Оглавление
- 1 Периодическая таблица Менделеева
- 1.1 История и структура периодической таблицы
- 1.2 Периодический закон и его развитие
- 1.3 Современные представления и открытия
- 1.4 Структура элементов
- 1.5 Названия и номера групп
- 1.6 Формы представления информации
- 1.7 Формы периодической таблицы Менделеева
- 1.8 Преимущества и недостатки форм
- 1.9 Электронные конфигурации
- 1.10 Порядок заполнения подоболочек
- 1.11 Заполнение оболочек
- 1.12 Группы и блоки
- 1.13 Заполнение последующих оболочек
- 1.14 Аномалии в периодической таблице
- 1.15 Заполнение орбиталей
- 1.16 Заполнение 5s, 4d и 5p орбиталей
- 1.17 Заполнение 6s, 5f, 6d и 7p орбиталей
- 1.18 Заполнение 7s, 5f, 6d и 7p орбиталей
- 1.19 Завершение периодической таблицы
- 1.20 Электронная конфигурация
- 1.21 Дискуссии о водороде и гелии
- 1.22 Перемещение гелия в группу 2
- 1.23 Группа 3
- 1.24 Периодические тенденции
- 1.25 Атомный радиус
- 1.26 Переходные элементы
- 1.27 Релятивистские эффекты
- 1.28 Спин-орбитальное взаимодействие и периодичность
- 1.29 Электронные конфигурации и химия
- 1.30 Атомные и ионные радиусы
- 1.31 Энергия ионизации
- 1.32 Сродство к электрону
- 1.33 Валентность и степени окисления
- 1.34 Общие степени окисления
- 1.35 Химическое поведение элементов
- 1.36 Стабильные элементы 14-й группы
- 1.37 Электроотрицательность
- 1.38 Металличность
- 1.39 Элементы группы 14
- 1.40 Элементы групп 15-17
- 1.41 Разделительная линия между металлами и неметаллами
- 1.42 Аллотропы элементов
- 1.43 Классификация элементов
- 1.44 Периодичность свойств
- 1.45 Классификация элементов
- 1.46 История
- 1.47 Ранние попытки классификации элементов
- 1.48 Прорыв Менделеева
- 1.49 Развитие периодической таблицы
- 1.50 Проблемы с лантаноидами
- 1.51 Атомный номер и электронная таблица
- 1.52 Изотопы и электронные оболочки
- 1.53 Теория Бора и её развитие
- 1.54 Расширение теории Бора
- 1.55 Развитие электронных конфигураций
- 1.56 Периодическая таблица и её развитие
- 1.57 Классификация элементов
- 1.58 Синтетические элементы
- 1.59 Конфликты и споры
- 1.60 История открытия элементов
- 1.61 Методы открытия элементов
- 1.62 Будущее периодической таблицы
- 1.63 Ядерная стабильность и ограничения
- 1.64 Альтернативные теории и технологии
- 1.65 История и разнообразие периодических таблиц
- 1.66 Альтернативные формы периодических таблиц
- 1.67 Вопросы и обсуждения
- 1.68 Критика и аргументы
- 1.69 Дополнительные ресурсы
- 1.70 Полный текст статьи:
- 2 Таблица Менделеева – Arc.Ask3.Ru
Периодическая таблица Менделеева
-
История и структура периодической таблицы
- Периодическая таблица Менделеева была создана Дмитрием Менделеевым в 1869 году.
- Таблица упорядочивает химические элементы по атомным номерам и группам.
- Элементы одной группы имеют сходные химические характеристики.
-
Периодический закон и его развитие
- Периодический закон гласит, что свойства элементов повторяются с увеличением атомного номера.
- В начале 20 века атомные номера и квантовая механика помогли прояснить структуру атома.
- В 1945 году Гленн Т. Сиборг открыл, что актиниды являются элементами f-блока.
-
Современные представления и открытия
- К 2010 году было известно 118 элементов, заполнивших первые семь строк таблицы.
- Новые открытия позволяют расширять таблицу, но неизвестно, сколько еще элементов возможно.
- Продолжается дискуссия о правильности расположения элементов в таблице.
-
Структура элементов
- Каждый элемент имеет уникальный атомный номер, определяющий его класс.
- Изотопы элементов группируются под одним элементом, но не разделяются в таблице.
- Элементы со сходными химическими свойствами обычно попадают в одну группу.
-
Названия и номера групп
- Группы нумеруются от 1 до 18, игнорируя f-блоки.
