Периодический закон, один из фундаментальных законов естествознания, открыт великим русским ученым Д.И. Менделеевым в 1869 г. Первоначально закон был сформулирован следующим образом: свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины их атомного веса (согласно современным представлениям - атомной массы).

Периодический закон был представлен как классификация элементов. На его основе элементы были расположены в естественные группы по совокупности их свойств. Этому моменту было уделено особое внимание: руководствуясь свойствами элементов, Д.И. Менделееву в ряде случаев пришлось даже отступить от последовательного расположения элементов в Периодической системе строго по возрастанию атомных масс (атомных «весов»), например, 18 Аг(39,9) и 19 К(39,1), 52 Те(127,6) и 53 1(126,9).

Во времена Менделеева причина периодичности свойств элементов не была известна. Однако первооткрыватель Периодического закона был уверен, что причину следует искать в строении вещества.

Открытие Периодического закона не только дало фундамент химической науке, но и поставило задачу выяснения физической причины периодичности. Химические и абсолютное большинство физических свойств элементов являются периодической функцией некоторой независимой, однозначно определяемой величины, присущей каждому элементу и изменяющейся монотонно от элемента к элементу. Атомная масса («атомный вес») была принята Менделеевым за такую величину.

Только когда благодаря успехам физики стало известно значительно больше о строении атома, чем во времена открытия и становления периодического закона, стали ясны его подлинный смысл и причины периодичности. От элемента к элементу по Периодической системе изменяется заряд ядра атома элемента, который определяется числом протонов. В Периодической системе это число совпадает с порядковым номером элемента. Поскольку атом электронейтра- лен, заряд ядра (в единицах заряда электрона) равен количеству электронов в электронной оболочке атома. Увеличение порядкового номера элемента на единицу означает, что в ядре атома добавился один протон, а в электронной оболочке соответственно один электрон. Поскольку свойства элементов, особенно химические, определяются в основном электронами внешнего квантового слоя, причиной периодичности свойств является периодичность характера заполнения электронами пространства вокруг ядра. Фактором, определяющим строение электронных оболочек атомов, а следовательно, и свойства элементов, является заряд ядра атома. Поэтому современная формулировка периодического закона следующая: свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома элемента.

Атомная масса элемента определяется суммарным количеством нуклонов (протонов и нейтронов) в ядрах изотопов этого элемента и изотопным составом элемента. Изменение атомной массы в основном пропорционально заряду ядра. Поэтому менделеевская формулировка Периодического закона за немногими исключениями верно отражает расположение элементов в Периодической системе, но не раскрывает причину периодичности.

Согласно принципу Паули количество возможных электронных состояний в квантовых уровнях и подуровнях ограничено количеством сочетаний неповторяющихся наборов четырех квантовых чисел п, /, т и s , и это определяет емкость квантовых уровней и подуровней (см. табл. 2.1). Если атом не возбужден, электроны заполняют такие орбитали, энергия на которых минимальна.

Периодическая система была бы проще, если бы энергию в многоэлектронных атомах, как в атоме водорода, определяло главное квантовое число. Тогда, в соответствии с емкостью квантовых слоев, периоды состояли бы из 2, 8, 18, 32, 50 и т.д. элементов, а благородные газы с завершенным квантовым уровнем имели бы номера 2, 10, 28, 60, 110... Однако из-за межэлектронного взаимодействия такая последовательность нарушается. С IV периода, заполнение нового квантового слоя, которое в Периодической системе соответствует началу нового периода, начинается при незавершенном предвне- шнем III квантовом уровне, а с VI периода - при незавершенных IV и V квантовых уровнях и т.д. Поэтому благородные газы - элементы, после которых начинается застройка нового квантового уровня (и новый период), - на внешнем квантовом слое содержит лишь по 8 электронов и имеют номера 2, 10, 18, 36, 54, и 86. Соответственно периоды охватывают 2, 8, 8, 18, 18 и 32 элемента.

Периодический закон не имеет определенного математического выражения. Он представляется в виде периодической таблицы. Вариантов такой таблицы существует несколько, но все они в той или иной форме представлены как структурограммы строения атома любого элемента. Становится возможным установление электронного строения любого атома не только на основе известной последовательности заполнения подуровней или правила Клечковского, но и на основе самой таблицы: положение элемента в таблице однозначно отражает электронное строение его атомов. Распределение элементов по периодам и по подгруппам в точности отвечает распределению электронов атомов этих элементов по уровням и подуровням электронной оболочки.

