Въведение
Периодичният закон на Д. И. Менделеев е от изключително голямо значение. Той положи основата на съвременната химия, превърна я в единна, холистична наука. Елементите започнаха да се разглеждат във взаимовръзка, в зависимост от това какво място заемат в периодичната система. Както подчерта Н. Д. Зелински, периодичният закон е „откриването на взаимната връзка на всички атоми във Вселената“.
Химията е престанала да бъде описателна наука. С откриването на периодичния закон в него става възможна научната прозорливост. Стана възможно да се предскажат и опишат нови елементи и техните съединения ... Блестящ пример за това е предсказанието на Д. И. Менделеев за съществуването на елементи, които все още не са открити по негово време, от които за три - Ga, Sc и Ge - той даде точно описание на техните свойства.
Периодичната система и нейното значение за разбирането на научната картина на света
Периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев, естествената класификация на химичните елементи, която е табличен (или друг графичен) израз периодичен закон на Менделеев. P. s. д. разработено от D.I. Менделеевпрез 1869-1871г.
Историята на П. с. д.Опитите за систематизиране на химичните елементи са правени от различни учени в Германия, Франция, Англия и САЩ от 30-те години на миналия век. Предшествениците на Менделеев - И. Дьоберейнер, Дж. Дюма, френски химик А. Шанкуртуа, инж. химиците У. Одлинг, Дж. Нюландс и други установяват съществуването на групи от елементи, които са сходни по химични свойства, т. нар. „природни групи“ (например „триада“ на Дьоберейнер). Тези учени обаче не стигнаха по-далеч от установяването на конкретни модели в рамките на групи. През 1864 г. Л. Майервъз основа на данни за атомните тегла, той предложи таблица, показваща съотношението на атомните тегла за няколко характерни групи елементи. Майер не правеше теоретични доклади от масата си.
Прототипът на научния P. s. д. се появява таблицата „Опит на система от елементи, базирани на тяхното атомно тегло и химическо сходство“, съставена от Менделеев на 1 март 1869 г. През следващите две години авторът подобрява тази таблица, въвежда идеи за групи, серии и периоди на елементи; направи опит да оцени капацитета на малки и големи периоди, съдържащи според него съответно 7 и 17 елемента. През 1870 г. той нарича своята система естествена, а през 1871 г. - периодична. Още тогава структурата на П. с. д. придоби по-модерна форма.
Изключително важно за еволюцията на П. на стр. д. въведената от Менделеев идея за мястото на елемент в системата се оказва; позицията на елемента се определя от номерата на периода и групата. Въз основа на тази идея Менделеев стига до извода, че е необходимо да се променят приетите тогава атомни тегла на определени елементи (U, In, Ce и неговите аналози), което е първото практическо приложение на P. s. д., а също така за първи път предсказва съществуването и основните свойства на няколко неизвестни елемента, които съответстват на празните клетки на P. s. д. Класически пример е предсказанието за "екаалуминий" (бъдещият Ga, открит от П. Лекок дьо Боабодранпрез 1875 г.), "екабора" (Sc, открит от шведския учен Л. Нилсънпрез 1879 г.) и „ecasilience“ (Ge, открит от немския учен К. Уинклерпрез 1886 г.). Освен това Менделеев предсказва съществуването на аналози на манган (бъдещи Tc и Re), телур (Po), йод (At), цезий (Fr), барий (Ra), тантал (Pa).
P. s. д. не спечели веднага признание като фундаментално научно обобщение; ситуацията се промени значително едва след откриването на Ga, Sc, Ge и установяването на двувалентността на Be (дълго време се смяташе за тривалентна). Въпреки това П. с. д. в много отношения представляваше емпирично обобщение на фактите, тъй като физическият смисъл на периодичния закон беше неясен и нямаше обяснение за причините за периодичната промяна в свойствата на елементите в зависимост от увеличаването на атомните тегла. Следователно, до физическото обосноваване на периодичния закон и развитието на теорията на П. с. д. много факти не могат да бъдат обяснени. И така, неочаквано беше откритието в края на 19 век. инертни газове, които сякаш не намират място в P. s. д.; тази трудност беше елиминирана благодарение на включването в П. на стр. д. независима нулева група (по-късно VIII а-подгрупи). Откриването на много "радиоелементи" в началото на 20 век. доведе до противоречие между необходимостта от поставянето им в П. на с. д. и неговата структура (за повече от 30 такива елемента е имало 7 „свободни“ места през шестия и седмия период). Това противоречие е преодоляно с откритието изотопи. И накрая, стойността на атомното тегло (атомната маса) като параметър, който определя свойствата на елементите, постепенно губи своето значение.