- Группы могут быть названы по первому элементу, например, “скандиевая группа”.
- В 1988 году была введена новая система наименований ИЮПАК.
-
Формы представления информации
- Периодическая таблица обычно представлена с вырезанными элементами f-блока для экономии места.
- Это сокращает количество столбцов элементов с 32 до 18.
-
Формы периодической таблицы Менделеева
- Существуют две формы периодической таблицы Менделеева: с f-образным блоком и без него.
- Форма с f-образным блоком называется 32-столбцовой или удлиненной.
- Форма без f-образного блока называется 18-столбцовой или средне-длинной.
-
Преимущества и недостатки форм
- Форма с f-образным блоком требует больше места, но отображает элементы в правильной последовательности.
- Форма без f-образного блока более компактна, но элементы могут быть представлены в неправильной последовательности.
-
Электронные конфигурации
- Периодическая таблица Менделеева основана на периодическом законе, который связывает свойства элементов с их атомным номером.
- Элементы расположены в таблице в соответствии с их электронными конфигурациями.
- Электроны находятся на атомных орбиталях, которые характеризуются квантовыми числами.
-
Порядок заполнения подоболочек
- Последовательность заполнения подоболочек определяется принципом Ауфбау.
- Электроны заполняют орбитали в порядке возрастания n + ∞.
- Каждая строка таблицы начинается с заполнения новой s-орбитали.
-
Заполнение оболочек
- Водород имеет конфигурацию 1s1.
- Гелий добавляет второй электрон, заполняя первую оболочку.
- Литий заполняет вторую оболочку, его валентный электрон находится на 2s-орбитали.
- Бор заполняет 2p-орбитали, углерод и азот заполняют оставшиеся 2p-орбитали.
- Кислород, фтор и неон заполняют 2p-орбитали, завершая вторую оболочку.
- Натрий заполняет третью оболочку, магний завершает 3s-орбиталь.
- Алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор и аргон заполняют 3p-орбитали.
-
Группы и блоки
- Элементы в одном столбце имеют одинаковое количество валентных электронов.
- Гелий обычно помещается в группу неона и аргона.
- Элементы в s-блоке заполняют s-орбитали, в p-блоке — p-орбитали.
-
Заполнение последующих оболочек
- Калий и кальций заполняют 4s-орбиталь.
- Скандий заполняет 3d-орбиталь, которая конкурирует с 4s-орбиталью.
- Хром и медь имеют аномальные конфигурации из-за нарушения правила Маделунга.
-
Аномалии в периодической таблице
- Аномалии в периодической таблице не имеют химического значения.
- Различные конфигурации близки по энергии, что нарушает баланс.
- Периодическая таблица игнорирует аномалии и рассматривает идеализированные конфигурации.
-
Заполнение орбиталей
- Цинк заполняет 3d-орбитали, галлий и криптон заполняют 4p-орбитали.
- Начиная с галлия, 3d-орбитали становятся частью ядра.
- Элементы s- и p-блоков заполняют внешние оболочки, d-блоки заполняют внутренние оболочки.
-
Заполнение 5s, 4d и 5p орбиталей
- 5s-орбитали заполняют рубидий и стронций.
- 4d-орбитали заполняют иттрий и кадмий.
- 5p-орбитали заполняют индий и ксенон.
-
Заполнение 6s, 5f, 6d и 7p орбиталей
- 6s-орбитали заполняют цезий и барий.
- 5f-орбитали заполняют лантан и иттербий.
- 6d-орбитали заполняют лютеций и таллий.
- 7p-орбитали заполняют франций и радий.
-
Заполнение 7s, 5f, 6d и 7p орбиталей
- 7s-орбитали заполняют франций и радий.
- 5f-орбитали заполняют актиний и нобелий.
- 6d-орбитали заполняют лоуренсий и коперниций.
- 7p-орбитали заполняют нихоний и оганессон.
-
Завершение периодической таблицы
- Современная периодическая таблица заполнена до отказа.
- Все семь строк заполнены до отказа.
-
Электронная конфигурация
- Элементы основной группы имеют правильные электронные конфигурации.
- Переходные и внутренние переходные элементы демонстрируют нерегулярности.
- Для последних десяти элементов экспериментальные данные отсутствуют.
-
Дискуссии о водороде и гелии
- Водород обычно помещают в группу 1, но гелий часто помещают в группу 18.