Д.И. Менделеев сформулировал Периодический закон в 1869 году, в основе которого была одна из главнейших характеристик атома – атомная масса. Последующее развитие Периодического закона, а именно, получение большого экспериментальных данных, несколько изменило первоначальную формулировку закона, однако эти изменения не противоречат главному смыслу, заложенному Д.И. Менделеевым. Эти изменения только придали закону и Периодической системе научную обоснованность и подтверждение правильности.

Современная формулировка Периодического закона Д.И. Менделеева такова: свойства химических элементов, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Структура Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева

К настоящему мнению известно большое количество интерпретаций Периодической системы, но наиболее популярная – с короткими (малыми) и длинными (большими) периодами. Горизонтальные ряды называют периодами (в них расположены элементы с последовательным заполнением одинакового энергетического уровня), а вертикальные столбцы – группами (в них расположены элементы, имеющие одинаковое количество валентных электронов – химические аналоги). Так же все элементы можно разделить на блоки по по типу внешней (валентной) орбитали: s-, p-, d-, f-элементы.

Всего в системе (таблице) 7 периодов, причем номер периода (обозначается арабской цифрой) равен числу электронных слоев в атоме элемента, номеру внешнего (валентного) энергетического уровня, значению главного квантового числа для высшего энергетического уровня. Каждый период (кроме первого) начинается s-элементом — активным щелочным металлом и заканчивается инертным газом, перед которым стоит p-элемент — активный неметалл (галоген). Если продвигаться по периоду слева направо, то с ростом заряда ядер атомов химических элементов малых периодов будет возрастать число электронов на внешнем энергетическом уровне, вследствие чего свойства элементов изменяются – от типично металлических (т.к. в начале периода стоит активный щелочной металл), через амфотерные (элемент проявляет свойства и металлов и неметаллов) до неметаллических (активный неметалл – галоген в конце периода), т.е. металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются неметаллические.

В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение электронов происходит сложнее, что объясняет более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в четных рядах больших периодов с ростом заряда ядра число электронов на внешнем энергетическом уровне остается постоянным и равным 2 или 1. Поэтому, пока идет заполнение электронами следующего за внешним (второго снаружи) уровня, свойства элементов в четных рядах изменяются медленно. При переходе к нечетным рядам, с ростом величины заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне (от 1 до 8), свойства элементов изменяются также, как в малых периодах.

Вертикальные столбцы в Периодической системе – группы элементов со сходным электронным строением и являющимися химическими аналогами. Группы обозначают римскими цифрами от I до VIII. Выделяют главные (А) и побочные (B) подгруппы, первые из которых содержат s- и p-элементы, вторые – d – элементы.

Номер А подгруппы показывает число электронов на внешнем энергетическом уровне (число валентных электронов). Для элементов В-подгрупп нет прямой связи между номером группы и числом электронов на внешнем энергетическом уровне. В А-подгруппах металлические свойства элементов усиливаются, а неметаллические – уменьшаются с возрастанием заряда ядра атома элемента.

Между положением элементов в Периодической системе и строением их атомов существует взаимосвязь:

— атомы всех элементов одного периода имеют равное число энергетических уровней, частично или полностью заполненных электронами;

— атомы всех элементов А подгрупп имею равное число электронов на внешнем энергетическом уровне.

Периодические свойства элементов

Близость физико-химических и химических свойств атомов обусловлена сходством их электронных конфигураций, причем, главную роль играет распределение электронов по внешней атомной орбитали. Это проявляется в периодическом появлении, по мере увеличения заряда ядра атома, элементов с близкими свойствами. Такие свойства называют периодическими, среди которых наиболее важными являются:

1. Количество электронов на внешней электронной оболочке (заселенность – w ). В малых периодах с ростом заряда ядра w внешней электронной оболочки монотонно увеличивается от 1 до 2 (1 период), от 1 до 8 (2-й и 3-й периоды). В больших периодах на протяжении первых 12 элементов w не превышает 2, а затем до 8.

2. Атомный и ионный радиусы (r), определяемые как средние радиусы атома или иона, находимые из экспериментальных данных по межатомным расстояниям в разных соединениях. По периоду атомный радиус уменьшается (постепенно прибавляющиеся электроны описываются орбиталями с почти равными характеристиками, по группе атомный радиус возрастает, поскольку увеличивается число электронных слоев (рис.1.).

Рис. 1. Периодическое изменение атомного радиуса

Такие же закономерности наблюдаются и для ионного радиуса. Следует заметить, что ионный радиус катиона (положительно заряженный ион) больше атомного радиуса, а тот в свою очередь, больше ионного радиуса аниона (отрицательно заряженный ион).

3. Энергия ионизации (Е и) – количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, т.е. энергия, необходимая для превращения нейтрального атома в положительно заряженный ион (катион).

Э 0 — → Э + + Е и

Е и измеряется в электронвольтах (эВ) на атом. В пределах группы Периодической системы значения энергии ионизации атомов уменьшаются с возрастанием зарядов ядер атомов элементов. От атомов химических элементов можно последовательно отрывать все электроны, сообщив дискретные значения Е и. При этом Е и 1 < Е и 2 < Е и 3 <….Энергии ионизации отражают дискретность структуры электронных слоев и оболочек атомов химических элементов.

4. Сродство к электрону (Е е) – количество энергии, выделяющееся при присоединении дополнительного электрона к атому, т.е. энергия процесса

Э 0 + → Э —

Е е также выражается в эВ и, как и Е и зависит от радиуса атома, поэтому характер изменения Е е по периодам и группам Периодической системы близок характеру изменения атомного радиуса. Наибольшим сродством к электрону обладают p-элементы VII группы.

5. Восстановительная активность (ВА) – способность атома отдавать электрон другому атому. Количественная мера – Е и. Если Е и увеличивается, то ВА уменьшается и наоборот.

6. Окислительная активность (ОА) – способность атома присоединять электрон от другого атома. Количественная мера Е е. Если Е е увеличивается, то ОА также увеличивается и наоборот.

7. Эффект экранирования – уменьшение воздействия на данный электрон положительного заряда ядра из-за наличия между ним и ядром других электронов. Экранирование растет с увеличением числа электронных слоев в атоме и уменьшает притяжение внешних электронов к ядру. Экранированию противоположен эффект проникновения , обусловленный тем, что электрон может находиться в любой точке атомного пространства. Эффект проникновения увеличивает прочность связи электрона с ядром.

8. Степень окисления (окислительное число) – воображаемый заряд атома элемента в соединении, который определяется из предположения ионного строения вещества. Номер группы Периодической системы указывает высшую положительную степень окисления, которую могут иметь элементы данной группы в своих соединениях. Исключение – металлы подгруппы меди, кислород, фтор, бром, металлы семейства железа и другие элементы VIII группы. С ростом заряда ядра в периоде максимальная положительная степень окисления растет.

9. Электроотрицательность, составы высших водородных и кислородных соединений, термодинамические, электролитические свойства и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Охарактеризуйте элемент (Z=23) и свойства его соединений (оксидов и гидроксидов) по электронной формуле: семейство, период, группа, число валентных электронов, электронно-графическая формула для валентных электронов в основном и возбужденном состоянии, основные степени окисления (максимальная и минимальная), формулы оксидов и гидроксидов.
Решение	23 V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 3 3p 6 3d 3 4s 2 d-элемент, металл, находится в ;-м периоде, в V группе, В подгруппе. Валентные электроны 3d 3 4s 2 . Оксиды VO, V 2 O 3 , VO 2 , V 2 O 5 . Гидроксиды V(OH) 2 , V(OH) 3 , VO(OH) 2 , HVO 3 . Основное состояние Возбужденное состояние Минимальная степень окисления «+2», максимальная – «+5».

Ко времени открытия периодического закона было известно 63 химических элемента и описаны свойства их различных соединений.

Работы предшественников Д.И. Менделеева:

1. Классификация Берцелиуса, не потерявшая своей актуальности и в наши дни (металлы, неметаллы)

2. Триады Деберейнера (например литий, натрий, калий)

4. Спираль-ось Шанкуртура

5. Кривая Мейера

Участие Д.И. Менделеева в Международном химическом конгрессе а г. Карслруэ (1860), где утвердились идеи атомистики и понятие «Атомный» вес, которое сейчас известно под названием «относительная атомная масса».

Личностные качества великого русского ученого Д.И. Менделеева.

Гениального русского химика отличали энциклопедичность знаний, скрупулезность химического эксперимента, величайшая научная интуиция, уверенность в истинности своей позиции и отсюда неустрашимый риск в отстаивании этой истины. Д.И. Менделеева был великим и замечательным гражданином земли русской.

