Естествознание. Базовый уровень. 10 класс
Шрифт:
Открытию Д. И. Менделеевым периодического закона предшествовали годы упорного труда в поиске закономерностей, которые могли бы позволить описать изменение свойств элементов и их соединений на единой основе. Напомним, что в то время ещё ничего не было известно о строении атомов и их связи со свойствами химических элементов, хотя атомную массу, или, как тогда говорили, атомный вес, измерять умели. Именно атомную массу и принял Д. И. Менделеев в качестве главной характеристики при построении периодической системы. Расположив элементы в порядке возрастания атомных масс, Менделеев наблюдал периодическое изменение их свойств. Эту закономерность он сформулировал в виде Периодического закона
В марте 1869 г. учёный представил свои результаты Российскому химическому обществу, а через два года опубликовал статью, в которой сформулировал этот закон так:
«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомного веса».
Суть открытия, сделанного Менделеевым, заключается в следующем. По мере увеличения атомной массы элементов их свойства постепенно меняются.
Рис. 120. Д. И. Менделеев
Однако в определённый момент после изменения атомной массы ещё на одну единицу свойства следующего элемента меняются резко, скачком, и этот элемент оказывается похож на тот, который уже был в цепочке элементов несколькими позициями ранее. Эта закономерность отражена в Периодической системе химических элементов.
Рис. 121. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Давайте внимательно рассмотрим периодическую систему (рис. 121). В её структуре различают горизонтальные ряды, которые образуют малые и большие периоды. Первый период содержит всего два элемента – водород и гелий. Второй и третий периоды тоже состоят из одного ряда, но содержат уже по восемь элементов. Начинаются они с щелочного металла (лития или натрия) и заканчиваются инертным газом (неоном или аргоном). Во всех периодах с увеличением относительных атомных масс (слева направо) наблюдается ослабление металлических и усиление неметаллических свойств элементов. Четвёртый и пятый периоды также начинаются щелочным металлом и заканчиваются инертным газом, но в каждом из них содержится по восемнадцать элементов. Эти периоды представлены двумя рядами в периодической системе и называются длинными периодами. Шестой период включает в себя 32 элемента, но в периодической системе тоже занимает два ряда с таким же числом ячеек, как и два предыдущих периода. Это возможно потому, что пятнадцать элементов из этого периода, обладающие почти одинаковыми химическими свойствами, помещены в одной ячейке под номером 57. Они называются лантаноидами по наименованию первого из них – лантана и перечислены в дополнительной строке. Аналогично обстоит дело с седьмым периодом, где в ячейке 89 вместе с актинием умещаются ещё четырнадцать элементов, называемых актиноидами.
Вертикальные столбцы периодической системы – группы – образованы элементами, обладающими схожими химическими свойствами. Каждая группа делится на две подгруппы, которые раньше называли главной и побочной подгруппами. В настоящее время главную подгруппу обозначают латинской буквой А, а побочную – буквой В. Для примера рассмотрим первую группами. Щелочные металлы литий, натрий, калий, цезий, рубидий и франций образуют IA группу. Это одновалентные металлы, легко вступающие в химические реакции. В III группу входят медь, серебро и золото. Они тоже являются металлами, но их химические свойства отличаются от тех, которыми обладают щелочные металлы.
Периодический закон получил всеобщее признание не сразу. Во– первых, во время его открытия ещё ничего не было известно о строении атомов и его связи со свойствами химических элементов. Поэтому казалось, что обнаруженная Менделеевым закономерность не имеет под собой надёжной физической основы. Во-вторых, как оказалось, атомные массы некоторых элементов до этого были определены неправильно, и Менделеев взял на себя смелость изменить их, опираясь только на обнаруженную им периодическую закономерность. Он справедливо полагал, что эти вопросы найдут своё объяснение при выявлении сложной структуры атома. Впоследствии правота его утверждений подтвердилась. В-третьих, в периодической системе оказались пустые ячейки, которым не соответствовал ни один из известных на то время элементов. Менделеев предсказал, что эти элементы существуют, и действительно, в 1875 г. был открыт галлий, в 1879 г. – скандий, а в 1886 г. – германий. С середины 1880-х гг. периодический закон был окончательно признан, но полное своё объяснение он
1. Какая закономерность была положена Д. И. Менделеевым в основу открытого им периодического закона?
