Основні принципи будови періодичної системи хімічних елементів.
Періоди́чна систе́ма елеме́нтів — класифікація хімічних елементів, розроблена на основі періодичного закону.
Сучасне формулювання періодичного закону звучить так: властивості елементів перебувають у періодичній залежності від заряду їхніх атомних ядер. Заряд ядра Z дорівнює атомному (порядковому) номеру елемента в системі. Елементи, розташовані за зростанням Z (H, He, Li…) утворюють 7 періодів. Період — сукупність елементів, що починається лужним металом та закінчується благородним газом (особливий випадок — перший період, що складається з двох неметалічних елементів — Н та Не). У 2-у і 3-у періодах — по 8 елементів, у 4-у і 5-у — по 18, у 6-у 32. Вертикальні стовпці — групи елементів з подібними хімічними властивостями. Всередині груп властивості елементів також змінюються закономірно (наприклад, у лужних металів від Li до Fr зростає хімічна активність). Елементи Z = 58-71 та Z = 90-103, особливо схожі за властивостями, утворюють два сімейства — лантаноїдів та актиноїдів. Періодичність властивостей елементів зумовлена періодичним повторенням конфігурації зовнішніх електронних оболонок атомів.
Історія відкриття
Перший перелік хімічних елементів склав в 1789 р. французький хімік А. Л. Лавуазьє. До цього списку увійшли 25 відомих на той час елементів. Першу таблицю відносних атомних мас п'яти хімічних елементів (кисень, азот, вуглець, сірка і фосфор) склав англійський учений Дж. Дальтон в 1803 р.
Тріади Деберейнера
До середини XIX століття були відкриті 63 хімічні елементи, і спроби знайти закономірності в цьому наборі робилися неодноразово.
У 1829 році Деберайнер опублікував знайдений ним «закон тріад»: атомна маса багатьох елементів близька до середнього арифметичного двох інших елементів, близького до початкового за хімічними властивостями (стронцій,кальцій і барій; хлор, бром і йод .)
Таким чином йому вдалося впорядкувати 30 із 53 відомих на той час елементи. Вертикальні тріади: лужні метали — Літій, Натрій, Калій; лужноземельні метали — Кальцій, Стронцій, Барій; солетворні елементи — Хлор, Бром, Йод; та кислотворні — Сульфур, Селен, Телур. Водень, Оксиген, Азот, та Карбон розглядалися ним як ізольовані елементи. Елементи платинової групи було згруповано у дві тріади: Платина, Іридій, Осмій та Паладій, Родій, Плюран. Існування Плюрану було пізніше заперечено. Таким чином Деберайнер закладає грунтовну ознаку для відкриття періодичного закону — вплив на закономірність атомної маси. Роботи Деберайнера по систематизації елементів спочатку не привернули до себе уваги. У 1840 Л. Гмелін, розширивши список елементів, показав, що характер їх класифікації за властивостями набагато складніший, ніж поділ на тріади. Проте закон тріад Деберайнера підготував ґрунт для систематизації елементів, що пізніше завершилася створенням Періодичного закону.
Земна модель Шанкуртуа
Як хімік Шанкуртуа відомий тим, що у 1862 запропонував систематизацію хімічних елементів основану на закономірний зміні атомних мас — т. зв. «Земну спіраль» або «циліндр Бегуйе». Запропонована ним система базувалася на визначених у 1858 році італійським хіміком Станіслао Канніццаро правильних масах хімічних елементів. Систематизація Шанкуртуа являла собою розвиток подібних диференціальних систем Жана Дюма і Макса фон Петтенкофера, які намагалися знайти у елементів співвідношення, подібні тим, що виявляються в гомологічних рядах органічних сполук, і відзначили, що атомні ваги деяких елементів відрізняються один від одного на величину, кратну восьми.
Шанкуртуа наніс на бічну поверхню циліндра, розмічену на 16 частин, лінію під кутом 45 °, на якій помістив точки, що відповідають атомним масам елементів. Таким чином, елементи, атомні ваги яких відрізнялися на 16, або на число кратне 16, розташовувалися на одній вертикальній лінії. При цьому точки, що відповідають подібним за властивостями елементам, часто виявляються на одній вертикальній лінії.
Систематизація Шанкуртуа стала істотним кроком вперед у порівнянні з існуючими тоді системами, проте його робота спочатку залишилася практично непоміченою; інтерес до неї виник тільки після відкриття періодичного закону. Шанкуртуа був одним з перших учених, які відзначили періодичність властивостей елементів; його гвинтовий графік дійсно фіксує закономірні відносини між атомними масами елементів.
Закон Октав
У 1864 р. свій варіант періодичної системи запропонував хімік і музикант Джон Ньюлендс. За запропонованим ним правилом «Всі елементи при впорядкуванні їх за атомною масою повторюють хімічні властивості періодично у кожній восьмій позиції». Тому він називає цю періодичну зміну Законом Октав. За часів Ньюлендса інертні гази не були відомими.
