Периодическая система элементов и история ее создания

На мой взгляд, данная тема весьма интересна, к тому же в школе я очень любила химию, и, возможно, именно это и послужило основополагающим моментом при выборе темы для реферата.

Что же такое Периодическая система, и какова ее практическая и научная значимость?

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева – естественная система химических элементов, созданная Д.И. Менделеевым на основе открытого им периодического закона в 1869 г. Менделеев впервые сформулировал сущность периодического закона. А в 1871 г. предложил более развернутую его формулировку:

Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, ими образованных, стоят в периодической зависимости.

Современная, более точная и глубокая формулировка периодического закона отражает периодическую зависимость свойств элементов от числа электронов в атоме, определяемом зарядом атомного ядра; это число равно порядковому (атомному) номеру элемента в системе Менделеева. Поскольку, однако, атомные веса элементов, как правило, возрастают в той же последовательности, что и заряды атомных ядер, современная табличная форма периодической системы принципиально совпадает с менделеевской. Периодическая система отражает объективно существующую взаимосвязь между химическими элементами. Поэтому она и была названа Менделеевым «естественной» системой элементов.

Периодический закон не имеет равных в истории науки. Вместо разрозненных, не связанных между собой веществ перед наукой встала единая стройная система, объединившая в одно целое все химические элементы.

Менделеев указал путь направленного поиска в химии будущего. Многие ученые основывались на Периодическом законе, предсказывая и описывая неизвестные химические элементы и их свойства.

Закон Менделеева оказал огромное влияние на развитие знаний о строении атома, о природе веществ.

периодический закон менделеев

История открытия периодического закона и периодической системы

Первые попытки классификации элементов относятся к концу 18-началу 19 вв. Особенно же богат работами в этой области 19 век, что связано с открытием и исследованием многих новых элементов. Первоначально классификацию основывали лишь на резко выраженных физических или химических свойствах. Так, в конце 18-начале 19 вв. возникло деление элементов на металлы и неметаллы (А. Лавуазье, Я. Берцелиус). В начале 19 в. с развитием идей химической атомистики и методов химического анализа, появились первые попытки систематизации элементов по их атомным весам, признанным основной количественной характеристикой элемента.

В 1864 г. Лотар Мейер изложил в монографии «Современные теории химии и их значение для химической статистики» имевшиеся литературные данные по вопросу о соотношении атомных весов родственных элементов и привел таблицу, где показал такие соотношения для нескольких характерных групп. Каких-либо теоретических обобщений из своей таблицы Мейер не вывел. Таким образом, ни в одной из работ по классификации химических элементов, предшествовавших трудам Менделеева, не была обнаружена взаимосвязь всех химических элементов. Вместе с тем работы предшественников подготовили почву для открытия Менделеева. Важным событием, подготовившим это открытие, являлся международный химический съезд в г. Карлеруэ (1860), где были разграничены понятия «атомный вес» и «химический эквивалент», до сих пор нередко смешиваемые. Это позволило создать единую систему атомных весов, и рассмотрение соотношений между атомными весами элементов получило прочную основу.

Менделеев открыл периодический закон в 1869 г. Это открытие было подготовлено и предшествующей 15-летней научной деятельностью самого Менделеева, нашедшего отдельные важные соотношения в свойствах элементов; непосредственным же поводом к поискам послужило составление систематического курса химии, названного впоследствии «Основы химии». Как и его предшественники, Менделеев в качестве основной характеристики, однозначно определяющей химический элемент, выбрал атомный вес. Но, в отличие от них. Менделеев руководствовался твердой уверенностью в существовании общего закона природы, определяющего свойства и различия между всеми элементами. И искал закономерности в изменении атомных весов не только у химически сходных элементов, внутри одной естественной группы, но и между несходными элементами. Сопоставив такие крайне противоположные в химическом отношении, но близкие по атомным весам их членов группы, как щелочные металлы и галогены, и написав первые под вторыми, Менделеев расположил под и над ними и другие группы сходных элементов в порядке изменения атомных весов. Оказалось. Что члены этих естественных групп образуют общий закономерный ряд, причем химические свойства элементов периодически повторяются.

