Периодическая система элементов и история ее создания
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ
РЕФЕРАТ
Дисциплина:
Естествознание.
Тема:
Периодическая система элементов и история ее создания.
Бологое. 2007 г.
Содержание
Введение
История открытия периодического
закона и периодической системы Принципы построения периодической системы
Описание периодической системы
Заключение
Список использованной литературы
Приложение
Введение
В своем реферате я решила
рассказать о Периодическом законе и Периодической системе Д.И. Менделеева.
Почему я выбрала именно эту тему?
На мой взгляд, данная
тема весьма интересна, к тому же в школе я очень любила химию, и, возможно,
именно это и послужило основополагающим моментом при выборе темы для реферата.
Что же такое
Периодическая система, и какова ее практическая и научная значимость?
Периодическая система
элементов Д.И. Менделеева – естественная система химических элементов,
созданная Д.И. Менделеевым на основе открытого им периодического закона в 1869 г. Менделеев впервые сформулировал сущность периодического закона. А в 1871 г. предложил более развернутую его формулировку:
Современная, более точная
и глубокая формулировка периодического закона отражает периодическую
зависимость свойств элементов от числа электронов в атоме, определяемом зарядом
атомного ядра; это число равно порядковому (атомному) номеру элемента в системе
Менделеева. Поскольку, однако, атомные веса элементов, как правило, возрастают
в той же последовательности, что и заряды атомных ядер, современная табличная
форма периодической системы принципиально совпадает с менделеевской.
Периодическая система отражает объективно существующую взаимосвязь между
химическими элементами. Поэтому она и была названа Менделеевым «естественной»
системой элементов.
Периодический закон не
имеет равных в истории науки. Вместо разрозненных, не связанных между собой
веществ перед наукой встала единая стройная система, объединившая в одно целое
все химические элементы.
Менделеев указал путь
направленного поиска в химии будущего. Многие ученые основывались на
Периодическом законе, предсказывая и описывая неизвестные химические элементы и
их свойства.
Закон Менделеева оказал огромное
влияние на развитие знаний о строении атома, о природе веществ.
периодический закон менделеев
История открытия
периодического закона и периодической системы
Первые попытки
классификации элементов относятся к концу 18-началу 19 вв. Особенно же богат
работами в этой области 19 век, что связано с открытием и исследованием многих
новых элементов. Первоначально классификацию основывали лишь на резко
выраженных физических или химических свойствах. Так, в конце 18-начале 19 вв.
возникло деление элементов на металлы и неметаллы (А. Лавуазье, Я. Берцелиус).
В начале 19 в. с развитием идей химической атомистики и методов химического
анализа, появились первые попытки систематизации элементов по их атомным весам,
признанным основной количественной характеристикой элемента.
В 1864 г. Лотар Мейер изложил в монографии «Современные теории химии и их значение для химической
статистики» имевшиеся литературные данные по вопросу о соотношении атомных
весов родственных элементов и привел таблицу, где показал такие соотношения для
нескольких характерных групп. Каких-либо теоретических обобщений из своей
таблицы Мейер не вывел. Таким образом, ни в одной из работ по классификации
химических элементов, предшествовавших трудам Менделеева, не была обнаружена
взаимосвязь всех химических элементов. Вместе с тем работы предшественников
подготовили почву для открытия Менделеева. Важным событием, подготовившим это
открытие, являлся международный химический съезд в г. Карлеруэ (1860), где были
разграничены понятия «атомный вес» и «химический эквивалент», до сих пор
нередко смешиваемые. Это позволило создать единую систему атомных весов, и
рассмотрение соотношений между атомными весами элементов получило прочную
основу.
Менделеев открыл
периодический закон в 1869 г. Это открытие было подготовлено и предшествующей
15-летней научной деятельностью самого Менделеева, нашедшего отдельные важные
соотношения в свойствах элементов; непосредственным же поводом к поискам
послужило составление систематического курса химии, названного впоследствии
«Основы химии». Как и его предшественники, Менделеев в качестве основной
характеристики, однозначно определяющей химический элемент, выбрал атомный вес.
Но, в отличие от них. Менделеев руководствовался твердой уверенностью в
существовании общего закона природы, определяющего свойства и различия между
всеми элементами. И искал закономерности в изменении атомных весов не только у
химически сходных элементов, внутри одной естественной группы, но и между
несходными элементами. Сопоставив такие крайне противоположные в химическом
отношении, но близкие по атомным весам их членов группы, как щелочные металлы и
галогены, и написав первые под вторыми, Менделеев расположил под и над ними и
другие группы сходных элементов в порядке изменения атомных весов. Оказалось.
Что члены этих естественных групп образуют общий закономерный ряд, причем
химические свойства элементов периодически повторяются.
При размещении элементов
в периодической системе Менделеев руководствовался не только правилом
постепенного возрастания атомного веса. Но и принципом периодичности химических
свойств; среди последних в качестве непосредственного и основного критерия он
выбрал формы кислородных и водородных соединений элементов, соответствующие их
высшей валентности. Соблюдение правил периодичности позволило Менделееву в
нескольких местах системы правильно расположить элементы не в порядке
возрастания атомных весов, а с нарушением этого порядка, как требовали
химические аналогии (Co-Ni, Te-J), а для
некоторых элементов изменить общепринятые в то время атомные веса даже в 1,5-2
раза (Be, In, Ce, U и др.). Одновременно Менделеев
предсказал многие неизвестные тогда элементы, для которых в периодической
системе обнаружились незаполненные места, а для трех из них – так наз. экаалюминия,
экабора и экасицилия, подробно описал ожидаемые свойства. Вскоре эти элементы
были открыты: аналог алюминия – галлий, Лекоком де Буабодраном в 1875, аналог
бора – скандий, Л. Нильсоном в 1879; аналог кремния – германий, А. Винклером в
1886. Поразительное совпадение их свойств с предсказаниями Менделеева привлекло
внимание ученых всего мира; периодический закон получил всеобщее признание и
лег в основу всего последующего развития химии. Над уточнением и развитием своей
системы Менделеев работал ок.40 лет. Но особенно больших успехов достигла
система Менделеева после его смерти, с открытием самой причины периодичности,
заключенной в сложном строении атомов.
Принципы построения
периодической системы
Каждый электрон в атоме,
в соответствии с квантовой механикой, характеризуется четырьмя квантовыми
числами: главным квантовым числом n, принимающим значения n=1,2,3,4
…, азимутальным l, принимающим
значения l=0,1,2 …,n-1, магнитным m,
имеющим (2l+1) значений, и спиновым ms, принимающим значения +1/2 и -1/2.
Состояние с l=0,1,2,3,4… принято обозначать
буквами s, p, d, j, g – и соответственно называть s-, p-, d-, j-, g-…
состояниями. Электроны с данным n
образуют электронный слой, который состоит из n оболочек с l=0,1,2
… n-1 и содержит 2n в квадрате электронов. Отсюда
получаем следующее распределение электронов по слоям и оболочкам.
Таблица 1. Распределение
электронов по слоям и оболочкам.
n
|
1
|
2
|
3
|
4
|
……
|
l
|
0
|
1
|
0
|
1
|
2
|
0
|
1
|
2
|
3
|
……
|
Обозначение слоев и оболочек
|
1s
|
2s
|
2p
|
3s
|
3p
|
3d
|
4s
|
4p
|
4d
|
…….
|
Число электронов в слое
|
2
|
2+6=8
|
2+6+10=18
|
2+6+10+14=32
|
……
|
Отсюда видно, что
максимально возможное число электронов в первом слое (n=1) равно 2 (1s-состояния);
во втором слое – 8 (2s- и 2p-состояния); в третьем и в четвертом
слоях – соответственно 18 и 32 электрона. Тем самым устанавливается связь между
слоистым расположением электронов в атоме и периодической системой: периоды
таблицы Менделеева содержат 2, 8, 18 и 32 элемента. Остается выяснить, почему в
таблице Менделеева встречаются по два раза периоды из 8 и 18 элементов. Это
объясняется тем, что в таблице 1 указано возможное максимальное число
электронов в различных слоях, в действительности же электроны в атомах
располагаются в тех состояниях (из числа возможных), которые соответствуют
наименьшей энергии. Энергия электрона на орбите тем выше, чем больше n, а при данном n тем выше, чем больше l. Поэтому последовательность
энергетических уровней отдельных состояний электрона не всегда совпадает с
последовательностью главных квантовых чисел n.
В табл.2 (см. Приложение)
представлена схема заполнения электронных оболочек последовательно для всех
элементов периодической системы по отдельным периодам. Первый период содержит
лишь два элемента, что соответствует максимальному числу электронов в 1s-состоянии первого слоя. Начиная с Li идет постепенное заполнение второго
слоя вплоть до Ne (Z=10). С одиннадцатого электрона Na начинается заполнение третьего слоя
– третьего периода системы Менделеева. В элементах, следующих за Na, идет последовательное заполнение
электронами состояний 3s и 3p третьего слоя. У Ar восемь электронов составляют
симметричную группу и обусловливают сходство его физико-химических свойств с
неоном. Этим завершается третий период, содержащий, как и второй, 8 элементов.
19-й элемент К начинает новый, четвертый, слой и четвертый период таблицы.
Однако число свободных мест третьего слоя далеко не исчерпано. После Ar остаются еще свободными 10 мест 3d-состояния. Здесь впервые последовательный
порядок заполнения нарушается из-за энергетических соображений. Состояние 4s оказывается энергетически более
выгодным, чем состояние 3d. Но
начиная со Sc и вплоть до Ni вновь становится энергетически более выгодным заполнение
состояния 3d. Все места этого состояния у Ni оказываются заполненными и с Cu начинается нормальное заполнение
состояния 4s четвертого слоя. Это обстоятельство
обусловливает некоторое сходство меди со щелочными металлами. Kr с восьмью электронами в этом слое,
заканчивающий четвертый период, оказывается сходным с Ne и Ar. С
последующего за Kr 37-го элемента Rb начинается застройка пятого слоя, хотя в четвертом слое еще
остаются 24 свободных места – 10 мест в состоянии 4d и 14 мест в состоянии 4f. Здесь, как и у К, состояние 5s оказывается энергетически более выгодным. Достройка
четвертого слоя возобновляется с Y,
начиная с которого идет заполнение 4d-оболочки. Состояния 4f остаются незаполненными
вплоть до 58-го элемента. Лишь с Се они начинают заполняться. Застройка 4f-состояния охватывает 14 элементов,
образующих своеобразную группу лантанидов, весьма сходных между собой по своим
физико-химическим свойствам. Такая же группа элементов с достраивающимися 5f-состояниями, называемая актинидами,
начинается с Th (Z=90).
Таким образом, каждый
период (кроме первого) начинается со щелочного металла с одним валентным
электроном и кончается инертным газом с восьмью валентными электронами,
образующими замкнутую оболочку. Второй и третий периоды, где нормально
застраиваются s- и p-состояния, содержат в соответствии с этим по 8 элементов.
Периоды же четвертый и пятый, в которые вклиниваются группы элементов с
достраивающимися d-состояниями,
содержат по 18 элементов. Наконец, последний полный период – шестой – содержит
32 элемента, т.к. в нем появляется новая группа из 14 элементов с
достраивающимися 4j-состояниями. Тем
самым вся сложная периодичность, открытая Менделеевым, полностью объясняется
расположением электронов по группам, характеризуемым определенными квантовыми
числами.
Интересно отметить, что
72-й элемент в то время, когда Н.Бор строил табл.2, не был открыт. Было неясно,
сколько должно быть лантанидов. Полагая, что число их равно пятнадцати, 72-й
элемент искали среди минералов, содержащих редкие земли. Т.к. число 4f-электронов равно 14, то этот элемент
должен иметь близкую к Zr
внешнюю электронную оболочку. Поэтому Бор предложил искать 72-й элемент в
циркониевых рудах. Этот элемент, наз. гафнием, к торжеству теории Бора, и был
обнаружен в циркониевых рудах.
Что же касается аналогов
лантанидов – актинидов, у которых заполняются предложил искать 72-й элемент в
циркониевых рудах. Этот элемент, наз.гафнием, к торжеству теории Бора, и был
обнаружен в циркониевых рудах.
Что же касается аналогов
лантанидов – актинидов, у которых заполняются 5f-состояния, то здесь следует иметь в виду, что 6d- и 5f-состояния энергетически весьма близки, что обусловливает
легкость переходов электронов между ними и приводит к большим трудностям при
установлении истинного расположения электронов по этим состояниям.
С момента открытия
системы Менделеева было опубликовано несколько сот различных вариантов ее
изображения на плоскости и в пространстве. Наиболее употребительна короткая
таблица, один из возможных вариантов которой помещен в Приложении.
Описание периодической
системы
В таблице помещены
символы элементов, принятые в 1961 г. Международным съездом Союза чистой и
прикладной химии. Для ряда элементов в литературе употребляются различные
названия; например, 86-й элемент наз. радоном (Rn), или эманацией (Еm ), 71-й элемент – лютецием (Lu), или кассиопием (Ср).
Атомные веса даны в
таблице международных атомных весов на 1962 г. в углеродной шкале (за единицу принята 1/12 массы изотопа углерода С в 22 степени). Для радиоактивных элементов,
не имеющих стабильных и долгоживущих радиоактивных изотопов, понятие атомного
веса теряет смысл. Поэтому для таких элементов приведено массовое число
наиболее долгоживущего изотопа.
Для каждого элемента
приведена конфигурация внешних электронных оболочек. Номера электронных слоев,
к которым принадлежат оболочки, даны в первой колонке слева от таблицы.
Например, для Вr (Z=35) конфигурация внешних оболочек s2р5 означает наличие 2 электронов в 4
s-оболочке и 5 электронов в
4р-оболочке, т.е. 4 s24р5; в атоме Вr, кроме внешних оболочек, заполнены и
внутренние; полная электронная конфигурация атома 1s2 2s2 2р6
3s2 3р6 3d10 4 s2
4р5.
Таблица состоит из 7
горизонтальных периодов, в каждом из которых начинается заполнение нового
электронного слоя. В 1-й колонке приведены номера периодов n, совпадающие с величиной главного
квантового числа электронного слоя, наиболее удаленного от атомного ядра. Как
видно из первой таблицы, в 1-м периоде застраивается 1s-оболочка; период содержит 2 элемента. Во 2-м и 3-м периодах,
содержащих по 8 элементов, сначала застраиваются s-, а затем р-оболочки. 4-й и 5-й периоды состоят каждый из 18
элементов, у которых застраиваются сначала соответствующие s-оболочки (4 s и 5s),
затем d-оболочки предыдущих слоев (3d и 4d) и, наконец, р-оболочки (4р и 5р). Элементы, у которых
происходит застройка d-оболочек,
наз. переходными. В 6-м периоде, содержащем 32 элемента, после заполнения 6s-оболочки у Сs и Ва начинает расстраиваться 5d-оболочка у Lа, но
у следующих 14 элементов – лантанидов (Се- Lu) происходит застройка более глубокой 4f-оболочки и только после ее
заполнения достраиваются 5d- и
6р-оболочки (Нf – Нg и Тl – Rn). В 7-м периоде заполнение оболочек
происходит аналогично заполнению в 6-м периоде; последовательно застраиваются 7s-оболочка, затем замещается 1-е место
в 6d-оболочке, после чего происходит
заполнение 5f-оболочки у 14 актинидов. У
следующих, еще неизвестных элементов (их порядковые номера напечатаны в
скобках), должно происходить заполнение 6d-оболочки (элементы с п.н. от 104 до 112) и 7р-оболочки
(113-118).
Элементы в периодической
системе разделяются на 8 вертикальных групп (обозначены римскими цифрами). В
короткой форме таблицы группы состоят из подгрупп – а (основная) и б
(побочная). У элементов 1а подгруппы (щелочных металлов) каждый раз начинается
образование новой электронной оболочки, а у элементов 8а подгруппы (инертных
газов) она заканчивается. Первый по порядку переходный элемент – скандий,
впервые начинает формирование подгруппы б (в 3 гр. сдвинут вправо). Таким
образом, у элементов главных подгрупп застраиваются s- и р-оболочки, у элементов побочных подгрупп – d- и f-оболочки.
Как видно из таблицы,
номер группы периодической системы совпадает с общим числом наружных s- и р-электронов у элементов главной
подгруппы, т.е. с максимальным числом их валентных электронов. В побочных подгруппах
эта правильность имеет ряд исключений. Тем не менее можно в общем сказать, что
номер группы в периодической системе совпадает с общим числом валентных
электронов у атомов элементов, расположенных в этой группе. Подтверждается
таким образом и общее определение групп, данное Менделеевым: номер группы равен
максимальной валентности элемента по кислороду.
Периодическая система
была опубликована Менделеевым в 2 формах – короткой, в которой элементы больших
периодов подразделяются на два ряда, и длинной, где элементы больших периодов
располагаются в один непрерывный ряд. Сам Менделеев пользовался главным образом
короткой системой. В длинной форме периодической системы каждый элемент с
аналогичной электронной структурой помещен в отдельной группе, поэтому длинная
форма таблицы более строго соответствует электронной структуре и химическим
аналогам.
Заключение
Периодическая система
Д.И. Менделеева, или таблица Менделеева, украшает каждый кабинет химии в школе,
лаборатории в вузе или техникуме. Страничка с нею есть в каждом учебнике или
справочнике по физике или химии.
Открытие Д.И. Менделеева,
сделанное в 1869 г., имеет огромное значение для познания и развития мира, в
котором мы живем. Менделеев оставил нам огромное научное наследие в различных
областях человеческих знаний таких, как физика, химия, химическая технология,
воздухоплавание, метеорология и др.
Менделееву удалось внести
систему в химический мир элементов. Он превратил отрывочные наблюдения и опыты
над веществом в строгую и стройную науку. Можно сказать, что он впервые
построил науку химию.
Периодическая система
элементов – главное творение гения.
В своем реферате я лишь
коротко рассказала об этом великом открытии, изучила строение и историю
создания Периодической системы. На мой взгляд, рассмотрение данного вопроса
очень занимательно, и в свое свободное время я обязательно еще возвращусь к
рассматриваемой теме.
Список использованной
литературы:
1. Краткая химическая энциклопедия,
Москва, 1964 г.
2. Концепции современного
естествознания. Самыгин А.Д. , Ростов-на-Дону, 2007 г.
3. Я познаю мир. Под ред. Савина
Л.А., Москва, 1996 г.
4. Учебник по химии. 8 кл., Москва, 1998 г.
Размещено
на .ru