Учение о периодическом изменении свойств элементов

Учение о периодичности относится к числу наиболее крупных естественнонаучных обобщений, притом чрезвычайно многоплановых. Выделяют три уровня развития учения о периодичности. Первый - химический - соответствует установлению зависимости периодического изменения свойств химических элементов от их атомной массы. Введение понятия об электронной периодичности подняли учение о периодическом изменении свойств на качественно новый второй уровень - электронный. Наконец, разработка ядерных моделей и попытки построения систематик изотопов привели к необходимости обсуждения проблемы периодичности на третьем - ядерном уровне.

Первоначально периодический закон имел следующую формулировку:

Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов.

Открытие электронной структуры атомов расширило и углубило содержание периодического закона и объяснило причину периодической изменяемости самых различных свойств элементов. Были выявлены ранее неизвестные новые свойства элементов, такие как ионизационный потенциал, сродство к электрону, электроотрицательность и другие. Было установлено, что от характера электронного строения и числа электронов в атомах зависит природа химической связи молекул, их форма и полярность.

С развитием квантовой химии периодический закон получил современную формулировку:

Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.

Периодическая система состоит из семи периодов. Период - это последовательный рад элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа квантовых уровней. При этом число электронов совпадает со значением главного квантового числа внешнего уровня. Различие в последовательности заполнения квантовых слоев объясняет различие в длине периодов, которые соответственно содержат 2, 8, 8, 18, 18, 32 элемента. Элементы данного периода объединены в семейства: s-, p-, d-, f-. Периоды начинаются щелочными металлами, у которых на внешнем уровне содержится один электрон, и заканчиваются инертными газами, у которых устойчивая оболочка из 8 электронов.

Сочетание орбитального, магнитного и спинового квантовых чисел определяет положение элемента в определенной группе. В соответствие с максимальным количеством валентных электронов все элементы периодической системы подразделяются на 8 групп. Элементы, входящие в одну группу можно назвать электронными аналогами (строение их электронных оболочек аналогично), они обладают близкими физико-химическими свойствами. Группа - это вертикальный ряд элементов, объединенных по валентности. Группы подразделяются на подгруппы. Главные подгруппы включают s- и p-элементы, а побочные - d- и f-элементы. Поскольку элементы сходны по свойствам, но не тождественны, то при переходе от одного элемента к другому наблюдается не простое повторение, а закономерное изменение свойств.

Анализ электронной структуры атомов приводит к следующим выводам.

Электронная структура атома определяется зарядом ядра атома. По мере роста заряда ядра происходит периодическая повторяемость сходных электронных структур. Число электронных слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором располагается элемент.

Структурой электронных оболочек атомов объясняется периодичность свойств элементов. Физический смысл периодического закона состоит в следующем: Периодическое изменение свойств элементов по мере увеличения заряда ядра атомов обусловлено периодическим повторением аналогичных структур внешних электронных слоев.

Рассмотрим зависимость некото­рых свойств атомов от строения их электронных оболочек. Оста­новимся, прежде всего, на закономерностях изменения атомных и ионных радиусов. Электронные облака не имеют резко очерченных границ. По­этому понятие о размере атома не является строгим. Но если представить себе атомы в кристаллах простого вещества в виде соприкасающихся друг с другом шаров, то расстояние между центрами соседних шаров (т. е. между ядрами соседних атомов) можно принять равным удвоенному радиусу атома. Зависимость атомных радиусов от заряда ядра атома Z имеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличе­нием Z проявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что особенно четко наблюдается в коротких периодах.

Это объясняется увеличивающимся притяжением электронов внешнего слоя к ядру по мере возрастания его заряда. С началом застройки нового электронного слоя, более удален­ного от ядра, т. е. при переходе к следующему периоду, атомные радиусы возрастают. В результате в пределах подгруппы с возрастанием заряда ядра размеры атомов увеличиваются.

В пределах каждого периода металлические свойства, наиболее ярко выраженные у первого элемента периода, при переходе к последующим элементам постепенно ослабевают, а неметаллические — возрастают. Каждый период начинается типичным металлом, а кончается типичным неметаллом - од­ним из галогенов - и инертным газом.