При размещении элементов в периодической системе Менделеев руководствовался не только правилом постепенного возрастания атомного веса. Но и принципом периодичности химических свойств; среди последних в качестве непосредственного и основного критерия он выбрал формы кислородных и водородных соединений элементов, соответствующие их высшей валентности. Соблюдение правил периодичности позволило Менделееву в нескольких местах системы правильно расположить элементы не в порядке возрастания атомных весов, а с нарушением этого порядка, как требовали химические аналогии (Co-Ni, Te-J), а для некоторых элементов изменить общепринятые в то время атомные веса даже в 1,5-2 раза (Be, In, Ce, U и др.). Одновременно Менделеев предсказал многие неизвестные тогда элементы, для которых в периодической системе обнаружились незаполненные места, а для трех из них – так наз. экаалюминия, экабора и экасицилия, подробно описал ожидаемые свойства. Вскоре эти элементы были открыты: аналог алюминия – галлий, Лекоком де Буабодраном в 1875, аналог бора – скандий, Л. Нильсоном в 1879; аналог кремния – германий, А. Винклером в 1886. Поразительное совпадение их свойств с предсказаниями Менделеева привлекло внимание ученых всего мира; периодический закон получил всеобщее признание и лег в основу всего последующего развития химии. Над уточнением и развитием своей системы Менделеев работал ок.40 лет. Но особенно больших успехов достигла система Менделеева после его смерти, с открытием самой причины периодичности, заключенной в сложном строении атомов.

Принципы построения периодической системы

Каждый электрон в атоме, в соответствии с квантовой механикой, характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом n, принимающим значения n=1,2,3,4 …, азимутальным l, принимающим значения l=0,1,2 …,n-1, магнитным m, имеющим (2l+1) значений, и спиновым ms, принимающим значения +1/2 и -1/2. Состояние с l=0,1,2,3,4… принято обозначать буквами s, p, d, j, g – и соответственно называть s-, p-, d-, j-, g-… состояниями. Электроны с данным n образуют электронный слой, который состоит из n оболочек с l=0,1,2 … n-1 и содержит 2n в квадрате электронов. Отсюда получаем следующее распределение электронов по слоям и оболочкам.

Таблица 1. Распределение электронов по слоям и оболочкам.

n	1	2		3			4				……
l	0	0	1	0	1	2	0	1	2	3	……
Обозначение слоев и оболочек	1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p	4d	4f	…….
Число электронов в слое	2	2+6=8		2+6+10=18			2+6+10+14=32				……

Отсюда видно, что максимально возможное число электронов в первом слое (n=1) равно 2 (1s-состояния); во втором слое – 8 (2s- и 2p-состояния); в третьем и в четвертом слоях – соответственно 18 и 32 электрона. Тем самым устанавливается связь между слоистым расположением электронов в атоме и периодической системой: периоды таблицы Менделеева содержат 2, 8, 18 и 32 элемента. Остается выяснить, почему в таблице Менделеева встречаются по два раза периоды из 8 и 18 элементов. Это объясняется тем, что в таблице 1 указано возможное максимальное число электронов в различных слоях, в действительности же электроны в атомах располагаются в тех состояниях (из числа возможных), которые соответствуют наименьшей энергии. Энергия электрона на орбите тем выше, чем больше n, а при данном n тем выше, чем больше l. Поэтому последовательность энергетических уровней отдельных состояний электрона не всегда совпадает с последовательностью главных квантовых чисел n.

В табл.2 (см. Приложение) представлена схема заполнения электронных оболочек последовательно для всех элементов периодической системы по отдельным периодам. Первый период содержит лишь два элемента, что соответствует максимальному числу электронов в 1s-состоянии первого слоя. Начиная с Li идет постепенное заполнение второго слоя вплоть до Ne (Z=10). С одиннадцатого электрона Na начинается заполнение третьего слоя – третьего периода системы Менделеева. В элементах, следующих за Na, идет последовательное заполнение электронами состояний 3s и 3p третьего слоя. У Ar восемь электронов составляют симметричную группу и обусловливают сходство его физико-химических свойств с неоном. Этим завершается третий период, содержащий, как и второй, 8 элементов. 19-й элемент К начинает новый, четвертый, слой и четвертый период таблицы. Однако число свободных мест третьего слоя далеко не исчерпано. После Ar остаются еще свободными 10 мест 3d-состояния. Здесь впервые последовательный порядок заполнения нарушается из-за энергетических соображений. Состояние 4s оказывается энергетически более выгодным, чем состояние 3d. Но начиная со Sc и вплоть до Ni вновь становится энергетически более выгодным заполнение состояния 3d. Все места этого состояния у Ni оказываются заполненными и с Cu начинается нормальное заполнение состояния 4s четвертого слоя. Это обстоятельство обусловливает некоторое сходство меди со щелочными металлами. Kr с восьмью электронами в этом слое, заканчивающий четвертый период, оказывается сходным с Ne и Ar. С последующего за Kr 37-го элемента Rb начинается застройка пятого слоя, хотя в четвертом слое еще остаются 24 свободных места – 10 мест в состоянии 4d и 14 мест в состоянии 4f. Здесь, как и у К, состояние 5s оказывается энергетически более выгодным. Достройка четвертого слоя возобновляется с Y, начиная с которого идет заполнение 4d-оболочки. Состояния 4f остаются незаполненными вплоть до 58-го элемента. Лишь с Се они начинают заполняться. Застройка 4f-состояния охватывает 14 элементов, образующих своеобразную группу лантанидов, весьма сходных между собой по своим физико-химическим свойствам. Такая же группа элементов с достраивающимися 5f-состояниями, называемая актинидами, начинается с Th (Z=90).

