Предпоставка за откриването на Периодичния закон е решението на международния конгрес на химиците в град Карлсруе през 1860 г., когато окончателно се установява атомната и молекулярната доктрина, първите унифицирани дефиниции на понятията молекула и атом, т.к. както и атомно тегло, което сега наричаме относителна атомна маса, бяха направени.
Д. И. Менделеев в своето откритие се основава на ясно формулирани отправни точки:
Общо неизменно свойство на атомите на всички химични елементи- тяхната атомна маса;
Свойствата на елементите зависят от тяхната атомни маси;
Формата на тази зависимост е периодична.
Обсъдените по-горе предпоставки могат да се нарекат обективни, тоест независими от личността на учения, тъй като те се дължат на историческото развитие на химията като наука.
III Периодичен закон и Периодичната система от химични елементи.
Откриването на Менделеев на периодичния закон.
Първата версия на Периодичната таблица на елементите е публикувана от Д. И. Менделеев през 1869 г. - много преди да бъде изследвана структурата на атома. По това време Менделеев преподава химия в Санкт Петербургския университет. Подготвяйки се за лекции, събирайки материал за учебника си "Основи на химията", Д. И. Менделеев мисли как да систематизира материала по такъв начин, че информацията за химичните свойства на елементите да не изглежда като набор от различни факти.
Референтната точка в тази работа за Д. И. Менделеев бяха атомните маси (атомните тегла) на елементите. След Световния конгрес на химиците през 1860 г., в който участва и Д. И. Менделеев, проблемът за правилното определяне на атомните тегла е постоянно в центъра на вниманието на много водещи химици в света, включително Д. И. Менделеев.Подреждайки елементите във възходящ ред на техните атомни тегла, Д. И. Менделеев открива основен закон на природата, който сега е известен като Периодичния закон:
Свойствата на елементите се променят периодично в зависимост от тяхното атомно тегло.
Горната формулировка ни най-малко не противоречи на съвременната, в която понятието "атомно тегло" е заменено с понятието "ядрен заряд". Ядрото е изградено от протони и неутрони. Броят на протоните и неутроните в ядрата на повечето елементи е приблизително еднакъв, така че атомното тегло нараства почти по същия начин, както се увеличава броят на протоните в ядрото (ядрен заряд Z).
Основната новост на периодичния закон беше следната:
1. Установена е връзка между елементи, НЕ ПОДОБНИ по свойствата си. Тази връзка се състои във факта, че свойствата на елементите се променят плавно и приблизително еднакво с увеличаване на атомното им тегло, а след това тези промени ПЕРИОДИЧНО ПОВТОРЯТ.
2. В случаите, когато изглеждаше, че липсва някаква връзка в последователността на промените в свойствата на елементите, периодичната таблица предвиждаше пропуски, които трябваше да бъдат запълнени с все още неоткрити елементи.
Във всички предишни опити за определяне на връзката между елементите, други изследователи се стремяха да създадат цялостна картина, в която нямаше място за елементи, които все още не са открити. Напротив, Д. И. Менделеев смята, че най-важната част от своята Периодична система са онези от клетките, които все още са празни. Това даде възможност да се предвиди съществуването на все още неизвестни елементи.
Възхитително е, че Д. И. Менделеев направи своето откритие във време, когато атомните тегла на много елементи бяха определени много приблизително и бяха известни само 63 елемента - тоест малко повече от половината от тези, които ни познаваме днес.
Дълбокото познаване на химичните свойства на различни елементи позволи на Менделеев не само да посочи все още неоткрити елементи, но и да предскаже точно техните свойства! Д. И. Менделеев точно предсказва свойствата на елемента, който той нарича "ека-силиций". След 16 години този елемент наистина е открит от немския химик Винклер и наречен германий.
Сравнение на свойствата, предсказани от Д. И. Менделеев за все още неоткрития елемент "ека-силиций" със свойствата на елемента германий (Ge). В съвременната периодична таблица германият заема мястото на "ека-силиций".
Имот
Предсказано от Д. И. Менделеев за "ека-силиций" през 1870 г
Определя се за германий Ge, открит през 1886 г
Цвят, външен вид
кафяво
светлокафяво
Атомно тегло
72,59
Плътност (g/cm3)
5,5
5,35
Оксидна формула
XO2
GeO2
Хлоридна формула
XCl4
GeCl4
Плътност на хлорида (g/cm3)
1,9
1,84
По същия начин бяха блестящо потвърдени свойствата на "ека-алуминий" (елементът галий Ga, открит през 1875 г.) и "ека-бор" (елементът скандий Sc, открит през 1879 г.), предсказани от Д. И. Менделеев.
След това на учени от цял свят става ясно, че Периодичната таблица на Д. И. Менделеев не само систематизира елементите, но е графичен израз на основния закон на природата - Периодичния закон.
Структура на периодичната система.
Въз основа на периодичния закон на Д.И. Менделеев създава Периодичната таблица на химичните елементи, която се състои от 7 периода и 8 групи (краткопериодна версия на таблицата). В момента по-често се използва дългопериодната версия на периодичната таблица (7 периода, 8 групи, елементите - лантаниди и актиниди са показани отделно).