- Водород обладает свойствами, соответствующими как щелочным металлам, так и галогенам.
- Гелий обычно помещают в группу 18, но его свойства ближе к элементам второй группы.
- Некоторые химики предлагают перенести гелий в группу 2 из-за его аномалий и сходства с бериллием.
-
Перемещение гелия в группу 2
- Гелий становится первым элементом группы 2, а неон — первым элементом группы 18.
- Гелий помещен в 18-ю группу из-за его инертности.
- Водород и гелий редко встречаются вне всех групп.
-
Группа 3
- f-блок сдвинут на один элемент вправо, лантан и актиний в группе 3.
- Современные измерения подтверждают форму с лютецием и лоуренсием в группе 3.
- Лантан и актиний не могут быть элементами f-блока из-за их валентных f-орбиталей.
-
Периодические тенденции
- Элементы с похожими внешними электронными конфигурациями реагируют аналогично.
- Периодические рецидивы наблюдались задолго до разработки теории.
-
Атомный радиус
- Атомные радиусы зависят от размеров орбиталей.
- Радиусы уменьшаются при движении слева направо и увеличиваются при движении вниз по колонне.
- Первый ряд каждого блока аномально мал из-за каиносимметрии.
-
Переходные элементы
- Внутренняя оболочка заполняется, но размер атома определяется внешними электронами.
- Атомы 4p и 5d меньше, чем ожидалось, из-за неполного экранирования заряда ядра.
- Четно-нечетная разница между периодами приводит к вторичной периодичности.
-
Релятивистские эффекты
- Тяжелые элементы приобретают иные свойства по сравнению с легкими гомологами.
-
Спин-орбитальное взаимодействие и периодичность
- Спин-орбитальное взаимодействие расщепляет p-подоболочку, стабилизируя одну орбиталь и дестабилизируя две другие.
- Релятивистские эффекты объясняют, почему золото и ртуть имеют разные свойства.
- Ожидается, что релятивистские эффекты станут сильными в конце седьмого периода, что может нарушить периодичность.
-
Электронные конфигурации и химия
- Электронные конфигурации точно известны только до элемента 108.
- Экспериментальная химия после 108-го элемента проведена только для элементов со 112-го по 115-й.
- Химическая характеристика самых тяжелых элементов остается предметом текущих исследований.
-
Атомные и ионные радиусы
- Атомные радиусы уменьшаются слева направо и снизу вверх.
- Ионные радиусы также уменьшаются слева направо, но сложнее исследовать из-за различий в заряде ионов.
- Ионы одного и того же элемента уменьшаются по мере удаления электронов.
-
Энергия ионизации
- Энергия ионизации увеличивается слева направо и снизу вверх.
- В серии переходов внешние электроны теряются, несмотря на заполнение внутренних орбиталей.
- Энергия ионизации коррелирует с химической реактивностью.
-
Сродство к электрону
- Сродство к электрону увеличивается снизу вверх и слева направо.
- Благородные газы не обладают сродством к электрону и не образуют стабильные анионы.
- Сродство к электрону коррелирует с реакционной способностью, но не идеально.
-
Валентность и степени окисления
- Валентность элемента определяется числом атомов водорода или кислорода, которые могут соединиться с ним.
- Валентности элементов основной группы связаны с номером группы.
- Валентность высших оксидов увеличивается в соответствии с формулами M2O, MO, M2O3, MO2, M2O5, MO3, M2O7.
- Степени окисления определяются формальным зарядом элемента в соединении.
-
Общие степени окисления
- Общие степени окисления элементов p-блока изменяются на 2 ступени.
- Для переходных металлов общие степени окисления почти всегда не ниже +2.
- Лантаноиды и поздние актиноиды обычно имеют стабильную степень окисления +3.
-
Химическое поведение элементов
- Элементы одной группы имеют одинаковую валентную конфигурацию и проявляют сходное химическое поведение.
- Водород также имеет один валентный электрон, но его химическое поведение отличается от щелочных металлов.
