0:00
[БЕЗ_ЗВУКА]
[БЕЗ_ЗВУКА] [БЕЗ_ЗВУКА] Я думаю, что
если у десяти случайных прохожих спросить, с чем у них ассоциируется химия, то
девять однозначно ответят: с периодической системой Дмитрия Ивановича Менделеева.
Давайте познакомимся с этой таблицей подробнее.
Итак, сейчас известно 118 элементов, и все они имеют свои названия.
Последние элементы получили название в конце 2016 года.
Все элементы расположены в периодической системе в порядке возрастания заряда ядра.
Однако Менделеев изначально располагал элементы в порядке возрастания
атомных масс элементов.
Но уже при жизни Менделеева были открыты инертные газы,
которые не имели в первоначальном варианте таблицы своего положения.
Эту проблему очень легко разрешил Дмитрий Иванович, он сказал,
что необходимо добавить еще одну группу.
И пошел на нарушение своего собственного принципа.
Он расположил аргон, имеющий атомную массу 40, перед калием,
у которого атомная масса 39.
Дело в том, что Менделеев ориентировался не только на атомный вес,
но также еще и на сходство химических свойств.
Как же устроена периодическая система?
Мы ее называем периодической, поскольку в ней есть периоды.
Период — это последовательность химических элементов по возрастанию заряда ядра их
атома, в которых происходит заполнение внешних электронных оболочек.
Существует два варианта периодической системы в зависимости от того,
как изображены периоды.
Длиннопериодный вариант, рекомендуемый IUPAC: в нем все
элементы одного периода располагаются в одну строчку.
Или короткопериодный вариант — этот вариант особо популярен на территории
России.
В этом варианте один период может записываться в две строки.
Такая табличка получается более компактной и в чем-то даже более удобной для
использования.
Кроме того, в периодической системе есть еще и группы.
Группы — это тоже последовательность атомов по возрастанию заряда ядра,
однако эти атомы обладают однотипным электронным строением.
То есть в них происходит заполнение однотипных атомных орбиталей.
В короткопериодном варианте периодической системы группы дополнительно разделяются
на главную и побочную подгруппы.
Дело в том, что в главной подгруппе заполняются только s- или p- электроны,
а в побочных подгруппах также d-электроны.
Некоторые группы элементов имеют собственные групповые названия.
Так, I A группа, то есть главная подгруппа I группы периодической системы,
или просто первая в длиннопериодном варианте периодической таблицы,
имеет название щелочные металлы.
Там расположены элементы металлы,
которые могут образовывать сильные основания — щелочи.
II A группа, то есть главная подгруппа II группы, это щелочноземельные элементы.
V A, или 15-я группа в длиннопериодном варианте,
это элементы пниктогены, однако такое название редко используется.
VI A группа, или 16-я группа в длиннопериодном варианте,
это элементы халькогены, то есть рождающие руду.
VII A группа — галогены, то есть рождающие соли.
И наконец, VIII A группа — это инертные, или благородные, газы.
Помимо разделения элементов на группы и периоды можно выделять еще и отдельные
семейства элементов.
Самым естественным разделением элементов на семейства является их разделение по
электронному строению.
Так, можно выделить электронное семейство s-элементов, p-элементов,
d-элементов и f-элементов.
Особенно ярко они проявляются в длиннопериодном варианте таблицы,
потому что здесь эти элементы занимают отдельные прямоугольные блоки.
В короткопериодном варианте эти элементы начинают пересекаться, однако при
определенной сноровке и тренировке вы сможете легко отличить s-элементы и
p-элементы от d-элементов в периодической системе в короткопериодной ее форме.
По общности химических свойств часто объединяют некоторые и другие элементы.
Например, выделяют триаду железа, которая содержит железо, кобальт и никель.
Или платиновые металлы — рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платина.
Если к ним добавить серебро и золото,
то такое семейство можно назвать благородные металлы.
Переходными металлами называют d-элементы за исключением последних d-элементов.
Всего можно выделить несколько переходных рядов.
Первый переходный ряд — это элементы от скандия до меди,
а второй — от итрия до серебра, третий — от лантана до золота.
Это обусловлено тем, что у них некоторые особые свойства,
которые отличают их от свойств непереходных элементов.
С этими свойствами мы будем знакомиться в нашем курсе.
Ну наконец, можно выделить трансурановые элементы.
Общим для них является то, что это искусственные элементы.
Они все сильно радиоактивны и крайне неустойчивы.
Как же связано строение атома с его положением в периодической системе?
Химические элементы расположены в таблице не хаотично,
а в строгом соответствии со строением их атомов.
Так, количество электронных уровней определяет номер периода,
а количество электронов на валентных полуровнях определяет номер группы.
Последний по правилам заполнения электрон определяет принадлежность элемента
к определенному электронному семейству.
Давайте проиллюстрируем эти правила на нескольких примерах.
Возьмем, например, натрий.
