Периодический закон и Система Д.И. Менделеева
Основные понятия и термины по теме: атом, заряд ядра, периодическая система химических элементов, группа, подгруппа, число электронов, электронный слой атомов.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
- Зависимость свойства атомов от заряда ядра.
- Физический смысл порядкового номера, номера группы и периода химического элемента
- Изменение строения внешних электронных слоев атомов.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Таблица Периодической системы химических элементов графически отображает Периодический закон. Каждое число в ней характеризует какую-либо особенность в строении атомов:
- порядковый (атомный) номер химического элемента указывает на заряд его атомного ядра, то есть на число протонов, содержащихся в нем, а так как атом электронейтрален, то и на число электронов, находящихся вокруг атомного ядра. Число нейтронов определяют по формуле
N = A – Z,
где A – массовое число, Z – порядковый номер элемента;
- номер периода соответствует числу энергетических уровней (электронных слоев) в атомах элементов данного периода;
- номер группы соответствует числу электронов на внешнем уровне для элементов главных подгрупп и максимальному числу валентных электронов для элементов побочных подгрупп.
В периоде с увеличением зарядов атомных ядер элементов (слева направо) металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются в силу того, что:
- возрастает число электронов на внешнем уровне атома;
- число энергетических уровней в атомах в пределах периода остается постоянным;
- уменьшается радиус атомов.
В группах (главная подгруппа) с увеличением зарядов атомных ядер элементов (сверху вниз) металлические свойства усиливаются, неметаллические ослабевают. Это объясняется тем, что:
- число электронов на внешнем уровне атомов остается одинаковым;
- увеличивается число энергетических уровней в атоме;
- увеличивается радиус атомов.
В больших периодах такие изменения происходят медленнее, так как, начиная с третьего элемента, у атомов достраивается не внешний энергетический, а предвнешний уровень с 8 до 18 электронов (у элементов побочных подгрупп), и лишь затем заполняется внешний уровень с 2 до 8 электронов (у элементов главных подгрупп).
Природа каждого химического элемента, то есть определенные, присущие только ему свойства атомов, простых веществ, соединений зависит от заряда ядра его атомов. Заряд обусловливает и строение электронной оболочки атома. Но величины зарядов ядер атомов химических элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева изменяются монотонно – увеличиваются от +1 у водорода до +110 у элемента № 110, поэтому прямой причиной периодического изменения свойств элементов это явление быть не может.
Причина периодичности – изменение строения внешних электронных слоев атомов. Так, у всех щелочных металлов внешний энергетический уровень занят одним s-электроном, поэтому их свойства так похожи. Но они не одинаковы, степень их проявления разная, потому что этот единственный внешний электрон находится на разном удалении от ядра у атомов каждого из щелочных металлов:
Вывод: Свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от строения внешних электронных слоев атомов.
Впервые физический смысл порядкового номера раскрыл голландец Ван-ден-Брук, который доказал, что порядковый номер химического элемента равен заряду ядра его атома. Открытие изотопов и закономерность Ван-ден-Брука–Мозли позволили дать современное определение Периодического закона: Свойства химических элементов и образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер.
Строение атома
Строение атома. При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения электронов между атомами.
Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Благодаря волновым свойствам электроны в атоме могут иметь только строго определенные значения энергии, которые зависят от расстояния до ядра. Электроны, обладающие близкими значениями энергии образуют энергетический уровень. Энергетические уровни подразделяются на s-, p-, d- и f- подуровни; их число равно номеру уровня.
Распределение электронов по энергетическим уровням. Вся совокупность сложных движений электрона в атоме характеризуется энергетическими числами, которые называются квантовыми числами.
п — главное квантовое число, принимает значения целых чисел натурального ряда — 1, 2, 3, ..., °°.
Пример: n = 3; на третьем энергетическом уровне — подуровней — 3: 3s, Зр, 3d; число орбиталей в уровне: п2 — 9; в подуровнях: 3s — 1, Зр — 3, 3d — 5; максимальное число электронов в уровне 2n2— 18; на подуровнях: s — 2, р — 6, d — 10.
— побочное (орбитальное) квантовое число. Подуровни энергетического уровня характеризуются побочным квантовым числом. Оно зависимо от главного квантового числа и принимает значения от 0 до п - 1.
Побочное квантовое число характеризует форму атомной орбитали и уточняет ее энергию по формуле Е = п + l.
1. При l = 0 открывается подуровень s с s-орбиталью, форма которой сферическая.
2.При l = 1 открывается подуровень р с р-орбиталями, форма которых напоминает объемную восьмерку.
3.При l = 2 открывается подуровень d с f-орбиталями, форма которых напоминает объемный лепесток и более сложную объемную восьмерку.
4.При l= 3 открывается подуровень / сl-орбиталями, имеющими более сложную форму.
Номер энергетического уровня соответствует количеству подуровней. При п = 3 — три подуровня; при п = 2 — два подуровня.
Количество орбиталей на подуровне определяется т — магнитным квантовым числом. Магнитное квантовое число определяет распределение орбиталей в магнитном поле ядра, оно зависимо от орбитального квантового числа и принимает значения от 0 до l- 1; т = 2l+ 1.
Спиновое квантовое число s — независимое. Это число — квантовое свойство электрона, не имеющее классических аналогов. Спин — это собственный момент импульса электрона, не связанный с движением в пространстве. Для всех электронов абсолютное значение спина 1/2. Проекция спина на ось (магнитное спиновое число ms может иметь лишь два значения: +1/2 или -1/2, т.к. спин электрона — величина постоянная.)
Вывод: Состояние электрона в атоме характеризуется квантовыми числами: п — главное квантовое число, l — побочное квантовое число, ml — магнитное орбитальное квантовое число, ms — магнитное спиновое квантовое число. Зная квантовые числа у электрона, можно описать энергию, количество орбиталей, их форму и расположение в пространстве.
Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева для развития науки.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева – выполнили все три важнейшие функции теоретического знания: обобщающую, объясняющую и прогностическую. На их основе ученые:
- систематизировали и обобщили все сведения о химических элементах и образуемых ими веществах;
- дали обоснование различным видам периодической зависимости, существующим в мире химических элементов, объяснив их на основе строения атомов элементов;
- предсказали, описали свойства еще не открытых химических элементов и образованных ими веществ, а также указали пути их открытия.
Систематизировать и обобщить сведения о химических элементах пришлось самому Д. И. Менделееву, когда он открывал Периодический закон, строил и совершенствовал свою таблицу.
За период 1869—1886 гг. были открыты три предсказанных элемента: галлий (П. Э. Лекок де Буабодран, Франция, 1875 г.), скандий (Л. Ф. Нильсон, Швеция, 1879 г.) и германий (К. Винклер, Германия, 1886 г.). Открытие первого из этих элементов, подтвердившее правильность прогноза великого русского ученого, вызвало у его коллег только интерес и удивление. Открытие же германия стало подлинным триумфом Периодического закона. К. Винклер писал в статье «Сообщение о германии»: «Не подлежит больше никакому сомнению, что новый элемент есть не что иное, как предсказанный Менделеевым за пятнадцать лет до этого экасилиций. Ибо едва ли может быть дано более убедительное доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем воплощение бывшего до сих пор гипотетическим экасилиция, и оно представляет собой поистине нечто большее, чем простое подтверждение смело выдвинутой теории, — оно означает выдающееся расширение химического поля зрения, могучий шаг в области познания».
На основе закона и таблицы Д. И. Менделеева были предсказаны и открыты благородные газы. И сейчас этот закон служит путеводной звездой для открытия или искусственного создания новых химических элементов. Например, можно утверждать, что элемент с № 114 будет похож на свинец (экасвинец), а № 118 будет благородным газом (экарадон).
Открытие Периодического закона и создание таблицы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеевым стимулировало поиск причин взаимосвязи элементов, способствовало выявлению сложной структуры атома и развитию учения о строении атома. Это учение, в свою очередь, позволило вскрыть физический смысл Периодического закона и объяснить расположение элементов в Периодической системе. Оно привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человечества.
Электронное строение атома
Характеристика элементарных частиц.
|
Электрон (ē) |
Протон (р) |
Нейтрон |
|
масса = 1/1386 а.е.м. |
масса = 1 а.е.м. |
масса = 1 а.е.м. |
|
заряд = -1 |
заряд = +1 |
заряд = 0 |
Состояние электронов в атоме.
Электроны располагаются на энергетических уровнях. Число энергетических уровней в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором расположен элемент. Максимальное число электронов, которые могут поместиться на n-м уровне составляет 2 n2.
Энергетические уровни делятся на подуровни. Число подуровней равно номеру уровня. Подуровни обозначаются буквами и имеют различную вместимость, а именно:
.
Электрон в атоме не имеет траектории движения, то есть можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра.
Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называют орбиталью, или электронным облаком.
s-орбитали имеют сферическую форму, р–орбитали - форму объемной восьмерки, d-орбитали - форму листа клевера, f-орбитали - форму шестилепесткового цветка.
На одной орбитали не может быть больше двух электронов.
Электронные формулы атомов.
Энергетические уровни и подуровни заполняются в определенной последовательности - по правилу Клечковского.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 ….