-
Стабильные элементы 14-й группы
- Включают неметалл (углерод), два полупроводника (кремний и германий) и два металла (олово и свинец)
- Имеют четыре валентных электрона, что приводит к сходству максимальной и минимальной степеней окисления
-
Электроотрицательность
- Атомы могут образовывать ковалентные связи, разделяя электроны парами
- Электроотрицательность зависит от способности ядра притягивать электроны
- Щелочные и щелочноземельные металлы наиболее электроположительные, халькогены, галогены и благородные газы наиболее электроотрицательные
-
Металличность
- Простые вещества, состоящие из более электроотрицательных атомов, образуют ковалентные связи
- Благородные газы остаются в виде отдельных атомов
- Металлы образуют “море” электронов, удерживающее ионы вместе
- Металличность можно предсказать по электронным свойствам
-
Элементы группы 14
- Углерод образует ковалентные связи, но не является металлом
- Кремний и германий являются полупроводниками, олово и свинец – металлами
- С повышением температуры неметаллы приобретают полупроводниковые свойства
-
Элементы групп 15-17
- Легкие элементы образуют ковалентные молекулы, тяжелые – длинные цепочки или слоистые структуры
- Черный фосфор, черный мышьяк, серый селен, теллур и йод являются полупроводниками
- Серый мышьяк, сурьма и висмут являются полуметаллами, полоний и астатин – металлами
-
Разделительная линия между металлами и неметаллами
- Проходит примерно по диагонали сверху вниз слева направо
- Металлов значительно больше, чем неметаллов
- Элементы вблизи границы трудно классифицировать, их называют полуметаллами или металлоидами
-
Аллотропы элементов
- Элементы, окрашенные в желтый цвет, образуют металлические связи
- Элементы, окрашенные в светло-голубой цвет, образуют гигантские ковалентные структуры
- Элементы, окрашенные в темно-синий цвет, образуют небольшие ковалентно связанные молекулы
- Благородные газы окрашены в фиолетовый цвет, их молекулы состоят из отдельных атомов
-
Классификация элементов
- Металлы: блестящие, плотные, проводят электричество и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.
- Неметаллы: тусклые, не проводят электричество и тепло, имеют низкие температуры плавления и кипения, часто жидкие или газообразные при комнатной температуре.
- Полуметаллы: промежуточные свойства между металлами и неметаллами, часто имеют полупроводниковые свойства.
-
Периодичность свойств
- Элементы в одной группе имеют схожие свойства.
- Диагональные отношения между элементами с одинаковым числом валентных электронов.
- Элементы с одинаковым числом валентных электронов, но разными типами орбиталей, связаны вторичными или изодонорными отношениями.
- Элементы с одинаковым числом валентных вакансий, но разными числами валентных электронов, связаны третичными или изоакцепторными отношениями.
-
Классификация элементов
- Группы элементов: щелочные металлы, щелочноземельные металлы, галогены и благородные газы.
- p-блок элементы: металлы, неметаллы, полуметаллы.
- Лантаниды: элементы La–Lu, редкоземельные элементы добавляют Sc и Y.
- Актиниды: элементы Ac–Lr, вариации свойств больше, чем у лантанидов.
- Трансактиниды: короткоживущие элементы за актинидами.
-
История
- Ранняя история: элементы классифицировались по их свойствам.
- Современные классификации: IUPAC и национальные вариации.
-
Ранние попытки классификации элементов
- Иоганн Вольфганг Деберейнер в 1829 году предложил триады элементов.
- Джон Ньюлендс в 1863 году опубликовал статью о периодичности элементов.
- Лотар Мейер в 1864 году предложил раннюю версию периодической таблицы.
-
Прорыв Менделеева
- Дмитрий Менделеев в 1869 году создал периодическую таблицу.
- Менделеев предсказал свойства эка-бора, эка-алюминия и эка-кремния.
- В 1875 году Поль-Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий, подтвердив предсказание Менделеева.
-
Развитие периодической таблицы
- В 1879 году Ларс Фредрик Нильсон открыл скандий.
- В 1886 году Клеменс Винклер открыл германий.
- В конце XIX века были открыты благородные газы, подтвердив периодический закон.
-
Проблемы с лантаноидами
- Богуслав Браунер в 1902 году предложил гипотезу астероидов для лантаноидов.
-
Атомный номер и электронная таблица
- Антониус ван ден Брук в 1913 году предположил, что атомный номер определяет расположение элементов.
- Генри Мозли в 1914 году подтвердил это предположение.
- Манне Зигбан установил атомный номер урана.
-
Изотопы и электронные оболочки
- Фредерик Содди ввел термин “изотоп” в 1913 году.
- Нильс Бор в 1913 году предложил электронную таблицу Менделеева на основе квантового атома.
-
Теория Бора и её развитие
- Бор объяснил, что максимальное количество электронов в оболочке равно восьми.
