Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева

 

В 1869 г великий русский ученый Д.И.Менделеев открыл закон периодичности свойств элементов и создал периодическую систему элементов.

С современных позиций химические свойства элементов определяются прежде всего электронной конфигурацией внешних энергетических уровней атома, и поэтому периодический закон формулируют следующим образом:

Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер элементов, что является следствием периодического повторения строения внешних электронных слоев атомов элементов при увеличении заряда их ядра.

Периодический закон Д.И Менделеев сформулировал на основе разработанной им в 1867 г периодической системы элементов, которая была представлена в виде таблицы.

В периодической таблице Д.И.Менделеева в группы объединены элементы, атомы которыхимеют одинаковое строение внешнего электронного слоя. Поэтому такие элементы имеют сходные физические и химические свойства. В группах А (главные подгруппы) находятся элементы, в атомах которых происходит заполнение электронами внешнего слоя, причем число электронов в этом слое равно номеру группы. В группах Б (побочные подгруппы) расположены элементы, в атомах которых электронами заполняется предпоследний слой, а во внешнем слое содержится обычно два электрона.

Период является последовательным рядом элементов, атомы которых имеют одинаковое число энергетических уровней, равное номеру данного периода. Периоды начинаются элементами, в атомах которых на внешнем энергетическом уровне находится один электрон на ns-подуровне. Заканчиваются периоды благородными газами, у атомов которых электронная структура внешнего уровня имеет энергетически выгодную, и поэтому устойчивую, конфигурацию ns²np⁶ (кроме гелия, элемента 1-го периода). Число элементов в периоде равно максимальному числу электронов на заполняемых подуровнях.

Структура периодической системы Менделеева связана с периодическим изменением электронной конфигурации атомов элементов, а место элемента в таблице содержит информацию о заряде ядра и строении электронной оболочки его атома. Зная местоположение элемента в периодической системе, можно сразу представить электронную конфигурацию внешних слоев его атомов, которые определяют в основном химические свойства этого элемента. Для этого используют следующие данные:

- порядковый номер элемента, определяющий число протонов в ядре и общее число электронов в атоме;

- номер периода, указывающий на число энергетических уровней и номер внешнего уровня в атоме данного элемента;

- номер и тип группы (А или Б), которые указывают, к какому типу элементов относится (s-, p-, d- или f-) относится данный элемент и сколько электронов у него на заполняемом подуровне, а так же на внешнем и предпоследнем уровнях.

Следовательно, на основе периодической таблицы можно сразу определить электронную конфигурацию внешних и внутренних уровней атома любого элемента.

Атомы элементов, не имеющие на внешней оболочке устойчивой электронной структуры ns²np⁶, обладают при взаимодействии с атомами других элементов способность к перестройке своей внешней оболочки с тем, чтобы превратить ее в устойчивую. В зависимости от природы взаимодействующих элементов это достигается тремя путями: отдачей, присоединением или обобществлением электронов атомов этих элементов при образовании между ними химической связи.

Способность атома отдавать или присоединять электроны зависит от его радиуса и характеризуется величинами энергии ионизации, энергии сродства к электрону, а в составе молекулы – относительной электроотрицательностью атома. Периодичность электронных структур атомов приводит к периодическому изменению перечисленных свойств атомов элементов.

Важной характеристикой атома, определяющей его способность отдавать электрон, является энергия ионизации – это энергия, необходимая для отрыва электрона от атома элемента с образованием катиона.

В результате химических превращений атом элемента может присоединять электрон, превращаясь в анион. Энергия сродства к электроны (Е_ср) – это энергия присоединения электрона атомом элемента с образованием аниона.

Если атомы двух элементов сильно различаются значениями энергии ионизации и энергии сродства к электрону, то такие элементы будут легко реагировать друг с другом с образованием прочной связи. Использование этих характеристик ограничено тем, что они применимы только к изолированным атомам. Если атомы находятся в соединении, т.е. в молекуле, то для них используют относительную электроотрицательность – это величина, характеризующая относительную способность атома элемента притягивать к себе общие электроны в молекуле.

Тесты и задания для самоподготовки

Тесты

1. Выберите правильное утверждение:

У изотопов элемента одинаково:

А. число нейтронов Б. число протонов

В. число электронов Г. массовое число

Д. атомная масса Е. порядковый номер

2. Укажите число нейтронов в ядрах ⁴⁰₁₉К:

А. 19 Б. 40 В. 21 Г. 20

3. Укажите символ элемента, в атоме которого 20 нейтронов, 17 протонов и 17 электронов:

А. Са Б. Rb В. Cl Г. Ar

4. Выберите правильную последовательность уменьшения атомных радиусов S, Cl, Ar:

А. S > Cl > Ar Б. S > Ar > Cl В. Ar>Cl>S

5. Выберите ряд элементов, состоящих только из

а) d – элементов, б) р – элементов

А. Ge, Ti, Zn, Sn, Si Б. Si, As, S, Te, Kr

В. La, Ge, Zr V, Co Г. La, Zn, Zr, V, Co

6. Какие из электронных конфигураций соответствуют элементам, проявляющим максимальную степень окисления +5?

А. 3d⁵4s² Б. 3s²3p⁵ В. 3s²3p³ Г. 3d³4s² Д. 4s²4p³ Е. 3d⁵4s¹

7. Выберите элементы, атомы которых имеют в основном состоянии два неспаренных электрона на 3d – подуровне:

Si, V, Ti, S, Ni, Co, Zr

8. Выберите элементы, высший оксид которых имеет формулу ЭО₂:

Al, Se, Sn, Cr, Cl, S, As

9. Выберите элементы, образующие летучие водородные соединения с формулой ЭН₃:

C, Si, N, Se, P, V

10. Выберите последовательность элементов, записанных в порядке увеличения основности их высших оксидов и гидроксидов:

А. Ba, Sr, Ca, Mg, Be Б. Na, Mg, Al, Si, P

В. P, Si, Al, Mg, Na Г. Be, Mg, Ca, Sr, Ba

11. Выберите элемент, высший гидроксид которого является самой сильной кислотой:

Ba, F, Cl, S, I

Задания для самоподготовки

1. По какому принципу элементы объединяются в группы и подгруппы?

2. Почему у элемента VII группы – марганца преобладают металлические свойства, тогда как стоящие в той же группе галогены являются типичными неметаллами? Дать ответ исходя, из строения атомов указанных элементов.

3. Почему число элементов в периодах соответствует ряду чисел 2 – 8 – 18 – 32? Разъясните эту закономерность с учетом расположения электронов по энергетическим уровням.

4. Пользуясь таблицей периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, составьте схемы расположения электронов по орбиталям и энергетическим уровням в атомах элементов ванадия, никеля и мышьяка. Какие из них относятся к p-элементам и какие к d-элементам и почему?

5. Разъясните, почему химический знак водорода обычно помещают в главной подгруппе I группы и в главной подгруппе VII группы.

6. По каким признакам различают s-, p-, d-, f- элементы?

7. Как изменяются валентные возможности элементов главных подгрупп с ростом заряда ядер их атомов? Разобрать на примере элементов VI группы. Написать формулы серной, селеновой и теллуровой кислот.

8. Чем объясняется отличие свойств элементов 2-го периода от свойств их электронных аналогов в последующих периодах?

9. Каковы общие закономерности изменения физических и химических свойств простых веществ, образуемых элементами главных подгрупп периодической системы элементов: а) в периоде; б) в группе?

10. Как изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства высших оксидов и гидроксидов элементов с ростом заряда их ядер: а) в пределах периода; б) в пределах группы?

11. Чем объяснить сходство химических свойств лантаноидов?

12. С каким элементом более сходен молибден по свойствам – с селеном или с хромом? Чем это объясняется?

13. Как и почему изменяются металлические, восстановительные, неметаллические, окислительные свойства элементов, их электроотрицательность: а) в периоде; б) в главной подгруппе?

14. Как изменяются низшие и высшие степени окисления элементов в периоде?

15. Как изменяются свойства высших оксидов и гидроксидов элементов: а)одного периода; б) одной группы?

16. Сравните металлические свойства: а) магния и алюминия; б) кальция и магния.

17. Сравните окислительные свойства: а) серы и хлора; б) серы и кислорода.

18. Сравните свойства высших оксидов: а) алюминия и серы; б) бериллия и магния. Запишите уравнения реакций.

19. Сравните свойства высших гидроксидов: натрия, магния, алюминия, кремния. Запишите уравнения реакций.

20. Дайте характеристику элементам: калию, бериллию, фосфору по следующему плану: а) электронное строение атома; б) возможные валентности; в)возможные степени окисления; г)формулы веществ с предложенными степенями окисления; д)высший оксид и его свойства; е)высший гидроксид и его свойства

21. Напишите формулы соединений с хлором элементов, предсказанных Д.И.Менделеевым (№ 21, 31, 32).

22. Напишите не менее 6 формул солей, в состав которых входили бы только элементы второго периода.

23. Напишите формулы соединений ванадия, в которых он проявляет высшую валентность: а) с кислородом; б) с фтором.

24. Какие из элементов IV и V групп образуют с водородом соединения, более легкие, чем воздух?