Периодический закон Д. И

Периодический закон Менделеева

Периодический закон Д. И. Менделеева - фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов. И. Менделеевым в марте 1869 года при сопоставлении свойств всех известных в то время элементов и величин их атомных масс. «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Графическим (табличным) выражением периодического закона является разработанная Менделеевым периодическая система элементов.

https://pandia.ru/text/80/127/images/image002_66.jpg" width="373 height=200" height="200">

Рисунок 1. Зависимость энергии ионизации атомов от порядкового номера элемента

Энергией сродства атома к электрону, или просто его сродством к электрону, называют энергию, выделяющуюся в процессе присоединения электрона к свободному атому Э в его основном состоянии с превращением его в отрицательный ион Э− (сродство атома к электрону численно равно, но противоположно по знаку энергии ионизации соответствующего изолированного однозарядного аниона). Зависимость сродства к электрону атома от атомного номера элемента представлена на рисунке 2.

0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Электронная конфигурация

Электроотрицательность - фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле притягивать к себе общие электронные пары. Электроотрицательность атома зависит от многих факторов, в частности от валентного состояния атома, степени окисления, координационного числа, природы лигандов, составляющих окружение атома в молекулярной системе, и от некоторых других. На рисунке 3 приведена зависимость электроотрицательности от порядкового номера элемента.

Рисунок 3. Шкала электроотрицательности по полингу

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 т. д.

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.

Периодичность в изменении значений орбитальных атомных радиусов в зависимости от порядкового номера элемента проявляется довольно отчетливо, 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 Li-Ne, 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.

Степень окисления - вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций, численная величина электрического заряда, приписываемого атому в молекуле в предположении, что электронные пары, осуществляющие связь, полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов.

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 (RbF) до +8 (XeО4). В других случаях высшая степень окисления благородного газа оказывается меньше (Kr+4F4), чем для предшествующего галогена (Br+7О4−). 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 Li-Ne, в котором ни для галогена (F), ни для благородного газа (Ne) вообще неизвестны высокие степени окисления, а наибольшим значением высшей степени окисления обладает средний член ряда - азот ; поэтому в ряду Li - Ne 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 Rb-Xe от +1 до +8 «осложняется» тем, что для молибдена, технеция и рутения известны такие высокие степени окисления, как +6 (MoО3), +7 (Tc2О7), +8 (RuO4).

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. 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.

Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон в 1869 году, в основе которого была одна из главнейших характеристик атома – атомная масса. Последующее развитие Периодического закона, а именно, получение большого экспериментальных данных, несколько изменило первоначальную формулировку закона, однако эти изменения не противоречат главному смыслу, заложенному Д.И. Менделеевым. Эти изменения только придали закону и Периодической системе научную обоснованность и подтверждение правильности.

Современная формулировка Периодического закона Д.И. Менделеева такова: свойства химических элементов, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Структура Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева

К настоящему мнению известно большое количество интерпретаций Периодической системы, но наиболее популярная – с короткими (малыми) и длинными (большими) периодами. Горизонтальные ряды называют периодами (в них расположены элементы с последовательным заполнением одинакового энергетического уровня), а вертикальные столбцы – группами (в них расположены элементы, имеющие одинаковое количество валентных электронов – химические аналоги). Так же все элементы можно разделить на блоки по по типу внешней (валентной) орбитали: s-, p-, d-, f-элементы.

Всего в системе (таблице) 7 периодов, причем номер периода (обозначается арабской цифрой) равен числу электронных слоев в атоме элемента, номеру внешнего (валентного) энергетического уровня, значению главного квантового числа для высшего энергетического уровня. Каждый период (кроме первого) начинается s-элементом — активным щелочным металлом и заканчивается инертным газом, перед которым стоит p-элемент — активный неметалл (галоген). Если продвигаться по периоду слева направо, то с ростом заряда ядер атомов химических элементов малых периодов будет возрастать число электронов на внешнем энергетическом уровне, вследствие чего свойства элементов изменяются – от типично металлических (т.к. в начале периода стоит активный щелочной металл), через амфотерные (элемент проявляет свойства и металлов и неметаллов) до неметаллических (активный неметалл – галоген в конце периода), т.е. металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические.

В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение электронов происходит сложнее, что объясняет более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда ядра число электронов на внешнем энергетическом уровне остается постоянным и равным 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются медленно. При переходе к нечетным рядам, с ростом величины заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне (от 1 до 8), свойства элементов изменяются также, как в малых периодах.

Вертикальные столбцы в Периодической системе – группы элементов со сходным электронным строением и являющимися химическими аналогами. Группы обозначают римскими цифрами от I до VIII. Выделяют главные (А) и побочные (B) подгруппы, первые из которых содержат s- и p-элементы, вторые – d – элементы.

Номер А подгруппы показывает число электронов на внешнем энергетическом уровне (число валентных электронов). Для элементов В-подгрупп нет прямой связи между номером группы и числом электронов на внешнем энергетическом уровне. В А-подгруппах металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические – уменьшаются с возрастанием заряда ядра атома элемента.

Между положением элементов в Периодической системе и строением их атомов существует взаимосвязь:

— атомы всех элементов одного периода имеют равное число энергетических уровней, частично или полностью заполненных электронами;

— атомы всех элементов А подгрупп имею равное число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Периодические свойства элементов

Близость физико-химических и химических свойств атомов обусловлена сходством их электронных конфигураций, причем, главную роль играет распределение электронов по внешней атомной орбитали. Это проявляется в периодическом появлении, по мере увеличения заряда ядра атома, элементов с близкими свойствами. Такие свойства называют периодическими, среди которых наиболее важными являются:

1. Количество электронов на внешней электронной оболочке (заселенность – w ). В малых периодах с ростом заряда ядра w внешней электронной оболочки монотонно увеличивается от 1 до 2 (1 период), от 1 до 8 (2-й и 3-й периоды). В больших периодах на протяжении первых 12 элементов w не превышает 2, а затем до 8.

2. Атомный и ионный радиусы (r), определяемые как средние радиусы атома или иона, находимые из экспериментальных данных по межатомным расстояниям в разных соединениях. По периоду атомный радиус уменьшается (постепенно прибавляющиеся электроны описываются орбиталями с почти равными характеристиками, по группе атомный радиус возрастает, поскольку увеличивается число электронных слоев (рис.1.).