Периодите са хоризонтални редове на таблицата, те са разделени на малки и големи. В малки периоди има 2 елемента (1-ви период) или 8 елемента (2-ри, 3-ти периоди), в големи периоди - 18 елемента (4-ти, 5-ти период) или 32 елемента (6-ти, 7-ми период). Всеки период започва с типичен метал и завършва с неметал (халоген) и благороден газ.
Групите са вертикални поредици от елементи, номерирани са с римски цифри от I до VIII и руски букви A и B. Краткопериодната версия на Периодичната система включва подгрупи от елементи (основни и второстепенни).
Подгрупа е съвкупност от елементи, които са безусловни химически аналози; често елементите на подгрупа имат най-високо ниво на окисление, съответстващо на номера на групата.
В А-групите химичните свойства на елементите могат да варират в широк диапазон от неметални до метални (например, в основната подгрупа от група V, азотът е неметал, а бисмутът е метал).
В Периодичната система типичните метали са разположени в група IA (Li-Fr), IIA (Mg-Ra) и IIIA (In, Tl). Неметалите са разположени в групи VIIA (F-Al), VIA (O-Te), VA (N-As), IVA (C, Si) и IIIA (B). Някои елементи от A-групите (берилий Be, алуминий Al, германий Ge, антимон Sb, полоний Po и други), както и много елементи от B-групите, проявяват както метални, така и неметални свойства (амфотерно явление).
За някои групи се използват имена на групи: IA (Li-Fr) - алкални метали, IIA (Ca-Ra) - алкалоземни метали, VIA (O-Po) - халкогени, VIIA (F-At) - халогени, VIIIA ( He-Rn) са благородни газове. Формата на периодичната система, предложена от D.I. Менделеев, беше наречен краткопериодичен или класически. В момента се използва повече друга форма на периодичната система - дългопериодна.
Периодичен закон D.I. Менделеев и периодичната таблица на химичните елементи станаха основата на съвременната химия. Относителните атомни маси са дадени според Международната таблица от 1983 г. За елементи 104-108 масовите числа на най-дълго живеещите изотопи са дадени в квадратни скоби. Имената и символите на елементите, дадени в скоби, не са общоприети.
IV Периодичен закон и структурата на атома.
Основна информация за структурата на атомите.
AT края на XIXВ началото на 20-ти век физиците доказаха, че атомът е сложна частица и се състои от по-прости (елементарни) частици. Бяха открити:
катодни лъчи (английски физик J. J. Thomson, 1897), чиито частици се наричат електрони e− (носят единичен отрицателен заряд);
естествена радиоактивност на елементите (френски учени - радиохимици А. Бекерел и М. Склодовска-Кюри, физик Пиер Кюри, 1896) и съществуването на α-частици (хелиеви ядра 4He2+);
наличието на положително заредено ядро в центъра на атома (английски физик и радиохимик Е. Ръдърфорд, 1911 г.);
изкуствено превръщане на един елемент в друг, например азот в кислород (E. Rutherford, 1919). От ядрото на атом на един елемент (азот - в експеримента на Ръдърфорд) при сблъсък с α-частица се образува ядрото на атом на друг елемент (кислород) и нова частица, носеща единичен положителен заряд и наречена протон (p +, ядро 1H)
наличието в ядрото на атома на електрически неутрални частици - неутрони n0 (английски физик Дж. Чадуик, 1932).
В резултат на изследванията беше установено, че в атома на всеки елемент (с изключение на 1H) има протони, неутрони и електрони, като протоните и неутроните са концентрирани в ядрото на атома, а електроните - по периферията му (в електронната обвивка).
Броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в обвивката на атома и съответства на поредния номер на този елемент в Периодичната система.
Електронната обвивка на атома е сложна система. Разделя се на подобвивки с различни енергии (енергийни нива); нивата от своя страна се подразделят на поднива, а поднивата включват атомни орбитали, които могат да се различават по форма и размер (означени с буквите s, p, d, f и т.н.).
И така, основната характеристика на атома не е атомната маса, а големината на положителния заряд на ядрото. Това е по-общо и точно описание на атома, а оттам и на елемента. Всички свойства на елемента и неговото положение в периодичната система зависят от големината на положителния заряд на атомното ядро. По този начин поредният номер на химически елемент съвпада числено със заряда на ядрото на неговия атом. Периодичната система от елементи е графично представяне на периодичния закон и отразява структурата на атомите на елементите.
Теорията за структурата на атома обяснява периодичната промяна в свойствата на елементите. Увеличаването на положителния заряд на атомните ядра от 1 до 110 води до периодично повторение на елементи от структурата на външното енергийно ниво в атомите. И тъй като свойствата на елементите зависят основно от броя на електроните на външното ниво, те също се повтарят периодично. Това е физическият смисъл на периодичния закон.
Всеки период в периодичната система започва с елементи, чиито атоми имат един s-електрон на външно ниво (непълни външни нива) и поради това проявяват сходни свойства – те лесно се отказват от валентни електрони, което определя металния им характер. Това са алкални метали - Li, Na, K, Rb, Cs.
Периодът завършва с елементи, чиито атоми на външно ниво съдържат 2 (s2) електрона (в първия период) или 8 (s2p6) електрона (във всички следващи), тоест имат завършено външно ниво. Това са благородните газове He, Ne, Ar, Kr, Xe, които имат инертни свойства.
