1

Махов Б.Ф.

В связи с разработкой автором «Колебательной модели нейтрального атома» с включением «мирового эфира», в которой понятия «постоянный положительный заряд атомного ядра» и «кулоновское поле» становятся излишними, встает вопрос о новой формулировке Периодического закона. Такая формулировка предлагается в данной статье, где рассматривается также проблема математического выражения Периодического закона. В статье автор использует собственный вариант «Симметричной квантовой Периодической системы нейтральных атомов (СК-ПСА)», адекватный Колебательной модели.

Всё более удаляется от нас 1869 год - время первой формулировки Периодического закона Д.И. Менделеева (ПЗМ) и разработки им Периодической системы элементов (ПСЭ-М), в которых за главный критерий упорядочения был принят атомный вес элемента, доступная тогда и более или менее понятная характеристика. Но даже сам Дмитрий Иванович говорил, что «причины периодичности мы не знаем». Тогда было известно всего 63 элемента, а об их свойствах (в основном химических) было известно мало и не всегда точно.

Тем не менее, проблема систематизации элементов уже заявила о себе и требовала решения. Гениальная интуиция Менделеева позволила ему успешно (на тогдашнем уровне знаний) справиться с задачей. Его формулировка ПЗМ (октябрь 1971): «...свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Дмитрий Иванович выстроил все элементы в ряд (ряд Менделеева) по возрастанию атомного веса, в котором однако им же были допущены отступления для известных пар элементов (на основе химических свойств), т.е. фактически имеется зависимость не только от атомного веса.

Ученым стало понятно, что при переходе от одного элемента в ПСЭ-М к следующему какая-то характеристика элемента ступенчато возрастает на одну и ту же величину. Эта величина - Z получила название порядковый номер (в основном у химиков) или атомный номер (у физиков). Выяснилось, что и сам атомный вес определенным образом зависит от Z . Поэтому в качестве главного критерия упорядочения был принят порядковый номер Z, который соответственно вошел во 2-ю формулировку ПЗМ вместо атомного веса.

Шло время, и появились новые возможности систематизации. Это прежде всего успехи в исследовании линейчатых оптических спектров (ЛОС) нейтральных атомов и характеристического рентгеновского излучения (ХРИ). Выяснилось, что каждый элемент обладает уникальным спектром и целый ряд новых элементов были по ним и открыты. Для описания спектров были предложены квантовые числа, спектральные термы, принцип запрета В.Паули, закон Г.Мозли и др. Исследование атомов увенчалось созданием первых моделей атома (МОА), уже после смерти Д.И.Менделеева.

Закон Мозли, связавшего частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером Z , внес особенно большой вклад в науку. Он подтвердил правильность Менделеевского ряда и позволил указать на номера оставшихся еще неоткрытыми элементов. Но затем, руководствуясь благими намерениями придать порядковому номеру Z физический смысл, физики на уровне знаний начала XIX века (первые модели атома) пришли к поспешному выводу, что он не может быть ничем иным как постоянным положительным электрическим зарядом атомного ядра (количеством элементарных электрических зарядов - eZ).

В итоге ученые пришли к выводу, что нужна уточненная 2-я формулировка ПЗМ, в которой в качестве главного критерия систематизации был принят постоянный положительный электрический заряд ядра атома элемента.

Но, к сожалению, в начале ХХ века первые модели атома были представлены чересчур механистически (планетарные ядерные модели), а электрическая нейтральность атома в целом - положительным зарядом ядра и соответствующим количеством отрицательных элементарных частиц - электронов, т.е. тоже на уровне примитивных знаний того времени об электричестве. В результате использовались представления о постоянном кулоновском электрическом поле, притягивающем вращающиеся вокруг ядра электроны и пр. И не дай бог электрону упасть на ядро!

Открытие волновой природы электрона и многие проблемы с принятой моделью атома обусловили переход к «квантовомеханической модели атома». Квантовую механику (КВМ) объявили величайшим достижением ХХ века. Но с течением времени восторги поутихли. Причина - шаткая основа, на которой построена КВМ, базирующаяся на уравнении Шредингера, которое «описывает движение электрона». Прежде всего, неверен сам подход - вместо того, чтобы рассматривать равновесное квантовое состояние нейтрального атома в целом (на макроуровне, говоря языком синергетики), в КВМ рассматривают движение электрона (т.е. работают на излишне детализированном микроуровне). Представьте себе, что для случая идеального газа вместо рассмотрения его на макроуровне с постоянными по времени параметрами состояния газа (давлением, температурой, объемом) вдруг стали бы писать уравнения движения для каждого из миллиардов атомов и молекул газа, громко стеная при этом о трудности задачи и недостаточной мощности современных ЭВМ. В то время как на макроуровне все картина легко и изящно описывается с помощью уравнения связи параметров состояния газа - уравнения Клапейрона-Менделеева. [ФЭС, М, СЭ, 1984, с.288]

