Периодический закон Д.Менделеева, его современная формулировка. В чем её отличие от той, которая была дана Д.И.Менделеевым? Поясните, чем обусловлено такое изменение формулировки закона? В чем заключается физический смысл Периодического закона? Поясните п

В 1871 году был сформулирован периодический закон Менделеева. К этому времени науке было известно 63 элемента, и Дмитрий Иванович Менделеев упорядочил их на основе относительной атомной массы. Современная периодическая таблица значительно расширилась.

История

В 1869 году, работая над учебником химии, Дмитрий Менделеев столкнулся с проблемой систематизации материала, накопленного за много лет разными учёными - его предшественниками и современниками. Ещё до работы Менделеева предпринимались попытки систематизировать элементы, что послужило предпосылками разработки периодической системы.

Рис. 1. Менделеев Д. И..

Поиски классификации элементов кратко описаны в таблице.

Менделеев упорядочил элементы по относительной атомной массе, расположив их в порядке возрастания. Всего получилось девятнадцать горизонтальных и шесть вертикальных рядов. Это была первая редакция периодической таблицы элементов. С этого начинается история открытия периодического закона.

Учёному понадобилось почти три года, чтобы создать новую, более совершенную таблицу. Шесть столбцов элементов превратились в горизонтальные периоды, каждый из которых начинался щелочным металлом, а заканчивался неметаллом (инертные газы ещё не были известны). Горизонтальные ряды образовали восемь вертикальных групп.

В отличие от своих коллег Менделеев использовал два критерия распределения элементов:

• атомную массу;
• химические свойства.

Оказалось, что между двумя этими критериями прослеживается закономерность. После определённого количества элементов с возрастающей атомной массой, свойства начинают повторяться.

Рис. 2. Таблица, составленная Менделеевым.

Изначально теория не выражалась математически и не могла полностью подтвердиться экспериментально. Физический смысл закона стал понятен только после создания модели атома. Смысл заключается в повторении структуры электронных оболочек при последовательном увеличении зарядов ядер, что отражается на химических и физических свойствах элементов.

Закон

Установив периодичность изменений свойств с увеличением атомной массы, Менделеев в 1871 году сформулировал периодический закон, ставший основополагающим в химической науке.

Дмитрий Иванович определил, что свойства простых веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс.

Наука XIX века не обладала современными знаниями об элементах, поэтому современная формулировка закона несколько отличается от менделеевской. Однако суть остаётся прежней.

С дальнейшим развитием науки было изучено строение атома, что повлияло на формулировку периодического закона. Согласно современному периодическому закону свойства химических элементов зависят от зарядов атомных ядер.

Таблица

Со времён Менделеева созданная им таблица значительно преобразилась и стала отражать практически все функции и характеристики элементов. Умение пользоваться таблицей необходимо для дальнейшего изучения химии. Современная таблица представлена в трёх формах:

• короткая - периоды занимают по две строчки, а водород часто относят к 7 группе;
• длинная - изотопы и радиоактивные элементы вынесены за пределы таблицы;
• сверхдлинная - каждый период занимает отдельную строку.

Рис. 3. Длинная современная таблица.

Короткая таблица - наиболее устаревший вариант, который был отменён в 1989 году, но по-прежнему используется во многих учебниках. Длинная и сверхдлинная формы признаны международным сообществом и используются по всему миру. Несмотря на установленные формы, учёные продолжают совершенствовать периодическую систему, предлагая новейшие варианты.

Что мы узнали?

Периодический закон и периодическая система Менделеева были сформулированы в 1871 года. Менделеев выявил закономерности свойств элементов и упорядочил их на основе относительной атомной массы. С возрастанием массы менялись, а затем повторялись свойства элементов. Впоследствии таблица была дополнена, а закон скорректирован в соответствии с современными знаниями.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 295.

Опровергая устоявшуюся историю о том, что гениальное открытие в области было всего лишь ночным кошмаром, нужно сказать, что многие ученые перед Менделеевым делали попытки создать химическую систему. Основы ее были заложены немецким ученым И.В. Дёберейнером, французом А. де Шанкуртуа и некоторыми другими.

Сам Д.И. Менделеев провел невероятное количество экспериментов и потратил около двадцати лет своей жизни на поиски истины. Им были сформированы основные значения и функции элементов, а также их свойства, вот только информация никак не укладывалась во что-то более менее структурированное. И когда после очередной бессонной ночи он решил пару часов, мозг выдал то, чего добивался Менделеев на протяжении лет.