Д.И.Менделеев расположил все известные ему химические элементы в длинную цепочки по возрастанию их атомных весов и отметил в ней отрезки – периоды, в которых свойства элементов и образованных ими веществ изменялись сходным образом, а именно:

1). Металлические свойства ослабевали;

2) Неметаллические свойства усиливались;

3) Степень окисления в высших оксидах увеличивалась с +1 до +7(+8);

4).Степень окисления элементов в гидроксидах, твердых солеподобных соединениях металлов с водородом возрастала от +1 до +3, а затем в летучих водородных соединениях от -4 до -1;

5) Оксиды от основных через амфотерные сменялись кислотными;

6) Гидроксиды от щелочей, через амфотерные сменялись кислотами.

Выводом его работы стала первая формулировка периодического закона (1 марта 1869 г): свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от их относительных атомных масс.

Периодический закон и строение атома.

Формулировка периодического закона данная Менделеевым была неточной и не полной, т.к. она отражала состояние науки на тот момент, когда о сложном строении атома еще не было известно. Поэтому современная формулировка периодического закона звучит иначе: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер.

Периодическая система и строение атома.

Периодическая система – это графическое отображение периодического закона.

Каждое обозначение в периодической системе отражает какую-либо особенность или закономерность в строении атомов элементов:

Физический смысл номера элемента, периода, группы;

Причины изменения свойств элементов и образованных ими веществ по горизонтали (в периодах) и по вертикале (в группах).

В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются, т.к.:

1) Увеличиваются заряды атомных ядер;

2) Увеличивается число электронов на внешнем уровне;

3) Число энергетических уровней постоянно;

4) Радиус атома уменьшается

В пределах одной и той же группы (в главной подгруппе) металлические свойства усиливаются, неметаллические - ослабевают, т.к.:

1). Увеличиваются заряды атомных ядер;

2). Число электронов на внешнем уровне постоянно;

3). Увеличивается число энергетических уровней;

4). Увеличивается радиус атома

В результате этого была дана причинно-следственная формулировка периодического закона: свойства химических элементов и образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от изменения внешних электронных структур их атомов.

Значение периодического закона и периодической системы:

1. Позволили установить взаимосвязь между элементами, объединить их по свойствам;

2. Расположить химические элементы в естественной последовательности;

3. Вскрыть периодичность, т.е. повторяемость общих свойств отдельных элементов и их соединений;

4. Исправить и уточнить относительные атомные массы отдельных элементов (у бериллия с 13 на 9);

5. Исправить и уточнить степени окисления отдельных элементов (бериллий +3 на +2)

6. Предсказать и описать свойства, указать путь открытия еще неоткрытых элементов (скандия, галлия, германия)

Пользуясь таблицей сравним две ведущие теории химии.

Философские основы общности	Периодический закон Д.И.Менделеева	Теория органических соединений А.М. Бутлерова
1. 1. Время открытия	1869 г.	1861 г.
II. Предпосылки. 1.Накопление фактологического материала 2. 2. Работа предшественников 3. Съезд химиков в г. Карлсруэ (1860) 4. Личностные качества.	Ко времени открытия периодического закона было известно 63 химических элемента и описаны свойства их многочисленных соединений.	Известны многие десятки и сотни тысяч органических соединений, состоящих лищь из немногих элементов: углерода, водорода, кислорода, реже – азота, фосфора и серы.
- Й. Берцеллиус (металлы и неметаллы) - И.В.Деберейнер (триады) - Д.А.Р.Ньюлендс (октавы) - Л.Мейер	- Й. Берцеллиус, Ю.Либих, Ж.Дюма (теория радикалов); -Ж.Дюма, Ш.Жерара, О.Лоран (теория типов); - Й. Берцеллиус ввел а практику термин «изомерия»; -Ф.Велер, н.Н. Зинин, М.Бертло, сам А.Бутлеров(синтезы органических веществ, крах витализма); -Ф.А.Кукуле (строение бензола)
Д.И. Менделеев присутствовал в роли наблюдателя	А.М.Бутлеров не участвовал, но активно изучал материалы съезда. Однако принимал участие в съезде врачей и естествоиспытателей в г. Шпейере (1861), где выступил с докладом « О строении органических тел»
Обоих авторов отличали от других химиков: энциклопедичность химических знаний, умение анализировать и обобщать факты, научное прогнозирование, русский менталитет и русский патриотизм.
III. Роль практики в становлении теории	Д.И. Менделеев предсказывает и указывает пути открытия еще неизвестных науке галлия, скандия и германия	А.М. Бутлеров предсказывает и объясняет изомерию многих органических соединений. Сам осуществляет многие синтезы

Тест по теме

Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева

1. Как меняются радиусы атомов в периоде:

2. Как меняются радиусы атомов в главных подгруппах:

а) увеличиваются б) уменьшаются в) не изменяются

3. Как определить число энергетических уровней в атоме элемента:

а) по порядковому номеру элемента б) по номеру группы

в) по номеру ряда г) по номеру периода

4. Как определяется место химического элемента в периодической системе Д.И. Менделеева:

а) количеством электронов на внешнем уровне б) количеством нейтронов в ядре

в) зарядом ядра атома г) атомной массой

5. Сколько энергетических уровней у атома скандия: а) 1 б) 2 в) 3 г) 4

6. Чем определяются свойства химических элементов:

а) величиной относительной атомной массы б) числом электронов на внешнем слое

в) зарядом ядра атома г) количеством валентных электронов

7. Как изменяются химические свойства элементов в периоде:

а) усиливаются металлические б) усиливаются неметаллические

в) не изменяются г) ослабевают неметаллические

8. Укажите элемент, возглавляющий большой период периодической системы элементов: а) Cu (№29) б) Ag (№47) в) Rb (№37) г) Au (№79)

9. У какого элемента наиболее выражены металлические свойства:

а) Магний б) Алюминий в) Кремний

10. У какого элемента наиболее выражены неметаллические свойства:

а) Кислород б) Сера в) Селен

11.В чём основная причина изменения свойств элементов в периодах:

а) в увеличении атомных масс

б) в постепенном увеличении числа электронов на внешнем энергетическом уровне

в) в увеличении числа электронов в атоме

г) в увеличении числа нейтронов я ядре

12. Какой элемент возглавляет главную подгруппу пятой группы :

а) ванадий б) азот в) фосфор г) мышьяк

13.Чему равно число орбиталей на d-подуровне: а)1 б)3 в)7 г)5

14. Чем отличаются атомы изотопов одного элемента:

а) числом протонов б) числом нейтронов в) числом электронов г) зарядом ядра

15. Что такое орбиталь:

а) определённый энергетический уровень, на котором находится электрон

б) пространство вокруг ядра, где находится электрон

в) пространство вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона наибольшая

г) траектория, по которой движется электрон

16. На какой орбитали электрон имеет наибольшую энергию: а)1s б)2s в)3s г) 2p

17. Определите какой это элемент 1s 2 2s 2 2p 1: а) №1 б) №3 в) №5 г) №7

18. Чему равно число нейтронов в атоме +15 31 Р а)31 б)16 в)15 д)46

19. Какой элемент имеет строение наружного электронного слоя …3s 2 p 6:

а) неон б) хлор в) аргон г) сера

20. На основании электронной формулы определите, какими свойствами обладает элемент 1s 2 2s 2 2p 5 :

а) металл б) неметалл в) амфотерный элемент г) инертный элемент

21. Сколько химических элементов в шестом периоде: а)8 б)18 в)30 г)32

22. Чему равно массовое число азота +7 N который содержит 8 нейтронов:

а)14 б)15 в)16 г)17

23. Элемент, в ядре атома которого содержится 26 протонов: а)S б)Cu в)Fe г)Ca

С первых уроков химии вы использовали таблицу Д. И. Менделеева. Она наглядно демонстрирует, что все химические элементы, образующие вещества окружающего нас мира, взаимосвязаны и подчиняются общим закономерностям, т. е. представляют собой единое целое - систему химических элементов. Поэтому в современной науке таблицу Д. И. Менделеева называют Периодической системой химических элементов.

Почему «периодической», вам тоже понятно, так как общие закономерности в изменении свойств атомов, простых и сложных веществ, образованных химическими элементами, повторяются в этой системе через определённые интервалы - периоды. Некоторые из этих закономерностей, приведённые в таблице 1, вам уже известны.

Таким образом, все существующие в мире химические элементы подчиняются единому, объективно действующему в природе Периодическому закону, графическим отображением которого и является Периодическая система элементов. Этот закон и система носят имя великого русского химика Д. И. Менделеева.

Д. И. Менделеев пришёл к открытию Периодического закона, проведя сопоставление свойств и относительных атомных масс химических элементов. Для этого Д. И. Менделеев для каждого химического элемента на карточке записал: символ элемента, значение относительной атомной массы (во времена Д. И. Менделеева эту величину называли атомным весом), формулы и характер высшего оксида и гидроксида. Он расположил 63 известных к тому времени химических элемента в одну цепочку в порядке возрастания их относительных атомных масс (рис. 1) и проанализировал эту совокупность элементов, пытаясь найти в ней определённые закономерности. В результате напряжённого творческого труда он обнаружил, что в этой цепочке имеются интервалы - периоды, в которых свойства элементов и образованных ими веществ изменяются сходным образом (рис. 2).