Нечто похожее по сложности предлагает нам КВМ в лице ее отцов-основателей, особенно для случая атомов с большими порядковыми номерами. Однако академик Лев Ландау (1908-68), сам один из столпов КВМ, уже писал : «Атом с более чем одним электроном представляет собой сложную систему взаимодействующих друг с другом электронов. Для такой системы можно, строго говоря, рассматривать только состояния системы в целом». Эта же идея имеется в работах физика-спектроскописта акад. АН БССР Ельяшевича М.А. (1908-95).

Однако вернемся к рассмотрению формулировок Периодического закона. Современная (уточненная 2-я) формулировка ПЗМ звучит так:

«Свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер». Заряд ядра eZ = атомному (порядковому) номеру элемента в системе, помноженному на элементарный электрический заряд (т.е. Z численно равен количеству элементарных электрических зарядов).

Почему же нужна новая, 3-я формулировка ПЗМ?

1) Из 2-й формулировки не очень понятно, о каких свойствах идет речь - если о химических, то они не имеют прямого отношения к элементам (нейтральным атомам). При взаимодействии нейтральных атомов происходит перекрытие их переменных ЭМП, в результате они оказывают друг на друга определенную степень возбуждения. Для описания химической связи нужно знать дополнительно - что с чем соединяется (состав и структура вещества) и при каких конкретных физических условиях (КФУ) и т.д.

2) Согласно разработанной автором «Колебательной модели», у ядра нейтрального атома нет ни постоянного электрического заряда, ни создаваемого им постоянного кулоновского поля (вместо этого - пульсирующее ядро, переменное электромагнитное поле - ЭМП, стоячая ЭМВ, параметрический резонанс, высокая добротность колебаний, долговечность атома). См ФИ, 2008, № 3, с.25

3) То есть нет четкого определения ни аргумента, ни функции. Насчет характера периодической зависимости тоже нет определенности. ПЗМ бесполезен без одновременного рассмотрения самой таблицы Периодической системы, поэтому его часто вообще не упоминают в учебниках в существующей формулировке («порочный круг»). Не случайно мы до сих пор не имеем полной теории Периодической системы и самого математического выражения ПЗМ.

4) Сейчас можно использовать принципиально новые возможности для более корректной формулировки Периодического закона и вывода его математического выражения, которые дают «Колебательная модель нейтрального атома» (связанных колебаний ядра и окружающей его среды) и «Симметричная квантовая Периодическая система нейтральных атомов (СК-ПСА)», разработанные и опубликованные автором.

5) Согласно синергетическому подходу, равновесное квантовое состояние атома в целом» (макроскопический подход) может быть описано несколькими независимыми от времени параметрами. Автором показано, что ими является присущий каждому атому строго индивидуальный (принцип запрета В.Паули) набор 4-х квантовых чисел, определяемых из его ЛОС (а не из уравнений КВМ).

Такой набор квантовых чисел однозначно определяет место элемента (его координаты) в разработанной автором СК-ПСА.

6) Такие параметры должны отвечать ряду требований:

Отвечать физической природе нейтрального атома (согласно «Колебательной модели»)

Быть однозначными

Быть целочисленными (что вытекает из самой сути излучения ядра)

Легко измеряться (из спектров нейтрального атома).

Таким образом, смысл известных для каждого атома квантовых чисел должен быть уточнен согласно их физической природе.

7) Вместо уравнения КВМ Э. Шредингера автор предлагает использовать уравнения связи квантовых чисел (уравнения Махова) (автором найдены два таких уравнения) , которые и являются математическим выражением ПЗМ, адекватным новой формулировке. Подробнее об этом в готовящейся к изданию книге .

8) В свете «Колебательной модели нейтрального атома» и нового представления о переменном ЭМП ядра для новой формулировки Периодического закона вместо элементарного электрического заряда нужна другая физическая величина, вместе с порядковым номером Z характеризующая напряженность электромагнитного взаимодействия (ступенчато изменяющаяся с ростом Z) и однозначно определяемая из спектра нейтральных атомов. И такая величина есть - это постоянная тонкой структуры (α) [ФЭС-763], которую обычно используют при поисках "верхней границы Периодической системы".