Именно так в распоряжении химиков в 1869 году появилась периодическая , и только в 1871 был сформулирован сам закон, который позволил идти не только химии, но и многим другим наукам вперед.

Суть закона

Российским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым впервые было сделано потрясающее открытие того факта, что атом – это не конечная единица, что в нем есть ядро и вращающиеся вокруг протоны, а также , что основная масса атома сосредоточена именно в его ядре. Было выведено правило об изменении свойств всех существующих в природе элементов и их химических соединений в зависимости от того, как изменяется заряд атомных ядер.

Возрастание ядерного заряда происходит именно при переходе от одного химического элемента таблицы ко второму, находящемуся по соседству. Растет заряд на 1 элементарную зарядную единицу, а отражено это в таблице внизу каждого элемента, обозначенного как атомный номер. Это значит, что число протонов, находящееся в ядре, равно численно количеству электронов того нейтрального атома, который соответствует ядру.

Именно внешними оболочками, состоящими из электронов, определяются свойства любых химических элементов. Эти оболочки могут изменяться лишь периодически, и эти изменения напрямую зависят от увеличения либо от уменьшения зарядов самого ядра, расположенного в атоме, и именно это, а не атомная масса элементов, лежит в основе периодического закона.

Почему это так важно

Благодаря периодическому закону появилась возможность предсказывать поведение тех или иных химических элементов в различных реакциях. Также было определено, что существуют еще не открытые наукой соединения. Лишь спустя столетия таблица была полностью заполнена.

На данном уроке рассматривается Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева в свете теории строения атома. Объясняются следующие понятия: современная формулировка периодического закона, физический смысл номеров периода и группы, причины периодичности изменения характеристик и свойств атомов элементов и их соединений на примерах малых и больших периодов, главных подгрупп, физический смысл периодического закона, общая характеристика элемента и свойств его соединений на основе положения элемента в Периодической системе.

Тема: Строение атома. Периодический закон

Урок: Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

В период становления науки химии ученые пытались привести в систему сведения об известных к тому времени нескольких десятков . Эта проблема увлекла и Д.И. Менделеева. Он искал закономерности и взаимосвязи, которые бы охватывали все элементы, а не только часть из них. Менделеев считал важнейшей характеристикой элемента массу его атома. Проанализировав все известные к тому времени сведения о химических элементах и расположив их в порядке возрастания их атомных масс, в 1869 году он сформулировал периодический закон.

Формулировка закона: свойства химических элементов, простых веществ, а также состав и свойства соединений находятся в периодической зависимости от значения атомных масс.

К моменту формулировки периодического закона еще не было известно строение атома и существования элементарных частиц. Также впоследствии было установлено, что от атомных масс свойства вещества не зависят, как это предполагал Менделеев. Хотя, не обладая этими сведениями, Д. И. Менделеев не сделал в своей таблице ни единой ошибки.

После открытия Мозли, который установил экспериментально, что заряд ядра атома совпадает с порядковым номером химического элемента, указанным Менделеевым в его таблице, в формулировку его закона внесли изменения.

Современная формулировка закона : свойства химических элементов, простых веществ, а также состав и свойства соединений находятся в периодической зависимости от значений зарядов ядер атомов.

Рис. 1. Графическим выражением периодического закона является Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Рис. 2. Рассмотрим принятые в ней обозначения на примере рубидия

В каждой ячейке, соответствующей элементу, представлены: химический символ, название, порядковый номер, соответствующий числу протонов в атоме, относительная атомная масса. Число электронов в атоме соответствует числу протонов. Количество нейтронов в атоме можно найти по разности между относительной атомной массой и количеством протонов, т. е. порядкового номера.

N (n 0 ) = A r - Z

Количество относительная порядковый

нейтронов атомная масса номер элемента

Например, для изотопа хлора 35 Cl количество нейтронов равно: 35-17=18

Составными частями периодической системы являются группы и периоды.

Периодическая система содержит восемь групп элементов. Каждая группа состоит их двух подгрупп: главной и побочной. Главные обозначены буквой а, а побочные - буквой б. Главная подгруппа содержит больше элементов, чем побочная. В главной подгруппе содержатся s- и p-элементы, в побочной - d-элементы.

