Система періодична: класифікація хімічних елементів
У першій половині 19 століття з`явилися різні спроби систематизувати елементи і об`єднати метали в періодичній системі. Саме в цей історичний період виникає такий метод дослідження, як хімічний аналіз.
З історії відкриття періодичної системи елементів
Використовуючи подібну методику визначення специфічних хімічних властивостей, вчені того часу спробували з`єднувати в групи елементи, керуючись їх кількісної характеристикою, а також атомним вагою.
Використання атомної ваги
Так, І. В. Дуберейнер в 1817 році визначив, що у стронцію атомний вага аналогічний відповідним показниками барію і кальцію. Також йому вдалося з`ясувати, що між властивостями барію, стронцію та кальцію існує досить багато спільного. На підставі цих спостережень знаменитий хімік склав так звану тріаду елементів. У схожі групи були об`єднані і інші речовини:
- сірка, селен, телур;
- хлор, бром, йод;
- літій, натрій, калій.
Класифікація за хімічними властивостями
Л. Гмелін в 1843 році запропонував таблицю, в якій розставив подібні за хімічними властивостями елементи в строгому порядку. Азот, водень, кисень він вважав основними елементами, їх даний хімік помістив за межами своєї таблиці.
Під киснем їм були розставлені тетради (по 4 знаки) і пентади (по 5 знаків) елементів. Метали в періодичній системі були поставлені по термінології Берцелиуса. За задумом Гмелина, все елементи були встановлені щодо зменшення електронегативності властивостей всередині кожної підгрупи періодичної системи.
Об`єднання елементів по вертикалі
Олександр Еміль де Шанкуртуа в 1863 році всі елементи поставив за зростанням атомної ваги на циліндр, розділивши його на декілька вертикальних смуг. В результаті такого поділу на вертикалях розташувалися елементи, що володіють схожими фізичними і хімічними властивостями.
закон октав
Д. Ньюлендса виявив в 1864 році досить цікаву закономірність. при розташуванні хімічних елементів по зростанню їхніх атомних ваг у кожного восьмого елемента виявляється схожість з першим. Подібний факт Ньюлендса назвав законом октав (восьми нот).
Його система періодична була вельми умовно, тому задумку наглядової вченого стали називати «октавной» версією, пов`язуючи з музикою. Саме варіант Ньюлендса був найбільш близький до сучасної структурі ПС. Але за згаданим законом октав тільки 17 елементів зберігали свої періодичні властивості, у інших же знаків подібної закономірності не виявлялося.
таблиці Одлінга
У. Одлінг представив одразу кілька варіантів таблиць елементів. У першій версії, створеної в 1857 році, він запропонував розділити їх на 9 груп. У 1861 році хімік вніс деякі корективи в первинний варіант таблиці, об`єднавши в групи знаки, які мають схожі хімічні властивості.
Варіант таблиці Одлінга, запропонований в 1868 році, передбачав розташування 45 елементів по зростанню атомної ваги. До речі, саме ця таблиця в подальшому стала прототипом періодичної системи Д. І. Менделєєва.
Розподіл по валентності
Л. Мейєр в 1864 році запропонував таблицю, яка включала 44 елемента. Вони були розміщені в 6 стовпчиках, згідно валентності за воднем. У таблиці було відразу дві частини. Основна об`єднувала шість груп, включала в себе 28 знаків по зростанню атомної ваги. В її структурі проглядалися пентади і тетради з подібних зі хімічними властивостями знаків. Решта елементи Мейер розмістив в другу таблицю.
Внесок Д. І. Менделєєва в створення таблиці елементів
Сучасна періодична система елементів Д. І. Менделєєва з`явилася на основі таблиць Майера, складених в 1869 році. У другій версії Майер розставив знаки по 16 групам, помістив елементи Пентада і тетрадами, з огляду на відомі хімічні властивості. А замість валентності їм використовувалася проста нумерація для груп. Не було в ній бору, торію, водню, ніобію, урану.
Будова періодичної системи в тому вигляді, який представлений в сучасних редакціях, з`явилося не відразу. Можна виділити три основні етапи, протягом яких була створена періодична система:
- Перша версія таблиці була представлена на структурних блоках. Простежувався періодичний характер зв`язку між властивостями елементів і значеннями їх атомної ваги. Даний варіант класифікації знаків Менделєєв запропонував в 1868-1869 рр.
- Вчений відмовляється від початкової системи, так як вона не відображала критеріїв, за якими б елементи потрапляли в певний стовпець. Він пропонує розміщувати знаки за подібністю хімічних властивостей (лютий 1869 г.)
- У 1870 році Дмитром Менделєєвим була представлена науковому світу сучасна періодична система елементів.
версія російського хіміка враховувала і положення металів в періодичній системі, і особливості властивостей неметалів. За ті роки, що пройшли з моменту першої редакції геніального винаходу Менделєєва, таблиця не зазнала якихось серйозних змін. А на тих місцях, що були залишені порожніми за часів Дмитра Івановича, з`явилися нові елементи, відкриті вже після його смерті.
Відео: Періодична система хімічних елементів
Особливості таблиці Менделєєва
Чому ж вважається, що описувана система - періодична? Це пояснюється особливостями будови таблиці.
Всього в ній міститься 8 груп, причому в кожної є дві підгрупи: головна (основна) і побічна. Виходить, що за все підгруп 16. Знаходяться вони вертикально, тобто зверху вниз.
Крім того, в таблиці є і горизонтальні ряди, звані періодами. Вони також мають своє додаткове поділ на малі і великі. Характеристика періодичної системи має на увазі облік розташування елемента: його групу, підгрупу і період.
