Legea periodică și tabelul periodic al elementelor chimice al lui D. Mendeleev

Prima varianta Tabel periodic al elementelor a fost publicat de Dmitri Ivanovici Mendeleev în 1869 și a fost numit „Experiența unui sistem de elemente”.

DI. Mendeleev a aranjat cele 63 de elemente cunoscute la acea vreme în ordinea creșterii maselor atomice și a obținut o serie naturală de elemente chimice, în care a descoperit repetabilitatea periodică a proprietăților chimice. Această serie de elemente chimice este acum cunoscută sub numele de Legea periodică (formulare de D.I. Mendeleev):

Proprietățile corpurilor simple, precum și formele și proprietățile compușilor elementelor, depind periodic de greutățile atomice ale elementelor.

Formularea actuală a legii este:

Proprietățile elementelor chimice, substanțelor simple, precum și compoziția și proprietățile compușilor depind periodic de valorile sarcinilor nucleelor ​​atomice.

Reprezentare grafică lege periodică este tabelul periodic.

Celula fiecărui element indică cele mai importante caracteristici ale acestuia.

tabel periodic conţine grupuri și perioade.

Grup- o coloană a tabelului periodic în care se află elemente chimice asemănătoare din punct de vedere chimic datorită configurațiilor electronice identice ale stratului de valență.

Sistem periodic D.I. Mendeleev conține opt grupuri de elemente. Fiecare grup este format din două subgrupe: principal (a) și secundar (b). Subgrupul principal conține s-Şi p- elemente, în secundar - d- elemente.

Nume de grup:

I-a Metale alcaline.

II-a Metale alcalino-pământoase.

V-a Pnictogene.

VI-a Calcogeni.

VII-a Halogeni.

VIII-a Gaze nobile (inerte).

Perioadă este o succesiune de elemente, scrise sub formă de șir, aranjate în ordinea sarcinilor crescătoare ale nucleelor ​​lor. Numărul perioadei corespunde numărului de niveluri electronice din atom.

Perioada începe cu un metal alcalin (sau hidrogen) și se termină cu un gaz nobil.

Tabelul periodic modern al elementelor chimice lui Mendeleev.

Makhov B.F.

În legătură cu dezvoltarea de către autor a „Modelului vibrațional al atomului neutru” cu includerea „eterului mondial”, în care conceptele de „încărcare pozitivă permanentă a nucleului atomic” și „câmpul Coulomb” devin redundante, se pune problema unei noi formulări a Legii periodice. Această formulare este propusă în acest articol, care are în vedere și problema exprimării matematice a Legii periodice. În articol, autorul folosește propria sa versiune a „Symmetric Quantum Periodic System of Neutral Atoms (SQ-PSA)”, care este adecvată modelului vibrațional.

Se îndepărtează din ce în ce mai mult de noi 1869 - momentul primei formulări a Legii periodice de către D.I. Mendeleev (PZM) și dezvoltarea sa a Tabelului Periodic al Elementelor (PSE-M), în care greutatea atomică a unui element, o caracteristică atunci accesibilă și mai mult sau mai puțin de înțeles, a fost luată ca principal criteriu de ordonare. Dar chiar și Dmitri Ivanovici însuși a spus că „nu știm motivele periodicității”. În acel moment, se cunoșteau doar 63 de elemente și se știa puțin despre proprietățile lor (în mare parte chimice) și nu întotdeauna cu acuratețe.

Problema sistematizării elementelor se declarase însă deja și necesita o soluție. Intuiția strălucită a lui Mendeleev i-a permis să facă față cu succes (la nivelul de cunoștințe de atunci) sarcinii. Formularea sa a PZM (octombrie 1971): „...proprietățile elementelor și, prin urmare, proprietățile corpurilor simple și complexe pe care le formează, depind periodic de greutatea lor atomică.”

Dmitri Ivanovici a aranjat toate elementele dintr-o serie (seria Mendeleev) în greutate atomică crescătoare, în care, totuși, a permis și abateri pentru perechile cunoscute de elemente (pe baza proprietăților chimice), adică. de fapt, există o dependență nu numai de greutatea atomică.

Oamenii de știință au devenit clar că atunci când se trece de la un element din PSE-M la altul, unele caracteristici ale elementului cresc treptat cu aceeași cantitate. Această valoare este Z a primit numele număr de serie (în principal printre chimiști) sau număr atomic (în rândul fizicienilor). S-a dovedit că greutatea atomică în sine depinde într-un anumit fel de Z. Prin urmare, numărul de serie Z a fost adoptat ca principal criteriu de ordonare, care, în consecință, a fost inclus în a doua formulare a PZM în loc de greutatea atomică.

Timpul a trecut și au apărut noi posibilități de sistematizare. Acestea sunt, în primul rând, progrese în studiul spectrelor optice de linie (LOS) ale atomilor neutri și al radiației caracteristice cu raze X (CHR). S-a dovedit că fiecare element are un spectru unic și pe baza lor au fost descoperite o serie de elemente noi. Pentru a descrie spectrele, numerele cuantice, termenii spectrale, principiul excluderii lui W. Pauli, legea lui G. Moseley etc. Studiul atomilor a culminat cu crearea primelor modele ale atomului (MOA), după moartea lui D.I. Mendeleev.

Legea lui Moseley, care lega frecvența radiației caracteristice cu raze X la numărul de serie Z, a adus contribuții deosebit de mari la știință. El a confirmat corectitudinea seriei Mendeleev și ne-a permis să indicăm numerele elementelor rămase nedescoperite. Dar apoi, ghidat de bunele intenții, dați un număr de serie Z sens fizic, fizicienii de la nivelul cunoștințelor de la începutul secolului al XIX-lea (primele modele ale atomului) au ajuns la o concluzie grăbită că nu poate fi altceva decât o sarcină electrică pozitivă constantă a nucleului atomic (numărul de elemente elementare sarcini electrice - eZ).