Новая формулировка ПЗМ выглядит так:

«Характеристики нейтральных атомов находятся в периодической зависимости от величины напряженности (αZ ) переменного электромагнитного поля (ЭМП), создаваемого их ядрами». К такой краткой формулировке автор пришел 22 ноября 2006 г. после ряда «пространных».

Из нее видно, что вместо величины электрического заряда (eZ ), в которую входит элементарный электрический заряд, используется величина напряженности (αZ ), в которую входит α - постоянная тонкой структуры, которая «в квантовой электродинамике рассматривается как естественный параметр, характеризующий «силу» электромагнитного взаимодействия» [ФЭС, с.763].

Про характеристики нейтральных атомов (о квантовых числах, их физической природе и др.) мы уже говорили, а вот о характере периодической зависимости еще нужно немного пояснить. Уже сейчас имеются предпосылки для вывода уравнений связи квантовых чисел - это (n + l )- правила академика В.М. Клечковского (1900-72) и (n - l )- правило дхн, проф. Д.Н. Трифонова , которые использованы автором для построения СК-ПСА. Помня о переменном ЭМП и распространяющейся (на конкретную для каждого атома глубину) стоячей ЭМВ, можно сказать, что сумма этих квантовых чисел представляет полную энергию стоячей ЭМВ, а разность - глубину изменения параметра колебаний. То есть уже имеются связки квантовых чисел, которые представляют в СК-ПСА (n + l )- период (все они парные и образуют диады), а (n - l )- группы последовательных атомов - горизонтальные ряды СК-ПСА (до 4-х в периоде в пределах Z ≤ 120), представляющие собой последовательности f -, d -, p -, s - элементов. Т.е., при одном квантовом энергетическом уровне могут быть несколько квантовых состояний. Дальнейший учет особенностей двуединой стоячей ЭМВ и позволяет вывести уравнения связи квантовых чисел (уравнения Махова).

Пример: Полная энергия стоячей ЭМВ E n + l = E n + E l = const , где E n и E l - средние значения энергии электрической и магнитной составляющих ее частей.

Для прояснения физического смысла квантовых чисел воспользуемся формулой энергии квантового излучателя (в общем виде) E = Eo (2k + 1), отсюда → = 2k

Конкретно имеем для E n + l = E o (2 + 1) → = n + l , то есть сумма квантовых чисел (n + l ) - это отношение приращение полной энергии стоячей ЭМВ к ее исходному значению, что придает физический смысл упомянутому выше первому правилу академика В.М. Клечковского.

Стоячая ЭМВ - это материальный носитель параметрического резонанса (при постоянной внутренней энергии происходит перекачка энергии из электрической в магнитную и обратно с огромной частотой). При этом разность средних значений энергии электрической и магнитной составляющих полной энергии ЭМВ E n - l = E n - E l - величина изменения параметра также квантуется.

E n - l = E о (2 + 1) → = n - l , это отношение придает физический смысл правилу Д.Н Трифонова и отсюда же становится понятным правило n - l ≥ 1, так как иначе нет стоячей ЭМВ (не должно быть присущего бегущей волне n = l , и связанного с ней уноса энергии). Можно ввести понятие «относительная величина изменения параметра» : = = λ

Квантуются также средние значения составляющих полной энергии стоячей ЭМВ

E n = Eo (2n + 1) → = 2n

E l = Eo (2l + 1) → = 2l

отсюда квантовые числа n и l приобретают новый физический смысл как квантовые числа составляющих электрической и магнитной энергий полной энергии стоячей ЭМВ (вместо "главное квантовое число" и "орбитальное квантовое число").

Высокая и постоянная частота стоячей ЭМВ находит свое выражение через периодические функции, применительно к нашему случаю - тригонометрические. Двуединость стоячей ЭМВ - в параметрическом задании функции. Стоячая ЭМВ как гармоническая волна может быть описана уравнениями синусоиды вида y = A sin (ω t + φ ),

тогда n t = n cos α и l t = l sin α (параметрическое задание эллипса).

здесь n и l - квантовые числа (безразмерные целочисленные величины), показатели максимальной амплитуды относительной энергии электрической и магнитной составляющих стоячей ЭМВ, а n t и l t - текущие значения колеблющихся величин (составляющих стоячей ЭМВ) в данный момент времени , т.е. тоже величины безразмерные.*)

0 ≤ |n t | ≤ n 0 ≤ |l t | ≤ l

Поясним, что имеются именно две зависимости - косинусоида и синусоида На границе раздела «Ядро-окружающая среда» в начальный момент излучения первая имеет максимальную амплитуду - n to = n (иначе нет излучения), а амплитуда другой - l to = 0 (т.е имеется сдвиг по фазе). Начав распространяться от ядра, одна составляющая стоячей ЭМВ порождает другую и наоборот. Автор хотел бы предостеречь от поспешного вывода, что раз l to = 0, то и магнитная составляющая полной энергии стоячей ЭМВ также равна нулю. Это не так, достаточно вспомнить формулу квантового гармонического излучателя.