Рис. 1. Периодическое изменение атомного радиуса

Такие же закономерности наблюдаются и для ионного радиуса. Следует заметить, что ионный радиус катиона (положительно заряженный ион) больше атомного радиуса, а тот в свою очередь, больше ионного радиуса аниона (отрицательно заряженный ион).

3. Энергия ионизации (Е и) – количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, т.е. энергия, необходимая для превращения нейтрального атома в положительно заряженный ион (катион).

Э 0 — → Э + + Е и

Е и измеряется в электронвольтах (эВ) на атом. В пределах группы Периодической системы значения энергии ионизации атомов уменьшаются с возрастанием зарядов ядер атомов элементов. От атомов химических элементов можно последовательно отрывать все электроны, сообщив дискретные значения Е и. При этом Е и 1 < Е и 2 < Е и 3 <….Энергии ионизации отражают дискретность структуры электронных слоев и оболочек атомов химических элементов.

4. Сродство к электрону (Е е) – количество энергии, выделяющееся при присоединении дополнительного электрона к атому, т.е. энергия процесса

Э 0 + → Э —

Е е также выражается в эВ и, как и Е и зависит от радиуса атома, поэтому характер изменения Е е по периодам и группам Периодической системы близок характеру изменения атомного радиуса. Наибольшим сродством к электрону обладают p-элементы VII группы.

5. Восстановительная активность (ВА) – способность атома отдавать электрон другому атому. Количественная мера – Е и. Если Е и увеличивается, то ВА уменьшается и наоборот.

6. Окислительная активность (ОА) – способность атома присоединять электрон от другого атома. Количественная мера Е е. Если Е е увеличивается, то ОА также увеличивается и наоборот.

7. Эффект экранирования – уменьшение воздействия на данный электрон положительного заряда ядра из-за наличия между ним и ядром других электронов. Экранирование растет с увеличением числа электронных слоев в атоме и уменьшает притяжение внешних электронов к ядру. Экранированию противоположен эффект проникновения , обусловленный тем, что электрон может находиться в любой точке атомного пространства. Эффект проникновения увеличивает прочность связи электрона с ядром.

8. Степень окисления (окислительное число) – воображаемый заряд атома элемента в соединении, который определяется из предположения ионного строения вещества. Номер группы Периодической системы указывает высшую положительную степень окисления, которую могут иметь элементы данной группы в своих соединениях. Исключение – металлы подгруппы меди, кислород, фтор, бром, металлы семейства железа и другие элементы VIII группы. С ростом заряда ядра в периоде максимальная положительная степень окисления растет.

9. Электроотрицательность, составы высших водородных и кислородных соединений, термодинамические, электролитические свойства и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Охарактеризуйте элемент (Z=23) и свойства его соединений (оксидов и гидроксидов) по электронной формуле: семейство, период, группа, число валентных электронов, электронно-графическая формула для валентных электронов в основном и возбужденном состоянии, основные степени окисления (максимальная и минимальная), формулы оксидов и гидроксидов.
Решение	23 V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 3 3p 6 3d 3 4s 2 d-элемент, металл, находится в ;-м периоде, в V группе, В подгруппе. Валентные электроны 3d 3 4s 2 . Оксиды VO, V 2 O 3 , VO 2 , V 2 O 5 . Гидроксиды V(OH) 2 , V(OH) 3 , VO(OH) 2 , HVO 3 . Основное состояние Возбужденное состояние Минимальная степень окисления «+2», максимальная – «+5».

2.3. Периодический закон Д.И.Менделеева.

Закон открыт и сформулирован Д.И.Менделеевым: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов». Закон создан на основе глубокого анализа свойств элементов и их соединений. Выдающиеся достижения физики, главным образом разработка теории строения атома, дали возможность раскрыть физическую сущность периодического закона: периодичность в изменении свойств химических элементов обусловлена периодическим изменением характера заполнения электронами внешнего электронного слоя по мере возрастания числа электронов, определяемого зарядом ядра. Заряд равен порядковому номера элемента в периодической системе. Современная формулировка периодического закона: «Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов». Созданная Д.И.Менделеевым в 1869-1871 гг. периодическая система является естественной классификацией элементов, математическим отражением периодического закона.

Менделеев не только первый точно сформулировал этот закон и представил содержание его в виде таблицы, которая стала классической, но и всесторонне обосновал его, показал его огромное научное значение, как руководящего классификационного принципа и как могучего орудия для научного исследования.

Физический смысл периодического закона. Был вскрыт лишь после выяснения того, что заряд ядра атома возрастает при переходе от одного химического элемента к соседнему (в периодической системе) на единицу элементарного заряда. Численно заряд ядра равен порядковому номеру (атомному номеру Z) соответствующего элемента в периодической системе, то есть числу протонов в ядре, в свою очередь равному числу электронов соответствующего нейтрального атома. Химические свойства атомов определяются структурой их внешних электронных оболочек, периодически изменяющейся с увеличением заряда ядра, и, следовательно, в основе периодического закона лежит представление об изменении заряда ядра атомов, а не атомной массы элементов. Наглядная иллюстрация периодического закона - кривые периодические изменения некоторых физических величин (ионизационных потенциалов, атомных радиусов, атомных объёмов) в зависимости от Z. Какого-либо общего математического выражения периодического закона не существует. Периодический закон имеет огромное естественнонаучное и философское значение. Он позволил рассматривать все элементы в их взаимной связи и прогнозировать свойства неизвестных элементов. Благодаря периодическому закону многие научные поиски (например, в области изучения строения вещества - в химии, физике, геохимии, космохимии, астрофизике) получили целенаправленный характер. Периодический закон - яркое проявление действия общих законов диалектики, в частности закона перехода количества в качество.

Физический этап развития периодического закона можно в свою очередь разделить на несколько стадий:

1. Установление делимости атома на основании открытия электрона и радиоактивности (1896-1897);

2. Разработка моделей строения атома (1911-1913);

3. Открытие и разработка системы изотопов (1913);

4. Открытие закона Мозли (1913), позволяющего экспериментально определять заряд ядра и номер элемента в периодической системе;

5. Разработка теории периодической системы на основании представлений о строении электронных оболочек атомов (1921-1925);

6. Создание квантовой теории периодической системы (1926-1932).

2.4. Предсказание существования неизвестных элементов.

Самое же важное в открытии Периодического закона - предсказание существования еще не открытых химических элементов. Под алюминием Al Менделеев оставил место для его аналога "экаалюминия", под бором B - для "экабора", а под кремнием Si - для "экасилиция". Так назвал Менделеев еще не открытые химические элементы. Он даже дал им символы El, Eb и Es.

По поводу элемента "экасилиция" Менделеев писал: "Мне кажется, наиболее интересным из, несомненно, недостающих металлов будет тот, который принадлежит к IV группе аналогов углерода, а именно, к III ряду. Это будет металл, следующий тотчас же за кремнием, и потому назовем его экасилицием". Действительно, этот еще не открытый элемент должен был стать своеобразным "замком", связывающим два типичных неметалла - углерод C и кремний Si - с двумя типичными металлами - оловом Sn и свинцом Pb.

Затем предсказал существование еще восьми элементов, в том числе "двителлура" - полония (открыт в 1898 г.), "экаиода" - астата (открыт в 1942-1943 гг.), "двимарганца" - технеция (открыт в 1937 г.), "экацезия" - Франция (открыт в 1939 г.)

В 1875 году французский химик Поль-Эмиль Лекок де Буабодран открыл в минерале вюртците - сульфиде цинка ZnS - предсказанный Менделеевым "экаалюминий" и назвал его в честь своей родины галлием Ga (латинское название Франции - "Галлия").

Менделеев точно предсказал свойства экаалюминия: его атомную массу, плотность металла, формулу оксида El 2 O 3 , хлорида ElCl 3 , сульфата El 2 (SO 4) 3 . После открытия галлия эти формулы стали записывать как Ga 2 O 3 , GaCl 3 и Ga 2 (SO 4) 3 . Менделеев предугадал, что это будет очень легкоплавкий металл, и действительно, температура плавления галлия оказалась равной 29,8 о С. По легкоплавкости галлий уступает только ртути Hg и цезию Cs.

Среднее содержание Галлий в земной коре относительно высокое, 1,5-10-30% по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Галлий - типичный рассеянный элемент. Единственный минерал Галлий - галдит CuGaS2, очень редок. На воздухе при обычной температуре Галлий стоек. Выше 260°С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (плёнка окиси защищает металл). В серной и соляной кислотах галлий растворяется медленно, в плавиковой - быстро, в азотной кислоте на холоду Галлий устойчив. В горячих растворах щелочей Галлий медленно растворяется. Хлор и бром реагируют с Галлий на холоду, иод - при нагревании. Расплавленный Галлий при температурах выше 300° С взаимодействует со всеми конструкционными металлами и сплавами Отличительная особенность Галлий - большой интервал жидкого состояния (2200° С) и низкое давление пара при температурах до 1100-1200°С.. Геохимия Галлий тесно связана с геохимией алюминия, что обусловлено сходством их физико-химических свойств. Основная часть Галлий в литосфере заключена в минералах алюминия. Содержание Галлий в бокситах и нефелинах колеблется от 0,002 до 0,01%. Повышенные концентрации Галлий наблюдаются также в сфалеритах (0,01-0,02%), в каменных углях (вместе с германием), а также в некоторых железных рудах. Широкого промышленного применения Галлий пока не имеет. Потенциально возможные масштабы попутного получения Галлий в производстве алюминия до сих пор значительно превосходят спрос на металл.

Наиболее перспективно применение Галлий в виде химических соединений типа GaAs, GaP, GaSb, обладающих полупроводниковыми свойствами. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях и др. приборах, где может быть использован фотоэффект в запирающем слое, а также в приёмниках инфракрасного излучения. Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью. Сплав алюминия с Галлий предложен вместо ртути в качестве катода ламп ультрафиолетового излучения, применяемых в медицине. Жидкий Галлий и его сплавы предложено использовать для изготовления высокотемпературных термометров (600-1300° С) и манометров. Представляет интерес применение Галлий и его сплавов в качестве жидкого теплоносителя в энергетических ядерных реакторах (этому мешает активное взаимодействие Галлий при рабочих температурах с конструкционными материалами; эвтектический сплав Ga-Zn-Sn оказывает меньшее коррозионное действие, чем чистый Галлий).

В 1879 году шведский химик Ларс Нильсон открыл скандий, предсказанный Менделеевым как экабор Eb. Нильсон писал: "Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор... Так подтверждаются нагляднейшим образом соображения русского химика, которые не только дали возможность предсказать существование скандия и галлия, но и предвидеть заранее их важнейшие свойства". Скандий получил название в честь родины Нильсона Скандинавии, а открыл он его в сложном минерале гадолините, имеющем состав Be 2 (Y, Sc) 2 FeO 2 (SiO 4) 2 . Среднее содержание Скандий в земной коре (кларк) 2,2- 10-3% по массе. В горных породах содержание Скандий различно: в ультраосновных 5-10-4, в основных 2,4-10-3, в средних 2,5-10-4, в гранитах и сиенитах 3.10-4; в осадочных породах (1-1,3).10-4. Скандий концентрируется в земной коре в результате магматических, гидротермальных и гипергенных (поверхностных) процессов. Известно два собственных минерала Скандий - тортвейтит и стерреттит; они встречаются чрезвычайно редко. Скандий - мягкий металл, в чистом состоянии легко поддаётся обработке - ковке, прокатке, штамповке. Масштабы применения Скандий весьма ограничены. Окись Скандий идёт на изготовление ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин. Радиоактивный 46Sc используется в нейтронно-активационном анализе и в медицине. Сплавы Скандий, обладающие небольшой плотностью и высокой температурой плавления, перспективны как конструкционные материалы в ракетои самолётостроении, а ряд соединений Скандий может найти применение при изготовлении люминофоров, оксидных катодов, в стекольном и керамических производствах, в химической промышленности (в качестве катализаторов) и в других областях. В 1886 году профессор Горной академии во Фрайбурге немецкий химик Клеменс Винклер при анализе редкого минерала аргиродита состава Ag 8 GeS 6 обнаружил еще один элемент, предсказанный Менделеевым. Винклер назвал открытый им элемент германием Ge в честь своей родины, но это почему-то вызвало резкие возражения со стороны некоторых химиков. Они стали обвинять Винклера в национализме, в присвоении открытия, которое сделал Менделеев, уже давший элементу имя "экасилиций" и символ Es. Обескураженный Винклер обратился за советом к самому Дмитрию Ивановичу. Тот объяснил, что именно первооткрыватель нового элемента должен дать ему название. Общее содержание Германий в земной коре 7.10-4% по массе, т. е. больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германий встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu2 (Cu, Fe, Ge, Zn)2 (S, As)4, аргиродит Ag8GeS6, конфильдит Ag8(Sn, Ce) S6 и др. Основная масса Германий рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти. Германий - один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Монокристаллический Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряжённость постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения Германий является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8-14 мк. Перспективны для практического использования многие сплавы, в состав которых входят Германий, стекла на основе GeO2 и др. соединения Германий.

Предугадать существование группы благородных газов Менделеев не мог, и им поначалу не нашлось места в Периодической системе.

Открытие аргона Ar английскими учеными У. Рамзаем и Дж. Релеем в 1894 году сразу же вызвало бурные дискуссии и сомнения в Периодическом законе и Периодической системе элементов. Менделеев вначале посчитал аргон аллотропной модификацией азота и только в 1900 году под давлением непреложных фактов согласился с присутствием в Периодической системе "нулевой" группы химических элементов, которую заняли другие благородные газы, открытые вслед за аргоном. Теперь эта группа известна под номером VIIIА.

В 1905 году Менделеев написал: "По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает, хотя как русского меня хотели затереть, особенно немцы".

Открытие Периодического закона ускорило развитие химии и открытие новых химических элементов.

Лицейском экзамене, на котором старик Державин благословил юного Пушкина. Роль метра довелось сыграть академику Ю.Ф.Фрицше известному специалисту в органической химии. Кандидатская диссертация Д.И.Менделеев окончил Главный Педагогический институт в 1855 г. Кандидатская диссертация "Изоморфизм в связи с другими отношениями кристаллической формы к составу" стала его первой крупной научной...

Преимущественно по вопросу о капиллярности и поверхностном натяжении жидкостей, а часы досуга проводил в кругу молодых русских ученых: С.П. Боткина, И.М. Сеченова, И.А. Вышнеградского, А.П. Бородина и др. В 1861 г. Менделеев возвращается в Санкт-Петербург, где возобновляет чтение лекций по органической химии в университете и издает замечательный по тому времени учебник: "Органическая химия", в...

1

Махов Б.Ф.

В связи с разработкой автором «Колебательной модели нейтрального атома» с включением «мирового эфира», в которой понятия «постоянный положительный заряд атомного ядра» и «кулоновское поле» становятся излишними, встает вопрос о новой формулировке Периодического закона. Такая формулировка предлагается в данной статье, где рассматривается также проблема математического выражения Периодического закона. В статье автор использует собственный вариант «Симметричной квантовой Периодической системы нейтральных атомов (СК-ПСА)», адекватный Колебательной модели.

Всё более удаляется от нас 1869 год - время первой формулировки Периодического закона Д.И. Менделеева (ПЗМ) и разработки им Периодической системы элементов (ПСЭ-М), в которых за главный критерий упорядочения был принят атомный вес элемента, доступная тогда и более или менее понятная характеристика. Но даже сам Дмитрий Иванович говорил, что «причины периодичности мы не знаем». Тогда было известно всего 63 элемента, а об их свойствах (в основном химических) было известно мало и не всегда точно.

Тем не менее, проблема систематизации элементов уже заявила о себе и требовала решения. Гениальная интуиция Менделеева позволила ему успешно (на тогдашнем уровне знаний) справиться с задачей. Его формулировка ПЗМ (октябрь 1971): «...свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Дмитрий Иванович выстроил все элементы в ряд (ряд Менделеева) по возрастанию атомного веса, в котором однако им же были допущены отступления для известных пар элементов (на основе химических свойств), т.е. фактически имеется зависимость не только от атомного веса.

Ученым стало понятно, что при переходе от одного элемента в ПСЭ-М к следующему какая-то характеристика элемента ступенчато возрастает на одну и ту же величину. Эта величина - Z получила название порядковый номер (в основном у химиков) или атомный номер (у физиков). Выяснилось, что и сам атомный вес определенным образом зависит от Z . Поэтому в качестве главного критерия упорядочения был принят порядковый номер Z, который соответственно вошел во 2-ю формулировку ПЗМ вместо атомного веса.

Шло время, и появились новые возможности систематизации. Это прежде всего успехи в исследовании линейчатых оптических спектров (ЛОС) нейтральных атомов и характеристического рентгеновского излучения (ХРИ). Выяснилось, что каждый элемент обладает уникальным спектром и целый ряд новых элементов были по ним и открыты. Для описания спектров были предложены квантовые числа, спектральные термы, принцип запрета В.Паули, закон Г.Мозли и др. Исследование атомов увенчалось созданием первых моделей атома (МОА), уже после смерти Д.И.Менделеева.

Закон Мозли, связавшего частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером Z , внес особенно большой вклад в науку. Он подтвердил правильность Менделеевского ряда и позволил указать на номера оставшихся еще неоткрытыми элементов. Но затем, руководствуясь благими намерениями придать порядковому номеру Z физический смысл, физики на уровне знаний начала XIX века (первые модели атома) пришли к поспешному выводу, что он не может быть ничем иным как постоянным положительным электрическим зарядом атомного ядра (количеством элементарных электрических зарядов - eZ).

В итоге ученые пришли к выводу, что нужна уточненная 2-я формулировка ПЗМ, в которой в качестве главного критерия систематизации был принят постоянный положительный электрический заряд ядра атома элемента.

Но, к сожалению, в начале ХХ века первые модели атома были представлены чересчур механистически (планетарные ядерные модели), а электрическая нейтральность атома в целом - положительным зарядом ядра и соответствующим количеством отрицательных элементарных частиц - электронов, т.е. тоже на уровне примитивных знаний того времени об электричестве. В результате использовались представления о постоянном кулоновском электрическом поле, притягивающем вращающиеся вокруг ядра электроны и пр. И не дай бог электрону упасть на ядро!

Открытие волновой природы электрона и многие проблемы с принятой моделью атома обусловили переход к «квантовомеханической модели атома». Квантовую механику (КВМ) объявили величайшим достижением ХХ века. Но с течением времени восторги поутихли. Причина - шаткая основа, на которой построена КВМ, базирующаяся на уравнении Шредингера, которое «описывает движение электрона». Прежде всего, неверен сам подход - вместо того, чтобы рассматривать равновесное квантовое состояние нейтрального атома в целом (на макроуровне, говоря языком синергетики), в КВМ рассматривают движение электрона (т.е. работают на излишне детализированном микроуровне). Представьте себе, что для случая идеального газа вместо рассмотрения его на макроуровне с постоянными по времени параметрами состояния газа (давлением, температурой, объемом) вдруг стали бы писать уравнения движения для каждого из миллиардов атомов и молекул газа, громко стеная при этом о трудности задачи и недостаточной мощности современных ЭВМ. В то время как на макроуровне все картина легко и изящно описывается с помощью уравнения связи параметров состояния газа - уравнения Клапейрона-Менделеева. [ФЭС, М, СЭ, 1984, с.288]

Нечто похожее по сложности предлагает нам КВМ в лице ее отцов-основателей, особенно для случая атомов с большими порядковыми номерами. Однако академик Лев Ландау (1908-68), сам один из столпов КВМ, уже писал : «Атом с более чем одним электроном представляет собой сложную систему взаимодействующих друг с другом электронов. Для такой системы можно, строго говоря, рассматривать только состояния системы в целом». Эта же идея имеется в работах физика-спектроскописта акад. АН БССР Ельяшевича М.А. (1908-95).

Однако вернемся к рассмотрению формулировок Периодического закона. Современная (уточненная 2-я) формулировка ПЗМ звучит так:

«Свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер». Заряд ядра eZ = атомному (порядковому) номеру элемента в системе, помноженному на элементарный электрический заряд (т.е. Z численно равен количеству элементарных электрических зарядов).

Почему же нужна новая, 3-я формулировка ПЗМ?

1) Из 2-й формулировки не очень понятно, о каких свойствах идет речь - если о химических, то они не имеют прямого отношения к элементам (нейтральным атомам). При взаимодействии нейтральных атомов происходит перекрытие их переменных ЭМП, в результате они оказывают друг на друга определенную степень возбуждения. Для описания химической связи нужно знать дополнительно - что с чем соединяется (состав и структура вещества) и при каких конкретных физических условиях (КФУ) и т.д.

2) Согласно разработанной автором «Колебательной модели», у ядра нейтрального атома нет ни постоянного электрического заряда, ни создаваемого им постоянного кулоновского поля (вместо этого - пульсирующее ядро, переменное электромагнитное поле - ЭМП, стоячая ЭМВ, параметрический резонанс, высокая добротность колебаний, долговечность атома). См ФИ, 2008, № 3, с.25

3) То есть нет четкого определения ни аргумента, ни функции. Насчет характера периодической зависимости тоже нет определенности. ПЗМ бесполезен без одновременного рассмотрения самой таблицы Периодической системы, поэтому его часто вообще не упоминают в учебниках в существующей формулировке («порочный круг»). Не случайно мы до сих пор не имеем полной теории Периодической системы и самого математического выражения ПЗМ.

4) Сейчас можно использовать принципиально новые возможности для более корректной формулировки Периодического закона и вывода его математического выражения, которые дают «Колебательная модель нейтрального атома» (связанных колебаний ядра и окружающей его среды) и «Симметричная квантовая Периодическая система нейтральных атомов (СК-ПСА)», разработанные и опубликованные автором.

5) Согласно синергетическому подходу, равновесное квантовое состояние атома в целом» (макроскопический подход) может быть описано несколькими независимыми от времени параметрами. Автором показано, что ими является присущий каждому атому строго индивидуальный (принцип запрета В.Паули) набор 4-х квантовых чисел, определяемых из его ЛОС (а не из уравнений КВМ).

Такой набор квантовых чисел однозначно определяет место элемента (его координаты) в разработанной автором СК-ПСА.

6) Такие параметры должны отвечать ряду требований:

Отвечать физической природе нейтрального атома (согласно «Колебательной модели»)

Быть однозначными

Быть целочисленными (что вытекает из самой сути излучения ядра)

Легко измеряться (из спектров нейтрального атома).

Таким образом, смысл известных для каждого атома квантовых чисел должен быть уточнен согласно их физической природе.

7) Вместо уравнения КВМ Э. Шредингера автор предлагает использовать уравнения связи квантовых чисел (уравнения Махова) (автором найдены два таких уравнения) , которые и являются математическим выражением ПЗМ, адекватным новой формулировке. Подробнее об этом в готовящейся к изданию книге .

8) В свете «Колебательной модели нейтрального атома» и нового представления о переменном ЭМП ядра для новой формулировки Периодического закона вместо элементарного электрического заряда нужна другая физическая величина, вместе с порядковым номером Z характеризующая напряженность электромагнитного взаимодействия (ступенчато изменяющаяся с ростом Z) и однозначно определяемая из спектра нейтральных атомов. И такая величина есть - это постоянная тонкой структуры (α) [ФЭС-763], которую обычно используют при поисках "верхней границы Периодической системы".

Новая формулировка ПЗМ выглядит так:

«Характеристики нейтральных атомов находятся в периодической зависимости от величины напряженности (αZ ) переменного электромагнитного поля (ЭМП), создаваемого их ядрами». К такой краткой формулировке автор пришел 22 ноября 2006 г. после ряда «пространных».

Из нее видно, что вместо величины электрического заряда (eZ ), в которую входит элементарный электрический заряд, используется величина напряженности (αZ ), в которую входит α - постоянная тонкой структуры, которая «в квантовой электродинамике рассматривается как естественный параметр, характеризующий «силу» электромагнитного взаимодействия» [ФЭС, с.763].

Про характеристики нейтральных атомов (о квантовых числах, их физической природе и др.) мы уже говорили, а вот о характере периодической зависимости еще нужно немного пояснить. Уже сейчас имеются предпосылки для вывода уравнений связи квантовых чисел - это (n + l )- правила академика В.М. Клечковского (1900-72) и (n - l )- правило дхн, проф. Д.Н. Трифонова , которые использованы автором для построения СК-ПСА. Помня о переменном ЭМП и распространяющейся (на конкретную для каждого атома глубину) стоячей ЭМВ, можно сказать, что сумма этих квантовых чисел представляет полную энергию стоячей ЭМВ, а разность - глубину изменения параметра колебаний. То есть уже имеются связки квантовых чисел, которые представляют в СК-ПСА (n + l )- период (все они парные и образуют диады), а (n - l )- группы последовательных атомов - горизонтальные ряды СК-ПСА (до 4-х в периоде в пределах Z ≤ 120), представляющие собой последовательности f -, d -, p -, s - элементов. Т.е., при одном квантовом энергетическом уровне могут быть несколько квантовых состояний. Дальнейший учет особенностей двуединой стоячей ЭМВ и позволяет вывести уравнения связи квантовых чисел (уравнения Махова).

Пример: Полная энергия стоячей ЭМВ E n + l = E n + E l = const , где E n и E l - средние значения энергии электрической и магнитной составляющих ее частей.

Для прояснения физического смысла квантовых чисел воспользуемся формулой энергии квантового излучателя (в общем виде) E = Eo (2k + 1), отсюда → = 2k

Конкретно имеем для E n + l = E o (2 + 1) → = n + l , то есть сумма квантовых чисел (n + l ) - это отношение приращение полной энергии стоячей ЭМВ к ее исходному значению, что придает физический смысл упомянутому выше первому правилу академика В.М. Клечковского.

Стоячая ЭМВ - это материальный носитель параметрического резонанса (при постоянной внутренней энергии происходит перекачка энергии из электрической в магнитную и обратно с огромной частотой). При этом разность средних значений энергии электрической и магнитной составляющих полной энергии ЭМВ E n - l = E n - E l - величина изменения параметра также квантуется.

E n - l = E о (2 + 1) → = n - l , это отношение придает физический смысл правилу Д.Н Трифонова и отсюда же становится понятным правило n - l ≥ 1, так как иначе нет стоячей ЭМВ (не должно быть присущего бегущей волне n = l , и связанного с ней уноса энергии). Можно ввести понятие «относительная величина изменения параметра» : = = λ

Квантуются также средние значения составляющих полной энергии стоячей ЭМВ

E n = Eo (2n + 1) → = 2n

E l = Eo (2l + 1) → = 2l

отсюда квантовые числа n и l приобретают новый физический смысл как квантовые числа составляющих электрической и магнитной энергий полной энергии стоячей ЭМВ (вместо "главное квантовое число" и "орбитальное квантовое число").

Высокая и постоянная частота стоячей ЭМВ находит свое выражение через периодические функции, применительно к нашему случаю - тригонометрические. Двуединость стоячей ЭМВ - в параметрическом задании функции. Стоячая ЭМВ как гармоническая волна может быть описана уравнениями синусоиды вида y = A sin (ω t + φ ),

тогда n t = n cos α и l t = l sin α (параметрическое задание эллипса).

здесь n и l - квантовые числа (безразмерные целочисленные величины), показатели максимальной амплитуды относительной энергии электрической и магнитной составляющих стоячей ЭМВ, а n t и l t - текущие значения колеблющихся величин (составляющих стоячей ЭМВ) в данный момент времени , т.е. тоже величины безразмерные.*)

0 ≤ |n t | ≤ n 0 ≤ |l t | ≤ l

Поясним, что имеются именно две зависимости - косинусоида и синусоида На границе раздела «Ядро-окружающая среда» в начальный момент излучения первая имеет максимальную амплитуду - n to = n (иначе нет излучения), а амплитуда другой - l to = 0 (т.е имеется сдвиг по фазе). Начав распространяться от ядра, одна составляющая стоячей ЭМВ порождает другую и наоборот. Автор хотел бы предостеречь от поспешного вывода, что раз l to = 0, то и магнитная составляющая полной энергии стоячей ЭМВ также равна нулю. Это не так, достаточно вспомнить формулу квантового гармонического излучателя.

Вот это уравнение эллипса + = 1 (в канонической форме, обычное для связи гармонических колебаний) и представляет собой одно из уравнений связи квантовых чисел.

Физический смысл данного уравнения связи становится более ясным, если произвести некоторые преобразования. Для этого воспользуемся представлением эллипса как гипотрохоиды .

Для нашего случая ; .

Это - 1-е уравнение связи квантовых чисел (уравнение Махова).

Или достаточно наглядно .

Видно, что уравнение отражает постоянство полной энергии стоячей ЭМВ. Таким образом, вышеупомянутые связки квантовых чисел (n + l )- номер периода в СК-ПСА, а (n - l )- определяет последовательность местоположения входящих в состав периода горизонтальных рядов - нашли своё место в уравнении связи, а само уравнение хорошо отражает структуру СК-ПСА.

Нами получено еще одно, 2-е уравнение связи для остальных двух квантовых чисел (из полного набора в соответствии с принципом запрета В.Паули) - m l и m s , но о них в двух словах не скажешь, да и с физическим смыслом "спинового" квантового числа m s нужно ещё разобраться - об этом см.

Начало (порядковый номер исходного элемента - Z M ) каждой M-диады (пары периодов СК-ПСА) можно получить из выполненного автором тождественного преобразования формулы В.М. Клечковского для номера Z l элемента, при котором впервые появляется элемент с данным значением l max

Z M = Z l -1 = = ,

тогда при l max = 0; 1; 2; 3; 4... имеем Z M = 0; 4; 20; 56; 120..., т.е. это так называемые тетраэдрические числа, что опосредованно связано с некими минимальными исходными для диады квантовыми энергетическими уровнями (тетраэдр среди всех пространственных тел имеет минимальную площадь поверхности при фиксированном объёме).

Более подробно на эту тему и упомянутых двух уравнениях связи квантовых чисел автор предполагает сообщить в готовящихся к печати работах .

Автор не претендует этой работой, естественно, на создание полной теории Периодической системы нейтральных атомов и ее математического выражения, но считает ее необходимым и важным этапом на этом пути, и в меру своих сил будет содействовать дальнейшему продвижению.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Клечковский В.М. «Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (n + l )- групп», М., Атомиздат, 1968
2. Клечковский В.М. «Развитие некоторых теоретических проблем Периодической системы Д.И. Менделеева" (доклад на симпозиуме Х Менделеевского съезда). М., Наука, 1971, стр. 54-67.
3. Трифонов Д.Н. "Структура и границы периодической системы", М., Атомиздат, 1976, 271 стр.
4. Махов Б.Ф., книга "Симметричная квантовая Периодическая система элементов" (СК-ПСЭ), Москва, 1997 - ISBN 5-86700-027-3
5. Махов Б.Ф., Статья «Симметричная квантовая периодическая система элементов (нейтральных атомов) - СК-ПСА (или Новая периодизация Периодической системы», в журнале РАЕ «Фундаментальные исследования», 2007, № 9, с. 30-36 - ISSN 1812-7339
6. Махов Б.Ф., Доклад «Проявление парности в Периодической системе нейтральных атомов (СК-ПСА)», в Трудах V-Межд. конференции «Биниология, симметрология и синергетика в естественных науках», сент. 2007, г. Тюмень, ТюмГНГУ, Раздел «Физика и химия», стр. 59-65 ISBN 978-5-88465-835-4
7. Махов Б.Ф., Статья «Мировой эфир» Д.И. Менделеева и его место в Периодической системе», в журнале РАЕ «Фундаментальные исследования», 2008, № 3, с. 25-28
8. Махов Б.Ф., Статья «Физическая природа металлов в свете колебательной модели атома», в журнале РАЕ «Фундаментальные исследования», 2008, № 3, с. 29-37
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Квантовая механика. Нерелятивистская теория», М.: Наука, 1974 (3-е изд). стр. 293. и 1989 (4-е изд). стр. 302
10. Махов Б.Ф., книга "О модели нейтрального атома и путях выхода из кризиса в атомной физике» (подготовлена к печати).
11. Махов Б.Ф., книга «Трехмерная СК-ПСА» (подготовлена к печати).
12. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А., Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, Гл.ред. ФМЛ, 1986 (13е,испр), стр.127
13. Статья "Тонкой структуры постоянная", Физический энциклопедический словарь - ФЭС, с.763

Библиографическая ссылка

Махов Б.Ф. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА – НОВАЯ ФОРМУЛИРОВКА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ЗАКОНА // Успехи современного естествознания. – 2008. – № 9. – С. 24-29;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=10547 (дата обращения: 29.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

С первых уроков химии вы использовали таблицу Д. И. Менделеева. Она наглядно демонстрирует, что все химические элементы, образующие вещества окружающего нас мира, взаимосвязаны и подчиняются общим закономерностям, т. е. представляют собой единое целое - систему химических элементов. Поэтому в современной науке таблицу Д. И. Менделеева называют Периодической системой химических элементов.

Почему «периодической», вам тоже понятно, так как общие закономерности в изменении свойств атомов, простых и сложных веществ, образованных химическими элементами, повторяются в этой системе через определённые интервалы - периоды. Некоторые из этих закономерностей, приведённые в таблице 1, вам уже известны.

Таким образом, все существующие в мире химические элементы подчиняются единому, объективно действующему в природе Периодическому закону, графическим отображением которого и является Периодическая система элементов. Этот закон и система носят имя великого русского химика Д. И. Менделеева.

Д. И. Менделеев пришёл к открытию Периодического закона, проведя сопоставление свойств и относительных атомных масс химических элементов. Для этого Д. И. Менделеев для каждого химического элемента на карточке записал: символ элемента, значение относительной атомной массы (во времена Д. И. Менделеева эту величину называли атомным весом), формулы и характер высшего оксида и гидроксида. Он расположил 63 известных к тому времени химических элемента в одну цепочку в порядке возрастания их относительных атомных масс (рис. 1) и проанализировал эту совокупность элементов, пытаясь найти в ней определённые закономерности. В результате напряжённого творческого труда он обнаружил, что в этой цепочке имеются интервалы - периоды, в которых свойства элементов и образованных ими веществ изменяются сходным образом (рис. 2).

Рис. 1.
Карточки элементов, расположенные в порядке увеличения их относительных атомных масс

Рис. 2.
Карточки элементов, расположенные в порядке периодического изменения свойств элементов и образованных ими веществ

Лабораторный опыт № 2
Моделирование построения Периодической системы Д. И. Менделеева

Смоделируйте построение Периодической системы Д. И. Менделеева. Для этого подготовьте 20 карточек размером 6 х 10 см для элементов с порядковыми номерами с 1-го по 20-й. На каждой карточке укажите следующие сведения об элементе: химический символ, название, относительную атомную массу, формулу высшего оксида, гидроксида (в скобках укажите их характер - основный, кислотный или амфотерный), формулу летучего водородного соединения (для неметаллов). Перемешайте карточки, а затем расположите их в ряд по возрастанию относительных атомных масс элементов. Сходные элементы с 1-го по 18-й расположите друг под другом: водород над литием и калий под натрием, соответственно, кальций под магнием, гелий под неоном. Сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона. Обратите внимание на несоответствие относительных атомных масс аргона и калия их расположению по общности свойств элементов. Объясните причину этого явления.

Перечислим ещё раз, используя современные термины, закономерные изменения свойств, проявляемые в пределах периодов:

• металлические свойства ослабевают;
• неметаллические свойства усиливаются;
• степень окисления элементов в высших оксидах увеличивается от +1 до +8;
• степень окисления элементов в летучих водородных соединениях увеличивается от -4 до -1;
• оксиды от основных через амфотерные сменяются кислотными;
• гидроксиды от щелочей через амфотерные гидроксиды сменяются кислородсодержащими кислотами.

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеев в 1869 г. сделал вывод - сформулировал Периодический закон, который с использованием современных терминов звучит так:

Систематизируя химические элементы на основе их относительных атомных масс, Д. И. Менделеев уделял большое внимание также свойствам элементов и образованных ими веществ, распределяя элементы со сходными свойствами в вертикальные столбцы - группы. Иногда в нарушение выявленной им закономерности он ставил более тяжёлые элементы перед элементами с меньшими значениями относительных атомных масс. Например, он записал в свою таблицу кобальт перед никелем, теллур - перед иодом, а когда были открыты инертные (благородные) газы, аргон - перед калием. Такой порядок расположения Д. И. Менделеев считал необходимым потому, что иначе эти элементы попали бы в группы несходных с ними по свойствам элементов. Так, в частности, щелочной металл калий попал бы в группу инертных газов, а инертный газ аргон - в группу щелочных металлов.

Д. И. Менделеев не мог объяснить эти исключения из общего правила, как и причину периодичности в изменении свойств элементов и образованных ими веществ. Однако он предвидел, что эта причина кроется в сложном строении атома. Именно научная интуиция Д. И. Менделеева позволила ему построить систему химических элементов не в порядке возрастания их относительных атомных масс, а в порядке возрастания зарядов их атомных ядер. О том, что свойства элементов определяются именно зарядами их атомных ядер, красноречиво говорит существование изотопов, с которыми вы знакомились в прошлом году (вспомните, что это такое, приведите примеры известных вам изотопов).

В соответствии с современными представлениями о строении атома основой классификации химических элементов являются заряды их атомных ядер, и современная формулировка Периодического закона такова:

Периодичность в изменении свойств элементов и их соединений объясняется периодической повторяемостью в строении внешних энергетических уровней их атомов. Именно число энергетических уровней, общее число расположенных на них электронов и число электронов на внешнем уровне отражают принятую в Периодической системе символику, т. е. раскрывают физический смысл порядкового номера элемента, номера периода и номера группы (в чём он состоит?).

Строение атома позволяет объяснить и причины изменения металлических и неметаллических свойств элементов в периодах и группах.

Следовательно, Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева обобщают сведения о химических элементах и образованных ими веществах и объясняют периодичность в изменении их свойств и причину сходства свойств элементов одной и той же группы.

Эти два важнейших значения Периодического закона и Периодической системы Д. И. Менделеева дополняет ещё одно, которое заключается в возможности прогнозировать, т. е. предсказывать, описывать свойства и указывать пути открытия новых химических элементов. Уже на этапе создания Периодической системы Д. И. Менделеев сделал ряд прогнозов о свойствах ещё не известных в то время элементов и указал пути их открытия. В созданной им таблице Д. И. Менделеев для этих элементов оставил пустые клеточки (рис. 3).

Рис. 3.
Периодическая таблица элементов, предложенная Д. И. Менделеевым

Яркими примерами прогностической силы Периодического закона явились последующие открытия элементов: в 1875 г. французом Лекоком де Буабодраном был открыт галлий, предсказанный Д. И. Менделеевым пятью годами раньше как элемент под названием «экаалюминий» (эка - следующий за); в 1879 г. шведом Л. Нильсоном был открыт «экабор» по Д. И. Менделееву; в 1886 г. немцем К. Винклером - «экасилиций» по Д. И. Менделееву (определите по таблице Д. И. Менделеева современные названия этих элементов). Насколько точен был в своих предсказаниях Д. И. Менделеев, иллюстрируют данные таблицы 2.

Таблица 2
Предсказанные и экспериментально обнаруженные свойства германия

Предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 г.	Установлено К. Винклером в 1886 г.
Относительная атомная масса близка к 72	Относительная атомная масса 72,6
Серый тугоплавкий металл	Серый тугоплавкий металл
Плотность металла около 5,5 г/см 3	Плотность металла 5,35 г/см 3
Формула оксида Э0 2	Формула оксида Ge0 2
Плотность оксида около 4,7 г/см 3	Плотность оксида 4,7 г/см 3
Оксид будет довольно легко восстанавливаться до металла	Оксид Ge0 2 восстанавливается до металла при нагревании в струе водорода
Хлорид ЭС1 4 должен быть жидкостью с температурой кипения около 90 °С и плотностью около 1,9 г/см 3	Хлорид германия (IV) GeCl 4 представляет собой жидкость с температурой кипения 83 °С и плотностью 1,887 г/см 3

Учёные-первооткрыватели новых элементов высоко оценили открытие русского учёного: «Вряд ли может существовать более яркое доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем открытие до сих пор гипотетического экасилиция; оно составляет, конечно, более чем простое подтверждение смелой теории, - оно знаменует собой выдающееся расширение химического поля зрения, гигантский шаг в области познания» (К. Винклер).

Американские учёные, открывшие элемент № 101, дали ему название «менделевий» в знак признания заслуг великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым применил Периодическую систему элементов для предсказания свойств тогда ещё не открытых элементов.

Вы познакомились в 8 классе и будете пользоваться в этом году формой Периодической таблицы, которая называется короткопериодной. Однако в профильных классах и в высшей школе преимущественно используется другая форма - длиннопериодный вариант. Сравните их. Что общего и что различного в этих двух формах Периодической таблицы?

Новые слова и понятия

1. Периодический закон Д. И. Менделеева.
2. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - графическое отображение Периодического закона.
3. Физический смысл номера элемента, номера периода и номера группы.
4. Закономерности изменения свойств элементов в периодах и группах.
5. Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Задания для самостоятельной работы

1. Докажите, что Периодический закон Д. И. Менделеева, как и любой другой закон природы, выполняет объясняющую, обобщающую и предсказательную функции. Приведите примеры, иллюстрирующие эти функции у других законов, известных вам из курсов химии, физики и биологии.
2. Назовите химический элемент, в атоме которого электроны располагаются по уровням согласно ряду чисел: 2, 5. Какое простое вещество образует этот элемент? Какую формулу имеет его водородное соединение и как оно называется? Какую формулу имеет высший оксид этого элемента, каков его характер? Запишите уравнения реакций, характеризующих свойства этого оксида.
3. Бериллий раньше относили к элементам III группы, и его относительная атомная масса считалась равной 13,5. Почему Д. И. Менделеев перенёс его во II группу и исправил атомную массу бериллия с 13,5 на 9?
4. Напишите уравнения реакций между простым веществом, образованным химическим элементом, в атоме которого электроны распределены по энергетическим уровням согласно ряду чисел: 2, 8, 8, 2, и простыми веществами, образованными элементами № 7 и № 8 в Периодической системе. Каков тип химической связи в продуктах реакции? Какое кристаллическое строение имеют исходные простые вещества и продукты их взаимодействия?
5. Расположите в порядке усиления металлических свойств следующие элементы: As, Sb, N, Р, Bi. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.
6. Расположите в порядке усиления неметаллических свойств следующие элементы: Si, Al, Р, S, Cl, Mg, Na. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.
7. Расположите в порядке ослабления кислотных свойств оксиды, формулы которых: SiO 2 , Р 2 O 5 , Аl 2 O 3 , Na 2 O, MgO, Сl 2 O 7 . Обоснуйте полученный ряд. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Как изменяется их кислотный характер в предложенном вами ряду?
8. Напишите формулы оксидов бора, бериллия и лития и расположите их в порядке возрастания основных свойств. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Каков их химический характер?
9. Что такое изотопы? Как открытие изотопов способствовало становлению Периодического закона?
10. Почему заряды атомных ядер элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева изменяются монотонно, т. е. заряд ядра каждого последующего элемента возрастает на единицу по сравнению с зарядом атомного ядра предыдущего элемента, а свойства элементов и образуемых ими веществ изменяются периодически?
11. Приведите три формулировки Периодического закона, в которых за основу систематизации химических элементов взяты относительная атомная масса, заряд атомного ядра и строение внешних энергетических уровней в электронной оболочке атома.