Группа - столбец периодической системы, в котором объединены химические элементы, обладающие химическим сходством вследствие сходных электронных конфигураций валентного слоя . Это основополагающий принцип построения периодической системы. Рассмотрим это не примере элементов первых двух групп.

Табл. 1

Из таблицы видно, что элементы первой группы главной подгруппы имеют один валентный электрон. Элементы второй группы главной подгруппы имеют два валентных электрона.

Некоторые главные подруппы имеют свои особенные названия:

Табл. 2

Строка, называемая периодом, - это последовательность элементов, расположенных в порядке увеличения зарядов их ядер, которая начинается с щелочного металла (или водорода) и заканчивается благородным газом.

Номер периода равен количеству электронных уровней в атоме.

Существует два основных варианта представления периодической системы: длиннопериодный, в котором выделяют 18 групп (Рис. 3) и короткопериодный, в котором групп 8, но вводится понятие главной и побочной подгрупп (Рис. 1).

Домашнее задание

1. №№3-5 (с. 22) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е изд. - М.: Просвещение, 2012.

2. Сравните электронную конфигурацию атомов углерода и кремния. Какую валентность и степени окисления они могут проявлять в химических соединениях? Приведите формулы соединений этих элементов с водородом. Приведите формулы их соединений с кислородом в высшей степени окисления.

3. Напишите электронные формулы внешних оболочек следующих элементов: 14 Si, 15 P, 16 S, 17 Cl, 34 Se, 52 Te. Три элемента из этого ряда являются химическими аналогами (проявляют похожие химические свойства). Какие это элементы?

Периодический закон химических элементов - фундаментальный закон природы, устанавливающий периодичность изменения свойств химических элементов по мере увеличения зарядов ядер их атомов. Датой открытия закона считается 1 марта (17 февраля по старому стилю) 1869 г., когда Д. И. Менделеев завершил разработку «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Термин «периодический закон» («закон периодичности») ученый впервые употребил в конце 1870 г. По словам Менделеева, открытию периодического закона способствовали «три рода данных». Во‑первых, наличие достаточно большого числа известных элементов (63); во‑вторых, удовлетворительная изученность свойств большинства из них; в‑третьих, то, что атомные веса многих элементов были определены с хорошей точностью, благодаря чему химические элементы можно было расположить в естественный ряд сообразно увеличению их атомных весов. Решающим условием открытия закона Менделеев считал сравнение всех элементов по величинам атомных весов (ранее сравнивались лишь химически сходные элементы).

Классическая формулировка периодического закона, данная Менделеевым в июле 1871 г., гласила: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Эта формулировка сохраняла силу на протяжении более 40 лет, но периодический закон оставался лишь констатацией фактов и не имел физического обоснования. Оно стало возможным лишь в середине 1910‑х гг., когда была разработана ядерно-планетарная модель атома (см. Атом) и установлено, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома. В итоге стала возможной физическая формулировка периодического закона: «Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величин зарядов ядер (Z) их атомов». Она широко используется до сих пор. Сущность периодического закона может быть выражена и другими словами: «Конфигурации внешних электронных оболочек атомов периодически повторяются по мере роста Z»; это своеобразная «электронная» формулировка закона.

Существенная особенность периодического закона заключается в том, что, в отличие от некоторых других фундаментальных законов природы (например, закона всемирного тяготения или закона эквивалентности массы и энергии), он не имеет количественного выражения, т. е. не может быть записан в виде какой‑либо математической формулы или уравнения. Между тем и сам Менделеев, и другие ученые пытались искать математическое выражение закона. В виде формул и уравнений могут быть количественно выражены различные закономерности построения электронных конфигураций атомов в зависимости от значений главного и орбитального квантовых чисел. Что же касается периодического закона, то он имеет наглядное графическое отражение в виде периодической системы химических элементов, представленной главным образом различными видами таблиц.

Периодический закон - универсальный закон для всей Вселенной, проявляющийся везде, где существуют материальные структуры атомного типа. Однако периодически изменяются по мере роста Z не только конфигурации атомов. Оказалось, что строение и свойства атомных ядер также изменяются периодически, хотя сам характер периодического изменения здесь много сложнее, чем в случае атомов: в ядрах происходит закономерное построение протонных и нейтронных оболочек. Ядра, в которых эти оболочки заполнены (в них содержится 2, 8, 20, 50, 82, 126 протонов или нейтронов), получили название «магических» и рассматриваются как своеобразные границы периодов периодической системы атомных ядер.