Вот это уравнение эллипса + = 1 (в канонической форме, обычное для связи гармонических колебаний) и представляет собой одно из уравнений связи квантовых чисел.

Физический смысл данного уравнения связи становится более ясным, если произвести некоторые преобразования. Для этого воспользуемся представлением эллипса как гипотрохоиды .

Для нашего случая ; .

Это - 1-е уравнение связи квантовых чисел (уравнение Махова).

Или достаточно наглядно .

Видно, что уравнение отражает постоянство полной энергии стоячей ЭМВ. Таким образом, вышеупомянутые связки квантовых чисел (n + l )- номер периода в СК-ПСА, а (n - l )- определяет последовательность местоположения входящих в состав периода горизонтальных рядов - нашли своё место в уравнении связи, а само уравнение хорошо отражает структуру СК-ПСА.

Нами получено еще одно, 2-е уравнение связи для остальных двух квантовых чисел (из полного набора в соответствии с принципом запрета В.Паули) - m l и m s , но о них в двух словах не скажешь, да и с физическим смыслом "спинового" квантового числа m s нужно ещё разобраться - об этом см.

Начало (порядковый номер исходного элемента - Z M ) каждой M-диады (пары периодов СК-ПСА) можно получить из выполненного автором тождественного преобразования формулы В.М. Клечковского для номера Z l элемента, при котором впервые появляется элемент с данным значением l max

Z M = Z l -1 = = ,

тогда при l max = 0; 1; 2; 3; 4... имеем Z M = 0; 4; 20; 56; 120..., т.е. это так называемые тетраэдрические числа, что опосредованно связано с некими минимальными исходными для диады квантовыми энергетическими уровнями (тетраэдр среди всех пространственных тел имеет минимальную площадь поверхности при фиксированном объёме).

Более подробно на эту тему и упомянутых двух уравнениях связи квантовых чисел автор предполагает сообщить в готовящихся к печати работах .

Автор не претендует этой работой, естественно, на создание полной теории Периодической системы нейтральных атомов и ее математического выражения, но считает ее необходимым и важным этапом на этом пути, и в меру своих сил будет содействовать дальнейшему продвижению.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Клечковский В.М. «Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (n + l )- групп», М., Атомиздат, 1968
2. Клечковский В.М. «Развитие некоторых теоретических проблем Периодической системы Д.И. Менделеева" (доклад на симпозиуме Х Менделеевского съезда). М., Наука, 1971, стр. 54-67.
3. Трифонов Д.Н. "Структура и границы периодической системы", М., Атомиздат, 1976, 271 стр.
4. Махов Б.Ф., книга "Симметричная квантовая Периодическая система элементов" (СК-ПСЭ), Москва, 1997 - ISBN 5-86700-027-3
5. Махов Б.Ф., Статья «Симметричная квантовая периодическая система элементов (нейтральных атомов) - СК-ПСА (или Новая периодизация Периодической системы», в журнале РАЕ «Фундаментальные исследования», 2007, № 9, с. 30-36 - ISSN 1812-7339
6. Махов Б.Ф., Доклад «Проявление парности в Периодической системе нейтральных атомов (СК-ПСА)», в Трудах V-Межд. конференции «Биниология, симметрология и синергетика в естественных науках», сент. 2007, г. Тюмень, ТюмГНГУ, Раздел «Физика и химия», стр. 59-65 ISBN 978-5-88465-835-4
7. Махов Б.Ф., Статья «Мировой эфир» Д.И. Менделеева и его место в Периодической системе», в журнале РАЕ «Фундаментальные исследования», 2008, № 3, с. 25-28
8. Махов Б.Ф., Статья «Физическая природа металлов в свете колебательной модели атома», в журнале РАЕ «Фундаментальные исследования», 2008, № 3, с. 29-37
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Квантовая механика. Нерелятивистская теория», М.: Наука, 1974 (3-е изд). стр. 293. и 1989 (4-е изд). стр. 302
10. Махов Б.Ф., книга "О модели нейтрального атома и путях выхода из кризиса в атомной физике» (подготовлена к печати).
11. Махов Б.Ф., книга «Трехмерная СК-ПСА» (подготовлена к печати).
12. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А., Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, Гл.ред. ФМЛ, 1986 (13е,испр), стр.127
13. Статья "Тонкой структуры постоянная", Физический энциклопедический словарь - ФЭС, с.763

