Периодическая система Д.И. Менделеева.

План

1. Атомно-молекулярное учение.

2. Строение электронных оболочек атомов.

3. Периодический закон и Периодическая система Д.И. Менделеева.

1. Атомно-молекулярное учение. Сущность учения М.в. Ломоносова сводится к следующему.

1. Все вещества состоят из «корпускул» (так Ломоносов называл молекулы).

2. Молекулы состоят из «элементов» (так Ломоносов называл атомы).

3. Частицы – молекулы и атомы – находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.

 4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из различных атомов.

Через 67 лет после работ М.В. Ломоносова вышла книга английского ученого Джона Дальтона «Новая система химической философии» (1808), в которой были изложены основные положения химической атомистики. Дальтон впервые определил атомные массы известных тогда элементов и ввел знаки для обозначения атомов.  

Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ. Он полагал, что простые вещества состоят только из атомов и лишь сложные вещества – из «сложных атомов» в современном понимании – молекул). Отрицание существования молекул простых веществ мешало дальнейшему развитию химии. В частности, нельзя было объяснить, почему из одного объема водорода и одного объема хлора образуется два объема хлороводорода (если газы взяты при одинаковых условиях). Эти трудности были преодолены итальянским ученым Амедео Авогадро, предположившим, что молекулы простых газов – кислорода, азота, водорода, хлора – двухатомны.

Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в. На Международном съезде химиков в г. Карлеруэ в 1860 г. Были приняты определения понятий молекулы и атома. В настоящее время они формулируются так.

Молекула – наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются её составом и химическим строением. Молекулы состоит из атомов.

Атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Химические свойства атома определяются его строением.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, образующих электронную оболочку.

Понятия молекулы и атома совпадают для одноатомных молекул, например у благородных газов. Их атомы в свободном состоянии представляют собой одноатомные молекулы.

С точки зрения атомно-молекулярного учения каждый отдельный вид атомов называется химическим элементом. Положительный заряд ядра атома, равный порядковому номеру элемента, является главной его характеристикой и служит отличительным признаком различных видов атомов. Это позволяет дать современное определение понятия элемента: химический элемент – это вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. В настоящее время известно 10% элементов.

По современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом (кристаллическом) состоянии из молекул состоят лишь вещества, имеющие молекулярную структуру. Например, органические вещества, большинство неметаллов, оксид углерода (IV), вода.

2. Строение электронных оболочек атомов. Электрон в атоме не имеет траектории движения. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Быстро движущийся электрон может находиться в любой части пространства, окружающего ядро, и различные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Более наглядно это можно представить так. Если бы через весьма малые промежутки времени сфотографировать положение электрона в атоме (он отразится на фотографии в виде точки), то при наложении множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нам заключено 90% электронного облака. Электроны, которые движутся в орбиталях близкого размера, образуют электронный слой. Электронные слои часто называют энергетическими уровнями. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра 1,2,3,4,5,6,7. Иногда их обозначают буквами K,L,M,N,O,P, Q.

Целое число n, обозначающее номер уровня, называется главным квантовым числом. Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня электроны последующих уровней будут характеризоваться большим запасом энергии. Менее прочно связаны с ядром электроны внешнего уровня.

Число заполняемых энергетических уровней в атоме численно равно номеру периода, в котором находится элемент: у атомов элементов I периода – один энергетический  уровень,  II периода – два,  III периода – три и т.д. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня, т.е.

N=2n²,

где N  – число электронов; n – номер уровня (считая от ядра) или главное квантовое число.

Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням и подуровням изображают в виде электронных формул.

 Очень часто структуру электронных оболочек изображают с помощью энергетических, или квантовых, ячеек – это так называемые графические электронные формулы. Каждая такая ячейка обозначается клеткой: клетка – орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки – направление спина, свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении. По принципу Паули в ячейке может быть один или два электрона (если два электрона, то они спарены).

3. Периодический закон и Периодическая система Д.И. Менделеева. Химия уже давно свела все многообразие веществ к элементам. В настоящее время их известно 116. Во время открытия периодического закона было известно63 элемента.

Что общего у элементов? Имеется ли связь между свойствами элементов и их атомными массами? Каким законом эту связь выразить? Многие ученые пытались дать ответы на эти вопросы и построить научно обоснованную классификацию химических элементов. Однако их попытки не увеличились успехом.

Главной характеристикой атома являлась его атомная масса (теперь положительный заряд ядра). В своей книге «Основы химии» Д.И. Менделеев писал: «Масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и атомными их весами – с другой».

Таким образом, Д.И. Менделеев ответил на поставленные вопросы. Общее у всех элементов – атомная масса. Свойства элементов зависят от атомных масс. Форма зависимости – периодическая.

Оказалось, что и формы соединений элементов также периодически повторяются. Например, форма соединения натрия с кислородом имеет вид Na₂O. Такую форму имеют и оксиды аналогов натрия: калий, рубидий, цезий – K₂O, Rb₂O, Cs₂O. Все это дало возможность Д.И. Менделееву открытый им периодический закон сформулировать следующим образом: свойства простыл тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

Периодическая система элементов является графически изображением периодического закона. Дата открытия закона и создания первого варианта периодической системы –1 марта 1869г. Над усовершенствованием периодической системы элементов Д.И.Менделеев работал до конца жизни.

 Контрольные вопросы

1. Приведите примеры естественных групп химических элементов.

2. Как был сформулирован периодический закон Д.И. Менделеева?

3. Свойства каких элементов были предсказаны Д.И. Менделеевым?

Лекция 37