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 правильном расположении 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.
- Обе формы представляют одну и ту же таблицу, но с разными редакционными решениями.
-
Электронные конфигурации
- Периодическая таблица Менделеева описывает периодический закон.
- Элементы расположены в соответствии с их электронными конфигурациями.
- Электроны подчиняются принципу исключения Паули и заполняют орбитали в соответствии с принципом Ауфбау.
-
Порядок заполнения подоболочек
- Правило Маделунга определяет последовательность заполнения подоболочек.
- 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 — вторую 2p-орбиталь, азот — все три 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 4s и 3d-оболочек
- Калий и кальций заполняют 4s-оболочку.
- Скандий заполняет 3d-оболочку, которая становится следующей по величине энергии.
- 4s- и 3d-оболочки конкурируют за заполнение электронами.
- Энергетический порядок 3d и 4s изменяется вдоль ряда.
- 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, 4f и 5d орбиталей
- 6s-орбитали заполняют цезий и барий.
- 4f-орбитали заполняют лантан и иттербий.
- 5d-орбитали заполняют лютеций и таллий.
-
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 конфигурации.
- Переходные и внутренние переходные элементы демонстрируют нерегулярности.
- Для последних десяти элементов экспериментальные данные отсутствуют.
-
Дискуссии о водороде и гелии
- Водород обычно помещается в группу 1, гелий — в группу 18.
- Водород имеет свойства, соответствующие как щелочным металлам, так и галогенам.
- Гелий обычно помещают в группу 18, но некоторые химики предлагают его перевод в группу 2.
-
Аномалии первого ряда
- Первая орбиталь любого типа мала, что делает первый ряд элементов маленьким.
- Гелий проявляет аномалии, если его поместить в группу 2, а не в группу 18.
- Соотношение между гелием и бериллием напоминает соотношение между водородом и литием.
-
Перемещение гелия в группу 2
- Гелий становится первым элементом группы 2, а неон — первым элементом группы 18.
- Гелий отнесен к 18-й группе из-за его чрезвычайной инертности.
-
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 были замечены задолго до разработки теории.
-
Атомный радиус
- Атомные радиусы зависят от размеров их самых удаленных 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 их более легкими гомологами.
-
Спин-орбитальное взаимодействие
- Расщепляет p-подоболочку на релятивистски стабилизированную и дестабилизированную
- Объясняет, почему золото и ртуть имеют разные свойства
- Ожидается усиление релятивистских эффектов в конце седьмого периода
-
Электронные конфигурации и химия
- Точные конфигурации известны до элемента 108
- Экспериментальная химия за пределами 108 проведена для 112-114 элементов
- Химическая характеристика тяжелых элементов остается предметом исследований
-
Атомные и ионные радиусы
- Уменьшаются слева направо и снизу вверх
- Ионы с одинаковой электронной конфигурацией уменьшаются с увеличением атомного номера
- Ионы одного элемента уменьшаются по мере удаления электронов
-
Энергия ионизации
- Зависит от радиуса атома
- Минимизируется в водороде и щелочных металлах
- Возрастает до инертных газов
- Исключения: кислород, где межэлектронное отталкивание облегчает удаление электрона
-
Сродство к электрону
- Противоположно энергии ионизации
- Увеличивается снизу вверх и слева направо
- Исключения: благородные газы, которые не имеют сродства к электрону
-
Валентность и степени окисления
- Определяется количеством атомов водорода или кислорода, которые могут соединиться
- Валентности элементов основной группы связаны с номером группы
- Валентности высших оксидов увеличиваются с формулами M2O, MO, M2O3 и т.д.
- Степени окисления определяются формальным зарядом элемента в соединении
-
Объяснение валентности
- Зависит от количества валентных электронов
- В d- и f-блоках теоретический максимум валентных электронов недостижим
- Энергия гидратации влияет на образование соединений
-
Степени окисления переходных металлов
- Общие степени окисления почти всегда не ниже +2
- Лантаноиды и поздние актиноиды обычно имеют стабильную степень окисления +3
- Наивысшая формальная степень окисления увеличивается с +3 до +7 или +8, затем уменьшается до +2
-
Химическое поведение элементов
- Элементы одной группы имеют сходное химическое поведение
- Водород имеет один валентный электрон, но его поведение отличается от щелочных металлов
-
Стабильные элементы группы 14
- 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
- Ширина запрещенной зоны уменьшается с увеличением атомного радиуса
- Черный фосфор, черный мышьяк, серый селен, теллур и йод являются полупроводниками, серый мышьяк, сурьма и висмут — 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
-
Классификация элементов
- Металлы блестящие, плотные, проводят электричество и тепло.
- Неметаллы образуют ковалентные кристаллы, тусклые, плохо проводят электричество.
- Металлоиды занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами.
-
Периодичность и взаимосвязи
- Элементы в периодической таблице Менделеева связаны диагонально и по группам.
- Существуют вторичные и третичные отношения между элементами с одинаковым числом валентных электронов.
- Физические и химические свойства элементов периодически изменяются.
-
Классификация элементов
- Группы элементов обозначаются по их номеру или первому элементу.
- Лантаноиды и актиноиды включают элементы La–Lu и Ac–Lr соответственно.
- Трансактиниды — это короткоживущие элементы после актинидов.
-
История
- Ранняя история классификации элементов.