Една от основните причини за невъзможността да се обясни физическият смисъл на периодичния закон и P. s. д. се състои в липсата на теория за структурата на атома. Следователно най-важният крайъгълен камък по пътя на развитието на П. с. д. е планетарният модел на атома, предложен от Е. Ръдърфорд(1911). На негова основа холандският учен А. ван ден Брук предполага (1913), че порядковият номер на елемент в P. s. д. (атомно число Z) е числено равно на заряда на атомното ядро (в единици елементарен заряд). Това беше експериментално потвърдено от G. Мозли(1913-14, вж закон на Мосли). Така че беше възможно да се установи, че периодичността на промените в свойствата на елементите зависи от атомния номер, а не от атомното тегло. В резултат на това на научна основа беше определена долната граница на P. s. д. (водород като елемент с минимум Z = 1); броят на елементите между водорода и урана е точно оценен; се установява, че „пропуски” в П. на с. д. съответстват на неизвестни елементи със Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87.
Въпросът за точния брой на редкоземните елементи обаче остана неясен и (което е особено важно) не бяха разкрити причините за периодичната промяна в свойствата на елементите в зависимост от Z. Тези причини бяха открити в хода на по-нататъшните развитие на теорията на P. s. д. на базата на квантови идеи за структурата на атома (виж по-долу). Физическото обосноваване на периодичния закон и откриването на феномена изотония направи възможно научното дефиниране на понятието "атомна маса" ("атомно тегло"). Приложената периодична таблица съдържа съвременните стойности на атомните маси на елементите по въглеродната скала в съответствие с Международната таблица от 1973 г. Масовите числа на най-дълго живеещите изотопи на радиоактивните елементи са дадени в квадратни скоби. Вместо масовите числа на най-стабилните изотопи 99 Tc, 226 Ra, 231 Pa и 237 Np са дадени атомните маси на тези изотопи, приети (1969) от Международната комисия по атомни тегла.
Структурата на П. с. д.Модерен (1975) P. s. д. обхваща 106 химични елемента; от тях целият трансуран (Z = 93-106), както и елементи със Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) са получени изкуствено. За цялата история на P. s. д. бяха предложени голям брой (няколко стотици) варианти на неговото графично представяне, главно под формата на таблици; изображенията са познати и под формата на различни геометрични фигури (пространствени и равнинни), аналитични криви (например спирали) и др. Най-разпространени са три форми на P. s. д .: кратък, предложен от Менделеев и получил всеобщо признание; дълго стълбище. Дългата форма също е разработена от Менделеев, а в подобрена форма е предложена през 1905 г. от А. Вернер. Формата на стълбата е предложена от английския учен Т. Бейли (1882), датския учен Дж. Томсен (1895) и подобрена от Н. Бором(1921). Всяка от трите форми има предимства и недостатъци. Основният принцип на конструиране на P. s. д. е разделянето на всички химични елементи на групи и периоди. Всяка група от своя страна е разделена на основна (а) и вторична (б) подгрупи. Всяка подгрупа съдържа елементи, които имат сходни химични свойства. Елементи а- и б- подгрупите във всяка група, като правило, показват известно химическо сходство помежду си, главно в по-високи степени на окисление, които по правило съответстват на номера на групата. Периодът е набор от елементи, започващи с алкален метал и завършващи с инертен газ (специален случай е първият период); Всеки период съдържа строго определен брой елементи. P. s. д. се състои от 8 групи и 7 периода (седмият все още не е завършен).
