Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева

 

Периодический закон сформулирован великим русским химиком Д.И.Менделеевым в 1869 году: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от их атомного веса».

Установлению периодического закона предшествовали триады сходных элементов Доберейнера (1829 г.), спираль де Шанкуртуа (1862г.),связывающая свойства ряда элементов с их атомными весами, закон октав Ньюлендса (1865 г.) и классификация элементов по Одлингу. Расположив элементы в группы по семь элементов в порядке возрастания их атомных весов, Ньюлендс заметил сходство между каждым восьмым элементом.В декабре 1869 года немецкий химик Лотар Мейер опубликовал периодическую кривую атомный объем─атомный весэлементов и периодическую таблицу, весьма похожую на периодическую систему элементов,предложенную Менделеевым несколькими месяцами ранее. Однако главная заслуга в открытии периодического закона и создании периодической системы элементов принадлежит Д.И. Менделееву, который первым оценил важность группового сходства химических свойств элементов, расположив в таблице теллур перед йодом, и предсказал довольно точно в 1871 году свойства трёх неизвестных тогда элементов (галлия, германия и скандия).

Физическое обоснование периодический закон получил благодаря разработке Резерфордом ядерной модели атома и экспериментальному доказательству численного равенства порядкового номера элемента в периодической системе заряду ядра Z его атома (Мозли, 1913).Согласно закону Мозли частота υ K_α (L_α)−линии характеристического рентгеновского спектра элемента связана с порядковым номером элемента в периодической системе, или зарядом ядра его атома Z эмпирической формулой

√ υ= K (Z – S),

где S – поправка наэкранирование ядра внутренними электронами атома, равная ~ 1.8 для K − серии и ~ 7.6 для L –серии; (Z − S) –эффективный заряд ядра.

В свете позднее развитых представлений о строении атома современнаяформулировка периодического закона гласит:

Физические и химические свойства простых веществ, а также формы и свойства  соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов элементов, или порядкового номера элемента в периодической системе.

Особенность периодического закона состоит в том, что он не имеет количественного математического выражения в виде уравнения. Наглядным отражением этого закона являются периодическая система химических элементов и периодический характер изменения физических и химических свойств элементов и их соединепний. Периодический закон универсален для Вселенной везде, где существуют атомные структуры материи.

Причиной периодичности свойствэлементов и их соединений является периодичностьстроения электронных оболочек атомов. Периодическая система элементов─это графическая форма,отражающая содержание периодического закона.Существует более 400 вариантов изображения периодической системы элементов. Наиболее распространены клеточные варианты, а из них─ восьмиклеточный короткий вариант.

Периодическая система содержит семьпериодов,или горизонтальных последовательностей элементов. В период объединяются элементы с одинаковым числом заполняемых энергетических уровней(квантовых слоёв) в электронной оболочке атомов. Номер периода соответствует главному квантовому числу внешнего энергетического уровня, заполняемого электронамив атомах элементов.

При увеличении числа электронов в атомах элементов больших периодов(четвертого и пятого) начинается заполнение предвнешнего соответственно 3 d - и 4 d -подуровня, а у элементов шестого и седьмого периодов – третьего снаружи 4 f - и 5 f -подуровня. Заполнениеэлектронами d –подуровня отстает на один период, азаполнение f - подуровня – на два периода. Взависимости от вида заполняемого электронами подуровня различают  семейства s-, p-, d- и f-элементов.

Вертикальная последовательность элементов называется группой. Каждая из восьми групп состоит из главной подгруппы (группа А) и побочной подгруппы (группа В). У элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне совпадает с номером группы. Так, у мышьяка, элемента № 33, расположенного в 4 периоде и в 5 главной подгруппе на четвертом (внешнем) уровне содержится пять электронов. Электронная формула элемента Аs:1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰ 4 s ²4 р ³.

Валентные электроны (их число совпадает с номером группы) расположены на 4 s и 4 p -подуровнях. Мышьяк относится к элементам р -семейства.

У элементов побочных подгрупп на s -подуровне внешнего уровня содержится,как правило, 2 электрона. Иногда, вследствие электронного провала на предшествующий d -подуровень, в атомах девяти  элементов (Сг, Cu, Nb, Mo, Ru,Rh, Аg,Pt, Аu) число электронов на s - подуровне уменьшается до 1, а у Pd до 0. Валентные электроны в атомах элементов побочных подгрупп расположены на предвнешнем d - и внешнем s -подуровнях. Общее число валентных s - и d - электронов определяет номер группы d -элемента. У элемента ванадия № 23, расположенного в 4 периоде и в побочной подгруппе 5 группы, электронная формула имеет вид:₂₃V: 1 s ²2 s ²2 р ⁶ s ²З р ⁶ 3 d ³4 s ^{2 .}.

Валентные электроны расположены на 3 d и 4 s подуровнях. Ванадий относится к элементам 3 d -семейства.

Атомы элементов одной подгруппы имеют одинаковое строение внешних и предвнешних электронных уровней и близкие химические свойства(вертикальные электронные аналоги). Элементы d - семейств и f -cемейств одного периода являются горизонтальными аналогами.

Важнейшие непериодические свойства элементов: заряд ядра атома, число электронов в оболочке, атомная масса.