Drept urmare, oamenii de știință au ajuns la concluzia că era necesară o a doua formulare rafinată a PZM, în care sarcina electrică pozitivă constantă a nucleului atomului unui element a fost adoptată ca principal criteriu de sistematizare.

Dar, din păcate, la începutul secolului al XX-lea, primele modele ale atomului au fost prezentate prea mecanic (modele nucleare planetare), iar neutralitatea electrică a atomului în ansamblu era reprezentată de sarcina pozitivă a nucleului și corespunzătoare. numărul de particule elementare negative - electroni, adică tot la nivelul cunoștințelor primitive ale vremii despre electricitate. Ca urmare, a fost folosit conceptul unui câmp electric coulombian constant, care atrage electroni care se rotesc în jurul nucleului etc. Și Doamne ferește ca un electron să cadă pe nucleu!

Descoperirea naturii ondulatorii a electronului și multe probleme cu modelul acceptat al atomului a dus la trecerea la „modelul mecanic cuantic al atomului”. Mecanica cuantică (QME) a ​​fost salutată drept cea mai mare realizare a secolului al XX-lea. Dar cu timpul, entuziasmul s-a domolit. Motivul este fundația șubredă pe care este construit CME, bazată pe ecuația Schrödinger, care „ descrie mișcarea electronilor”. În primul rând, abordarea în sine este incorectă - în loc să ia în considerare starea cuantică de echilibru a unui atom neutru în ansamblu (la nivel macro, în limbajul sinergeticii), CME ia în considerare mișcarea electronului (adică, lucrează la un micronivel excesiv de detaliat). Imaginează-ți că, în cazul unui gaz ideal, în loc să-l considere la nivel macro cu parametrii constanti în timp ai stării gazului (presiune, temperatură, volum), au început brusc să scrie ecuații de mișcare pentru fiecare dintre miliarde. a atomilor și moleculelor de gaz, gemând tare în acelaşi timp despre dificultatea sarcinii şi puterea insuficientă a calculatoarelor moderne. În timp ce la nivel macro, întreaga imagine este ușor și elegant descrisă folosind ecuația pentru conectarea parametrilor stării unui gaz - ecuația Clapeyron-Mendeleev. [FES, M, SE, 1984, p.288]

Ceva asemănător din punct de vedere al complexității, CME ne oferă în persoana părinților fondatori, mai ales în cazul atomilor cu numere atomice mari. Cu toate acestea, academicianul Lev Landau (1908-68), el însuși unul dintre pilonii CME, scria deja: „Un atom cu mai mult de un electron este un sistem complex de electroni care interacționează între ei. Pentru un astfel de sistem, se pot lua în considerare, strict vorbind, doar stările sistemului ca întreg.” Aceeași idee se regăsește în lucrările fizicianului spectroscopist Acad. Academia de Științe a BSSR Elyashevich M.A. (1908-95).

Cu toate acestea, să revenim la considerarea formulărilor Legii periodice. Formularea modernă (a doua rafinată) a PZM sună astfel:

„Proprietățile elementelor depind periodic de sarcina nucleelor ​​lor atomice.” Sarcina nucleară eZ = numărul atomic (ordinal) al elementului din sistem înmulțit cu sarcina electrică elementară (adică Z este numeric egal cu numărul de sarcini electrice elementare).

De ce este necesară o nouă, a treia formulare a PZM?

1) Din a 2-a formulare nu este foarte clar despre ce proprietăți vorbim - dacă sunt chimice, atunci nu sunt direct legate de elemente (atomi neutri). Când atomii neutri interacționează, variabilele lor EMF se suprapun și, ca urmare, exercită un anumit grad de excitare unul asupra celuilalt. Pentru a descrie o legătură chimică, trebuie să știți în plus ce este combinat cu ce (compoziția și structura substanței) și în ce condiții fizice specifice (CFU) etc.

2) Conform „Modelului oscilator” dezvoltat de autor, nucleul unui atom neutru nu are nici o sarcină electrică constantă, nici un câmp Coulomb constant creat de acesta (în schimb - un miez pulsator, un câmp electromagnetic alternant - EMF, EMF permanent). , rezonanță parametrică, factor de înaltă calitate al oscilațiilor, durabilitate atom). Vezi FI, 2008, nr. 3, p.25

3) Adică nu există o definiție clară a argumentului sau funcției. De asemenea, nu există nicio certitudine cu privire la natura dependenței periodice. PZM este inutil fără a lua în considerare simultan tabelul tabelului periodic în sine, așa că adesea nu este menționat deloc în manuale în formularea sa existentă („cercul vicios”). Nu întâmplător nu avem încă o teorie completă a Tabelului Periodic și cea mai matematică expresie a PZM.

4) Acum este posibil să folosim oportunități fundamental noi pentru o formulare mai corectă a Legii periodice și derivarea expresiei sale matematice, care da„Modelul vibrațional al unui atom neutru” (vibrații cuplate ale nucleului și ale mediului înconjurător) și „Symmetric Quantum Periodic System of Neutral Atoms (SQ-PSA)”, dezvoltat și publicat de autor.

5) Conform abordării sinergice, starea cuantică de echilibru a atomului în ansamblu” (abordare macroscopică) poate fi descrisă prin mai mulți parametri independenți de timp. Autorul arată că ele sunt un set strict individual de 4 numere cuantice inerente fiecărui atom (principiul excluderii W. Pauli), determinate din VOC al acestuia (și nu din ecuațiile CME).

Astfel de un set de numere cuantice determină în mod unic locația unui element (coordonatele acestuia) în SK-PSA dezvoltat de autor.

6) Astfel de parametri trebuie să îndeplinească o serie de cerințe:

Corespunde naturii fizice a atomului neutru (conform „modelului de vibrație”)

Fii clar

Să fie întreg (care decurge din însăși esența radiației nucleare)

Ușor de măsurat (din spectre de atom neutru).