У цьому ж десятилітті з'явилося ще кілька спроб систематизації хімічних елементів; ближче всього до остаточного варіанту у 1864 підійшовЛотар Юліус Маєр (1830–1895). У своїй книзі «Сучасні теорії хімії та їх значення для хімічної статики»він впорядковує відомі на той час елементи за значеннями їх відносної атомної маси у таблицю. У наступному виданні книги 1870 року з'являється вдосконалена таблиця періодичної системи елементів.
Д. І. Менделєєв опублікував свою першу схему періодичної таблиці у 1869 р. у статті «Співвідношення властивостей з атомною вагою елементів» (у журналі Російського хімічного товариства); ще раніше (лютий 1869 р.) наукове повідомлення про відкриття було ним розіслано провідним хімікам світу.
Написавши на картках основні властивості кожного елемента (їх у той час було відомо 63, з яких один — Дідим (Di) — виявився згодом сумішшю двох знову відкритих елементів празеодиму та неодиму), Менделєєв почав багаторазово переставляти ці картки, складати з них ряди схожих за властивостями елементів, зіставляти ряди один з іншим. Підсумком роботи став відправлений у 1869 році до наукових установ Росії та інших країн перший варіант системи («Досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній вазі і хімічній подібності»), у якому елементи були розставлені у дев'ятнадцятьох горизонтальних рядах (рядах подібних елементів, які стали прообразами груп сучасної системи) та у шістьох вертикальних стовпцях (прообразів майбутніх періодів). У 1870 році Менделєєв у «Основах хімії» публікує другий варіант системи («Природну систему елементів»), котра має звичніший для нас вигляд: горизонтальні стовпці елементів-аналогів перетворилися у вісім вертикально розташованих груп; шість вертикальних стовпців першого варіанту перетворилися у періоди, що розпочиналися лужним металом і закінчувалися галогеном. Кожен період був розбитий на два ряди; елементи різних рядів, що увійшли до групи, утворили підгрупи.
Сутність відкриття Менделєєва полягала у тому, що зі зростанням атомної маси хімічних елементів їхні властивості змінюються не монотонно, а періодично. Після певної кількості різних за властивостями елементів, розташованих за зростанням атомної ваги, властивості починають повторюватися. Наприклад, натрій схожий на калій, фтор схожий на хлор, а золото схоже на срібло і мідь. Зрозуміло, властивості не повторюються в точності, до них додаються і зміни. Відмінністю роботи Менделєєва від робіт його попередників було те, що основ для класифікації елементів у Менделєєва була не одна, а дві — атомна маса і хімічна схожість. Для того, щоб періодичність повністю дотримувалася, Менделєєвим були зроблені дуже сміливі кроки: він виправив атомні маси деяких елементів (наприклад, берилію, індію, урану,торію, церію, титану, ітрію), кілька елементів розмістив у своїй системі всупереч прийнятим у той час уявленням про їх схожість з іншими (наприклад, талій, що вважався лужним металом, він помістив у третю групу згідно з його фактичною максимальною валентністю), залишив у таблиці порожні клітини, де повинні були розміститися поки не відкриті елементи. У 1871 році на основі цих робіт Менделєєв сформулювавперіодичний закон, формулювання якого з часом було уточнене та змінене.
На основі періодичності властивостей у періодичній системі елементи формують у групи, періоди або блоки.
Група — один із стовпців періодичної таблиці. Для груп, зазвичай, характерними є краще виражені періодичні тенденції, ніж для періодів чи блоків. Сучасні квантово-механічні теоріїструктури атома пояснюють групову спільність тим, що елементи в межах однієї групи зазвичай мають одинакові електронні конфігурації на своїх валентних оболонках. Відповідно, елементи, які належать до однієї і тієї ж групи, традиційно мають схожі хімічні властивості і демонструють явну закономірність у зміні властивостей у міру збільшенняатомного номера. Втім, у деяких областях таблиці, наприклад — в d-блоці та f-блоці, схожості по горизонталі можуть бути настільки ж важливими або навіть у більшій мірі виражені, ніж вертикальні.
Згідно з міжнародною системою присвоєння назв групам дються номери від 1 до 18 у напрямі зліва направо — від лужних металів до благородних (інертних) газів. Раніше для їх ідентифікації використовувались римські числа. В американській практиці після римськиого числа ставилась також літера A (якщо група разташовується в s-блоці чи p-блоці) або B (якщо група перебуває в d-блоці). Ці ідентифікатори перебувають у відповідності до сучасних числових позначень — наприклад, елементам групи 4 відповідає позначення IVB, а тим, що тепер відомі як група 14 — IVA. Схожа система використовувалась і в Європі, за тим винятком, що літера А стосувалась груп до десятоі, а В — до решти груп з десятої і вище. Групи 8, 9 та 10, крім того, часто розглядадись як одна потрійна група з ідентифікатором VIII. У 1988 році вступила в дію нова система нотації IUPAC, а попередні іменування груп вийшли з ужитку.
