Периодическая система элементов. Периоды, группы, подгруппы. Периодический закон и его обоснование

     Если  рассмотреть ряд элементов от Li до F, то можно увидеть, что металлические свойства элементов ослабляются, а неметаллические свойства усиливаются. Аналогично изменяются и свойства элементов в ряду от Na до Cl. Следующий знак К, как Li и Na, является типичным металлом.

     Высшая  валентность элементов увеличивается  от I y Li до V y N (кислород и фтор имеют постоянную валентность, соответственно II и I) и от I y Na до VII y Cl. Следующий элемент К, как Li и Na, имеет валентность I.

     В ряду оксидов от Li₂O до N₂O₅ и гидроксидов от LiОН до HNO₃ основные свойства ослабляются, а кислотные свойства усиливаются. Аналогично изменяются свойства оксидов в ряду от Na₂O и NaOH до Cl₂O₇ и HClO₄. Оксид калия К₂О, как и оксиды лития и натрия Li₂O и Na₂O, является основным оксидом, а гидроксид калия КОН, как и гидроксиды лития и натрия LiOH и NaOH, является типичным основанием.

     Аналогично  изменяются формы и свойства неметаллов от CH₄ до HF и от SiH₄ до HCl.

     Такой характер свойств элементов и  их соединений, какой наблюдается  при увеличении атомной массы  элементов, называется периодическим изменением. Свойства всех химических элементов при увеличении атомной массы изменяются периодически.

     Это периодическое изменение называется периодической зависимостью свойств элементов и их соединений от величины атомной массы.

     Поэтому Д.И. Менделеев сформулировал открытый им закон так:

• Свойства элементов, а так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомной массы элементов.

     Менделеев расположил периоды элементов друг под другом и в результате составил периодическую систему элементов.

     Он  говорил, что таблица элементов  – плод не только его собственного труда, но и усилий многих химиков, среди  которых он особо отмечал «укрепителей периодического закона», открывших предсказанные им элементы. Для создания современной таблицы потребовалась напряженная многолетняя работа тысяч и тысяч химиков и физиков. Если бы Менделеев был сейчас жив, он, глядя на современную таблицу элементов, вполне мог бы повторить слова английского химика Дж.У.Меллора, автора классической 16-томной энциклопедии по неорганической и теоретической химии. Закончив в 1937, после 15-летней работы, свой труд, он написал с признательностью на титульном листе: «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их работы остались»...

     Периодическая система – это классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона.

     На  октябрь 2009 года известно 117 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах). Остальные23 получены искусственно в результате ядерных реакций – это процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, обычно приводящий к выделению колоссального количества энергии. Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные — временные.

     Открытие 112-го элемента (самый тяжелый из официальных) признано Международным союзом теоретической и прикладной химии. Самый стабильный из известных изотопов данного элемента имеет период полураспада 34 секунды. На начало июня 2009 года носит неофициальное имя унунбий, был впервые синтезирован в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Институте тяжелых ионов в Дармштадте, Германия (в результате бомбардировки свинцовой мишени ядрами цинка). Первооткрыватели имеют полгода, чтобы предложить новое официальное название для добавления в таблицу (ими уже предлагались Виксхаузий, Гельмгольций, Венусий, Фриший, Штрассманий и Гейзенбергий). В настоящее время известны трансурановые элементы с номерами 113-116 и 118, полученные в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, однако они официально пока не признаны.

     Распространённее  других являются 3 формы таблицы  Менделеева: «короткая» (короткопериодная), «длинная» (длиннопериодная) и «сверхдлинная». В «сверхдлинном» варианте каждый период занимает ровно одну строчку. В «длинном»  варианте лантаноиды (семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58—71, расположенных в VI периоде системы) и актиноиды (семейство радиоактивных химических элементов, состоящее из актиния и 14 подобных ему по своим химическим свойствам) вынесены из общей таблицы, делая её более компактной. В «короткой» форме записи, в дополнение к этому, четвёртый и последующие периоды занимают по 2 строчки; символы элементов главных и побочных подгрупп выравниваются относительно разных краёв клеток.

     Короткая  форма таблицы, содержащая восемь групп  элементов, была официально отменена ИЮПАК  в 1989 году. Несмотря на рекомендацию использовать длинную форму, короткая форма продолжила приводиться в большом числе российских справочников и пособий и после этого времени. Из современной иностранной литературы короткая форма исключена полностью, вместо неё используется длинная форма. Такую ситуацию некоторые исследователи связывают, в том числе с кажущейся рациональной компактностью короткой формы таблицы, а также со стереотипностью мышления и невосприятием современной (международной) информации.

     В 1969 году Теодор Сиборг предложил расширенную периодическую таблицу элементов. Нильсом Бором разрабатывалась лестничная (пирамидальная) форма периодической системы. Существует и множество других, редко или вовсе не используемых, но весьма оригинальных, способов графического отображения Периодического закона. Сегодня существуют несколько сот вариантов таблицы, при этом учёные предлагают всё новые варианты. 

     2.3 Структура периодической системы: периоды, группы, подгруппы 

     Итак, мы выяснили, что периодическая система – это графическое выражение периодического закона.

     Каждый  элемент занимает определённое место (клетку) в периодической системе  и имеет свой порядковый (атомный) номер. Например:

Символ элемента                                                               Порядковый

            (атомный) номер (Z)    
 
 
 

Относительная

        атомная                   Русское название

        масса (А₁)                элемента 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                
 

  

                         20

                Са

          40.08

       Кальций

 
 

     

       
 
 

     Горизонтальные  ряды элементов, в пределах которых  свойства элементов изменяются последовательно, Менделеев назвал периодами (начинаются щелочным металлом (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и заканчиваются благородным газом (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)).

     Исключения: первый период, который начинается водородом и седьмой период, который  является незавершённым.

     Периоды разделяются на малые и большие. Малые периоды состоят из одного горизонтального ряда. Первый, второй и третий периоды являются малыми, в них находится 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды). Большие периоды состоят из двух горизонтальных рядов. Четвёртый, пятый и шестой периоды являются большими, в них находятся 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й, 7-й период). Верхние ряды больших периодов называются чётными, нижние ряды – нечётными.

     В шестом периоде лантаноиды и в  седьмом периоде актиноиды располагаются  в нижней части периодической  системы.

     В каждом периоде слева направо  металлические свойства элементов  ослабевают, а неметаллические свойства усиливаются.

     В чётных рядах больших периодов находятся  только металлы.

     В результате в таблице имеется 7 периодов, 10 рядов и 8 вертикальных столбцов, названных  группами – это совокупность элементов, которые имеют одинаковую высшую валентность в оксидах и в других соединениях. Эта валентность равна номеру группы.

     Исключения: 

 

     В VIII группе только Ru и Os имеют высшую валентность VIII.

     Группы - вертикальные последовательности элементов, они нумеруется римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А и  Б. Каждая группа состоит из двух подгрупп: главной и побочной. Главная подгруппа  – А, содержит элементы малых и  больших периодов. Побочная подгруппа  – В, содержит элементы только больших  периодов. В них входят элементы периодов, начиная с четвёртого.

     В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются, а не металлические  свойства ослабляются. Все элементы побочных подгрупп являются металлами. 

     2.4 Периодический закон и его обоснование 

     Периодический закон позволил привести в систему  и обобщить огромный объем научной  информации в химии. Эту функцию  закона принято называть интегративной. Особо четко она проявляется в структурировании научного и учебного материала химии. Академик А. Е. Ферсман говорил, что система объединила всю химию в рамки единой пространственной, хронологической, генетической, энергетической связи.

     Интегративная роль Периодического закона проявилась и в том, что некоторые данные об элементах, якобы выпадавшие из общих  закономерностей, были проверены и  уточнены как самим автором, так  и его последователями.

     Так случилось с характеристиками бериллия. До работы Менделеева его считали  трехвалентным аналогом алюминия из-за их так называемого диагонального  сходства. Таким образом, во втором периоде оказывалось два трехвалентных  элемента и ни одного двухвалентного. Именно на этой стадии Менделеев заподозрил ошибку в исследованиях свойств  бериллия, он нашел работу российского  химика Авдеева, утверждавшего, что  бериллий двухвалентен и имеет атомный  вес 9. Работа Авдеева оставалась не замеченной ученым миром, автор рано скончался, по-видимому, получив отравление чрезвычайно ядовитыми бериллиевыми соединениями. Результаты исследования Авдеева утвердились в науке благодаря Периодическому закону.

     Такие изменения и уточнения значений и атомных весов, и валентностей были сделаны Менделеевым еще  для девяти элементов (In, V, Th, U, La, Ce и трех других лантаноидов). Еще у десяти элементов были исправлены только атомные веса. И все эти уточнения впоследствии были подтверждены экспериментально.

     Прогностическая (предсказательная) функция Периодического закона получила самое яркое подтверждение в открытии неизвестных элементов с порядковыми номерами 21, 31 и 32. Их существование сначала было предсказано на интуитивном уровне, но с формированием системы Менделеев с высокой степенью точности смог рассчитать их свойства. Хорошо известная история открытия скандия, галлия и германия явилась триумфом менделеевского открытия. Он все предсказания делал на основе им же самим открытого всеобщего закона природы.