и IIB и т.д. Второй вид – длиннопериодная. Она состоит из групп от 1 до 18 . В обоих видах таблиц кроме лантаноидов есть еще 5 f-элементы (актиноиды), многие из которых уже являются радиоактивными, то есть нет стабильных изотопов. Что в этой таблице важно? Какие важные характеристики изменяются? Еще раз напомню, что горизонтальные ряды называют периодами, а вертикальные ряды – группами. Одним из самых важных характеристик атома, является его размер, то есть радиус. Радиус атома, ковалентный радиус, ионный радиус, металлический радиус – это все разные типы радиусов. В общем и целом, мы можем говорить про радиус атома. По таблице радиус атома по периоду слева направо будет уменьшаться. Почему уменьшаться? Потому что количество электронов увеличивается слева направо, но все они на одном и том же уровне находятся, также увеличивается заряд ядра. Таким образом, у нас увеличивается электростатическое кулоновское взаимодействие между ядром и электронами, и атом сжимается. Сверху вниз по группе радиус атома увеличивается. Возьмем, например, атом лития, радиус атома от лития к бериллию по периоду слева направо уменьшается, а затем переходим от бериллия к магнию (вниз по группе), радиус атома увеличивается. То есть в ряду Li – Be – Mg радиус атома сначала немного уменьшился, затем немного увеличился, то есть в целом по диагонали могут располагаться элементы, которые очень близки по свойству, потому что они имеют близкий радиус, как литий и магний. Такое сходство называют диагональным. Диагональное сходство проявляется, например, в случае лития и магния, а также бериллия и алюминия. Это проявляется не всегда, но вот эти примеры наиболее яркие, но не единственные. По периоду также будет изменяться электроотрицательность, она будет увеличиваться слева направо, а по группе сверху вниз уменьшаться. Электроотрицательность мы используем, когда мы говорим о полярности связи, о перетягивании одним атомом электрона к другому, и иногда это нам помогает обсуждать кислотные свойства в различных соединениях и так далее.

Еще две важные характеристики, которые мы тоже должны уметь сравнивать для элементов, это сродство к электрону и потенциал (энергия) ионизации. Потенциал ионизации, иначе называют металлические свойства элемента, это способность отдавать электроны. То есть чем меньше потенциал ионизации, тем больше способность отдавать электроны (сильнее металлические свойства). Способность отдавать электроны по периоду слева направо уменьшается (потенциал ионизации увеличивается), а вниз по группе увеличивается. Получается, если мы сравниваем с вами щелочные металлы: литий, натрий, калия, рубидий, цезия, то цезий легче всех отдает электроны. А если мы сравниваем по периоду: литий-бериллий и так далее, то фтор у нас будет хуже всего отдавать электроны, а литий будет лучше всего отдавать электроны. Сродство к электрону – это способность принимать электроны, чем больше сродство к электрону, тем выше способность принимать электроны. Способность принимать электроны, наоборот, по периоду слева направо будет увеличиваться, а вниз по группе будет уменьшаться. Таким образом, электроотрицательность, потенциал ионизации и сродство к электрону тесно взаимосвязанные характеристики. Электроотрицательность – это некий симбиоз способности отдавать электроны и способности принимать электроны какими-то атомами. Самым электроотрицательным элементом оказывается фтор, он хуже всех отдает электроны и лучше всего принимает, а наименее электроотрицательным элементом является цезий, который наоборот имеет наибольшую способность отдавать электроны и наименьшую способность их принимать.