Лекція 2 періодичний закон д.І. Менделєєва і періодична система елементів. Будова атома
Програмні питання:
2.1 Історія відкриття періодичного закону
2.2 Періодична система хімічних елементів
2.3 Сучасні уявлення про будову атомів хімічних елементів. Ізотопи, ізобари, ізотони
2.4 Стан електронів у атомах. Квантові числа
2.5 Будова атомів і періодична система елементів. Сучасне формулювання періодичного закону
2.6 Залежність властивостей елементів від будови їх атомів
2.7 Енергія йонізації, енергія спорідненості до електрона. Електронегативність хімічних елементів
Контрольні питання
Відкриття періодичного закону відноситься до середини XIX ст. і сприяло подальшому успішному розвитку не тільки хімії, а й інших природничих наук. Наукове обгрунтування періодичного закону почалось в першій половині XX ст., з розвитком квантової теорії.
2.1 Історія відкриття періодичного закону
По мірі накопичення відомостей про властивості хімічних елементів виникла потреба в їх класифікації. На час відкриття Менделєєвим періодичного закону було відомо вже понад 60 елементів. Багато хіміків намагалися систематизувати елементи. Цим займалися Шанкуртуа у Франції, Мейер і Деберейнер у Німеччині, Ньюлендс в Англії й ін. Деберейнер склав тріади з подібних за хімічними властивостями елементів, вказуючи, що в тріадах атомна вага середнього елемента приблизно дорівнює середньому арифметичному атомних ваг двох крайніх елементів. Ньюлендс помітив, що при розміщенні елементів у порядку зростання їх атомних ваг хімічні властивості восьмого елемента подібні до властивостей першого. Цій закономірності він дав назву закон октав. Шанкуртуа розмістив елементи в порядку зростання атомних ваг по гвинтовій лінії, описаної навколо циліндра. Подібні елементи при цьому розташовувалися один під одним. Мейер, розмістивши елементи в порядку збільшення їхніх атомних ваг, одержав шість груп подібних елементів. Однак ніхто з названих дослідників не зумів за цими окремими аналогіями побачити один з основних законів хімії. Це завдання було блискуче вирішене в 1869 р. геніальним російським вченим Дмитром Івановичем Менделєєвим (1834-1907). Відкритий ним періодичний закон і створена на його основі періодична система елементів стали фундаментом сучасної хімії.
Вивчаючи властивості хімічних елементів, Д. І. Менделєєв, як Ньюлендс та Мейєр, в основу систематики елементів поклав атомну масу.
Менделєєв розмістив всі відомі в той час елементи в порядку зростання їхніх атомних мас і виявив, що в отриманому ряді спостерігається періодичність властивостей елементів. Наприклад, у ряді від Lі до F по мірі збільшення атомної маси спостерігалася закономірна зміна хімічних властивостей елементів і їхніх сполук. Літій є типовим металом, у наступного за ним елемента – берилію металічні властивості виражені вже значно слабкіше. За величиною атомної маси за берилієм наступним є бор – елемент із неметалічними властивостями. У ряді елементів від карбону до флуору відбувається посилення неметалічних властивостей, і флуор уже виступає як типовий неметал. Наступний за флуором елемент – натрій різко відрізняється за властивостями від флуору, але проявляє велику подібність із літієм. При переході від натрію до хлору знову спостерігається поступове ослаблення металічних і наростання неметалічних властивостей. Періодично повторюються не тільки хімічні властивості елементів, але й формули їх сполук. Наприклад, літій утворює із киснем сполуку Li2О, аналогічну формулу має сполука натрію з киснем Na2О. Д. І. Менделєєв сформулював відкритий ним закон так:
Перший варіант періодичної системи елементів Д. І. Менделєєв опублікував в 1869 р. Всі елементи вчений розмістив у порядку збільшення їхніх атомних ваг, однак з таким розрахунком, щоб подібні за властивостях елементи розташовувалися один під одним.
Подібні елементи, що ввійшли в один вертикальний ряд, Менделєєв об’єднав у групи. Послідовність елементів, у межах якої закономірно змінюються властивості елементів від типового металу до типового неметалу, була названа періодом.
У наш час відомо багато варіантів періодичної системи елементів, однак найбільш зручною залишається таблиця, запропонована Менделєєвим.
При складанні періодичної системи Д. І. Менделєєв, беручи за основу атомні маси елементів, не залишав без уваги їхні хімічні властивості. Так, у деяких випадках у таблиці порушений принцип зростання атомних мас. Наприклад, телур, атомна маса якого більша атомної маси йоду, розташований перед йодом. У іншому випадку йод перебував би в одній групі із сіркою, а не із хлором, з яким він є більш подібним. Це ж стосується й пари елементів калій–аргон. Атомна маса калію менша атомної маси аргону, однак Менделєєв помістив калій після аргону, тому калій розташований в одній групі з іншими лужними металами.
При складанні періодичної системи Менделєєву довелося перебороти чимало труднощів, пов’язаних з тим, що одні елементи в той час ще не були відкриті, властивості інших були ще мало вивчені, атомні маси, яких були визначені неправильно.
Менделєєв глибоко вірив у правильність відкритого ним закону, він був твердо переконаний у тому, що періодичний закон відображає об’єктивну реальність. На підставі періодичної системи Менделєєв:
а) виправив атомні ваги ряду елементів;
б) передбачив існування в природі декількох ще не відкритих елементів;
в) описав властивості цих елементів і їх сполук.
Впродовж наступних п’ятнадцяти років один за одним були відкриті передбачені Менделєєвим елементи: в 1875 р. француз Лекок де Буабодран відкрив елемент номер 31, назвавши його галієм; в 1879 р. швед Нільсон відкрив елемент номер 21 і назвав його скандієм; в 1886 р. німець Вінклер відкрив елемент 32, що був названий германієм.
Менделєєв вивів фізичні й хімічні властивості цих трьох елементів на підставі властивостей оточуючих їх у таблиці елементів. Наприклад, атомну масу й густину елемента номер 21 він розрахував як середнє арифметичне атомних мас і густин бору, ітрію, кальцію й титану.
Відкриття передбачених Менделєєвим елементів і блискучий збіг передбачених ним властивостей із встановленими дослідним шляхом привело до загального визнання періодичного закону.
Слід зазначити, що Менделєєв сумнівався в можливості різкого переходу від таких активних неметалів, якими є галогени, до лужних металів. Він вважав, що цей перехід повинен бути більше плавним. Незабаром це наукове передбачення Менделєєва виправдалося: були відкриті благородні гази. Для них у періодичній системі не було вільних місць і вони були виділені в самостійну групу.