Периодичната таблица на елементите има голямо влияние върху последващото развитие на химията.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907)
Това не само беше първата естествена класификация на химичните елементи, която показа, че те образуват кохерентна система и са в тясна връзка помежду си, но беше и мощен инструмент за по-нататъшни изследвания.
По времето, когато Менделеев съставя своята таблица на базата на открития от него периодичен закон, много елементи все още бяха неизвестни. И така, елементът от четвъртия период, скандий, беше неизвестен. По атомно тегло титанът следва калция, но титанът не би могъл да бъде поставен непосредствено след калция, тъй като би попаднал в третата група, докато титанът образува най-високия оксид, а по отношение на други свойства трябва да бъде отнесен към четвъртата група . Следователно Менделеев прескочи една клетка, тоест остави свободно пространство между калций и титан. На същата основа в четвъртия период остават две свободни клетки между цинк и арсен, сега заети от елементите галий и германий. На други редове имаше и празни места. Менделеев не само беше убеден, че трябва да има елементи, които все още не са известни, за да запълнят тези места, но той също така предсказва свойствата на тези елементи предварително, въз основа на тяхното положение сред другите елементи на периодичната система. Един от тях, който в бъдеще трябваше да заеме място между калций и титан, той даде името екабор (тъй като свойствата му трябваше да наподобяват бор); другите две, за които имаше празни места в таблицата между цинк и арсен, се наричаха ека-алуминий и екасилиций.
През следващите 15 години прогнозите на Менделеев бяха блестящо потвърдени: и трите очаквани елемента бяха открити. Първо, френският химик Лекок дьо Боабодран открива галий, който притежава всички свойства на екаалуминия; след това скандият, който притежава свойствата на екабор, е открит в Швеция от L.F. Nilson и накрая, още няколко години по-късно, в Германия, K.A. Winkler открива елемент, който той нарича германий, който се оказва идентичен с ecasilience.
За да преценим невероятната точност на предсказанието на Менделеев, нека сравним свойствата на екасилиция, предсказани от него през 1871 г., със свойствата на германия, открит през 1886 г.:
Откриването на галий, скандий и германий е най-големият триумф на периодичния закон.
Периодичната система също е от голямо значение за установяване на валентността и атомните маси на определени елементи. И така, елементът берилий дълго времесе смяташе за аналог на алуминия и неговият оксид е получил формулата . Въз основа на процентния състав и предложената формула на берилиевия оксид, неговата атомна маса се счита за равна на 13,5. Периодичната система показа, че има само едно място за берилий в таблицата, а именно, над магнезий, така че неговият оксид трябва да има формулата , откъдето атомната маса на берилия е равна на десет. Това заключение скоро беше потвърдено от определянето на атомната маса на берилия от плътността на парите на неговия хлорид.
Точно И днес периодичният закон остава водещата нишка и ръководният принцип на химията. Именно на негова основа през последните десетилетия са създадени изкуствено трансуранови елементи, разположени в периодичната система след урана. Един от тях - елемент № 101, получен за първи път през 1955 г. - е наречен менделевий в чест на великия руски учен.
Откриването на периодичния закон и създаването на система от химични елементи беше от голямо значение не само за химията, но и за философията, за цялото ни разбиране за света. Менделеев показа, че химичните елементи представляват кохерентна система, която се основава на основния закон на природата. Това е израз на позицията на материалистическата диалектика относно взаимовръзката и взаимозависимостта на природните явления. Разкривайки връзката между свойствата на химичните елементи и масата на техните атоми, периодичният закон беше блестящо потвърждение на един от универсалните закони на развитието на природата - закона за прехода на количеството в качество.
Последващото развитие на науката направи възможно, разчитайки на периодичния закон, да се опознае структурата на материята много по-дълбоко, отколкото е било възможно по време на живота на Менделеев.
Теорията за структурата на атома, разработена през 20-ти век, от своя страна даде на периодичния закон и периодичната система от елементи ново, по-дълбоко осветяване. Блестящо потвърждение намират пророческите думи на Менделеев: „Периодичният закон не е застрашен от унищожение, а се обещава само надстройка и развитие“.
периодичен закон на атома на Менделеев
Периодичният закон даде възможност да се въведе в системата и да се обобщи огромно количество научна информация в химията. Тази функция на закона се нарича интегративна. Особено ясно се проявява при структурирането на научните и учебен материалхимия. Академик А. Е. Ферсман каза, че системата обединява цялата химия в рамките на една пространствена, хронологична, генетична, енергийна връзка.
Интегративната роля на периодичния закон се проявява и във факта, че някои данни за елементите, за които се твърди, че липсват от общи модели, бяха проверени и прецизирани както от самия автор, така и от неговите последователи.
Това се случи с характеристиките на берилия. Преди работата на Менделеев се смяташе за тривалентен аналог на алуминия поради така нареченото им диагонално сходство. Така във втория период имаше два тривалентни елемента и нито един двувалентен елемент. Именно на този етап, първо на ниво конструкции на ментални модели, Менделеев подозира грешка в изследването на свойствата на берилия. Тогава той открива работата на руския химик Авдеев, който твърди, че берилият е двувалентен и има атомно тегло 9. Работата на Авдеев остава незабелязана академични среди, авторът почина рано, очевидно е бил отровен от изключително отровни берилиеви съединения. Резултатите от изследванията на Авдеев са установени в науката благодарение на Периодичния закон.
Такива промени и усъвършенстване на стойностите както на атомните тегла, така и на валентностите са направени от Менделеев за още девет елемента (In, V, Th, U, La, Ce и три други лантаноида). Още десет елемента бяха коригирани само с атомни тегла. И всички тези усъвършенствания впоследствие бяха потвърдени експериментално.
По същия начин работата на Карл Карлович Клаус помогна на Менделеев да образува един вид VIII група от елементи, обяснявайки хоризонталните и вертикалните прилики в триадите от елементи:
желязо кобалт никел
Рутений Родий Паладий
октиум иридиева платина
Прогностичната (предсказуемата) функция на Периодичния закон получи най-ярко потвърждение при откриването на неизвестни елементи с поредни номера 21, 31 и 32. Съществуването им за първи път е предсказано на интуитивно ниво, но с формирането на системата на Менделеев с висока степенточността е в състояние да изчисли техните свойства. добре известна историяоткриването на скандий, галий и германий е триумф на откритието на Менделеев. Ф. Енгелс пише: „Прилагайки несъзнателно закона на Хегел за прехода на количеството в качество, Менделеев постигна научен подвиг, който може спокойно да се постави до откритието на Лаверие, който изчисли орбитата на неизвестната планета Нептун.“ Има обаче желание да се спори с класиката. Първо, всички изследвания на Менделеев, започвайки от студентските му години, съвсем съзнателно се опираха на закона на Хегел. Второ, Лаверие изчислява орбитата на Нептун според отдавна известните и доказани закони на Нютон, а Д. И. Менделеев прави всички прогнози въз основа на открития от него универсален закон на природата.
В края на живота си Менделеев отбелязва със задоволство: „Докато пишех през 1871 г. статия за прилагането на периодичния закон към определянето на свойствата на елементите, които все още не са открити, аз не мислех, че ще доживея, за да оправдая това следствие на периодичния закон, но реалността отговаряла различно. Три елемента бяха описани от мен: екабор, екаалуминий и екасилиций и за по-малко от 20 години имах най-голямата радост да видя и трите открити ... Л. де Боабодран, Нилсон и Винклер, от своя страна, считам за истински подсилватели на периодичният закон. Без тях той нямаше да бъде признат в същата степен, както е сега.” Общо Менделеев предсказва дванадесет елемента.
Още в началото Менделеев изтъква, че законът описва свойствата не само на самите химични елементи, но и на много от техните съединения, включително неизвестни досега. Достатъчно е да се даде пример, за да се потвърди това. От 1929 г., когато акад. П. Л. Капица за първи път открива неметалната проводимост на германия, във всички страни по света започва развитието на теорията на полупроводниците. Веднага стана ясно, че елементите с такива свойства заемат основната подгрупа от група IV. С течение на времето дойде разбирането, че съединения от елементи, разположени в периоди, еднакво отдалечени от тази група (например с обща формулаТип AzV;). Това веднага направи търсенето на нови практически важни полупроводници целенасочено и предвидимо. Почти цялата съвременна електроника се основава на такива връзки.
Важно е да се отбележи, че прогнозите в рамките на Периодичната система са правени дори след нейното всеобщо признание. През 1913г Моуз-Лий открива, че дължината на вълната на рентгеновите лъчи, които се получават от антикатоди, направени от различни елементи, се променя редовно в зависимост от серийния номер, конвенционално приписан на елементите в Периодичната система. Експериментът потвърди, че атомният номер на елемент има пряко физическо значение. Едва по-късно серийните номера бяха свързани със стойността на положителния заряд на ядрото. От друга страна, законът на Мозли позволява незабавно експериментално да се потвърди броят на елементите в периодите и в същото време да се предскажат местата на хафний (№ 72) и рений (№ 75), които все още не са били открит по това време.
Същите изследвания на Мозли направиха възможно премахването на сериозното "главоболие", което Менделеев получава от определени отклонения от правилната серия от елементи, нарастващи в таблицата на атомните маси. Менделеев ги прави под натиска на химически аналогии, отчасти на експертно и отчасти на интуитивно ниво. Например, кобалтът беше пред никела в таблицата, а йодът с по-ниско атомно тегло следваше по-тежкия телур. AT естествени наукиОтдавна е известно, че един "грозен" факт, който не се вписва в рамките на най-красивата теория, може да го съсипе. По същия начин необясними отклонения заплашваха Периодичния закон. Но Мозли експериментално доказа, че серийните номера на кобалт (№ 27) и никел (№ 28) отговарят точно на тяхната позиция в системата. Оказа се, че тези изключения само потвърждават общото правило.
Важно предсказание е направено през 1883 г. от Николай Александрович Морозов. За участие в движението "Народна воля" студентът по химия Морозов е осъден на смърт, по-късно заменена с доживотен затвор в изолация. Той прекарва около тридесет години в кралските затвори. Затворник от крепостта Шлиселбург имаше възможност да получи научна литература по химия. Въз основа на анализа на интервалите на атомните тегла между съседни групиелементи в периодичната таблица, Морозов стига до интуитивно заключение за възможността за съществуване на друга група неизвестни елементи с „нулеви свойства“ между групите халогени и алкални метали. Той предложи да ги търси в състава на въздуха. Освен това той изложи хипотеза за структурата на атомите и въз основа на нея се опита да разкрие причините за периодичността в свойствата на елементите.
Въпреки това, хипотезите на Морозов стават достъпни за обсъждане много по-късно, когато той е освободен след събитията от 1905 г. Но по това време инертните газове вече са открити и проучени.
Дълго време фактът за съществуването на инертни газове и тяхното положение в периодичната таблица предизвикват сериозни противоречия в химическия свят. Самият Менделеев известно време вярваше, че под името на открития аргон може да се крие неизвестно просто вещество от типа Nj. Първото рационално предположение за мястото на инертните газове е направено от автора на тяхното откритие Уилям Рамзи. А през 1906 г. Менделеев пише: „Когато е създадена Периодичната таблица (18b9), не само не е бил известен аргонът, но и няма причина да се подозира възможността за съществуването на такива елементи. Днес... тези елементи, по отношение на техните атомни тегла, са заели точното място между халогените и алкалните метали.
Дълго време имаше спор: да се отделят инертните газове в независима нулева група елементи или да се считат за основна подгрупа на група VIII. Всяка гледна точка има своите плюсове и минуси.
Въз основа на позицията на елементите в периодичната таблица, теоретичните химици, водени от Линус Полинг, дълго време се съмняват в пълната химическа пасивност на инертните газове, директно посочвайки възможната стабилност на техните флуориди и оксиди. Но едва през 1962 г. американският химик Нийл Бартлет за първи път провежда реакцията на платинов хексафлуорид с кислород при най-обикновени условия, получавайки ксенон хексафлуороплатинат XePtF ^, а след него и други газови съединения, които сега по-правилно се наричат благородни по-скоро отколкото инертен.
Периодичният закон запазва своята прогнозна функция и до днес.
Трябва да се отбележи, че предсказанията на неизвестните членове на всяко множество могат да бъдат два вида. Ако свойствата на елемент, който се намира вътре в известна серия от подобни, са предвидени, тогава такова прогнозиране се нарича интерполация. Естествено е да се предположи, че тези свойства ще бъдат подчинени на същите закони като свойствата на съседните елементи. Така са предвидени свойствата на липсващите елементи в периодичната таблица. Много по-трудно е да се предвидят характеристиките на новите членове на набора, ако те са извън описаната част. Екстраполацията - прогнозирането на стойностите на функциите, които са извън набор от известни модели - винаги е по-малко сигурно.
Именно този проблем се изправи пред учените, когато започна търсенето на елементи извън познатите граници на системата. В началото на ХХ век. периодичната таблица завършваше с уран (№ 92). Първите опити за получаване на трансуранови елементи са направени през 1934 г., когато Енрико Ферми и Емилио Сегре бомбардират уран с неутрони. Така започна пътят към актиноидите и трансактиноидите.
Ядрените реакции се използват и за синтез на други неизвестни досега елементи.
Елемент № 101, изкуствено синтезиран от Йеен Теодор Сиборг и неговите сътрудници, е наречен Менделевий. Самият Сиборг каза това за това: „Особено важно е да се отбележи, че елемент 101 е кръстен на великия руски химик Д. И. Менделеев от американски учени, които винаги са го смятали за пионер в химията.
Броят на новооткритите или по-скоро изкуствено създадени елементи непрекъснато нараства. Синтез на най-много тежки ядраелементи със серийни номера 113 и 115 е извършено в Руския съвместен институт за ядрени изследвания в Дубна чрез бомбардиране на ядрата на изкуствено получен америций с ядра на тежкия изотоп калций-48. В този случай възниква ядрото на елемент № 115, което веднага се разпада с образуването на ядрото на елемент № 113. Такива свръхтежки елементи не съществуват в природата, но възникват по време на експлозии на свръхнова, а могат да съществуват и по време на Голям взрив. Тяхното изследване помага да се разбере как е възникнала нашата Вселена.
Общо в природата са открити 39 естествено срещащи се радиоактивни изотопа. Различните изотопи се разпадат с различна скорост, което се характеризира с периода на полуразпад. Периодът на полуразпад на уран-238 е 4,5 милиарда години, а за някои други елементи може да бъде равен на милионни от секундата.
Радиоактивни елементи, последователно разпадащи се, превръщайки се един в друг, образуват цели редове. Известни са три такива серии: според първоначалния елемент всички членове на серията са обединени в семейства на уран, актиноуран и торий. Друго семейство е съставено от изкуствено получени радиоактивни изотопи. Във всички семейства трансформациите кулминират с образуването на нерадиоактивни оловни атоми.
Тъй като в земната кора могат да се открият само изотопи, чийто период на полуразпад е съизмерим с възрастта на Земята, може да се предположи, че в продължение на милиарди години от нейната история е имало и толкова краткоживеещи изотопи, че досега буквалнотази дума е изчезнала. Те вероятно включват тежкия изотоп калий-40. В резултат на пълното му разпадане, табличната стойност на атомната маса на калия днес е 39,102, така че по маса е по-ниска от елемент № 18 аргон (39,948). Това обяснява изключенията при последователното увеличаване на атомните маси на елементите в периодичната таблица.