Astfel, semnificația numerelor cuantice cunoscute pentru fiecare atom trebuie clarificată în funcție de natura lor fizică.

7) În loc de ecuația KME a lui E. Schrödinger, autorul propune să se utilizeze ecuații de conexiune a numărului cuantic (ecuațiile lui Mach) (autorul a găsit două astfel de ecuații), care sunt expresia matematică a PZM, adecvată noii formulări. Mai multe detalii despre aceasta în cartea în curs de pregătire pentru publicare.

8) În lumina „Modelului vibrațional al atomului neutru” și a noului concept al EMF variabilă a nucleului, pentru o nouă formulare a Legii periodice, în locul sarcinii electrice elementare, este nevoie de o altă mărime fizică, împreună cu numărul de serie Z, care caracterizează puterea interacțiunii electromagnetice (schimbându-se treptat cu creșterea Z) și determinată în mod unic din spectrul atomilor neutri. Și există o astfel de valoare - aceasta este constanta structurii fine (α) [FES-763], care este de obicei folosită la căutarea „limitei superioare a tabelului periodic”.

Noua formulare a PZM arata asa:

„Caracteristicile atomilor neutri depind periodic de magnitudinea tensiunii (αZ) câmp electromagnetic alternant (EMF) creat de nucleele lor.” Autorul a ajuns la o formulare atât de scurtă pe 22 noiembrie 2006, după o serie de „lungimi”.

Arată că în loc de mărimea sarcinii electrice ( eZ), care include o sarcină electrică elementară, valoarea tensiunii ( αZ), care include α - constantă de structură fină, care „în electrodinamica cuantică este considerată ca un parametru natural care caracterizează „puterea” interacțiunii electromagnetice” [FES, p.763].

Am vorbit deja despre caracteristicile atomilor neutri (numerele cuantice, natura lor fizică etc.), dar mai trebuie să explicăm puțin despre natura dependenței periodice. Deja acum există condiții prealabile pentru derivarea ecuațiilor pentru conectarea numerelor cuantice - acestea sunt (n+ l)- regulile academicianului V.M. Klechkovsky (1900-72) și (n- l)- regula dkhn, prof. D.N. Trifonov, care au fost folosite de autor pentru a construi SK-PSA. Ținând cont de EMF variabilă și EMF permanent care se propagă (la o adâncime specifică pentru fiecare atom), putem spune că suma acestor numere cuantice reprezintă energia totală a EMF permanent, iar diferența este adâncimea schimbării în parametru de oscilație. Adică, există deja pachete de numere cuantice care sunt reprezentate în SK-PSA (n+ l)- perioada (toate sunt pereche și formează diade) și (n- l)- grupuri de atomi consecutivi - rânduri orizontale de SC-PSA (până la 4 pe perioadă în Z ≤ 120), reprezentând secvențe f-, d-, p-, s- elemente. Adică, la un nivel de energie cuantică pot exista mai multe stări cuantice. Luarea în considerare în continuare a caracteristicilor unei unde electromagnetice duble în picioare face posibilă derivarea ecuațiilor pentru conectarea numerelor cuantice (ecuații Machov).

Exemplu: Energia totală a undei electromagnetice staționare E n + l = E n + E l = const, unde E n și E l - valori medii ale energiei componentelor electrice și magnetice ale părților sale.

Pentru a clarifica semnificația fizică a numerelor cuantice, vom folosi formula pentru energia unui emițător cuantic (în formă generală) E = Eo (2k + 1), deci → = 2k

Mai exact, pentru E avem n + l= E o (2 + 1) → = n + l , adică suma numerelor cuantice (n+ l) - acesta este raportul dintre creșterea energiei totale a unei unde electromagnetice staționare la valoarea sa inițială, care dă sens fizic primei reguli menționate mai sus a academicianului V.M. Klechkovsky.

O undă electromagnetică staționară este un purtător material de rezonanță parametrică (la energie internă constantă, energia este transferată de la electric la magnetic și înapoi cu o frecvență uriașă). În acest caz, diferența dintre valorile medii ale energiei componentelor electrice și magnetice ale energiei totale a undei electromagnetice E n - l = E n -E l - se cuantifică și mărimea modificării parametrului.

E n - l= E o (2 + 1) → = n - l , este o atitudine dă sens fizic domniei lui D.N.Trifonov și de aici regula devine clară n - l ≥ 1, deoarece altfel nu există forță electromagnetică staționară (nu ar trebui să existe o undă de călătorie inerentă n = l, și pierderea de energie asociată). Puteți introduce conceptul de „mărimea relativă a modificării parametrilor” : = = λ

Valorile medii ale componentelor energiei totale a unei unde electromagnetice staționare sunt, de asemenea, cuantificate

E n=Eo(2 n + 1) → = 2n

E l=Eo(2 l + 1) → = 2l

de aici numerele cuantice nŞi l dobândesc o nouă semnificație fizică ca numere cuantice ale componentelor energiilor electrice și magnetice ale energiei totale a unei unde electromagnetice staționare (în loc de „număr cuantic principal” și „număr cuantic orbital”).

Frecvența ridicată și constantă a undelor electromagnetice stătătoare își găsește expresia prin funcții periodice, în raport cu cazul nostru - cele trigonometrice. Dualitatea undelor electromagnetice staționare se află în specificația parametrică a funcției. O undă electromagnetică staționară ca undă armonică poate fi descrisă prin ecuații sinusoidale de formă y = O păcat (ω t + φ ),

Apoi n t = n cos α și l t = l sin α (specificarea parametrică a elipsei).

Aici nŞi l - numere cuantice (cantități întregi adimensionale), indicatori ai amplitudinii maxime a energiei relative a componentelor electrice și magnetice ale unei unde electromagnetice staționare și n tŞi l t- valorile curente ale cantităților fluctuante ( componente ale undelor electromagnetice staţionare) în acest moment de timp, adică cantitățile sunt, de asemenea, adimensionale.*)

0 ≤ |n t| ≤n 0 ≤ |l t | ≤ l

Să explicăm că sunt exact două dependențe- cosinus și sinusoid La interfața „Core-mediu” în momentul inițial al radiației, primul are o amplitudine maximă - n la = n (altfel nu există radiație), iar amplitudinea este diferită - eu să = 0 (adică există o schimbare de fază). După ce a început să se răspândească din nucleu, o componentă a unei unde electromagnetice staționare generează o alta și invers. Autorul ar dori să avertizeze împotriva concluziei pripite că din moment ce eu să = 0, atunci componenta magnetică a energiei totale a unei unde electromagnetice staționare este, de asemenea, zero. Nu este așa, amintiți-vă doar formula unui emițător armonic cuantic.

Această ecuație a elipsei + = 1 (în formă canonică, uzuală pentru conectarea oscilațiilor armonice) este una dintre ecuațiile pentru legătura numerelor cuantice.

Sensul fizic al acestei ecuații de cuplare devine mai clar dacă se fac unele transformări. Pentru a face acest lucru, vom folosi reprezentarea elipsei ca hipotrocoide.

Pentru cazul nostru; .

Aceasta este prima ecuație a relației cu numere cuantice (ecuația Machov).

Sau destul de clar .

Se poate observa că ecuația reflectă constanta energiei totale a unei unde electromagnetice staționare. Astfel, pachetele de numere cuantice de mai sus ( n+l) - numărul perioadei în SK-PSA și ( n - l)- defineste succesiunea de locații ale rândurilor orizontale incluse în perioadă și-au găsit locul în ecuația de conectare, iar ecuația în sine reflectă bine structura SC-PSA.

Am mai obținut o ecuație de conexiune a 2-a pentru celelalte două numere cuantice (din mulțimea completă în conformitate cu principiul de excludere al lui W. Pauli) - m l ŞiDomnișoară , dar nu poți spune despre ele în câteva cuvinte și chiar și cu semnificația fizică a numărului cuantic „spin” Domnișoară Mai trebuie să ne dăm seama - vezi despre asta.

Început (numărul ordinal al elementului inițial - Z M) din fiecare M-diadă (perechi de perioade SK-PSA) pot fi obținute din transformarea identică a formulei de V.M realizată de autor. Klechkovsky pentru număr Z l element la care elementul cu aceste date apare pentru prima dată sens lmax

Z M = Z l -1 = = ,

Apoi lalmax = 0; 1; 2; 3; 4... avem Z M= 0; 4; 20; 56; 120..., adică Acestea sunt așa-numitele numere tetraedrice, care sunt indirect legate de anumite niveluri minime de energie cuantică inițială pentru diada (tetraedrul dintre toate corpurile spațiale are suprafața minimă pentru un volum fix).

Autorul intenționează să ofere mai multe detalii despre acest subiect și despre cele două ecuații menționate pentru conectarea numerelor cuantice în lucrările în curs de pregătire pentru publicare.

Autorul nu pretinde prin această lucrare, în mod firesc, să creeze o teorie completă a Tabelului periodic al atomilor neutri și a expresiei sale matematice, ci îl consideră un pas necesar și important pe această cale și, în măsura posibilităților sale, va contribui la progrese suplimentare.

REFERINȚE:

1. Klechkovsky V.M. „Distribuția electronilor atomici și regula umplerii secvențiale (n+ l)- grup”, M., Atomizdat, 1968
2. Klechkovsky V.M. „Elaborarea unor probleme teoretice ale Tabelului periodic de către D.I. Mendeleev" (raport la simpozionul celui de-al X-lea Congres Mendeleev). M., Nauka, 1971, p. 54-67.
3. Trifonov D.N. „Structura și limitele sistemului periodic”, M., Atomizdat, 1976, 271 p.
4. Makhov B.F., cartea „Symmetric Quantum Periodic System of Elements” (SK-PSE), Moscova, 1997 - ISBN 5-86700-027-3
5. Makhov B.F., Articolul „Symmetric quantum periodic system of elements (atomi neutri) - SK-PSA (sau New periodization of the Periodic System”, în revista RAE „Fundamental Research”, 2007, nr. 9, pp. 30-36 - ISSN 1812 -7339
6. Makhov B.F., Raport „Manifestarea împerecherii în tabelul periodic al atomilor neutri (SC-PSA)”, în Proceedings of the V-International. conferința „Biniologie, simetrologie și sinergetică în științele naturii”, septembrie. 2007, Tyumen, Universitatea de Stat de Petrol și Gaze din Tyumen, Secțiunea „Fizică și Chimie”, pp. 59-65 ISBN 978-5-88465-835-4
7. Makhov B.F., Articolul „World Broadcast” D.I. Mendeleev și locul său în Tabelul Periodic”, în revista RAE „Fundamental Research”, 2008, nr. 3, p. 25-28
8. Makhov B.F., Articolul „Natura fizică a metalelor în lumina modelului vibrațional al atomului”, în revista RAE „Fundamental Research”, 2008, nr. 3, p. 29-37
9. Landau L.D., Lifshits E.M. „Mecanica cuantică. Teoria non-relativista”, M.: Nauka, 1974 (ed. a III-a). p. 293. și 1989 (ed. a IV-a). pagina 302
10. Makhov B.F., cartea „Despre modelul atomului neutru și căile de ieșire din criză în fizica atomică” (pregătită pentru publicare).
11. Makhov B.F., cartea „SK-PSA tridimensional” (pregătită pentru publicare).
12. Bronshtein I.N., Semendyaev K.A., Manual de matematică pentru ingineri și studenți. M.: Nauka, redactor-șef. FML, 1986 (13, corect), p. 127
13. Articolul „Constantă de structură fină”, Dicționar enciclopedic fizic - FES, p.763

Link bibliografic

De la primele tale lecții de chimie ai folosit tabelul lui D.I. Demonstrează clar că toate elementele chimice care formează substanțele lumii din jurul nostru sunt interconectate și se supun legilor generale, adică reprezintă un singur întreg - un sistem de elemente chimice. Prin urmare, în știința modernă, tabelul lui D.I Mendeleev este numit Tabelul periodic al elementelor chimice.

De ce „periodic” vă este, de asemenea, clar, deoarece modelele generale ale modificărilor proprietăților atomilor, substanțe simple și complexe formate din elemente chimice sunt repetate în acest sistem la anumite intervale - perioade. Unele dintre aceste modele prezentate în tabelul 1 vă sunt deja cunoscute.

Astfel, toate elementele chimice existente în lume sunt supuse unei singure Legi Periodice, valabile în mod obiectiv în natură, a cărei reprezentare grafică este Tabelul Periodic al Elementelor. Această lege și acest sistem poartă numele marelui chimist rus D.I.

D.I Mendeleev a ajuns la descoperirea Legii periodice comparând proprietățile și masele atomice relative ale elementelor chimice. Pentru a face acest lucru, D.I. Mendeleev a notat pe o fișă pentru fiecare element chimic: simbolul elementului, valoarea masei atomice relative (la vremea lui D.I. Mendeleev această valoare se numea greutatea atomică), formulele și natura oxid și hidroxid mai mare. El a aranjat 63 de elemente chimice cunoscute până atunci într-un lanț, în ordinea crescătoare a maselor lor atomice relative (Fig. 1) și a analizat acest set de elemente, încercând să găsească anumite modele în el. În urma unei intense lucrări de creație, a descoperit că în acest lanț există intervale – perioade în care proprietățile elementelor și substanțele formate de acestea se modifică în mod similar (Fig. 2).

Orez. 1.
Fișe ale elementelor dispuse în ordinea crescătoare a maselor lor atomice relative

Orez. 2.
Fișe de elemente aranjate în ordinea modificărilor periodice ale proprietăților elementelor și substanțelor formate de acestea

Experimentul de laborator nr. 2
Modelarea construcției Tabelului periodic al lui D. I. Mendeleev

Să enumerăm încă o dată, folosind termeni moderni, modificările regulate ale proprietăților care se manifestă în perioade:

• proprietățile metalice slăbesc;
• proprietățile nemetalice sunt îmbunătățite;
• gradul de oxidare a elementelor în oxizi superiori crește de la +1 la +8;
• gradul de oxidare al elementelor din compușii cu hidrogen volatil crește de la -4 la -1;
• oxizii de la bazici la amfoteri se înlocuiesc cu cei acizi;
• hidroxizii din alcalii prin hidroxizi amfoteri sunt înlocuiți cu acizi care conțin oxigen.

Pe baza acestor observații, D.I Mendeleev a făcut o concluzie în 1869 - a formulat Legea periodică, care, folosind termeni moderni, sună astfel:

Sistematizând elementele chimice pe baza maselor lor atomice relative, D. I. Mendeleev a acordat o mare atenție proprietăților elementelor și substanțelor formate de acestea, distribuind elemente cu proprietăți similare în coloane verticale - grupuri. Uneori, încălcând modelul pe care îl identificase, el a plasat elemente mai grele în fața elementelor cu mase atomice relative mai mici. De exemplu, el a scris cobalt în tabelul său înainte de nichel, telur înainte de iod, iar când au fost descoperite gaze inerte (nobile), argon înainte de potasiu. D.I Mendeleev a considerat această ordine de aranjare necesară deoarece altfel aceste elemente s-ar încadra în grupuri de elemente diferite ca proprietăți. Deci, în special, potasiul de metal alcalin s-ar încadra în grupul de gaze inerte, iar argonul de gaz inert s-ar încadra în grupul de metale alcaline.

D.I Mendeleev nu a putut explica aceste excepții de la regula generală, precum și motivul pentru periodicitatea modificărilor proprietăților elementelor și substanțelor formate de acestea. Cu toate acestea, el a prevăzut că acest motiv stă în structura complexă a atomului. Intuiția științifică a lui D.I Mendeleev i-a permis să construiască un sistem de elemente chimice nu în ordinea creșterii maselor lor atomice relative, ci în ordinea creșterii sarcinilor nucleelor ​​lor atomice. Faptul că proprietățile elementelor sunt determinate tocmai de încărcăturile nucleelor ​​lor atomice este demonstrat elocvent de existența izotopilor pe care i-ați întâlnit anul trecut (amintește-ți care sunt aceștia, dă exemple de izotopi cunoscuți de tine).

În conformitate cu ideile moderne despre structura atomului, baza clasificării elementelor chimice este încărcările nucleelor ​​lor atomice, iar formularea modernă a Legii periodice este următoarea:

Periodicitatea modificărilor proprietăților elementelor și compușilor acestora se explică prin repetarea periodică în structura nivelurilor energetice externe ale atomilor lor. Numărul de niveluri de energie, numărul total de electroni amplasați pe ele și numărul de electroni la nivelul exterior reflectă simbolismul adoptat în Sistemul Periodic, adică dezvăluie semnificația fizică a numărului de serie al elementului, punct. numărul și numărul grupului (din ce constă?).

Structura atomului face posibilă explicarea motivelor modificărilor proprietăților metalice și nemetalice ale elementelor în perioade și grupuri.

În consecință, Legea periodică și sistemul periodic al lui D.I Mendeleev rezumă informații despre elementele chimice și substanțele formate de acestea și explică periodicitatea modificărilor proprietăților lor și motivul asemănării proprietăților elementelor aceluiași grup.

Aceste două semnificații cele mai importante ale Legii periodice și ale Sistemului periodic al lui D.I Mendeleev sunt completate de încă una, care este capacitatea de a prezice, adică de a prezice, de a descrie proprietăți și de a indica modalități de a descoperi noi elemente chimice. Deja în stadiul creării Tabelului Periodic, D.I Mendeleev a făcut o serie de predicții despre proprietățile elementelor încă necunoscute la acel moment și a indicat calea spre descoperirea lor. În tabelul pe care l-a creat, D.I Mendeleev a lăsat celule goale pentru aceste elemente (Fig. 3).

Orez. 3.
Tabelul periodic al elementelor propus de D. I. Mendeleev

Exemple vii ale puterii predictive a Legii periodice au fost descoperirile ulterioare de elemente: în 1875, francezul Lecoq de Boisbaudran a descoperit galiul, prezis de D. I. Mendeleev cu cinci ani mai devreme ca element numit „ekaaluminiu” (eka - următorul); în 1879, suedezul L. Nilsson a descoperit „ekaborul” după D. I. Mendeleev; în 1886 de germanul K. Winkler - „exasilicon” după D. I. Mendeleev (determinați denumirile moderne ale acestor elemente din tabelul lui D. I. Mendeleev). Cât de precis a fost D.I Mendeleev în predicțiile sale este ilustrat de datele din tabelul 2.

Tabelul 2
Proprietăți prezise și descoperite experimental ale germaniului

Oamenii de știință care au descoperit elemente noi au apreciat foarte mult descoperirea savantului rus: „Nu poate exista o dovadă mai izbitoare a validității doctrinei periodicității elementelor decât descoperirea eca-siliciului încă ipotetic; constituie, desigur, mai mult decât o simplă confirmare a unei teorii îndrăznețe – marchează o extindere remarcabilă a câmpului vizual chimic, un pas uriaș în domeniul cunoașterii” (K. Winkler).

Oamenii de știință americani care au descoperit elementul nr. 101 i-au dat numele „mendelevium” în semn de recunoaștere a marelui chimist rus Dmitri Mendeleev, care a fost primul care a folosit Tabelul Periodic al Elementelor pentru a prezice proprietățile elementelor nedescoperite atunci.

Te-ai cunoscut în clasa a VIII-a și anul acesta vei folosi o formă a tabelului periodic numită perioadă scurtă. Cu toate acestea, în clasele de specialitate și în învățământul superior se folosește predominant o formă diferită - varianta de lungă perioadă. Comparați-le. Ce sunt aceleași și ce sunt diferite la aceste două forme ale tabelului periodic?

Cuvinte și concepte noi

1. Legea periodică a lui D. I. Mendeleev.
2. Tabelul periodic al elementelor chimice de D.I Mendeleev este o reprezentare grafică a Legii periodice.
3. Semnificația fizică a numărului elementului, numărului perioadei și numărului grupului.
4. Modele de modificări ale proprietăților elementelor în perioade și grupuri.
5. Semnificația Legii periodice și a Tabelului periodic al elementelor chimice de D. I. Mendeleev.

Misiuni pentru muncă independentă

1. Demonstrați că Legea periodică a lui D.I Mendeleev, ca orice altă lege a naturii, îndeplinește funcții explicative, generalizări și predictive. Dați exemple care ilustrează aceste funcții ale altor legi cunoscute de dvs. de la cursurile de chimie, fizică și biologie.
2. Numiți un element chimic din atomul căruia electronii sunt aranjați în niveluri după o serie de numere: 2, 5. Ce substanță simplă formează acest element? Care este formula compusului său de hidrogen și cum se numește? Care este formula celui mai mare oxid al acestui element, care este caracterul său? Notați ecuațiile de reacție care caracterizează proprietățile acestui oxid.
3. Beriliul a fost anterior clasificat ca element din Grupa III, iar masa atomică relativă a fost considerată a fi 13,5. De ce l-a mutat D.I Mendeleev în grupul II și a corectat masa atomică a beriliului de la 13,5 la 9?
4. Scrieți ecuațiile de reacție dintre o substanță simplă formată dintr-un element chimic, într-un atom al cărui electroni sunt repartizați între niveluri energetice după o serie de numere: 2, 8, 8, 2 și substanțele simple formate din elementele nr. 7 și Nr. 8 în Tabelul Periodic. Ce tip de legătură chimică este prezent în produșii de reacție? Ce structură cristalină au substanțele simple originale și produsele interacțiunii lor?
5. Aranjați următoarele elemente în ordinea crescătoare a proprietăților metalice: As, Sb, N, P, Bi. Justificați seria rezultată pe baza structurii atomilor acestor elemente.
6. Aranjați următoarele elemente în ordinea crescătoare a proprietăților nemetalice: Si, Al, P, S, Cl, Mg, Na. Justificați seria rezultată pe baza structurii atomilor acestor elemente.
7. Aranjați în ordinea proprietăților acide de slăbire oxizii ale căror formule sunt: ​​SiO 2, P 2 O 5, Al 2 O 3, Na 2 O, MgO, Cl 2 O 7. Justificați seria rezultată. Notați formulele hidroxizilor corespunzători acestor oxizi. Cum se schimbă caracterul lor acid în serialul propus de tine?
8. Scrieți formulele oxizilor de bor, beriliu și litiu și ordonați-le în ordinea crescătoare a principalelor lor proprietăți. Notați formulele hidroxizilor corespunzători acestor oxizi. Care este natura lor chimică?
9. Ce sunt izotopii? Cum a contribuit descoperirea izotopilor la dezvoltarea Legii Periodice?
10. De ce se modifică monoton sarcinile nucleelor ​​atomice ale elementelor din Tabelul periodic al lui D.I Mendeleev, adică sarcina nucleului fiecărui element următor crește cu unul în comparație cu sarcina nucleului atomic al elementului anterior, iar proprietățile elementelor și substanțelor pe care le formează se modifică periodic?
11. Dați trei formulări ale Legii periodice, în care masa atomică relativă, sarcina nucleului atomic și structura nivelurilor de energie externă din învelișul de electroni a atomului sunt luate ca bază pentru sistematizarea elementelor chimice.

Legea periodică a lui D.I Mendeleev, formularea sa modernă. Care este diferența sa față de cea dată de D.I. Mendeleev? Explicați ce a cauzat această schimbare în formularea legii? Care este sensul fizic al Legii periodice? Explicați motivul modificărilor periodice ale proprietăților elementelor chimice. Cum înțelegeți fenomenul de periodicitate?

Legea periodică a fost formulată de D.I Mendeleev sub următoarea formă (1871): „proprietățile corpurilor simple, precum și formele și proprietățile compușilor elementelor și, prin urmare, proprietățile corpurilor simple și complexe pe care le formează, sunt periodice. depinde de greutatea lor atomică.”

În prezent, Legea periodică a lui D.I Mendeleev are următoarea formulare: „proprietățile elementelor chimice, precum și formele și proprietățile substanțelor și compușilor simple pe care îi formează, depind periodic de mărimea sarcinilor nucleelor ​​atomilor lor. ”

Particularitatea Legii periodice printre alte legi fundamentale este că nu are o expresie sub forma unei ecuații matematice. Expresia grafică (tabulară) a legii este Tabelul periodic al elementelor dezvoltat de Mendeleev.

Legea periodică este universală pentru Univers: după cum a remarcat figurativ celebrul chimist rus N.D. Zelinsky, legea periodică a fost „descoperirea conexiunii reciproce a tuturor atomilor din univers”.

În starea sa actuală, Tabelul Periodic al Elementelor este format din 10 rânduri orizontale (perioade) și 8 coloane verticale (grupe). Primele trei rânduri formează trei perioade mici. Perioadele ulterioare includ două rânduri. În plus, începând cu a șasea, perioadele includ serii suplimentare de lantanide (perioada a șasea) și actinide (perioada a șaptea).

Pe parcursul perioadei, se observă o slăbire a proprietăților metalice și o creștere a proprietăților nemetalice. Elementul final al perioadei este un gaz nobil. Fiecare perioadă ulterioară începe cu un metal alcalin, adică, pe măsură ce masa atomică a elementelor crește, modificarea proprietăților chimice are un caracter periodic.

Odată cu dezvoltarea fizicii atomice și a chimiei cuantice, Legea periodică a primit o justificare teoretică strictă. Datorită lucrărilor clasice ale lui J. Rydberg (1897), A. Van den Broek (1911), G. Moseley (1913), a fost dezvăluit semnificația fizică a numărului de serie (atomic) al unui element. Mai târziu, a fost creat un model mecanic cuantic pentru modificarea periodică a structurii electronice a atomilor elementelor chimice pe măsură ce sarcinile nucleelor ​​acestora cresc (N. Bohr, W. Pauli, E. Schrödinger, W. Heisenberg etc.).

Proprietățile periodice ale elementelor chimice

În principiu, proprietățile unui element chimic îmbină toate, fără excepție, caracteristicile sale în stare de atomi sau ioni liberi, hidratați sau solvați, în starea unei substanțe simple, precum și formele și proprietățile numeroșilor compuși pe care îi forme. Dar, de obicei, proprietățile unui element chimic înseamnă, în primul rând, proprietățile atomilor săi liberi și, în al doilea rând, proprietățile unei substanțe simple. Cele mai multe dintre aceste proprietăți prezintă o dependență periodică clară de numerele atomice ale elementelor chimice. Dintre aceste proprietăți, cele mai importante și de o importanță deosebită în explicarea sau prezicerea comportamentului chimic al elementelor și al compușilor pe care îi formează sunt:

Energia de ionizare a atomilor;

Energia de afinitate electronică a atomilor;

Electronegativitatea;

Raze atomice (și ionice);

Energia de atomizare a substanțelor simple

Stari de oxidare;

Potențialele de oxidare ale substanțelor simple.

Sensul fizic al legii periodice este că modificarea periodică a proprietăților elementelor este în deplină concordanță cu structurile electronice similare ale atomilor reînnoiți periodic la niveluri de energie din ce în ce mai mari. Odată cu schimbarea lor regulată, proprietățile fizice și chimice se schimbă în mod natural.

Sensul fizic al legii periodice a devenit clar după crearea teoriei structurii atomice.

Deci, sensul fizic al legii periodice este că schimbarea periodică a proprietăților elementelor este în deplină concordanță cu structurile electronice similare ale atomilor reînnoiți periodic la niveluri de energie din ce în ce mai înalte. Odată cu schimbarea lor regulată, proprietățile fizice și chimice ale elementelor se schimbă în mod natural.

Care este sensul fizic al legii periodice.

Aceste concluzii dezvăluie semnificația fizică a legii periodice a lui D.I Mendeleev, care a rămas neclară timp de o jumătate de secol după descoperirea acestei legi.

Rezultă că sensul fizic al legii periodice a lui D.I Mendeleev constă în repetarea periodică a configurațiilor electronice similare cu creșterea numărului cuantic principal și unificarea elementelor în funcție de proximitatea structurii lor electronice.

Teoria structurii atomice a arătat că sensul fizic al legii periodice este că, odată cu creșterea succesivă a sarcinilor nucleare, se repetă periodic structuri electronice de valență similare ale atomilor.

Din toate cele de mai sus, este clar că teoria structurii atomice a dezvăluit semnificația fizică a legii periodice a lui D.I Mendeleev și a dezvăluit chiar mai clar semnificația acesteia ca bază pentru dezvoltarea ulterioară a chimiei, fizicii și a unui număr de alte științe.

Înlocuirea masei atomice cu sarcina nucleului a fost primul pas în dezvăluirea semnificației fizice a legii periodice. În plus, a fost important să se stabilească motivele apariției periodicității, natura funcției periodice a dependenței proprietăților. pe sarcina nucleului, explicați valorile perioadelor, numărul de elemente de pământuri rare etc.

Pentru elementele analoge, același număr de electroni este observat în învelișuri cu același nume la valori diferite ale numărului cuantic principal. Prin urmare, sensul fizic al Legii periodice constă în schimbarea periodică a proprietăților elementelor ca urmare a unor învelișuri electronice similare ale atomilor reînnoite periodic, cu o creștere consistentă a valorilor numărului cuantic principal.

Pentru elementele analoge, același număr de electroni este observat în orbitalii cu același nume la diferite valori ale numărului cuantic principal. Prin urmare, sensul fizic al Legii periodice constă în schimbarea periodică a proprietăților elementelor ca urmare a unor învelișuri electronice similare ale atomilor reînnoite periodic, cu o creștere consistentă a valorilor numărului cuantic principal.

Astfel, cu o creștere consistentă a sarcinilor nucleelor ​​atomice, configurația învelișurilor de electroni se repetă periodic și, în consecință, proprietățile chimice ale elementelor se repetă periodic. Acesta este sensul fizic al legii periodice.

Legea periodică a lui D.I Mendeleev este baza chimiei moderne. Studiul structurii atomilor dezvăluie semnificația fizică a legii periodice și explică modelele de modificări ale proprietăților elementelor în perioade și în grupuri ale sistemului periodic. Cunoașterea structurii atomilor este necesară pentru a înțelege motivele formării unei legături chimice. Natura legăturii chimice în molecule determină proprietățile substanțelor. Prin urmare, această secțiune este una dintre cele mai importante secțiuni ale chimiei generale.

ecosistem periodic de istorie naturală

Legea periodică a elementelor chimice- o lege fundamentală a naturii, care reflectă modificarea periodică a proprietăților elementelor chimice pe măsură ce sarcinile nucleelor ​​atomilor lor cresc. Deschis la 1 martie (17 februarie, stil vechi) 1869 D.I. Mendeleev. În această zi, el a alcătuit un tabel numit „Experiența unui sistem de elemente bazat pe greutatea lor atomică și similitudinea chimică”. Formularea finală a legii periodice a fost dată de Mendeleev în iulie 1871. Scria:

„Proprietățile elementelor și, prin urmare, proprietățile corpurilor simple și complexe pe care le formează, depind periodic de greutatea lor atomică.”

Formularea lui Mendeleev a legii periodice a existat în știință de puțin peste 40 de ani. A fost revizuit datorită realizărilor remarcabile în fizică, în principal dezvoltarea modelului nuclear al atomului (vezi Atom). S-a dovedit că sarcina nucleului unui atom (Z) este numeric egală cu numărul de serie al elementului corespunzător din tabelul periodic, iar umplerea învelișurilor electronice și a subînvelișurilor atomilor, în funcție de Z, are loc într-un astfel de un mod în care configurațiile electronice similare ale atomilor sunt repetate periodic (vezi Sistemul periodic al elementelor chimice). Prin urmare, formularea modernă a legii periodice este următoarea: proprietățile elementelor, substanțelor simple și compușilor acestora depind periodic de sarcinile nucleelor ​​atomice.
Spre deosebire de alte legi fundamentale ale naturii, precum legea gravitației universale sau legea echivalenței masei și energiei, legea periodică nu poate fi scrisă sub forma vreunei ecuații sau formule generale. Reflexia sa vizuală este tabelul periodic al elementelor. Cu toate acestea, Mendeleev însuși și alți oameni de știință au făcut încercări de a găsi ecuația matematică a legii periodice a elementelor chimice. Aceste încercări au fost încununate cu succes abia după dezvoltarea teoriei structurii atomice. Dar ele privesc doar stabilirea dependenței cantitative a ordinii de distribuție a electronilor în învelișuri și subînvelișuri de sarcinile nucleelor ​​atomice.
Astfel, rezolvând ecuația Schrödinger, se poate calcula modul în care electronii sunt distribuiți în atomi cu diferite valori Z și, prin urmare, ecuația de bază a mecanicii cuantice este, așa cum ar fi, una dintre expresiile cantitative ale legii periodice.
Sau, de exemplu, o altă ecuație: Z„, = „+,Z - - (21 + 1)2 - >n,(2t + 1) +
1
+ m„unde „+,Z = - (n + 1+ 1)" +
+(+1+ 1. 2k(p+O 1
2 2 6
În ciuda volumului său, nu este atât de dificil. Literele u, 1, m și m nu sunt altceva decât numerele cuantice principale, orbitale, magnetice și de spin (vezi Atom). Ecuația ne permite să calculăm la ce valoare a lui Z (numărul atomic al unui element) apare un electron într-un atom, a cărui stare este descrisă de o combinație dată de patru numere cuantice. Înlocuind posibile combinații de u, 1, m și m în această ecuație, obținem un set de valori diferite ale lui Z. Dacă aceste valori sunt aranjate în succesiunea numerelor naturale 1, 2, 3, 4, 5, ..., atunci, la rândul lor, se obține o schemă clară pentru construirea configurațiilor electronice ale atomilor pe măsură ce Z crește. Astfel, această ecuație este și un fel de expresie cantitativă a legii periodice. Încercați să rezolvați singur această ecuație pentru toate elementele tabelului periodic (veți afla cum sunt legate între ele valorile lui u, 1; m și m în articolul Atom).

Legea periodică este o lege universală pentru întregul Univers. Are putere oriunde există atomii. Dar nu numai structurile electronice ale atomilor se schimbă periodic. Structura și proprietățile nucleelor ​​atomice se supun, de asemenea, unei legi periodice deosebite. În nucleele formate din neutroni și protoni, există învelișuri de neutroni și protoni, a căror umplere este periodică. Există chiar și încercări cunoscute de a construi un sistem periodic de nuclee atomice.