- В более крупных атомах внутренняя оболочка также содержит восемь электронов.
- Теория Бора была улучшена после открытия новых квантовых чисел.
-
Расширение теории Бора
- Вальтер Коссель систематизировал химические потенциалы теории Бора.
- Коссель предложил, что электроны должны быть расположены в концентрических оболочках.
- Ирвинг Ленгмюр предложил существование орбиталей, которые могут содержать только два электрона.
-
Развитие электронных конфигураций
- Чарльз Ругели Берри предложил, что восемь и восемнадцать электронов в оболочке образуют стабильные конфигурации.
- Вольфганг Паули расширил схему Бора до использования четырех квантовых чисел и сформулировал принцип исключения.
- Фридрих Хаунд предложил конфигурации, близкие к современным.
-
Периодическая таблица и её развитие
- Периодическая таблица стала основываться на количестве валентных электронов.
- Эрвин Маделунг эмпирически наблюдал принцип Aufbau.
- В 1961 году Всеволод Клечковски вывел первую часть правила Маделунга.
-
Классификация элементов
- Переход металлов и лантанидов были выделены в отдельные группы.
- Положение лантанидов оставалось под вопросом из-за неправильных измерений.
- В 1948 году Лев Ландау и Евгений Лифшиц отметили, что лютеций является d-элементом.
-
Синтетические элементы
- К 1936 году осталось четыре недостающих элемента.
- В 1937 году был синтезирован технеций.
- Элементы 61, 85 и 87 были синтезированы в 1940-1945 годах.
- Элементы за ураном также были синтезированы, начиная с нептуния в 1940 году.
-
Конфликты и споры
- В 1960-1970-х годах возникли споры о названиях элементов 102-106.
- IUPAC сначала придерживался выжидательной позиции, но из-за Холодной войны это не привело к консенсусу.
-
История открытия элементов
- В 1985 году создана Рабочая группа по трансфермию для установления критериев открытия элементов.
- В 1991 году опубликованы критерии, в 1997 году элементы получили окончательные названия.
- В 2016 году все элементы до 118 были официально добавлены в таблицу.
-
Методы открытия элементов
- Юрий Оганесян разработал методы для открытия элементов со 107 по 118.
- Оганессон назван в честь Оганесяна, флеровий — в честь Флерова.
-
Будущее периодической таблицы
- Элементы 113-118 завершили седьмую строку таблицы.
- Восьмой период должен начинаться с элементов 119 и 120, но релятивистские эффекты усложняют заполнение подоболочек.
- Элементы 121-156 не подходят под предыдущие группы, но могут быть отнесены к 5g, 6f и другим сериям.
- Элементы 157-172 могут быть химически аналогичны группам 3-18.
-
Ядерная стабильность и ограничения
- Ядерная стабильность ограничивает количество возможных элементов.
- Сверхтяжелые нуклиды с числом нейтронов более 184 имеют короткое время жизни.
- Возможно, периодическая таблица заканчивается на элементе 120.
-
Альтернативные теории и технологии
- Кварковая материя может стать стабильной при высоких массовых числах.
- Производство элементов восьмого ряда будет затруднено и потребует новых технологий.
-
История и разнообразие периодических таблиц
- Периодический закон может быть представлен различными способами.
- Эдвард Дж. Мазурс собрал около 700 версий таблицы Менделеева за 100 лет.
- Многие формы сохраняют прямоугольную структуру, включая таблицу Жане и модернизированную форму Менделеева.
-
Альтернативные формы периодических таблиц
- Существуют экзотические формы, такие как спирали, круги и треугольники.
- Альтернативные таблицы подчеркивают химические или физические свойства элементов.
- Стандартная форма остается самой распространенной.
-
Вопросы и обсуждения
- Существует ли оптимальная форма периодической таблицы?
- Таблица Джанет с левым шагом обсуждается как кандидат на оптимальную форму.
- Скерри поддерживает эту форму, указывая на её регулярность и соответствие правилу Маделунга.
-
Критика и аргументы
- Расположение гелия поверх щелочноземельных металлов может быть недостатком с химической точки зрения.
- Скерри возражает, ссылаясь на аномалию первого ряда и связь таблицы с квантовой механикой.
-
Дополнительные ресурсы
- Периодическая таблица представлена в цифровых коллекциях Института истории науки.
- Доступны интерактивные макеты и базы данных периодических таблиц.
- Эрик Скерри специализируется на истории и философии периодической таблицы.