Библиографическая ссылка

Махов Б.Ф. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА – НОВАЯ ФОРМУЛИРОВКА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ЗАКОНА // Успехи современного естествознания. – 2008. – № 9. – С. 24-29;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=10547 (дата обращения: 29.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Периодический закон Д.И.Менделеева, его современная формулировка. В чем её отличие от той, которая была дана Д.И.Менделеевым? Поясните, чем обусловлено такое изменение формулировки закона? В чем заключается физический смысл Периодического закона? Поясните причину периодического изменения свойств химических элементов. Как вы понимаете явление периодичности?

Периодический закон был сформулирован Д. И. Менделеевым в следующем виде (1871): «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

В настоящее время Периодический закон Д. И. Менделеева имеет следующую формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов».

Особенность Периодического закона среди других фундаментальных законов заключается в том, что он не имеет выражения в виде математического уравнения. Графическим (табличным) выражением закона является разработанная Менделеевым Периодическая система элементов.

Периодический закон универсален для Вселенной: как образно заметил известный русский химик Н. Д. Зелинский, Периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».

В современном состоянии Периодическая система элементов состоит из 10 горизонтальных рядов (периодов) и 8 вертикальных столбцов (групп). Первые три ряда образуют три малых периода. Последующие периоды включают по два ряда. Кроме того, начиная с шестого, периоды включают дополнительные ряды лантаноидов (шестой период) и актиноидов (седьмой период).

По период наблюдается ослабление металлических свойств и усиление неметаллических. Конечный элемент периода представляет собой благородный газ. Каждый последующий период начинается со щелочного металла, т. е. по мере роста атомной массы элементов изменение химических свойств имеет периодический характер.

С развитием атомной физики и квантовой химии Периодический закон получил строгое теоретическое обоснование. Благодаря классическим работам Й. Ридберга (1897), А. Ван-ден-Брука (1911), Г. Мозли (1913) был раскрыт физический смысл порядкового (атомного) номера элемента. Позднее была создана квантово-механическая модель периодического изменения электронного строения атомов химических элементов по мере возрастания зарядов их ядер (Н. Бор, В. Паули, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг и др.).

Периодические свойства химических элементов

В принципе, свойства химического элемента объединяют все без исключения его характеристики в состоянии свободных атомов или ионов, гидратированных или сольватированных, в состоянии простого вещества, а также формы и свойства образуемых им многочисленных соединений. Но обычно под свойствами химического элемента подразумевают, во-первых, свойства его свободных атомов и, во-вторых, свойства простого вещества. Большинство этих свойств проявляет явную периодическую зависимость от атомных номеров химических элементов. Среди этих свойств наиболее важными, имеющими особое значение при объяснении или предсказании химического поведения элементов и образуемых ими соединений являются:

Энергия ионизации атомов;

Энергия сродства атомов к электрону;

Электроотрицательность;

Атомные (и ионные) радиусы;

Энергия атомизации простых веществ

Степени окисления;

Окислительные потенциалы простых веществ.

Физический смысл периодического закона состоит в том, что периодическое изменение свойств элементов находится в полном соответствии с периодически возобновляющимися на все более высоких энергетических уровнях сходными электронными структурами атомов. С их закономерным изменением закономерно изменяются физические и химические свойства.

Физический смысл периодического закона стал понятен после создания теории строения атома.

Итак, физический смысл периодического закона состоит в том, что периодическое изменение свойств элементов находится в полном соответствии с периодически возобновляющимися на все более высоких энергетических уровнях сходными электронными структурами атомов. С их закономерным изменением закономерно изменяются физические и химические свойства элементов.

В чем состоит физический смысл периодического закона.

Этими выводами вскрывается физический смысл периодического закона Д. И. Менделеева, который оставался неясным в течение полувека после открытия этого закона.

Отсюда следует, что физический смысл периодического закона Д. И. Менделеева состоит в периодичности повторения сходных электронных конфигураций при возрастании главного квантового числа и объединении элементов по близости их электронного строения.

Теория строения атомов показала, что физический смысл периодического закона состоит в том, что при последовательном возрастании зарядов ядер периодически повторяются сходные валентные электронные структуры атомов.

Из всего изложенного ясно, что теория строения атома раскрыла физический смысл периодического закона Д. И. Менделеева и еще ярче выявила его значение как основы для дальнейшего развития химии, физики и ряда других наук.