Рис. 1.
Карточки элементов, расположенные в порядке увеличения их относительных атомных масс

Рис. 2.
Карточки элементов, расположенные в порядке периодического изменения свойств элементов и образованных ими веществ

Лабораторный опыт № 2
Моделирование построения Периодической системы Д. И. Менделеева

Смоделируйте построение Периодической системы Д. И. Менделеева. Для этого подготовьте 20 карточек размером 6 х 10 см для элементов с порядковыми номерами с 1-го по 20-й. На каждой карточке укажите следующие сведения об элементе: химический символ, название, относительную атомную массу, формулу высшего оксида, гидроксида (в скобках укажите их характер - основный, кислотный или амфотерный), формулу летучего водородного соединения (для неметаллов). Перемешайте карточки, а затем расположите их в ряд по возрастанию относительных атомных масс элементов. Сходные элементы с 1-го по 18-й расположите друг под другом: водород над литием и калий под натрием, соответственно, кальций под магнием, гелий под неоном. Сформулируйте выявленную вами закономерность в виде закона. Обратите внимание на несоответствие относительных атомных масс аргона и калия их расположению по общности свойств элементов. Объясните причину этого явления.

Перечислим ещё раз, используя современные термины, закономерные изменения свойств, проявляемые в пределах периодов:

• металлические свойства ослабевают;
• неметаллические свойства усиливаются;
• степень окисления элементов в высших оксидах увеличивается от +1 до +8;
• степень окисления элементов в летучих водородных соединениях увеличивается от -4 до -1;
• оксиды от основных через амфотерные сменяются кислотными;
• гидроксиды от щелочей через амфотерные гидроксиды сменяются кислородсодержащими кислотами.

На основании этих наблюдений Д. И. Менделеев в 1869 г. сделал вывод - сформулировал Периодический закон, который с использованием современных терминов звучит так:

Систематизируя химические элементы на основе их относительных атомных масс, Д. И. Менделеев уделял большое внимание также свойствам элементов и образованных ими веществ, распределяя элементы со сходными свойствами в вертикальные столбцы - группы. Иногда в нарушение выявленной им закономерности он ставил более тяжёлые элементы перед элементами с меньшими значениями относительных атомных масс. Например, он записал в свою таблицу кобальт перед никелем, теллур - перед иодом, а когда были открыты инертные (благородные) газы, аргон - перед калием. Такой порядок расположения Д. И. Менделеев считал необходимым потому, что иначе эти элементы попали бы в группы несходных с ними по свойствам элементов. Так, в частности, щелочной металл калий попал бы в группу инертных газов, а инертный газ аргон - в группу щелочных металлов.

Д. И. Менделеев не мог объяснить эти исключения из общего правила, как и причину периодичности в изменении свойств элементов и образованных ими веществ. Однако он предвидел, что эта причина кроется в сложном строении атома. Именно научная интуиция Д. И. Менделеева позволила ему построить систему химических элементов не в порядке возрастания их относительных атомных масс, а в порядке возрастания зарядов их атомных ядер. О том, что свойства элементов определяются именно зарядами их атомных ядер, красноречиво говорит существование изотопов, с которыми вы знакомились в прошлом году (вспомните, что это такое, приведите примеры известных вам изотопов).

В соответствии с современными представлениями о строении атома основой классификации химических элементов являются заряды их атомных ядер, и современная формулировка Периодического закона такова:

Периодичность в изменении свойств элементов и их соединений объясняется периодической повторяемостью в строении внешних энергетических уровней их атомов. Именно число энергетических уровней, общее число расположенных на них электронов и число электронов на внешнем уровне отражают принятую в Периодической системе символику, т. е. раскрывают физический смысл порядкового номера элемента, номера периода и номера группы (в чём он состоит?).

Строение атома позволяет объяснить и причины изменения металлических и неметаллических свойств элементов в периодах и группах.

Следовательно, Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева обобщают сведения о химических элементах и образованных ими веществах и объясняют периодичность в изменении их свойств и причину сходства свойств элементов одной и той же группы.