Спецификата на първия период е, че съдържа само 2 елемента: H и He. Мястото на H в системата е двусмислено: тъй като той проявява свойства, общи за алкалните метали и халогените, той се поставя или в I а-, или (за предпочитане) в VII а-подгрупа. Хелий - първият представител на VII а- подгрупи (но дълго време He и всички инертни газове бяха комбинирани в независима нулева група).
Вторият период (Li - Ne) съдържа 8 елемента. Започва с алкалния метал Li, чиято единствена степен на окисление е I. След това идва Be, метал, степен на окисление II. Металната природа на следващия елемент B е слабо изразена (степен на окисление III). C след него е типичен неметал, може да бъде както положително, така и отрицателно четиривалентен. Следващите N, O, F и Ne са неметали и само N има най-високата степен на окисление V, съответстваща на номера на групата; кислородът само в редки случаи показва положителна валентност, а за F степента на окисление VI е известна. Периодът се завършва с инертен газ Ne.
Третият период (Na - Ar) също съдържа 8 елемента, естеството на промяната в свойствата на които до голяма степен е подобно на наблюдаваното във втория период. Въпреки това, Mg, за разлика от Be, е по-метален, както и Al в сравнение с B, въпреки че Al по своята същност е амфотерен. Si, P, S, Cl, Ar са типични неметали, но всички те (с изключение на Ar) показват по-високи степени на окисление, равни на номера на групата. Така и в двата периода с нарастване на Z се наблюдава отслабване на металността и засилване на неметалната природа на елементите. Менделеев нарече типични елементите на втория и третия период (малки, според неговата терминология). Показателно е, че те са сред най-разпространените в природата, а C, N и O, наред с Н, са основните елементи на органичната материя (органогени). Всички елементи от първите три периода са включени в подгрупи а .
Според съвременната терминология (виж по-долу) елементите на тези периоди се отнасят за с-елементи (алкални и алкалоземни метали), съставляващи I а- и II аподгрупи (маркирани в червено в таблицата с цветове) и Р-елементи (B - Ne, At - Ar), включени в III а- VIII а-подгрупи (техните символи са маркирани в оранжево). За елементи с малки периоди, с увеличаване на серийните номера, първо се наблюдава намаление атомни радиуси, а след това, когато броят на електроните във външната обвивка на атома вече нараства значително, тяхното взаимно отблъскване води до увеличаване на атомните радиуси. Следващият максимум се достига в началото на следващия период на алкален елемент. Приблизително същата закономерност е типична за йонните радиуси.
Четвъртият период (K - Kr) съдържа 18 елемента (първият голям период, според Менделеев). Алкалния метал К и алкалоземният Са (s-елементи) са последвани от поредица от десет т.нар. преходни елементи(Sc - Zn), или д-елементи (символите са дадени в синьо), които са включени в подгрупи бсъответните групи на П. на стр. д. Повечето преходни елементи (всички те метали) показват по-високи степени на окисление, равни на номера на групата. Изключение прави триадата Fe - Co - Ni, където последните два елемента са максимално положително тривалентни, а желязото при определени условия е известно в степен на окисление VI. Елементи от Ga до Kr ( Р-елементи), принадлежат към подгрупи а, а естеството на промяната в техните свойства е същото като в съответните интервали Z за елементи от втория и третия период. Установено е, че Kr е способен да образува химични съединения (главно с F), но степента на окисление VIII за него е неизвестна.
Петият период (Rb - Xe) е конструиран подобно на четвъртия; също така има вложка от 10 преходни елемента (Y - Cd), д-елементи. Характеристики на периода: 1) в триадата Ru - Rh - Pd само рутенийът проявява степен на окисление VIII; 2) всички елементи от подгрупи а показват най-високите степени на окисление, равни на номера на групата, включително Xe; 3) Имам слаби метални свойства. По този начин естеството на промяната в свойствата с увеличаване на Z за елементите от четвъртия и петия период е по-сложно, тъй като металните свойства се запазват в голям диапазон от серийни номера.