Академик В. И. Голдански в реч, посветена на паметта на Менделеев, отбеляза „фундаменталната роля, която играят трудовете на Менделеев дори в напълно нови области на химията, които се появиха десетилетия след смъртта на блестящия създател на Периодичната система“.
Науката е история и хранилище на мъдростта и опита на вековете, тяхното рационално съзерцание и изпитана преценка.
Д. И. Менделеев
Рядко се случва това научно откритиесе оказа нещо напълно неочаквано, почти винаги се очаква:
често обаче за по-късните поколения, които използват изпитани отговори на всички въпроси, е трудно да оценят трудностите, които това е струвало на техните предшественици.
C. Дарвин
Всяка от науките за света около нас има предмет на изследване на специфични форми на движение на материята. Преобладаващите идеи разглеждат тези форми на движение в ред на увеличаване на тяхната сложност:
механични - физични - химични - биологични - социални. Всяка от следващите форми не отхвърля предишните, а ги включва.
Неслучайно на честването на стогодишнината от откриването на Периодичния закон Г. Т. Сиборг посвети доклада си на най-новите постижения в химията. В него той възхвалява удивителните заслуги на руския учен: „Когато разглеждаме еволюцията на Периодичната система от времето на Менделеев, най-впечатляващото впечатление е, че той е успял да създаде Периодичната система на елементите, въпреки че Менделеев не го е правил познават такива общоприети сега понятия като структура на ядрената структура и изотопи. , връзката на серийните номера с валентността, електронната природа на атомите, периодичността на химичните свойства, обяснени с електронната структура, и накрая, радиоактивността.
Можем да цитираме думите на академик А. Е. Ферсман, който обърна внимание на бъдещето: „Нови теории, брилянтни обобщения ще се появят и ще умрат. Нови идеи ще заменят вече остарелите ни концепции за атома и електрона. Най-големите открития и експерименти ще анулират миналото и отворените хоризонти, които днес са невероятни по новост и широта - всичко това ще идва и си отива, но Периодичният закон на Менделеев винаги ще живее и ще ръководи търсенията.
Периодичната система от елементи беше едно от най-ценните обобщения в химията. Това е като че ли обобщение на химията на всички елементи, графика, чрез която можете да прочетете свойствата на елементите и техните съединения. Системата даде възможност да се изясни положението, големината на атомните маси, стойността на валентността на някои елементи. Въз основа на таблицата беше възможно да се предвиди съществуването и свойствата на все още неоткрити елементи. Менделеев формулира периодичния закон и предлага неговото графично представяне, но по това време е невъзможно да се определи естеството на периодичността. Значението на периодичния закон беше разкрито по-късно, във връзка с откритията за структурата на атома.
1. През коя година е открит Периодичния закон?
2. Какво взе Менделеев за основа при систематизирането на елементите?
3. Как казва откритият от Менделеев закон?
4. Каква е разликата със съвременната формулировка?
5. Какво се нарича атомна орбитала?
6. Как се променят имотите в периодите?
7. Как се разделят периодите?
8. Какво се нарича група?
9. Как се разделят групите?
10. Какви видове електрони познавате?
11. Как става запълването на енергийните нива?
Лекция номер 4: Валентност и степен на окисление. Периодичност на промените в собствеността.
Произходът на концепцията за валентност.Валентността на химичните елементи е едно от най-важните им свойства. Концепцията за валентност е въведена в науката от Е. Франкланд през 1852 г. Първоначално концепцията е изключително стехиометрична по природа и следва от закона за еквивалентите. Значението на понятието валентност следва от сравнението на стойностите на атомната маса и еквивалента на химичните елементи.
С установяването на атомни и молекулярни понятия понятието валентност придобива определен структурен и теоретичен смисъл. Под валентност те започнаха да разбират способността на един атом от даден елемент да прикрепя към себе си един или друг брой атоми на друг химичен елемент. Съответната способност на водородния атом е взета за единица валентност, тъй като съотношението на атомната маса на водорода към неговия еквивалент е равно на единица. По този начин валентността на химичния елемент се определя като способността на неговия атом да свързва един или друг брой водородни атоми. Ако даден елемент не е образувал съединения с водород, неговата валентност се определя като способността на неговия атом да замества един или друг брой водородни атоми в своите съединения.
Тази идея за валентност беше потвърдена за най-простите съединения.
Въз основа на идеята за валентността на елементите възникна идеята за валентността на цели групи. Така, например, на групата ОН, тъй като тя прикрепя един водороден атом или замества един водороден атом в другите си съединения, е приписана валентност, равна на единица. Концепцията за валентност обаче загуби своята недвусмисленост, когато ставаше дума за по-сложни съединения. Така, например, във водороден пероксид H 2 O 2 валентността на кислорода трябва да се признае за равна на единица, тъй като в това съединение има един водороден атом за всеки кислороден атом. Известно е обаче, че всеки кислороден атом в Н2О2 е свързан с един водороден атом и една едновалентна ОН група, т.е. кислородът е двувалентен. По същия начин, валентността на въглерода в етан C 2 H 6 трябва да се признае за равна на три, тъй като в това съединение има три водородни атома за всеки въглероден атом, но тъй като всеки въглероден атом е свързан с три водородни атома и един моновалентен CH 3 група, валентният въглерод в C 2 H 6 е четири.
Трябва да се отбележи, че при формиране на идеи за валентността на отделните елементи тези усложняващи обстоятелства не бяха взети под внимание, а беше взет предвид само съставът на най-простите съединения. Но дори в същото време се оказа, че за много елементи валентността в различните съединения не е еднаква. Това беше особено забележимо при съединенията на определени елементи с водород и кислород, в които се проявяват различни валентности. И така, в комбинация с водород, валентността на сярата се оказа равна на две, а с кислорода - шест. Следователно те започнаха да правят разлика между валентност на водорода и валентност на кислорода.
По-късно, във връзка с идеята, че в съединенията някои атоми са поляризирани положително, докато други са отрицателно поляризирани, концепцията за валентност в кислородните и водородните съединения е заменена с концепцията за положителна и отрицателна валентност.
Различни значениявалентностите на същите елементи също се появяват в различните им съединения с кислород. С други думи, едни и същи елементи са били в състояние да проявяват различни положителни валентности. Така се появи идеята за променлива положителна валентност на някои елементи. Що се отнася до отрицателната валентност на неметалните елементи, тя като правило се оказва постоянна за същите елементи.
По-голямата част от елементите, показващи променлива положителна валентност, се оказаха. За всеки от тези елементи обаче максималната му валентност се оказа характерна. Тази максимална валентност се нарича Характеристика.
По-късно, във връзка с появата и развитието на електронната теория за структурата на атома и химическата връзка, валентността започва да се свързва с броя на електроните, преминаващи от един атом в друг, или с броя на възникващите химични връзки между атомите в процеса на образуване химично съединение.
електровалентност и ковалентност.Положителната или отрицателната валентност на елемента е най-лесно да се определи дали два елемента образуват йонно съединение: смятало се, че елемент, чийто атом става положително зареден йон, показва положителна валентност, а елемент, чийто атом се превръща в отрицателно зареден йон, показва отрицателна валентност. Числената стойност на валентността се счита за равна на заряда на йоните. Тъй като йоните в съединенията се образуват чрез даряване и получаване на електрони от атоми, големината на заряда на йоните се определя от броя на дадените (положителни) и свързани (отрицателни) електрони от атомите. В съответствие с това положителната валентност на елемента се измерва чрез броя на електроните, дарени от неговия атом, а отрицателната валентност се измерва с броя на електроните, прикрепени към този атом. По този начин, тъй като валентността се измерва с големината на електрическия заряд на атомите, тя се нарича електровалентност. Нарича се още йонна валентност.
Сред химичните съединения има такива, в чиито молекули атомите не са поляризирани. Очевидно за тях концепцията за положителна и отрицателна електровалентност е неприложима. Ако молекулата е съставена от атоми на един елемент (елементарни вещества), обичайното понятие за стехиометрична валентност също губи своето значение. Въпреки това, за да оценят способността на атомите да прикрепят един или друг брой други атоми, те започнаха да използват броя на химичните връзки, които възникват между даден атом и други атоми по време на образуването на химично съединение. Тъй като тези химични връзки, които представляват електронни двойки, които едновременно принадлежат и на двата свързани атома, се наричат ковалентни, способността на атома да образува един или друг брой химични връзки с други атоми се нарича ковалентност. За установяване на ковалентност се използват структурни формули, в които химическите връзки са представени с тирета.
Степен на окисление и окислително число.В реакциите на образуване на йонни съединения преходът на електрони от едни реагиращи атоми или йони към други се придружава от съответна промяна в величината или знака на тяхната електровалентност. При образуването на съединения с ковалентен характер такава промяна в електровалентното състояние на атомите всъщност не се случва, а се извършва само преразпределение на електронните връзки и валентността на изходните реагенти не се променя. Понастоящем, за да се характеризира състоянието на елемент в съединенията, е въведено условно понятие окислителни състояния. Числовият израз на степента на окисление се нарича окислително число.
Окислителните числа на атомите могат да имат положителни, нулеви и отрицателни стойности. Положителното окислително число се определя от броя на електроните, изтеглени от даден атом, а отрицателното окислително число се определя от броя на електроните, привлечени от даден атом. На всеки атом във всяко вещество може да бъде присвоен окислителен номер, за което трябва да се ръководите от следното прости правила:
1. Окислителните числа на атомите във всякакви елементарни вещества са равни на нула.
2. Окислителните числа на елементарните йони в вещества с йонна природа са равни на стойностите електрически зарядитези йони.
3. Окислителните числа на атомите в съединения с ковалентен характер се определят чрез условно изчисление, че всеки електрон, изтеглен от атом, му дава заряд, равен на +1, а всеки привлечен електрон дава заряд, равен на -1.
4. Алгебричната сума от числата на окисление на всички атоми на всяко съединение е нула.
5. Флуорният атом във всички негови съединения с други елементи има степен на окисление -1.
Определянето на степента на окисление е свързано с концепцията за електроотрицателността на елементите. Използвайки тази концепция, се формулира друго правило.
6. В съединенията степента на окисление е отрицателна за атоми на елементи с по-висока електроотрицателност и положителна за атоми на елементи с по-ниска електроотрицателност.
По този начин концепцията за степен на окисление замени концепцията за електровалентност. В това отношение изглежда неуместно да се използва концепцията за ковалентност. За характеризиране на елементите е по-добре да се използва концепцията за валентност, като се дефинира чрез броя на електроните, използвани от даден атом за образуване на електронни двойки, независимо дали те са привлечени от даден атом, или, обратно, са изтеглени от то. Тогава валентността ще бъде изразена като число без знак. За разлика от валентността, степента на окисление се определя от броя на електроните, изтеглени от даден атом - положителен, или привлечен от него - отрицателен. В много случаи аритметичните стойности на валентността и степента на окисляване са еднакви - това е съвсем естествено. В някои случаи числовите стойности на валентността и степента на окисление се различават една от друга. Така например в молекулите на свободните халогени валентността на двата атома е равна на единица, а степента на окисление е нула. В молекулите на кислорода и водородния пероксид валентността на двата кислородни атома е две, а степента им на окисление в кислородна молекула е нула, а в молекулата на водороден пероксид е минус едно. В молекулите на азота и хидразина - N 4 H 2 - валентността на двата азотни атома е три, а степента на окисление в елементарната азотна молекула е нула, а в молекулата на хидразина - минус две.
Очевидно валентността характеризира атоми, които са само част от всяко съединение, дори ако то е хомоядрено, т.е. състоящо се от атоми на един елемент; безсмислено е да се говори за валентността на отделните атоми. Степента на окисление характеризира състоянието на атомите, както включени във всяко съединение, така и съществуващи отделно.
Въпроси за коригиране на темата:
1. Кой въведе понятието „валентност“?
2. Какво се нарича валентност?
3. Каква е разликата между валентността и степента на окисление?
4. Каква е валентността?
5. Как се определя степента на окисление?
6. Валентността и степента на окисление на даден елемент винаги ли са равни?
7. Кой елемент определя валентността на елемент?
8. Какво характеризира валентността на даден елемент и каква е степента на окисление?
9. Може ли валентността на елемент да бъде отрицателна?
Лекция № 5: Скоростта на химична реакция.
химична реакцияможе да варира значително по продължителност. Смес от водород и кислород при стайна температура може да остане практически непроменена за дълго време, но при удар или запалване ще се получи експлозия. Желязната плоча бавно ръждясва и парче бял фосфор се запалва спонтанно във въздуха. Важно е да знаете колко бързо протича дадена реакция, за да можете да контролирате нейния ход.
Научното значение на периодичния закон. Живот и творчество на Д. И. Менделеев
Откриване на периодичния закон и създаване на периодичната таблица на химичните елементи - най-голямото постижениенаука от 19 век. Експериментално потвърждение на относителните атомни маси, променени от Д. И. Менделеев, откриването на елементи с техните свойства, подреждането на откритите инертни газове в периодичната система доведе до универсалното признаване на периодичния закон.
Откриването на периодичния закон доведе до по-нататъшното бързо развитие на химията: през следващите тридесет години бяха открити 20 нови химически елемента. Периодичният закон допринесе за по-нататъшното развитие на работата по изследване на структурата на атома, в резултат на което се установи връзката между структурата на атома и периодичната промяна в техните свойства. Въз основа на периодичния закон учените успяха да извличат вещества с желани свойства, да синтезират нови химични елементи. Периодичният закон позволява на учените да изграждат хипотези за еволюцията на химичните елементи във Вселената.
Периодичният закон на Д. И. Менделеев има общонаучно значение и е основен закон на природата.
Дмитрий Иванович Менделеев е роден през 1834 г. в град Тоболск. След като завършва Тоболската гимназия, той учи в Педагогическия институт в Санкт Петербург, който завършва със златен медал. Като студент Д. И. Менделеев започва да учи научно изследване. След като учи, той прекарва две години в чужбина в лабораторията на известния химик Робърт Бунзен. През 1863 г. е избран първо за професор в Петербургския технологичен институт, а по-късно и в Петербургския университет.
Менделеев провежда изследвания в областта химическа природаразтвори, състояние на газовете, калоричност на горивото. Той се интересуваше различни проблемиселско стопанство, рудодобив, металургия, работил по проблема с подземната газификация на горива, изучавал нефтен бизнес. Най-значимият резултат от неговата творческа дейност, донесъл на Д. И. Менделеев световна слава, е откриването през 1869 г. на Периодичния закон и Периодичната таблица на химичните елементи. Написал е около 500 статии по химия, физика, техника, икономика, геодезия. Той организира и беше директор на първата руска камара за мерки и теглилки, сложи край на началото на съвременната метрология. изобретен общо уравнениесъстояние на идеален газ, обобщи уравнението на Клапейрон (уравнение на Клапейрон-Менделеев).
Менделеев е живял 73 години. За постиженията си е избран за член на 90 чуждестранни академии на науките и за почетен доктор на много университети. В негова чест е кръстен 101-ият химичен елемент (Менделевиус).