Таким образом, каждый период (кроме первого) начинается со щелочного металла с одним валентным электроном и кончается инертным газом с восьмью валентными электронами, образующими замкнутую оболочку. Второй и третий периоды, где нормально застраиваются s- и p-состояния, содержат в соответствии с этим по 8 элементов. Периоды же четвертый и пятый, в которые вклиниваются группы элементов с достраивающимися d-состояниями, содержат по 18 элементов. Наконец, последний полный период – шестой – содержит 32 элемента, т.к. в нем появляется новая группа из 14 элементов с достраивающимися 4j-состояниями. Тем самым вся сложная периодичность, открытая Менделеевым, полностью объясняется расположением электронов по группам, характеризуемым определенными квантовыми числами.

Интересно отметить, что 72-й элемент в то время, когда Н.Бор строил табл.2, не был открыт. Было неясно, сколько должно быть лантанидов. Полагая, что число их равно пятнадцати, 72-й элемент искали среди минералов, содержащих редкие земли. Т.к. число 4f-электронов равно 14, то этот элемент должен иметь близкую к Zr внешнюю электронную оболочку. Поэтому Бор предложил искать 72-й элемент в циркониевых рудах. Этот элемент, наз. гафнием, к торжеству теории Бора, и был обнаружен в циркониевых рудах.

Что же касается аналогов лантанидов – актинидов, у которых заполняются предложил искать 72-й элемент в циркониевых рудах. Этот элемент, наз.гафнием, к торжеству теории Бора, и был обнаружен в циркониевых рудах.

Что же касается аналогов лантанидов – актинидов, у которых заполняются 5f-состояния, то здесь следует иметь в виду, что 6d- и 5f-состояния энергетически весьма близки, что обусловливает легкость переходов электронов между ними и приводит к большим трудностям при установлении истинного расположения электронов по этим состояниям.

С момента открытия системы Менделеева было опубликовано несколько сот различных вариантов ее изображения на плоскости и в пространстве. Наиболее употребительна короткая таблица, один из возможных вариантов которой помещен в Приложении.

Описание периодической системы

В таблице помещены символы элементов, принятые в 1961 г. Международным съездом Союза чистой и прикладной химии. Для ряда элементов в литературе употребляются различные названия; например, 86-й элемент наз. радоном (Rn), или эманацией (Еm ), 71-й элемент – лютецием (Lu), или кассиопием (Ср).

Атомные веса даны в таблице международных атомных весов на 1962 г. в углеродной шкале (за единицу принята 1/12 массы изотопа углерода С в 22 степени). Для радиоактивных элементов, не имеющих стабильных и долгоживущих радиоактивных изотопов, понятие атомного веса теряет смысл. Поэтому для таких элементов приведено массовое число наиболее долгоживущего изотопа.

Для каждого элемента приведена конфигурация внешних электронных оболочек. Номера электронных слоев, к которым принадлежат оболочки, даны в первой колонке слева от таблицы. Например, для Вr (Z=35) конфигурация внешних оболочек s2р5 означает наличие 2 электронов в 4 s-оболочке и 5 электронов в 4р-оболочке, т.е. 4 s24р5; в атоме Вr, кроме внешних оболочек, заполнены и внутренние; полная электронная конфигурация атома 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6 3d10 4 s2 4р5.

Таблица состоит из 7 горизонтальных периодов, в каждом из которых начинается заполнение нового электронного слоя. В 1-й колонке приведены номера периодов n, совпадающие с величиной главного квантового числа электронного слоя, наиболее удаленного от атомного ядра. Как видно из первой таблицы, в 1-м периоде застраивается 1s-оболочка; период содержит 2 элемента. Во 2-м и 3-м периодах, содержащих по 8 элементов, сначала застраиваются s-, а затем р-оболочки. 4-й и 5-й периоды состоят каждый из 18 элементов, у которых застраиваются сначала соответствующие s-оболочки (4 s и 5s), затем d-оболочки предыдущих слоев (3d и 4d) и, наконец, р-оболочки (4р и 5р). Элементы, у которых происходит застройка d-оболочек, наз. переходными. В 6-м периоде, содержащем 32 элемента, после заполнения 6s-оболочки у Сs и Ва начинает расстраиваться 5d-оболочка у Lа, но у следующих 14 элементов – лантанидов (Се- Lu) происходит застройка более глубокой 4f-оболочки и только после ее заполнения достраиваются 5d- и 6р-оболочки (Нf – Нg и Тl – Rn). В 7-м периоде заполнение оболочек происходит аналогично заполнению в 6-м периоде; последовательно застраиваются 7s-оболочка, затем замещается 1-е место в 6d-оболочке, после чего происходит заполнение 5f-оболочки у 14 актинидов. У следующих, еще неизвестных элементов (их порядковые номера напечатаны в скобках), должно происходить заполнение 6d-оболочки (элементы с п.н. от 104 до 112) и 7р-оболочки (113-118).

Элементы в периодической системе разделяются на 8 вертикальных групп (обозначены римскими цифрами). В короткой форме таблицы группы состоят из подгрупп – а (основная) и б (побочная). У элементов 1а подгруппы (щелочных металлов) каждый раз начинается образование новой электронной оболочки, а у элементов 8а подгруппы (инертных газов) она заканчивается. Первый по порядку переходный элемент – скандий, впервые начинает формирование подгруппы б (в 3 гр. сдвинут вправо). Таким образом, у элементов главных подгрупп застраиваются s- и р-оболочки, у элементов побочных подгрупп – d- и f-оболочки.

Лантаниды и актиниды, принадлежащие к 3 гр. системы, помещены для компактности внизу таблицы, хотя правильнее было бы располагать все элементы периодической системы друг за другом, по мере возрастания Z. В соответствующих местах таблицы, после Lа и Ас, действительное положение лантанидов и актинидов помечено их порядковыми номерами в двух квадратах (58-71 и 90-103).

Как видно из таблицы, номер группы периодической системы совпадает с общим числом наружных s- и р-электронов у элементов главной подгруппы, т.е. с максимальным числом их валентных электронов. В побочных подгруппах эта правильность имеет ряд исключений. Тем не менее можно в общем сказать, что номер группы в периодической системе совпадает с общим числом валентных электронов у атомов элементов, расположенных в этой группе. Подтверждается таким образом и общее определение групп, данное Менделеевым: номер группы равен максимальной валентности элемента по кислороду.

Периодическая система была опубликована Менделеевым в 2 формах – короткой, в которой элементы больших периодов подразделяются на два ряда, и длинной, где элементы больших периодов располагаются в один непрерывный ряд. Сам Менделеев пользовался главным образом короткой системой. В длинной форме периодической системы каждый элемент с аналогичной электронной структурой помещен в отдельной группе, поэтому длинная форма таблицы более строго соответствует электронной структуре и химическим аналогам.

Заключение

Периодическая система Д.И. Менделеева, или таблица Менделеева, украшает каждый кабинет химии в школе, лаборатории в вузе или техникуме. Страничка с нею есть в каждом учебнике или справочнике по физике или химии.

Открытие Д.И. Менделеева, сделанное в 1869 г., имеет огромное значение для познания и развития мира, в котором мы живем. Менделеев оставил нам огромное научное наследие в различных областях человеческих знаний таких, как физика, химия, химическая технология, воздухоплавание, метеорология и др.

Менделееву удалось внести систему в химический мир элементов. Он превратил отрывочные наблюдения и опыты над веществом в строгую и стройную науку. Можно сказать, что он впервые построил науку химию.

Периодическая система элементов – главное творение гения.

В своем реферате я лишь коротко рассказала об этом великом открытии, изучила строение и историю создания Периодической системы. На мой взгляд, рассмотрение данного вопроса очень занимательно, и в свое свободное время я обязательно еще возвращусь к рассматриваемой теме.

Список использованной литературы:

1. Краткая химическая энциклопедия, Москва, 1964 г.

2. Концепции современного естествознания. Самыгин А.Д. , Ростов-на-Дону, 2007 г.

3. Я познаю мир. Под ред. Савина Л.А., Москва, 1996 г.

4. Учебник по химии. 8 кл., Москва, 1998 г.

Размещено на .ru