Это 11-й по счету элемент.
Всего в электронной оболочке атомов натрия три электронных уровня,
поэтому натрий расположен в III периоде.
Его электронная конфигурация 1s2 2s2 2p6 3s1,
на внешнем электронном слое один электрон, 3s1 — внешний электронный слой.
Поэтому натрий расположен в I группе.
Этот электрон относится к s-электронам,
поэтому натрий относится к s-электронному семейству элементов.
Это щелочной металл.
Кислород — это восьмой по счету элемент.
Его электронная конфигурация 1s2 2s2 2p4.
Всего два электронных уровня, поэтому кислород располагается во II периоде.
На внешнем слое у кислорода шесть электронов 2s2 2p4,
поэтому кислород принадлежит к VI группе элементов.
Ну и последний по правилам заполнения электрон — это p-электрон,
поэтому кислород относится к p-электронному семейству элементов.
Железо расположено в IV периоде.
Его электронная конфигурация, я назову ее в краткой форме,
это [Ar]4s2 3d6.
Всего у железа четыре электронных уровня, на которых есть электроны,
поэтому железо находится в IV периоде.
На внешнем электронном слое восемь электронов 4s2 3d6,
поэтому железо находится в VIII группе.
И последний по правилам заполнения электрон — это d-электрон,
поэтому и железо тоже d-элемент.
Дмитрий Иванович Менделеев сформулировал свой закон следующим образом.
Свойства простых тел, а также формы и свойства соединения элементов,
а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел
стоят в периодической зависимости от их атомного веса.
Пользуясь этим законом, Дмитрий Иванович Менделеев предсказал
свойства неизвестных на тот момент элементов.
Эти элементы, некоторые из них, были открыты уже при жизни
самого Дмитрия Ивановича Менделеева, которые и подтвердили верность его закона.
Именно это отличает открытие Дмитрия Ивановича Менделеева от попыток других
многочисленных ученых систематизировать химические элементы.
Однако, конечно, в XX веке ученым удалось раскрыть строение атома,
и в этом периодический закон пришлось внести одну,
но очень важную и существенную корректировку.
Все-таки свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов
находятся в периодической зависимости не от атомного веса,
а от заряда ядер атомов химических элементов.
Какие же свойства находятся в такой периодической зависимости?
Давайте разберем некоторые из них.
Одно из главнейших свойств — это радиус атомов элементов.
Радиус атомов увеличивается в группах и уменьшается в периодах.
Уменьшение радиуса атомов в периодах связано с тем, что количество
энергетических уровней не изменяется, тогда как заряд ядра возрастает.
Это означает, что внешние электроны начинают с большей силой притягиваться к
ядру, и поэтому радиус атома уменьшается,
а в группах происходит нарастание количества энергетических уровней.
Мы помним, что номер энергетического уровня, то есть главное квантовое число,
связано с размером атомной орбитали: чем больше номер, тем больше размер.
Поэтому в группах радиус атомов увеличивается.
Очень важное свойство химических элементов — это электроотрицательность,
то есть способность атомов химических элементов притягивать к себе свои
собственные электроны, а также электроны химических связей.
Наибольшей электроотрицательностью обладает атом фтора,
а наименьшей — цезий и рубидий.
Электроотрицательность увеличивается в периодах и уменьшается в группах.
Способность атомов притягивать к себе электроны,
обуславливает их многие химические свойства.
Так, элементам галогенам, которым не достает до заполнения своей электронной
конфигурации всего лишь одного электрона, то есть до получения ими электронной
конфигурации инертного газа, обладают высокой электроотрицательностью,
высокой способностью притянуть к себе еще один хотя бы электрончик.
А вот щелочным металлам гораздо проще избавиться от своего единственного
электрона, чтобы принять очень устойчивую электронную конфигурацию инертного газа.
Поэтому у щелочных металлов наименьшая электроотрицательность.
Другие важные свойства — это металлические и неметаллические свойства.
Металлические, или восстановительные,
свойства возрастают в группах и уменьшаются в периодах.
Это означает, что наиболее выраженными металлическими свойствами обладают
элементы, расположенные в левом нижнем углу периодической системы.
А вот, напротив, неметаллические, или окислительные,
свойства возрастают в периодах и уменьшаются в группах.
Это означает, что наиболее характерные элементы неметаллы расположены в правой
верхней части периодической системы.
Можно провести условную диагональ металличности-неметалличности в
периодической системе.
Тогда выше этой диагонали будут расположены элементы-неметаллы,
а ниже — элементы-металлы.
Вдоль такой диагонали будут расположены амфотерные элементы.
Поэтому такую диагональ часто называют диагональ амфотерности.
Итак, как же реагируют элементы друг с другом?
Они вступают во взаимодействие, которое непременно приводит к тому,
что электроны, принадлежащие атомам, становятся общими электронами.
В этом заключается основной принцип образования химических связей.
Давайте рассмотрим это в следующей лекции.