Шестият период (Cs - Rn) включва 32 елемента. В допълнение към 10 д-елементи (La, Hf - Hg) съдържа набор от 14 е-елементи, лантаноиди, от Ce до Lu (символи в черно). Елементите La до Lu са химически много сходни. В кратка форма P. s. д. лантанидите са включени в полето La (тъй като тяхното преобладаващо състояние на окисление е III) и са изброени на отделен ред в долната част на таблицата. Тази техника е малко неудобна, тъй като 14 елемента са сякаш извън масата. Дългите и стълбовидни форми П. на страница са лишени от подобна липса. e., добре отразяващ спецификата на лантанидите на фона на интегралната структура на P. s. д. Характеристики на периода: 1) в триадата Os - Ir - Pt само осмият проявява степен на окисление VIII; 2) At има по-изразен (в сравнение с 1) метален характер; 3) Rn, очевидно (химията му е малко проучена), трябва да бъде най-реактивният от инертните газове.
Седмият период, започващ от Fr (Z = 87), също трябва да съдържа 32 елемента, от които досега са известни 20 (преди елемента със Z = 106). Fr и Ra - елементи съответно I а- и II а-подгрупи (s-елементи), Ac - аналог на елементи III б-подгрупи ( д-елемент). Следващите 14 елемента, е-елементи (с Z от 90 до 103), съставляват семейството актиниди. В кратка форма P. s. д. те заемат Ac клетката и са записани на отделен ред в долната част на таблицата, подобно на лантанидите, за разлика от които се характеризират със значително разнообразие от степени на окисление. Във връзка с това поредицата от лантаниди и актиниди показват забележими разлики в химично отношение. Изследването на химичната природа на елементи с Z = 104 и Z = 105 показа, че тези елементи са аналози на хафний и тантал, т.е. д-елементи и трябва да се постави в IV б- и В б-подгрупи. членове б-подгрупи трябва да има следващи елементи до Z = 112 и след това (Z = 113-118) ще се появят Р-елементи (III а- VIll а-подгрупи).
Теорията на П. с. д.В основата на теорията на П. за стр. д. се крие в идеята за специфичните закономерности в изграждането на електронни обвивки (слоеве, нива) и подобвивки (обвивки, поднива) в атомите с увеличаване на Z. д. и резултатите от изследването на техните атомни спектри. Бор разкри три съществени характеристики на образуването на електронни конфигурации на атоми: 1) запълване на електронни обвивки (с изключение на обвивки, съответстващи на стойностите на главния квантово число н= 1 и 2) не се случва монотонно до пълния им капацитет, а се прекъсва от появата на набори от електрони, принадлежащи на обвивки с големи стойности н; 2) подобни видове електронни конфигурации на атоми периодично се повтарят; 3) границите на периодите на P. s. д. (с изключение на първия и втория) не съвпадат с границите на последователните електронни обвивки.
Стойността на П. с. д. P. s. д. играе и продължава да играе огромна роля в развитието на природните науки. Това беше най-важното постижение на атомната и молекулярната наука, което направи възможно да се даде съвременно определение на понятието "химичен елемент" и да се изяснят понятията за прости вещества и съединения. Модели, разкрити от P. s. д., оказа значително влияние върху развитието на теорията за структурата на атомите, допринесе за обяснението на феномена на изотонията. МЕРСИ. д. Свързана е строго научна постановка на проблема с прогнозирането в химията, която се проявява както в прогнозирането на съществуването на неизвестни елементи и техните свойства, така и в прогнозирането на нови характеристики на химичното поведение на вече открити елементи. P. s. д. - основата на химията, предимно неорганична; той значително помага при решаването на проблеми за синтезиране на вещества с предварително определени свойства, разработване на нови материали, в частност полупроводникови материали, избор на специфични катализатори за различни химични процеси и т.н. P. s. д. е и научната основа за обучение по химия.
Заключение
Периодичната система на Д. И. Менделеев се превърна във важен етап в развитието на атомната и молекулярната наука. Благодарение на нея се формира модерна концепция за химичен елемент, изясняват се идеите за прости вещества и съединения.
Прогнозната роля на периодичната система, показана от самия Менделеев, през 20 век се проявява в оценката на химичните свойства на трансурановите елементи.
Появата на периодичната система откри нова, наистина научна ера в историята на химията и редица свързани науки - вместо разпръсната информация за елементи и съединения се появи хармонична система, въз основа на която стана възможно да се обобщи, правят изводи и предвиждат.
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 предвид, 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 стойности на валентност за едни и същи 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 на 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 отрицателен. 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 са 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. Окислително число може да бъде присвоено на всеки атом във всяко вещество, за което трябва да се ръководите от следните 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 на електрическите заряди на тези 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.
Химичните реакции могат да варират значително във времето. 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.
Периодичната таблица на елементите има голямо влияние върху последващото развитие на химията.
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 калцият е последван от титан, но титанът не може да бъде поставен непосредствено след калция, тъй като би попаднал в третата група, докато титанът образува най-високия оксид и според други свойства трябва да бъде причислен към четвърта 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 еказилий.
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. По този начин елементът берилий отдавна се смята за аналог на алуминия, а на неговия оксид е приписана формулата. Въз основа на процентния състав и предложената формула на берилиевия оксид, неговата атомна маса се счита за равна на 13,5. Периодичната таблица показа, че има само едно място за берилий в таблицата, а именно над магнезия, така че неговият оксид трябва да има формула, от която 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<гак же периодическая система дала толчок к исправлению атомных масс некоторых элементов. Например, цезию раньше приписывали атомную массу 123,4. Менделев же, располагая элементы в таблицу, нашел, что по своим свойствам цезий должен стоять в главной подгруппе первой группы под рубидием и потому будет иметь атомную массу около 130. Современные определения показывают, что атомная масса цезия равна 132,9054.
Дори 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 научния и учебния материал по химия. 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, уж изпадащи от общите модели, са проверени и усъвършенствани 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 от научния свят, авторът умира 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 Менделеев е способни да изчислят техните свойства с висока степен на точност. Добре известната история за откриването на скандий, галий и германий беше триумфът на откритието на Менделеев. Ф. Енгелс пише: „Прилагайки несъзнателно закона на Хегел за прехода на количеството в качество, Менделеев постигна научен подвиг, който спокойно може да бъде поставен 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, 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-голяма радост да видя и трите открити... Л. дьо 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 съединенията от елементи, разположени в периоди, еднакво отдалечени от тази група (например с обща формула като AzB;), трябва да имат полупроводникови свойства в по-голяма или по-малка степен. 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, условно 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 е 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. Отдавна е известно в естествените науки, че един „грозен” факт, който не се вписва в рамките на най-красивата теория, може да я 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 съседните групи елементи в периодичната таблица, Морозов стига до интуитивно заключение за възможността за съществуване на друга група от 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. Синтезът на най-тежките ядра на елементи с атомни номера 113 и 115 е извършен в Руския съвместен институт за ядрени изследвания в Дубна чрез бомбардиране на ядрата на изкуствено получен америций с ядра на тежкия изотоп на 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 течение на милиарди години от нейната история е имало и такива краткоживеещи изотопи, че вече са изчезнали в буквалния смисъл на думата. 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, отбелязва „фундаменталната роля, която работата на Менделеев играе дори в напълно нови области на химията, възникнали 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 научно откритие да се окаже нещо напълно неочаквано, почти винаги се очаква:
често обаче за по-късните поколения, които използват изпитани отговори на всички въпроси, е трудно да оценят колко трудно е било за 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 е бил наясно с такива сега общоприети понятия като ядрена 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 заличат 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.
Научното значение на периодичния закон. Живот и творчество на Д. И. Менделеев
Откриването на периодичния закон и създаването на Периодичната система от химични елементи е най-голямото постижение на науката през 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 се занимава с научни изследвания. 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 на химическата природа на разтворите, състоянието на газовете и топлината на изгаряне на горивото. Интересува се от различни проблеми на селското стопанство, минното дело, металургията, работи по проблема с подземната газификация на горива и изучава петролния 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. Изобретява общото уравнение на състоянието на идеален газ, обобщава 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).