Замена атомной массы зарядом ядра была первым шагом в раскрытии физического смысла периодического закона, Далее, было важно установить причины возникновения периодичности, характер периодической функции зависимости свойств от заряда ядра, объяснить величины периодов, число редкоземельных элементов и пр.

Для элементов-аналогов наблюдается одинаковое число электронов на одноименных оболочках при разных значениях главного квантового числа. Поэтому физический смысл Периодического закона заключается в периодическом изменении свойств элементов в результате периодически возобновляющихся сходных электронных оболочек атомов при последовательном возрастании значений главного квантового числа.

Для элементов - аналогов наблюдается одинаковое число электронов на одноименных орбиталях при разных значениях главного квантового числа. Поэтому физический смысл Периодического закона заключается в периодическом изменении свойств элементов в результате периодически возобновляющихся сходных электронных оболочек атомов при последовательном возрастании значений главного квантового числа.

Таким образом, при последовательном увеличении зарядов атомных ядер периодически повторяется конфигурация электронных оболочек и, как следствие, периодически повторяются химические свойства элементов. В этом заключается физический смысл периодического закона.

Периодический закон Д. И. Менделеева является основой современной химии. Изучение строения атомов вскрывает физический смысл периодического закона и объясняет закономерности изменения свойств элементов в периодах и в группах периодической системы. Знание строения атомов является необходимым для понимания причин образования химической связи. Природа химической связи в молекулах определяет свойства веществ. Поэтому данный раздел является одним из важнейших разделов общей химии.

естествознание периодический экосистема

В 1871 году был сформулирован периодический закон Менделеева. К этому времени науке было известно 63 элемента, и Дмитрий Иванович Менделеев упорядочил их на основе относительной атомной массы. Современная периодическая таблица значительно расширилась.

История

В 1869 году, работая над учебником химии, Дмитрий Менделеев столкнулся с проблемой систематизации материала, накопленного за много лет разными учёными - его предшественниками и современниками. Ещё до работы Менделеева предпринимались попытки систематизировать элементы, что послужило предпосылками разработки периодической системы.

Рис. 1. Менделеев Д. И..

Поиски классификации элементов кратко описаны в таблице.

Менделеев упорядочил элементы по относительной атомной массе, расположив их в порядке возрастания. Всего получилось девятнадцать горизонтальных и шесть вертикальных рядов. Это была первая редакция периодической таблицы элементов. С этого начинается история открытия периодического закона.

Учёному понадобилось почти три года, чтобы создать новую, более совершенную таблицу. Шесть столбцов элементов превратились в горизонтальные периоды, каждый из которых начинался щелочным металлом, а заканчивался неметаллом (инертные газы ещё не были известны). Горизонтальные ряды образовали восемь вертикальных групп.

В отличие от своих коллег Менделеев использовал два критерия распределения элементов:

• атомную массу;
• химические свойства.

Оказалось, что между двумя этими критериями прослеживается закономерность. После определённого количества элементов с возрастающей атомной массой, свойства начинают повторяться.

Рис. 2. Таблица, составленная Менделеевым.

Изначально теория не выражалась математически и не могла полностью подтвердиться экспериментально. Физический смысл закона стал понятен только после создания модели атома. Смысл заключается в повторении структуры электронных оболочек при последовательном увеличении зарядов ядер, что отражается на химических и физических свойствах элементов.

Закон

Установив периодичность изменений свойств с увеличением атомной массы, Менделеев в 1871 году сформулировал периодический закон, ставший основополагающим в химической науке.

Дмитрий Иванович определил, что свойства простых веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс.

Наука XIX века не обладала современными знаниями об элементах, поэтому современная формулировка закона несколько отличается от менделеевской. Однако суть остаётся прежней.

С дальнейшим развитием науки было изучено строение атома, что повлияло на формулировку периодического закона. Согласно современному периодическому закону свойства химических элементов зависят от зарядов атомных ядер.

Таблица

Со времён Менделеева созданная им таблица значительно преобразилась и стала отражать практически все функции и характеристики элементов. Умение пользоваться таблицей необходимо для дальнейшего изучения химии. Современная таблица представлена в трёх формах:

• короткая - периоды занимают по две строчки, а водород часто относят к 7 группе;
• длинная - изотопы и радиоактивные элементы вынесены за пределы таблицы;
• сверхдлинная - каждый период занимает отдельную строку.

Рис. 3. Длинная современная таблица.

Короткая таблица - наиболее устаревший вариант, который был отменён в 1989 году, но по-прежнему используется во многих учебниках. Длинная и сверхдлинная формы признаны международным сообществом и используются по всему миру. Несмотря на установленные формы, учёные продолжают совершенствовать периодическую систему, предлагая новейшие варианты.