Специфика изменения свойств у элементов, принадлежащих к малым и большим периодам различна. У элементов второго и третьего периода, отличающихся друг от друга числом электронов во внешнем слое химические свойства быстро изменяются при переходе от активных металлов к неметаллам. Активные металлы (Li, Na) разделены от активных неметаллов (F, C1) только пятью элементами соответствующих периодов. Другая картина наблюдается у элементов больших периодов, составляющих побочные подгруппы. Здесь число электронов во внешнем слое не изменяется. Поэтому все данные элементы, называемые переходными, обладают металлическими свойствами. Но и им присущи специфические свойства определяемые числом d-электронов в предпоследнем слое. Значение электронной структуры атомов особенно ярко прослеживается на примере лантаноидов. Все они имеют одинаковое число электронов в последнем и предпоследнем электронном слое. И все они очень близки между собой по химическим свойствам.

Для отрыва элек­трона от атома, т. е. для превращения атома в положительный ион, нужно затратить энергию. Эта энергия называется энергией ионизации. Чем больше заряд ядра и чем меньше радиус атома, тем сильнее притя­жение электрона к ядру, тем больше энергия ионизации. У элементов одного и того же периода заряд ядра постепенно растет, а радиус атома уменьшается, поэтому энергия ионизации растет. В главных подгруппах одной и той же группы периодической системы число электронных слоев возрастает, увеличиваются радиусы атомов, энергия ионизации падает.

Присоединение первого электрона к атому, приводящее к образованию однозарядного отрицательного иона, сопровождается выделением энергии. Эта энергия называется сродством к электрону. Сродство к электрону является мерой способности элемента проявлять неметаллические свойства. Сродство к электрону возрастает с увеличением заряда ядра и уменьшением радиуса атома.

Для более всесторонней оценки свойств элементов введено понятие электроотрицательности, как способности атомов принимать электроны. Чем больше величина электроотрицательности, тем сильнее выражены неметаллические свойства. Самым электроотрицательным элементом является фтор.

Изменение свойств соединений элементов можно проиллюстрировать на примере соединений элементов третьего периода. Первые элементы (натрий и магний) образуют соединения основного характера, соединения алюминия  обладают амфотерными свойствами, у соединений последующих элементов (кремний, фосфор, сера и хлор) происходит увеличение кислотных свойств. Т.е. свойства соединений по периоду изменяются периодически от основных через амфотерные к кислотным.

Охарактеризовать кислотно-основные свойства можно с помощью реакций. Характерным свойством оснований является их способность взаимодействовать с кислотами с образованием солей, например,

KOH + HCl = KCl + H₂O

Характерным свойством кислот является их способность взаимодействовать с основаниями с образованием солей, например,

2HNO₃ + Ca(OH)₂ = Ca(NO₃)₂ + 2H₂O

Амфотерные гидроксиды могут взаимодействовать и с кислотами и с основаниями образуя соли, например,

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

При сплавлении с основаниями реакция протекает следующим образом:

_спл.

Аl(OH)₃ + NaOH = NaAlO₂ + 2H₂O

Окислительная и восстановительная способность элементов также зависит от их положения в периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Так как в периодах с возрастанием порядкового номера элемента увеличивается энергия ионизации атомов, то уменьшается их восстановительная способность. Энергия сродства к электрону в периоде возрастает, следовательно, возрастают и окислительные свойства элементов. В главных подгруппах наблюдается обратная зависимость: с увеличением порядкового номера элемента растет их восстановительная способность и уменьшается окислительная.

Развитие науки об атоме, происходившее под знаменем периодического закона, позволило понять сущность превращения одного элемента в другой, практически овладеть расщеплением ядер атомов и извлечением ядерной энергии. Значение периодического закона в современной науке об атоме далеко не исчерпано. Нельзя назвать такой области естествознания, где бы периодический закон не оказал исследователю неоценимой услуги в анализе сложных природных явлений. На основе периодического закона построена естественная система элементов для геохимии. Работами академика А.Е.Ферсмана показано, что распределение элементов и их соединений между различными областями биосферы происходило в процессе длительного исторического развития земли в соответствии с периодическим законом. Все больше выявляется значение периодической системы в вопросах космологии и астрономии. Некоторые явления биохимического характера, связанные с ролью микроэлементов, в том числе и на живой организм, закономерно связаны с расположением элементов в периодической системе. Периодическая система и особенно понятие “места” элемента в системе дали возможность прогнозировать существование неизвестных элементов с их важнейшими свойствами и в дальнейшем открывать эти элементы.

Ныне учение о периодичности представляет один из краеугольных камней знаний о строении и свойствах материи, такое естественнонаучное обобщение, которое не может быть ни опровергнуто, ни даже поставлено под сомнение. Могут быть получены необычные химические соединения ( как это имело место в случае благородных газов), могут быть обнаружены необычные степени окисления у отдельных элементов, но общее представление о характере и содержании учения о периодичности едва ли изменится.