2. Какие элементы расположены в начале периодов в Периодической системе Д. И. Менделеева, а какие – в их конце?
3. Где в Периодической системе Д. И. Менделеева располагаются элементы со схожими химическими свойствами?
На основании сведений, полученных вами при изучении предыдущей главы, объясните, что означают числа, помещённые в каждой ячейке периодической системы. Почему многие из них являются дробными?
§ 48 Строение атома и свойства химических элементов
После того как физикам удалось многое узнать о строении атома, стало возможным применить эти знания для объяснения химических свойств элементов и теоретического обоснования Периодического закона Менделеева. Нам известно, что порядковый номер элемента в периодической системе соответствует числу протонов в его ядре (рис. 122). Так как протоны обладают положительным электрическим зарядом, а атом всегда электрически нейтрален, то положительный заряд ядра должен в точности уравновешиваться суммарным зарядом отрицательно заряженных электронов. Следовательно, число электронов в атоме всегда равно числу протонов в его ядре.
Рис. 122. Состав атомных ядер химических элементов № 1—20 таблицы Д. И. Менделеева (красные шарики – протоны; голубые – нейтроны; Z – порядковый номер элемента; Ar – массовое число, равное сумме протонов и нейтронов)
Находящиеся в ядре нейтроны, не имеющие электрического заряда, влияют на массу атома элемента, но не определяют число движущихся вокруг ядра электронов.
Химические свойства атомов элементов определяются строением их электронной оболочки. Электроны в атоме, как вы знаете, находятся в определённых областях пространства, называемых орбиталями. Этот термин был введён вместо употреблявшегося ранее понятия «орбита» для того, чтобы не складывалось ощущения, что электрон вращается вокруг ядра по какой-то конкретной линии. В действительности электрон в атоме не имеет определённой траектории движения, более того, он проявляет свойства как частицы, так и волны. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона в пространстве вокруг ядра. Наиболее вероятно нахождение электрона вблизи ядра. По мере удаления от ядра вероятность нахождения электрона в данной точке пространства постепенно снижается. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, и называется орбиталью. Орбитали атома имеют разные размеры. Электроны, находящиеся на орбиталях близкого размера, образуют электронные слои. Электронные слои называют также энергетическими уровнями. Их нумеруют, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4 и т. д. Энергетические уровни разделяются на подуровни. Подуровни принято обозначать латинскими буквами s, р, d и т. д. На s– подуровне находится только одна орбиталь, её, как и подуровень, называют s– орбиталью. На p-подуровне находятся три p-орбитали. Орбитали имеют разную форму: так, s– орбиталь имеет форму шара, р– орбиталь – форму гантели, или объёмной восьмёрки. Каждая орбиталь обладает своим особенным количеством энергии. Известно, что на одной и той же орбитали может находиться одновременно не более двух электронов.
По мере увеличения порядкового номера элемента в периодической системе растёт содержащееся в его ядре число протонов, а вместе с ним и число электронов, находящихся на различных энергетических уровнях. На первом уровне имеется только один s– подуровень, который обозначается как 1s. Он может содержать один или два электрона. У атома водорода на этом уровне находится его единственный электрон (рис. 123, А). В ходе химического взаимодействия атомы могут отдавать или принимать электроны, превращаясь в заряженные частицы – ионы. Атом водорода легко расстаётся со своим электроном, отдавая его другим атомам и превращаясь в положительно заряженный ион Н+. Атом гелия имеет на том же уровне два электрона, поэтому его первая и единственная орбиталь оказывается заполненной (см. рис. 123, А). Новые электроны он присоединить не может, а расставаться с теми, которые находятся на завершённой внешней оболочке, энергетически невыгодно. Поэтому гелий является инертным веществом, которое не способно вступать в химические реакции.