Что мы узнали?

Периодический закон и периодическая система Менделеева были сформулированы в 1871 года. Менделеев выявил закономерности свойств элементов и упорядочил их на основе относительной атомной массы. С возрастанием массы менялись, а затем повторялись свойства элементов. Впоследствии таблица была дополнена, а закон скорректирован в соответствии с современными знаниями.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 135.

Периодический закон — это фундаментальный закон, который был сформулирован Д.И. Менделеевым в 1869 году.

В формулировке Дмитрия Ивановича Менделеева периодическ ий закон звучал так: «Свойства элементов, формы и свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины их атомной массы .» Периодическое изменение свойств элементов Менделеев связывал с атомной массой. Понимание периодичности изменения многих свойств позволило Дмитрию Ивановичу определить и описать свойства веществ, образованных еще не открытыми химическими элементами, предсказать природные рудные источники и даже места их залегания.

Более поздние исследования показали, что свойства атомаов и их соединений зависят в первую очередь от электронного строения атома. А электронное строение определяется свойствами атомного ядра . В частности, зарядом ядра атома .

Поэтому современная формулировка периодического закона звучит так:

«Свойства элементов, форма и свойства образованных ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов «.

Следствие периодического закона – изменение свойств элементов в определенных совокупностях, а также повторение свойств по периодам, т.е. через определенное число элементов. Такие совокупности Менделеев назвал периодами.

Периоды – это горизонтальные ряды элементов с одинаковым количеством заполняемых электронных уровней. Номер периода обозначает число энергетических уровней в атоме элемента. Все периоды (кроме первого) начинаются щелочным металлом (s -элементом), а заканчиваются благородным газом.

Группы – вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов , равным номеру группы. Различают главные и побочные подгруппы. Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов, валентные электроны которых расположены на внешних ns — и np — подуровнях.

Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева состоит из семи периодов, которые представляют собой горизонтальные последовательности элементов, расположенные по возрастанию заряда их атомного ядра.

Каждый период (за исключением первого) начинается атомами щелочных металлов (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr) и заканчивается благородными газами (Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), которым предшествуют типичные неметаллы.

В периодах слева направо возрастает число электронов на внешнем уровне.

Как следствие,

В периодах слева направо постепенно ослабевают металлические и усиливаются неметаллические свойства .

В первом периоде имеются два элемента – водород и гелий . При этом водород условно размещают в IA или VIIA подгруппе, так как он проявляет сходство и со щелочными металлами, и с галогенами. Как и щелочные металлы, водород является восстановителем. Отдавая один электрон, водород образует однозарядный катион H + . Как и галогены, водород – неметалл, образует двухатомную молекулу H 2 и может проявлять окислительные свойства при взаимодействии с активными металлами:

2Na + H 2 → 2NaH

В четвертом периоде вслед за Са расположены 10 переходных элементов (от скандия Sc до цинка Zn), за которыми находятся остальные 6 основных элементов периода (от галлия Ga до криптона Кr). Аналогично построен пятый период. Переходными элементами обычно называют любые элементыа с валентными d– или f–электронами.

Шестой и седьмой периоды имеют двойные вставки элементов. За элементом Ва расположены десять d–элементов (от лантана La — до гадолиния Hg), а после первого переходного элемента лантана La следуют14 f–элементов — лантаноидов (Се — Lu). После ртути Hg располагаются остальные 6 основных р-элементов шестого периода (Тl — Rn).

В седьмом (незавершенном) периоде за Ас следуют 14 f–элементов- актиноидов (Th — Lr). В последнее время La и Ас стали причислять соответственно к лантаноидам и актиноидам. Лантаноиды и актиноиды помещены отдельно внизу таблицы.

В Периодической системе каждый элемент расположен в строго определенном месте, которое соответствует его порядковому номерому .

Элементы в Периодической системе разделены на восемь групп (I – VIII), которые в свою очередь делятся на подгруппы — главные , или подгруппы А и побочные , или подгруппы Б. Подгруппа VIIIБ-особая, она содержит триады элементов, составляющих семейства железа (Fе, Со, Ni) и платиновых металлов (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt).

Внутри каждой подгруппы элементы проявляют похожие свойства и схожи по химическому строению. А именно:

В главных подгруппах сверху вниз усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические.

В главных подгруппах сверху вниз увеличивается устойчивость соединений элементов в низшей степени окисления.

В побочных подгруппах наоборот: сверху вниз металлические свойства ослабевают и увеличивается устойчивость соединений с высшей степенью окисления.