Эти два важнейших значения Периодического закона и Периодической системы Д. И. Менделеева дополняет ещё одно, которое заключается в возможности прогнозировать, т. е. предсказывать, описывать свойства и указывать пути открытия новых химических элементов. Уже на этапе создания Периодической системы Д. И. Менделеев сделал ряд прогнозов о свойствах ещё не известных в то время элементов и указал пути их открытия. В созданной им таблице Д. И. Менделеев для этих элементов оставил пустые клеточки (рис. 3).

Рис. 3.
Периодическая таблица элементов, предложенная Д. И. Менделеевым

Яркими примерами прогностической силы Периодического закона явились последующие открытия элементов: в 1875 г. французом Лекоком де Буабодраном был открыт галлий, предсказанный Д. И. Менделеевым пятью годами раньше как элемент под названием «экаалюминий» (эка - следующий за); в 1879 г. шведом Л. Нильсоном был открыт «экабор» по Д. И. Менделееву; в 1886 г. немцем К. Винклером - «экасилиций» по Д. И. Менделееву (определите по таблице Д. И. Менделеева современные названия этих элементов). Насколько точен был в своих предсказаниях Д. И. Менделеев, иллюстрируют данные таблицы 2.

Таблица 2
Предсказанные и экспериментально обнаруженные свойства германия

Предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 г.	Установлено К. Винклером в 1886 г.
Относительная атомная масса близка к 72	Относительная атомная масса 72,6
Серый тугоплавкий металл	Серый тугоплавкий металл
Плотность металла около 5,5 г/см 3	Плотность металла 5,35 г/см 3
Формула оксида Э0 2	Формула оксида Ge0 2
Плотность оксида около 4,7 г/см 3	Плотность оксида 4,7 г/см 3
Оксид будет довольно легко восстанавливаться до металла	Оксид Ge0 2 восстанавливается до металла при нагревании в струе водорода
Хлорид ЭС1 4 должен быть жидкостью с температурой кипения около 90 °С и плотностью около 1,9 г/см 3	Хлорид германия (IV) GeCl 4 представляет собой жидкость с температурой кипения 83 °С и плотностью 1,887 г/см 3

Учёные-первооткрыватели новых элементов высоко оценили открытие русского учёного: «Вряд ли может существовать более яркое доказательство справедливости учения о периодичности элементов, чем открытие до сих пор гипотетического экасилиция; оно составляет, конечно, более чем простое подтверждение смелой теории, - оно знаменует собой выдающееся расширение химического поля зрения, гигантский шаг в области познания» (К. Винклер).

Американские учёные, открывшие элемент № 101, дали ему название «менделевий» в знак признания заслуг великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым применил Периодическую систему элементов для предсказания свойств тогда ещё не открытых элементов.

Вы познакомились в 8 классе и будете пользоваться в этом году формой Периодической таблицы, которая называется короткопериодной. Однако в профильных классах и в высшей школе преимущественно используется другая форма - длиннопериодный вариант. Сравните их. Что общего и что различного в этих двух формах Периодической таблицы?

Новые слова и понятия

1. Периодический закон Д. И. Менделеева.
2. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - графическое отображение Периодического закона.
3. Физический смысл номера элемента, номера периода и номера группы.
4. Закономерности изменения свойств элементов в периодах и группах.
5. Значение Периодического закона и Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Задания для самостоятельной работы

1. Докажите, что Периодический закон Д. И. Менделеева, как и любой другой закон природы, выполняет объясняющую, обобщающую и предсказательную функции. Приведите примеры, иллюстрирующие эти функции у других законов, известных вам из курсов химии, физики и биологии.
2. Назовите химический элемент, в атоме которого электроны располагаются по уровням согласно ряду чисел: 2, 5. Какое простое вещество образует этот элемент? Какую формулу имеет его водородное соединение и как оно называется? Какую формулу имеет высший оксид этого элемента, каков его характер? Запишите уравнения реакций, характеризующих свойства этого оксида.
3. Бериллий раньше относили к элементам III группы, и его относительная атомная масса считалась равной 13,5. Почему Д. И. Менделеев перенёс его во II группу и исправил атомную массу бериллия с 13,5 на 9?
4. Напишите уравнения реакций между простым веществом, образованным химическим элементом, в атоме которого электроны распределены по энергетическим уровням согласно ряду чисел: 2, 8, 8, 2, и простыми веществами, образованными элементами № 7 и № 8 в Периодической системе. Каков тип химической связи в продуктах реакции? Какое кристаллическое строение имеют исходные простые вещества и продукты их взаимодействия?
5. Расположите в порядке усиления металлических свойств следующие элементы: As, Sb, N, Р, Bi. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.
6. Расположите в порядке усиления неметаллических свойств следующие элементы: Si, Al, Р, S, Cl, Mg, Na. Обоснуйте полученный ряд, исходя из строения атомов этих элементов.
7. Расположите в порядке ослабления кислотных свойств оксиды, формулы которых: SiO 2 , Р 2 O 5 , Аl 2 O 3 , Na 2 O, MgO, Сl 2 O 7 . Обоснуйте полученный ряд. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Как изменяется их кислотный характер в предложенном вами ряду?
8. Напишите формулы оксидов бора, бериллия и лития и расположите их в порядке возрастания основных свойств. Запишите формулы гидроксидов, соответствующих этим оксидам. Каков их химический характер?
9. Что такое изотопы? Как открытие изотопов способствовало становлению Периодического закона?
10. Почему заряды атомных ядер элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева изменяются монотонно, т. е. заряд ядра каждого последующего элемента возрастает на единицу по сравнению с зарядом атомного ядра предыдущего элемента, а свойства элементов и образуемых ими веществ изменяются периодически?
11. Приведите три формулировки Периодического закона, в которых за основу систематизации химических элементов взяты относительная атомная масса, заряд атомного ядра и строение внешних энергетических уровней в электронной оболочке атома.

Периодический закон химических элементов - фундаментальный закон природы, отражающий периодическое изменение свойств химических элементов по мере увеличения зарядов ядер их атомов. Открыт 1 марта (17 февраля по ст. стилю) 1869 г. Д.И. Менделеевым. В этот день им была составлена таблица, названная «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Окончательная формулировка периодического закона была дана Менделеевым в июле 1871 г. Она гласила:

«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса ».

Менделеевская формулировка периодического закона просуществовала в науке 40 с небольшим лет. Она была пересмотрена благодаря выдающимся достижениям физики, главным образом разработке ядерной модели атома (см. Атом). Оказалось, заряд ядра атома (Z) численно равен порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе, а заполнение электронных оболочек и подоболочек атомов в зависимости от Z происходит таким образом, что сходные электронные конфигурации атомов периодически повторяются (см. Периодическая система химических элементов). Поэтому современная формулировка периодического закона такова: свойства элементов, простых веществ и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов.
В отличие от других фундаментальных законов природы, например таких, как закон всемирного тяготения или закон эквивалентности массы и энергии, периодический закон не может быть записан в виде какого-либо общего уравнения или формулы. Его наглядным отражением является периодическая система элементов. Однако и сам Менделеев, и другие ученые делали попытки отыскать математическое уравнение периодического закона химических элементов . Эти попытки увенчались успехом только после разработки теории строения атома. Но они касаются лишь установления количественной зависимости порядка распределения электронов в оболочках и подоболочках от зарядов ядер атомов.
Так, путем решения уравнения Шредингера можно рассчитать, как распределяются электроны в атомах с различными значениями Z. И поэтому основное уравнение квантовой механики как бы является одним из количественных выражений периодического закона.
Или, например, другое уравнение: Z„, = „+,Z - - (21 + 1)2 - >n,(2t + 1) +
1
+ т„где „+,Z = - (n + 1+ 1)" +
+(+1+ 1. 2к(п+О 1
2 2 6
Несмотря на свою громоздкость, оно не так уж и сложно. Буквы и, 1, т, и m,- это не что иное, как главное, орбитальное, магнитное и спиновое квантовые числа (см. Атом). Уравнение позволяет вычислить, при каком значении Z (порядкового номера элемента) в атоме появляется электрон, состояние которого описывается заданной комбинацией четырех квантовых чисел. Подставляя возможные сочетания и, 1, т, и т, в это уравнение, мы получаем набор различных значений Z. Если эти значения расположить в последовательности натурального ряда чисел 1, 2, 3, 4, 5, ..., то, в свою очередь, получается четкая схема построения электронных конфигураций атомов по мере роста Z. Таким образом, это уравнение - также своеобразное количественное выражение периодического закона. Попробуйте сами решить это уравнение для всех элементов периодической системы (как связаны между собой значения и, 1; m, и т„ вы узнаете из статьи Атом).

Периодический закон - это универсальный закон для всей Вселенной . Он имеет силу везде, где существуют атомы. Но периодически изменяются не только электронные структуры атомов. Строение и свойства атомных ядер также подчиняются своеобразному периодическому закону. В ядрах, состоящих из нейтронов и протонов, существуют нейтронные и протонные оболочки, заполнение которых имеет периодический характер. Известны даже попытки построения периодической системы атомных ядер.