: как образно заметил известный русский химик Н. Д. Зелинский , Периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».

История

Поиски основы естественной классификации и систематизации химических элементов начались задолго до открытия Периодического закона. Трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели, которые первыми работали в этой области, были вызваны недостаточностью экспериментальных данных: в начале XIX века число известных химических элементов было мало, а принятые значения атомных масс многих элементов неверны.

Триады Дёберейнера и первые системы элементов

В начале 60-х годов XIX века появилось сразу несколько работ, которые непосредственно предшествовали Периодическому закону.

Спираль де Шанкуртуа

Октавы Ньюлендса

Таблица Ньюлендса (1866)

Вскоре после спирали де Шанкуртуа английский учёный Джон Ньюлендс сделал попытку сопоставить химические свойства элементов с их атомными массами . Расположив элементы в порядке возрастания их атомных масс, Ньюлендс заметил, что сходство в свойствах проявляется между каждым восьмым элементом. Найденную закономерность Ньюлендс назвал законом октав по аналогии с семью интервалами музыкальной гаммы. В своей таблице он располагал химические элементы в вертикальные группы по семь элементов в каждой и при этом обнаружил, что (при небольшом изменении порядка некоторых элементов) сходные по химическим свойствам элементы оказываются на одной горизонтальной линии.

Джон Ньюлендс, безусловно, первым дал ряд элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, присвоил химическим элементам соответствующий порядковый номер и заметил систематическое соотношение между этим порядком и физико-химическими свойствами элементов. Он писал, что в такой последовательности повторяются свойства элементов, эквивалентные веса (массы) которых отличаются на 7 единиц, или на значение, кратное 7, т. е. как будто бы восьмой по порядку элемент повторяет свойства первого, как в музыке восьмая нота повторяет первую. Ньюлендс пытался придать этой зависимости, действительно имеющей место для лёгких элементов, всеобщий характер. В его таблице в горизонтальных рядах располагались сходные элементы, однако в том же ряду часто оказывались и элементы совершенно отличные по свойствам. Кроме того, в некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента; наконец, таблица не содержала свободных мест; в итоге закон октав был принят чрезвычайно скептически.

Таблицы Одлинга и Мейера

Проявления периодического закона в отношении энергии сродства к электрону

Периодичность значений энергий сродства атомов к электрону объясняется, естественно, теми же самыми факторами, которые уже были отмечены при обсуждении ионизационных потенциалов (см. определение энергии сродства к электрону).

Наибольшим сродством к электрону обладают p -элементы VII группы. Наименьшее сродство к электрону у атомов с конфигурацией s² ( , , ) и s²p 6 ( , ) или с наполовину заполненными p -орбиталями ( , , ) :

Проявления периодического закона в отношении электроотрицательности

Строго говоря, элементу нельзя приписать постоянную электроотрицательность . Электроотрицательность атома зависит от многих факторов, в частности от валентного состояния атома, формальной степени окисления, координационного числа, природы лигандов , составляющих окружение атома в молекулярной системе, и от некоторых других. В последнее время все чаще для характеристики электроотрицательности используют так называемую орбитальную электроотрицательность, зависящую от типа атомной орбитали, участвующей в образовании связи, и от её электронной заселенности, т. е. от того, занята атомная орбиталь неподелённой электронной парой, однократно заселена неспаренным электроном или является вакантной. Но, несмотря на известные трудности в интерпретации и определении электроотрицательности, она всегда остается необходимой для качественного описания и предсказания природы связей в молекулярной системе, включая энергию связи, распределение электронного заряда и степень ионности, силовую постоянную и т. д.

Периодичность атомной электроотрицательности является важной составной частью периодического закона и легко может быть объяснена, исходя из непреложной, хотя и не совсем однозначной, зависимости значений электроотрицательности от соответствующих значений энергий ионизации и сродства к электрону .

В периодах наблюдается общая тенденция роста электроотрицательности, а в подгруппах - её падение. Наименьшая электроотрицательность у s-элементов I группы, наибольшая - у p-элементов VII группы.

Проявления периодического закона в отношении атомных и ионных радиусов

Рис. 4 Зависимость орбитальных радиусов атомов от порядкового номера элемента.

Периодический характер изменения размеров атомов и ионов известен давно. Сложность здесь состоит в том, что из-за волновой природы электронного движения атомы не имеют строго определенных размеров. Так как непосредственное определение абсолютных размеров (радиусов) изолированных атомов невозможно, в данном случае часто используют их эмпирические значения. Их получают из измеренных межъядерных расстояний в кристаллах и свободных молекулах, разбивая каждое межъядерное расстояние на две части и приравнивая одну из них к радиусу первого (из двух связанных соответствующей химической связью) атома, а другую - к радиусу второго атома. При таком разделении учитывают различные факторы, включая природу химической связи, степени окисления двух связанных атомов, характер координации каждого из них и т. д . Таким способом получают так называемые металлические, ковалентные, ионные и ван-дер-ваальсовы радиусы. Ван-дер-ваальсовы радиусы следует рассматривать как радиусы несвязанных атомов; их находят по межъядерным расстояниям в твердых или жидких веществах, где атомы находятся в непосредственной близости друг от друга (например, атомы в твердом аргоне или атомы из двух соседних молекул N 2 в твердом азоте), но не связаны между собой какой-либо химической связью.

Но, очевидно, лучшим описанием эффективных размеров изолированного атома является теоретически рассчитанное положение (расстояние от ядра) главного максимума зарядовой плотности его наружных электронов . Это так называемый орбитальный радиус атома. Периодичность в изменении значений орбитальных атомных радиусов в зависимости от порядкового номера элемента проявляется довольно отчетливо (см. рис. 4), и основные моменты здесь состоят в наличии очень ярко выраженных максимумов, приходящихся на атомы щелочных металлов, и таких же минимумов, отвечающих благородным газам. Уменьшение значений орбитальных атомных радиусов при переходе от щелочного металла к соответствующему (ближайшему) благородному газу носит, за исключением ряда - , немонотонный характер, особенно при появлении между щелочным металлом и благородным газом семейств переходных элементов (металлов) и лантаноидов или актиноидов . В больших периодах в семействах d- и f- элементов наблюдается менее резкое уменьшение радиусов, так как заполнение орбиталей электронами происходит в пред- предвнешнем слое. В подгруппах элементов радиусы атомов и однотипных ионов в общем увеличиваются.

Проявления периодического закона в отношении энергии атомизации

Следует подчеркнуть, что степень окисления элемента, будучи формальной характеристикой, не дает представления ни об эффективных зарядах атомов этого элемента в соединении, ни о валентности атомов, хотя степень окисления часто называют формальной валентностью. Многие элементы способны проявлять не одну, а несколько различных степеней окисления. Например, для хлора известны все степени окисления от −1 до +7, хотя четные очень неустойчивы, а для марганца - от +2 до +7. Высшие значения степени окисления изменяются в зависимости от порядкового номера элемента периодически, но эта периодичность имеет сложный характер. В простейшем случае в ряду элементов от щелочного металла до благородного газа высшая степень окисления возрастает от +1 ( F) до +8 ( О 4). В других случаях высшая степень окисления благородного газа оказывается меньше ( +4 F 4), чем для предшествующего галогена ( +7 О 4 −). Поэтому на кривой периодической зависимости высшей, степени окисления от порядкового номера элемента максимумы приходятся или на благородный газ, или на предшествующий ему галоген (минимумы - всегда на щелочной металл). Исключение составляет ряд - , в котором ни для галогена (), ни для благородного газа () вообще неизвестны высокие степени окисления, а наибольшим значением высшей степени окисления обладает средний член ряда - азот; поэтому в ряду - изменение высшей степени окисления оказывается проходящим через максимум. В общем случае возрастание высшей степени окисления в ряду элементов от щелочного металла до галогена или до благородного газа происходит отнюдь не монотонно, главным образом по причине проявления высоких степеней окисления переходными металлами. Например, возрастание высшей степени окисления в ряду - от +1 до +8 «осложняется» тем, что для молибдена, технеция и рутения известны такие высокие степени окисления, как +6 ( О 3), +7 ( 2 О 7), +8 ( O 4).

Проявления периодического закона в отношении окислительного потенциала

Одной из очень важных характеристик простого вещества является его окислительный потенциал , отражающий принципиальную способность простого вещества к взаимодействию с водными растворами, а также проявляемые им окислительно-восстановительные свойства . Изменение окислительных потенциалов простых веществ в зависимости от порядкового номера элемента также носит периодический характер. Но при этом следует иметь в виду, что на окислительный потенциал простого вещества оказывают влияние различные факторы, которые иногда нужно рассматривать индивидуально. Поэтому периодичность в изменении окислительных потенциалов следует интерпретировать очень осторожно.