Деяким з цих груп були присвоєні тривіальні, несистематичні назви (наприклад, «лужноземельні метали», «галогени» тощо). Групи з третьої до чотирнадцятої, включно, таких імен не мають, і їх ідентифікують або за номером, або за назвою першого представника («титанова», «кобальтовая» і т. д.), так як вони демонструють у меншій мірі ступінь схожості між собою чи відповідність вертикальним закономірностям.
Елементи, що належать до однієї групи, зазвичай, демонструють певні тенденції по атомному радіусу, енергії іонізації та електронегативності. За напрямом згори донизу в рамках групи радіус атома зростає (чим більше у нього заповнених енергетичних рівнів, тим далі від ядра розташовуються валентні електрони), а енергія іонізації зменшується (зв'язки в атомі слабшають, а, значить, вилучити електрон стає простіше), як і електронегативність (що, у свою чергу, також обумовлене зростанням відстані між валентними електронами і ядром). Трапляються, між іншим, і виключення з цих закономірностей — наприклад, в групі 11 за напрямом згори донизу електронегативність зростає
Періоди
Період відповідає рядку періодичної таблиці. Хоча для груп, як вказувалось вище, характернми є суттєвіші тенденції і закономірності, є також області, де горизонтальний напрям є значимішим і показовішим, ніж вертикальний — наприклад, це стосується f-блоку, де лантаноїди і актиноїди утворюють дві важливі горизонтальні послідовності елементів.
В рамках періоду елементи демонструють певні закономірності у всіх трьох згаданих вище аспектах (атомний радіус, енергія іонізації та электронегативність), а також успорідненості до електрона. У напрямі зліва направо атомний радіус зазвичай скорочується (в силу того, що у кожного наступного елемента зростає кількість заряджених часток, і електрони притягуються ближче до ядра), і паралельно з ним зростає енергія іонізації (чим сильніший зв'язок в атомі, тим більше енергії потрібно на вилучення електрона). Відповідним чином зростає і електронегативність. Що стосується енергії спорідненості до електрона, то метали у лівій частині таблиці характеризуються меншим значенням цього показника, а неметали в правій, відповідно, більшим — за виключенням благородних газів.
Періодична система стала важливою віхою у розвитку атомно-молекулярного вчення. Завдяки їй склалося сучасне поняття прохімічний елемент, були уточнені уявлення щодо простих речовин і сполук.
Поява періодичної системи відкрила нову наукову еру в історії хімії та ряді суміжних наук — замість розрізнених відомостей про елементи та сполуки з'явилася струнка система, на основі якої стало можливим узагальнювати, робити висновки, передбачати.
Тріумф спектральних методів аналізу.
Вивчення сонячного спектру почалося з відомих робіт Ньютона 1666, описав явище заломлення світлових променів при проходженні їх через скляну призму. Ньютон спостерігав смугасті спектри. Більше ста років тому, в 1814-1815 р Фраунгофер відкрив линейчастый спектр, пропускаючи світло, що падає на одну з граней призми з флинтгласа через вузьку щілину. Фраунгофер виявив в сонячному спектрі безліч ліній, позначив їх буквами і встановив, що всі лінії в спектрі зберігають однакову відносне положення. Відкриття спектрального аналізу належить німецьким ученим Кирхгоффу і Бунзену і відноситься до 1859г. Заслуга цих вчених полягає у встановленні зв'язку будови спектру з речовиною, від якого спектр був отриманий. В 1859г. Бунзен займався вивчення фарбування полум'я різними речовинами, вносисыми на кінчику платинової дроту в полум'я пальника, сконструйованої ним в 1857г. Намагаючись встановити за кольором полум'я наявність в пробі калію і натрію., Бунзен рассматриал полум'я через світлофільтри. Кирхгоффу прийшла думка скористатися для оцінки кольору полум'я спектральний метод Фраунгофера, Обидва вчених побудували примітивний спектроскоп, призма якого була склеєна з трьох однакових стекол, поставлених ребром на скляній підставці. Одержаний тригранний посудину заповнили водою. Користуючись щілинним пристроєм і оптичним пристроєм, вони вносили в полум'я пальника випробовувані речовини і, отримавши картину спектру, скоро помітили відмінність ліній спектрів для різних металевих солей. Через рік з допомогою такого примітивного спектроскопа було відкрито кілька нових елементів. Бунзен, досліджуючи спектр мінералу лепидолита, виявив блакитну лінію нового металу - цезію. Незабаром був відкритий ще один лужний метал - рубідій. Новий метод аналізу привернув до себе увагу багатьох вчених. Англійський вчений Крукс в 1861 відкрив спектральним шляхом елемент талій. Цей елемент майже одночасно був виявлений французьким хіміком Ламі. У 1863 р німецький металург Рейх зі своїм оссистентом ріхтером відкрив індій. Надалі шляхом спектрального аналізу були відкриті і інші елементи.