- Современные классификации и терминология.
-
Ранние попытки классификации элементов
- Иоганн Вольфганг Деберейнер в 1829 году предложил триады элементов.
- Джон Ньюлэндс 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, охватывающую большинство известных элементов.
- В 1871 году он предсказал свойства трех неизвестных элементов.
- В 1875 году Поль-Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий, подтвердив предсказание Менделеева.
-
Развитие периодической таблицы
- В 1879 году Ларс Фредрик Нильсон открыл скандий, подтвердив предсказание Менделеева.
- В 1886 году Клеменс Винклер открыл германий, подтвердив предсказание Менделеева.
- В конце XIX века были открыты благородные газы, подтвердив периодический закон.
-
Проблемы с лантаноидами
- В 1902 году Богуслав Браунер предложил объединить лантаноиды в одну группу.
- В 1913 году Антониус ван ден Брук предположил, что ядерный заряд определяет расположение элементов.
-
Атомный номер и электронная таблица
- Эрнест Резерфорд ввел термин «атомный номер» в 1914 году.
- Генри Мозли подтвердил предположение ван ден Брука в 1914 году.
- Манне Зигбан установил атомный номер урана.
-
Изотопы и электронные оболочки
- Фредерик Содди ввел термин «изотоп» в 1913 году.
- Нильс Бор предложил электронные оболочки в 1913 году.
-
Теория Бора и её развитие
- Бор объяснил, что максимальное количество электронов в оболочке равно восьми.
- Коссель расширил теорию, предложив, что электроны должны быть помещены в концентрические оболочки.
- Ленгмюр постулировал существование орбиталей, каждая из которых могла содержать только два электрона.
- Бери предположил, что восемь и восемнадцать электронов образуют стабильные конфигурации.
-
Квантовая теория и её влияние
- Паули расширил схему Бора, включив четыре квантовых числа.
- Хунд пришел к конфигурациям, близким к современным.
- Принцип Ауфбау был эмпирически обнаружен Маделунгом в 1926 году.
-
Классификация элементов
- Бор использовал форму Томсена в своей Нобелевской лекции.
- Ханд предположил, что лантаноиды имеют конфигурацию [Xe]4f0−145d16s2.
- Ландау и Лифшиц отметили, что лютеций правильно рассматривать как элемент d-блока.
- ИЮПАК подтвердил состав группы 3 в 1988 году.
-
Синтетические элементы
- Технеций был первым элементом, синтезированным искусственно в 1937 году.
- Элементы 61, 85 и 87 также были получены искусственно.
- Элементы за пределами урана были открыты искусственным путем, начиная с нептуния в 1940 году.
- Сиборг назвал элементы, начиная с актиния, актинидами.
-
Споры о названиях элементов
- В 1960-х и 1970-х годах возникли разногласия по поводу элементов со 102 по 106.
- ИЮПАК сначала придерживался нейтрального подхода, но из-за холодной войны консенсус не был достигнут.
-
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.
- Оганесян возглавлял команды для открытия элементов со 114 по 118.
- Самый тяжелый элемент, оганессон, назван в честь Оганесяна.
-
Будущее периодической таблицы
- Элементы 113-118 завершили седьмую строку таблицы.
- Будущие элементы должны начинаться с восьмого ряда.
- Попытки синтезировать элементы 119-120 продолжаются.
-
Проблемы с восьмым периодом
- Восьмой период должен начинаться с двух восьмерок, но энергетические перекрытия усложняют структуру.
- Элементы с 121 по 156 не подходят к предыдущим группам.
- Элементы 157-172 могут быть химически аналогичны группам 3-18.
-
Ядерная стабильность и ограничения
- Ядерная стабильность ограничивает количество возможных элементов.
- Сверхтяжелые нуклиды могут быть нестабильными.
- Возможно, периодическая таблица заканчивается на элементе 120.
-
Технологические и химические сложности
- Производство элементов 119-120 возможно, но элементы за пределами этого требуют новых технологий.
- Экспериментальная химическая характеристика элементов 119-120 сложна.
-
Альтернативные периодические таблицы Менделеева
- Существует множество различных форм периодической таблицы Менделеева.
- Эдвард Дж. Мазурс собрал около 700 версий таблицы за 100 лет.
- Многие формы сохраняют прямоугольную структуру, включая таблицу с левой ступенью и модернизированную форму с 8 столбцами.
- Другие форматы включают спирали, круги и треугольники.
-
Цели альтернативных таблиц
- Альтернативные таблицы разрабатываются для выделения химических или физических свойств элементов.
- Некоторые таблицы ориентированы на химию или физику с обеих сторон.
- Стандартная форма остается наиболее распространенной.
-
Вопросы и обсуждения
- Существует ли оптимальная или окончательная форма таблицы?
- Нет единодушных ответов на эти вопросы.
- Таблица Джанет с левым шагом обсуждается как кандидат на оптимальную форму.
-
Аргументы в пользу таблицы Джанет
- Таблица Джанет проясняет природу гелия как элемента s-типа.
- Она увеличивает регулярность за счет повторения длин периодов.
- Упорядочивает триады атомных номеров и тенденцию аномалий первого ряда.
-
Критика и возражения
- Расположение гелия поверх щелочноземельных металлов может рассматриваться как недостаток.
- 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.