В зависимости от того, какая энергетическая орбиталь заполняется в атоме последней, химические элементы можно разделить на s-элементы, р-элементы, d- и f-элементы.

У атомов s-элементов заполняются s-орбитали на внешних энергетических уровнях. К s-элементам относятся водород и гелий, а также все жлементы I и II групп главных подгрупп (литий, бериллий, натрий и др.). У p-элементов электронами заполняются p-орбитали. К ним относятся элементы III-XIII групп, главных подгрупп. У d-элементов заполняются, соответственно, d-орбитали. К ним относятся элементы побочных подгрупп.

О каких же еще свойствах говорится в Периодическом законе?

Периодически зависят от заряда ядра такие характеристики атомов, как орбитальный радиус, энергия сродства к электрону, электроотрицательность, энергия ионизации, степень окисления и др.

Рассмотрим, как меняется атомный радиус . Вообще, атомный радиус – понятие довольно сложное и неоднозначное. Различают радиусы атомов металлов и ковалентные радиусы неметаллов .

Радиус атома металла равен половине расстояния между центрами двух соседних атомов в металлической кристаллической решетке. Атомный радиус зависит от типа кристаллической решетки вещества, фазового состояния и многих других свойств.

Мы говорим про орбитальный радиус изолированного атома.

Орбитальный радиус – это теоретически рассчитанное расстояние от ядра до максимального скопления наружных электронов.

Орбитальный радиус завит в первую очередь от числа энергетических уровней, заполненных электронами .

Чем больше число энергетических уровней, заполненных электронами, тем больше радиус частицы.

Например , в ряду атомов: F – Cl – Br – I количество заполненных энергетических уровней увеличивается, следовательно, орбитальный радиус также увеличивается.

Если количество заполняемых энергетических уровней одинаковое, то радиус определяется зарядом ядра частицы.

Чем больше заряд ядра, тем сильнее притяжение валентных электронов к ядру.

Чем больше притяжение валентных электронов к ядру, тем меньше радиус частицы. Следовательно:

Чем больше заряд ядра атома (при одинаковом количестве заполняемых энергетических уровней), тем меньше атомный радиус.

Например , в ряду Li – Be – B – C количество заполненных энергетических уровней, заряд ядра увеличивается, следовательно, орбитальный радиус также уменьшается.

В группах сверху вниз увеличивается число энергетических уровней у атомов. Чем больше количество энергетических уровней у атома, тем дальше расположены электроны внешнего энергетического уровня от ядра и тем больше орбитальный радиус атома.

В главных подгруппах сверху вниз увеличивается орбитальный радиус.

В периодах же число энергетических уровней не изменяется. Зато в периодах слева направо увеличивается заряд ядра атомов. Следовательно, в периодах слева направо уменьшается орбитальный радиус атомов.

В периодах слева направо орбитальный радиус атомов уменьшается.

Рассмотрим закономерности изменения радиусов ионов : катионов и анионов.

Катионы – это положительно заряженные ионы. Катионы образуются, если атом отдает электроны.

Радиус катиона меньше радиуса соответствующего атома. С увеличением положительного заряда иона радиус уменьшается.

Например , радиус иона Na + меньше радиуса атома натрия Na:

Анионы – это отрицательно заряженные ионы. Анионы образуются, если атом принимает электроны.

Радиус аниона больше радиуса соответствующего атома.

Радиусы ионов также зависят от числа заполненных энергетических уровней в ионе и от заряда ядра.

Например , радиус иона Cl – больше радиуса атома хлора Cl.

Изоэлектронные ионы – это ионы с одинаковым числом электронов. Для изоэлектронных частиц радиус также определяется зарядом ядра : чем больше заряд ядра иона, тем меньше радиус.

Например : частицы Na + и F ‒ содержат по 10 электронов. Но заряд ядра натрия +11, а у фтора только +9. Следовательно, радиус иона Na + меньше радиуса иона F ‒ .

Еще одно очень важное свойство атомов – электроотрицательность (ЭО) .

Электроотрицательность – это способность атома смещать к себе электроны других атомов при образовании связи. Оценить электроотрицательность можно только примерно. В настоящее время существует несколько систем оценки относительной электроотрицательности атомов. Одна из наиболее распространенных – шкала Полинга .

По Полингу наиболее электроотрицательный атом – фтор (значение ЭО≈4). Наименее элекроотрицательный атом –франций (ЭО = 0,7) .

В главных подгруппах сверху вниз уменьшается электроотрицательность.

В периодах слева направо электроотрицательность увеличивается.

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

Предыдущая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства