Доказательство периодического закона

Для познания основных закономерностей химической формы движения материи, важнейшей из которой является периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым, необходимо уметь их обосновывать, иногда — доказывать.

Для доказательства периодического закона следует рассмотреть свойства химических элементов, начиная с лития и заканчивая аргоном. Результатом такого рассмотрения является составление таблицы, в которой их свойства характеризуются по плану:

• 1. Химический знак.
• 2. Относительная атомная масса.
• 3. Схема строения атома.
• 4. Высшая положительная и отрицательная степени окисления.
• 5. Формула высшего оксида.
• 6. Формула высшего гидроксида.
• 7. Формула водородного соединения.

После составления таблицы проводится ее анализ, в результате которого делаются следующие наблюдения и выводы:

• 1. Свойства химических элементов изменяются двояко:
• 1.1. Непрерывно увеличиваются (атомная масса и заряд ядра).
• 1.2. Изменяются периодически, т. е. повторяются через определенное число химических элементов.
• 2. Периодически с ростом заряда ядра (относительной атомной массы) изменяются радиусы атомов, число электронов на внешнем слое электронной оболочки, положительная и отрицательная степени окисления, металлические и неметаллические свойства, основные и кислотные свойства оксидов и гидроксидов, электроотрицательность и некоторые другие свойства. Следовательно:

свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер.

Современная формулировка периодического закона базируется на том, что главным признаком химического элемента является не масса атома, а заряд его ядра, так как существуют разновидности атомов — изотопы и изобары. Она отличается от формулировки периодического закона, предложенной Д. И. Менделеевым, которая гласит:

свойства простых тел, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от их атомных весов.

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Поясните, что означает доказательство периодического закона.
• 2. Поясните, по какому плану нужно характеризовать химические элементы при составлении таблицы, анализ которой позволит сформулировать периодический закон.
• 3. Напишите формулы высших оксида, гидроксида и водородного соединения элементов № 13, 17 и 19.
• 4. Поясните, как могут изменяться свойства химических элементов с ростом числа протонов в ядре атома химического элемента.
• 5. Поясните, почему формулировка периодического закона по Д. И. Менделееву не совпадает с современной.

Понятие «периодическая система» можно сформулировать поразному. Наиболее распространенными из них являются следующие:

Периодическая система — научная классификация химических элементов, основанная на периодическом законе.

Периодическая система — графическая иллюстрация периодического закона.

Периодическая система изображается в форме таблиц, которых разработано более 100 вариантов. Наиболее применимыми являются таблицы в форме короткого варианта, предложенного Д. И. Менделеевым. Известен старый и новый короткие варианты. В старом коротком варианте было девять групп, в новом их восемь.

Периодическая система состоит из рядов, периодов, групп и подгрупп.

В периодической системе содержатся следующие сведения о химических элементах: химический знак, относительная атомная масса (среднее значение), порядковый номер. Характеризуя химический элемент, необходимо раскрывать смысл каждого из сведений. В периодической системе могут содержаться и другие характеристики: схемы строения и электронные формулы атомов, общие формулы оксидов, гидроксидов и т. д.

Рассмотрим пример: о хлоре в периодической системе содержатся следующие сведения:

С1 — химический знак (две буквы латинского названия хлора, показывающие, что элемент называется хлор, взят один его атом и 35,5 мае. ч);

• 35,5 — относительная атомная масса хлора (масса атома хлора, выраженная в а.е.м., которая показывает, что масса его атома в 35,5 раза больше массы 1/12 части массы атома углерода-12, а также наличие в ядре атома 35 нуклонов);
• 17 — порядковый номер хлора, означающий, что в ядре его атома содержится 1р (протонов), а в электронной оболочке — 1е~ (электронов).
• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Поясните, что такое периодическая система.
• 2. Назовите наиболее распространенные виды таблиц, иллюстрирующих периодическую систему.
• 3. Назовите основные различия старого и современного короткого вариантов периодической системы.
• 4. Назовите основные структурные элементы периодической системы.
• 5. Охарактеризуйте важнейшие сведения о кальции и фторе, содержащиеся в периодической системе.

Важнейшими структурами периодической системы являются ряды и периоды.

Период — горизонтальный ряд химических элементов, начинающийся щелочным металлом (в одном случае водородом) и оканчивающийся благородным газом.

В периодической системе семь периодов. В коротком варианте периодической системы выделены ряды, число которых не совпадает с числом периодов. Так, первый—третий периоды состоят из одного ряда, а остальные — из двух или более рядов. Поэтому различают малые и большие периоды.

Малым называется период, состоящий из одного ряда. Это первый—третий периоды.

Большим называется период, состоящий из двух и более рядов. Это четвертый—седьмой периоды, последний — неоконченный.

Номер периода показывает число энергетических уровней в электронной оболочке атома (с позиций квантовой механики он показывает максимальное значение главного квантового числа в стационарном состоянии и число энергетических уровней) [это физический смысл номера уровня].

Так, атом калия содержит четыре энергетических уровня в электронной оболочке.

В пределах периодов (и больших, и малых) с ростом заряда ядра наблюдается:

• 1. Уменьшение радиуса атома.
• 2. Увеличение числа электронов от 1 до 8 на внешнем слое электронной оболочки.
• 3. Увеличение положительной степени окисления (С.О.) от +1 до +7 (8).
• 4. Уменьшение отрицательной С.О. от -4 до -1.
• 5. Увеличение энергии ионизации (ЭИ), энергии сродства к электрону (ЭСЕ) и электроотрицательности (ЭО).
• 6. Усиление окислительных свойств простых веществ, образованных атомами химических элементов в свободном состоянии, и ослабление восстановительных свойств.
• 7. Ослабление металлических и усиление неметаллических свойств химических элементов.
• 8. Усиление кислотных и ослабление основных свойств оксидов и гидроксидов.

Необходимо отметить, что в малых периодах переход от металлов к неметаллам осуществляется значительно быстрее, чем в больших (в малых периодах два—три металла, а в больших 12 и более). Это связано с тем, что в пределах малых периодов происходит увеличение числа электронов на внешнем слое, а металлы не могут иметь на внешнем слое электронной оболочки атома более трех электронов, поэтому металлические свойства быстро ослабевают. В пределах четных рядов больших периодов происходит заполнение предвнешнего или более глубокого уровня электронной оболочки, а на внешнем слое остается два—один электрон, что незначительно сказывается на ослаблении металлических свойств.

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Поясните, почему в коротком варианте периодической системы число периодов и рядов не совпадает.
• 2. Поясните, чем большие периоды отличаются от малых.
• 3. Поясните, в чем состоит физический смысл номера периода.
• 4. Поясните, что означает для железа его нахождение в четвертом периоде.
• 5. Раскройте причину более медленного ослабления металлических свойств в пределах периодов (каких периодов?).