Можно обнаружить некоторые определенные последовательности в изменении окислительных потенциалов простых веществ. В частности, в ряду металлов при переходе от щелочного к следующим за ним элементам происходит уменьшение окислительных потенциалов ( + (aq) и т. д. - гидратированный катион):

Это легко объясняется увеличением энергии ионизации атомов с увеличением числа удаляемых валентных электронов. Поэтому на кривой зависимости окислительных потенциалов простых веществ от порядкового номера элемента имеются максимумы, отвечающие щелочным металлам. Но это не единственная причина изменения окислительных потенциалов простых веществ.

Внутренняя и вторичная периодичность

s - и р -элементы

Выше рассмотрены общие тенденции в характере изменения значений энергии ионизации атомов , энергии сродства атомов к электрону , электроотрицательности , атомных и ионных радиусов, энергии атомизации простых веществ, степени окисления , окислительных потенциалов простых веществ от атомного номера элемента. При более глубоком изучении этих тенденций можно обнаружить, что закономерности в изменении свойств элементов в периодах и группах значительно сложнее. В характере изменения свойств элементов по периоду проявляется внутренняя периодичность, а по группе - вторичная периодичность (открыта Е. В. Бироном в 1915 году).

Так, при переходе от s-элемента I группы к р -элементу VIII группы на кривой энергии ионизации атомов и кривой изменения их радиусов имеются внутренние максимумы и минимумы (см. рис. 1, 2, 4).

Это свидетельствует о внутреннепериодическом характере изменения этих свойств по периоду. Объяснение отмеченных закономерностей можно дать с помощью представления об экранировании ядра.

Эффект экранирования ядра обусловлен электронами внутренних слоев, которые, заслоняя ядро, ослабляют притяжение к нему внешнего электрона. Так, при переходе от бериллия 4 к бору 5 , несмотря на увеличение заряда ядра, энергия ионизации атомов уменьшается:

Рис. 5 Схема строения последних уровней бериллия, 9.32 эВ (слева) и бора, 8,29 эВ (справа)

Это объясняется тем, что притяжение к ядру 2р -электрона атома бора ослаблено за счет экранирующего действия 2s -электронов.

Понятно, что экранирование ядра возрастает с увеличением числа внутренних электронных слоев. Поэтому в подгруппах s - и р -элементов наблюдается тенденция к уменьшению энергии ионизации атомов (см. рис. 1).

Уменьшение энергии ионизации от азота 7 N к кислороду 8 О (см. рис. 1) объясняется взаимным отталкиванием двух электронов одной и той же орбитали:

Рис. 6 Схема строения последних уровней азота, 14,53 эВ (слева) и кислорода, 13,62 эВ (справа)

Эффектом экранирования и взаимного отталкивания электронов одной орбитали объясняется также внутреннепериодический характер изменения по периоду атомных радиусов (см. рис. 4).

Рис. 7 Вторичнопериодическая зависимость радиусов атомов внешних p-орбиталей от атомного номера

Рис. 8 Вторичнопериодическая зависимость первой энергии ионизации атомов от атомного номера

Рис. 9 Радиальное распределение электронной плотности в атоме натрия

В характере изменения свойств s - и р -элементов в подгруппах отчетливо наблюдается вторичная периодичность (рис. 7). Для её объяснения привлекается представление о проникновении электронов к ядру. Как показано на рисунке 9, электрон любой орбитали определенное время находится в области, близкой к ядру. Иными словами, внешние электроны проникают к ядру через слои внутренних электронов. Как видно из рисунка 9, внешний 3s -электрон атома натрия обладает весьма значительной вероятностью находиться вблизи ядра в области внутренних К - и L -электронных слоев.

Концентрация электронной плотности (степень проникновения электронов) при одном и том же главном квантовом числе наибольшая для s -электрона, меньше - для р -электрона, ещё меньше - для d -электрона и т. д. Например, при n = 3 степень проникновения убывает в последовательности 3s >3p >3d (см. рис. 10).

Рис. 10 Радиальное распределение вероятности нахождения электрона (электронной плотности) на расстоянии r от ядра

Понятно, что эффект проникновения увеличивает прочность связи внешних электронов с ядром. Вследствие более глубокого проникновения s -электроны в большей степени экранируют ядро, чем р -электроны, а последние - сильнее, чем d -электроны, и т. д.

Пользуясь представлением о проникновении электронов к ядру, рассмотрим характер изменения радиуса атомов элементов в подгруппе углерода. В ряду - - - - проявляется общая тенденция увеличения радиуса атома (см. рис. 4, 7). Однако это увеличение имеет немонотонный характер. При переходе от Si к Ge внешние р -электроны проникают через экран из десяти 3d -электро-нов и тем самым упрочняют связь с ядром и сжимают электронную оболочку атома. Уменьшение размера 6p -орбитали Pb по сравнению с 5р -орбиталью Sn обусловлено проникновением 6p -электронов под двойной экран десяти 5d -электронов и четырнадцати 4f -электронов. Этим же объясняется немонотонность в изменении энергии ионизации атомов в ряду C-Pb и большее значение её для Pb по сравнению с атомом Sn (см. рис. 1).

d -Элементы

Во внешнем слое у атомов d -элементов (за исключением ) находятся 1-2 электрона (ns -состояние). Остальные валентные электроны расположены в (n-1)d -состоянии, т. е. в предвнешнем слое.

Подобное строение электронных оболочек атомов определяет некоторые общие свойства d -элементов . Так, их атомы характеризуются сравнительно невысокими значениями первой энергии ионизации. Как видно на рисунке 1, при этом характер изменения энергии ионизации атомов по периоду в ряду d -элементов более плавный, чем в ряду s - и p -элементов. При переходе от d -элемента III группы к d -элементу II группы значения энергии ионизации изменяются немонотонно. Так, на участке кривой (рис. 1) видны две площадки, соответствующие энергии ионизации атомов, в которых заполняются Зd -орбитали по одному и по два электрона. Заполнение 3d -орбиталей по одному электрону заканчивается у (3d 5 4s 2), что отмечается некоторым повышением относительной устойчивости 4s 2 -конфигурации за счет проникновения 4s 2 -электронов под экран 3d 5 -конфигурации. Наибольшее значение энергии ионизации имеет (3d 10 4s 2), что находится в соответствии с полным завершением Зd -подслоя и стабилизацией электронной пары за счет проникновения под экран 3d 10 -конфигурации.

В подгруппах d -элементов значения энергии ионизации атомов в общем увеличиваются. Это можно объяснить эффектом проникновения электронов к ядру. Так, если у d -элементов 4-го периода внешние 4s -электроны проникают под экран 3d -электронов, то у элементов 6-го периода внешние 6s -электроны проникают уже под двойной экран 5d - и 4f -электронов. Например:

Поэтому у d -элементов 6-го периода внешние бs -электроны связаны с ядром более прочно и, следовательно, энергия ионизации атомов больше, чем у d -элементов 4-го периода.

Размеры атомов d -элементов являются промежуточными между размерами атомов s - и p -элементов данного периода. Изменение радиусов их атомов по периоду более плавное, чем для s - и p -элементов.

В подгруппах d -элементов радиусы атомов в общем увеличиваются. Важно отметить следующую особенность: увеличение атомных и ионных радиусов в подгруппах d -элементов в основном отвечает переходу от элемента 4-го к элементу 5-го периода. Соответствующие же радиусы атомов d -элементов 5-го и 6-го периодов данной подгруппы примерно одинаковы. Это объясняется тем, что увеличение радиусов за счет возрастания числа электронных слоев при переходе от 5-го к 6-му периоду компенсируется f -сжатием, вызванным заполнением электронами 4f -подслоя у f -элементов 6-го периода. В этом случае f -сжатие называется лантаноидным . При аналогичных электронных конфигурациях внешних слоев и примерно одинаковых размерах атомов и ионов для d -элементов 5-го и 6-го периодов данной подгруппы характерна особая близость свойств.

Отмеченным закономерностям не подчиняются элементы подгруппы скандия. Для этой подгруппы типичны закономерности, характерные для соседних подгрупп s -элементов.

Периодический закон - основа химической систематики

См. также

Примечания

Литература

1. Ахметов Н. С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. - М.: Просвещение, 1991. - 224 с - ISBN 5-09-002630-0
2. Корольков Д. В. Основы неорганической химии. - М.: Просвещение, 1982. - 271 с.
3. Менделеев Д. И. Основы химии, т. 2. М.: Госхимиздат, 1947. 389 c.
4. Менделеев Д.И. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.