Як змінюються властивості в головних підгрупах
Всі основні підгрупи в таблиці Менделєєва починаються елементами другого періоду. У знаків, що належать до однієї головної підгрупи, кількість зовнішніх електронів однакове, а ось відстань між останніми електронами і позитивним ядром змінюється.
Крім того, зверху в них є і збільшення атомної ваги (відносної атомної маси) елемента. Саме цей показник є визначальним фактором при виявленні закономірності зміни властивостей всередині головних підгруп.
Так як радіус (відстань між позитивним ядром і зовнішніми негативними електронами) в основний підгрупі збільшується, неметалеві властивості (здатність в ході хімічних перетворень приймати електрони) знижується. Що стосується зміни металевих властивостей (Віддачі електронів інших атомам), то вона буде зростати.
Використовуючи періодичну систему, можна порівнювати між собою властивості різних представників однієї головної підгрупи. У той час, коли Менделєєвим створювалася система періодична, ще не було відомостей про будову речовини. Дивним є той факт, що після того як виникла теорія будови атома, яка вивчалася в освітніх школах і профільних хімічних ВУЗах і в даний час, вона підтвердила гіпотезу Менделєєва, а не спростувала його припущення щодо розстановки атомів всередині таблиці.
Електронегативність в головних підгрупах до низу зменшується, тобто чим нижче в групі розташовується елемент, тим його здатність приєднувати атоми буде менше.
Відео: Періодична система як умовний запис періодичного закону. Центр онлайн-навчання «Фоксфорд»
Зміна властивостей атомів в побічних підгрупах
Так як у Менделєєва система періодична, то зміна властивостей в подібних підгрупах відбувається в зворотній послідовності. У такі підгрупи входять елементи, починаючи з 4 періоди (представники d і f сімейств). До низу в цих підгрупах знижуються металеві властивості, а ось кількість зовнішніх електронів однаково у всіх представників однієї підгрупи.
Відео: Класифікація хімічних елементів
Особливості будови періодів в ПС
Кожен новий період, за винятком першого, в таблиці російського хіміка починається активним лужним металом. Далі поставлені амфотерні метали, які виявляють в хімічних перетвореннях подвійні властивості. Потім є кілька елементів з неметалевими властивостями. завершується період інертним газом (Неметалл, практичний, не проявляє хімічної активності).
З огляду на, що система періодична, в періодах відбувається зміна активності. Зліва направо буде зменшуватися відновна активність (металеві властивості), збільшуватися окислювальна активність (неметалеві властивості). Таким чином, найяскравіші метали в періоді розташовуються зліва, а неметали справа.
У великих періодах, що складаються з двох рядів (4-7), також проявляється періодичний характер, але через наявність представників d або f сімейства, металевих елементів в ряду набагато більше.
Назви головних підгруп
Частина груп елементів, наявних в таблиці Менделєєва, отримала свої власні назви. Представників першої групи А підгрупи називають лужними металами. Подібного назвою метали зобов`язані своєю активністю з водою, в результаті чого утворюються їдкі луги.
Другу групу А підгрупу вважають лужно-земельними металами. При взаємодії з водою, такі метали утворюють оксиди, їх колись називали землями. Саме з того часу і закріпилося за представниками даної підгрупи подібне найменування.
Неметали підгрупи кисню називають халькогенами, а представників 7 А групи називають галогенами. 8 А підгрупа отримала назву інертних газів через свою мінімальної хімічної активності.
ПС в шкільному курсі
Для школярів зазвичай пропонується варіант таблиці Менделєєва, в якому крім груп, підгруп, періодів, також вказуються і формули вищих летючих з`єднань і вищих оксидів. Подібна хитрість дозволяє формувати в учнів навички зі складання вищих оксидів. Досить замість елемента підставити знак представника підгрупи, щоб отримати готовий вищий оксид.
Якщо уважно подивитися на загальний вигляд летючих водневих сполук, то видно, що вони характерні тільки для неметалів. У 1-3 групах стоять прочерки, так як типовими представниками цих груп є метали.
Крім того, в деяких шкільних підручниках хімії у кожного знака вказують схему розподілу електронів по енергетичним рівням. Даною інформації не існувало в період роботи Менделєєва, подібні наукові факти з`явилися набагато пізніше.
Можна побачити і формули зовнішнього електронного рівня, по якій легко здогадатися, до якого сімейства віднести даний елемент. Такі підказки неприпустимі на екзаменаційних сесіях, тому випускникам 9 та 11 класів, які вирішили продемонструвати свої хімічні знання на ОГЕ або ЄДІ, дають класичні чорно-білі варіанти періодичних таблиць, в яких відсутні додаткові відомості про будову атома, формулах вищих оксидів, складі летких водневих сполуках .
Подібне рішення цілком логічно і зрозуміло, адже для тих школярів, що вирішили йти по стопах Менделєєва і Ломоносова, не важко буде скористатися класичною версією системи, їм підказки просто не потрібні.
Саме періодичний закон і система Д. І. Менделєєва зіграли найважливішу роль в подальшому розвитку атомно-молекулярного вчення. Після створення системи вчені стали приділяти більше уваги вивченню складу елемента. Таблиця допомогла уточнити деякі відомості про простих речовинах, а також про характер і властивості тих елементів, які ними утворюються.
Сам Менделєєв передбачав, що незабаром будуть відкриватися нові елементи, і передбачив положення металів в періодичній системі. Саме після появи останньої, в хімії почалася нова ера. Крім того, було дано серйозний старт для формування безлічі суміжних наук, які пов`язані з будовою атома і перетвореннями елементів.
