ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, ЭЛЕМЕНТЫ - ХИМИЯ - 2025

Периодическая таблица элементов представляет собой инструмент , который позволяет консультирование химических свойств 118 элементов , известных до сих пор. Это важно при выполнении стехиометрических вычислений, прогнозировании физических свойств элемента, их классификации и нахождении периодических свойств среди всех них.

Атомы становятся тяжелее, поскольку их ядра добавляют протоны и нейтроны, которые также должны сопровождаться новыми электронами; в противном случае электронейтральность была бы невозможна. Таким образом, одни атомы очень легкие, как водород, а другие сверхтяжелые, как оганесон.

Кому принадлежит такое сердце в химии? Ученому Дмитрию Менделееву, который в 1869 году (почти 150 лет назад) опубликовал после десятилетия теоретических исследований и экспериментов первую таблицу Менделеева в попытке систематизировать 62 элемента, известных в то время.

Для этого Менделеев опирался на химические свойства, в то время как параллельно Лотар Мейер опубликовал другую периодическую таблицу, которая была организована в соответствии с физическими свойствами элементов.

Изначально таблица содержала «пустые места», элементы которых в те годы не были известны. Однако Менделеев смог с заметной точностью предсказать некоторые из его свойств. Вот некоторые из этих элементов: германий (который он назвал эка-кремнием) и галлий (эка-алюминий).

В первых периодических таблицах элементы упорядочены в соответствии с их атомными массами. Это упорядочение выявило некоторую периодичность (повторяемость и сходство) в химических свойствах элементов; однако переходные элементы не соответствовали этому порядку, как и благородные газы.

По этой причине необходимо было заказывать элементы с учетом атомного номера (числа протонов), а не атомной массы. Отсюда, наряду с упорным трудом и вкладом многих авторов, периодическая таблица Менделеева была уточнена и дополнена.

История периодической таблицы

элементы

Использование элементов как основы для описания окружающей среды (точнее, природы) использовалось с древних времен. Однако в то время они назывались фазами и состояниями материи, а не так, как их называют в средние века.

Древние греки верили, что планета, на которой мы живем, состоит из четырех основных элементов: огня, земли, воды и воздуха.

С другой стороны, в древнем Китае количество элементов было пять, и, в отличие от греков, они исключали воздух и включали металл и дерево.

Первое научное открытие было сделано в 1669 году немецким Хеннингом Брандом, который открыл фосфор; на эту дату все последующие статьи были записаны.

Стоит уточнить, что некоторые элементы, такие как золото и медь, были известны еще до фосфора; разница в том, что они никогда не регистрировались.

символика

Алхимики (предшественники сегодняшних химиков) дали названия элементам в зависимости от созвездий, их первооткрывателей и мест, где они были обнаружены.

В 1808 году Дальтон предложил серию рисунков (символов) для изображения элементов. Позже эта система обозначений была заменена системой обозначений Джона Берцелиуса (использовавшейся до настоящего времени), поскольку модель Дальтона усложнялась по мере появления новых элементов.

Схема эволюции

Первые попытки создать карту, систематизирующую информацию о химических элементах, были предприняты в 19 веке с Триадами Доберейнера (1817 г.).

С годами были найдены новые элементы, порождающие новые организационные модели, вплоть до той, которая используется в настоящее время.

Теллурический винт Шанкуртуа (1862 г.)

Александр-Эмиль Бегайе де Шанкуртуа разработал бумажную спираль, показывающую график спиралей (теллурический винт).

В этой системе элементы упорядочены в порядке возрастания их атомного веса. Подобные предметы выровнены по вертикали.

Октавы Ньюлендса (1865)

Продолжая работу Доберейнера, британец Джон Александр Рейна Ньюлендс расположил химические элементы в порядке возрастания их атомных весов, отметив, что каждые семь элементов имеют сходные свойства (водород не включен).

Таблица Менделеева (1869)

Менделеев расположил химические элементы в порядке возрастания их атомного веса, поместив в один столбец те, чьи свойства были аналогичными. Он оставил пробелы в своей модели периодической таблицы, ожидая появления новых элементов в будущем (в дополнение к предсказанию свойств, которые она должна иметь).

Благородные газы не фигурируют в таблице Менделеева, так как они еще не были обнаружены. Кроме того, Менделеев не рассматривал водород.

Таблица Менделеева Мозли (текущая таблица Менделеева) - 1913

Генри Гвин Джеффрис Мозли предложил упорядочить химические элементы периодической таблицы в соответствии с их атомным номером; то есть на основе их количества протонов.

Мозли провозгласил «Периодический закон» в 1913 году: «Когда элементы расположены в порядке их атомных номеров, их физические и химические свойства показывают периодические тенденции».

Таким образом, каждая горизонтальная строка или период показывает один тип связи, а каждый столбец или группа - другой.

Как это организовано? (Структура и организация)

Видно, что пастель периодической таблицы имеет несколько цветов. Каждый цвет ассоциирует элементы с похожими химическими свойствами. Есть оранжевые, желтые, синие, фиолетовые столбцы; зеленые квадраты и яблочно-зеленая диагональ.

Обратите внимание, что ячейки в средних столбцах сероватого цвета, поэтому все эти элементы должны иметь что-то общее, а именно то, что они являются переходными металлами с наполовину полными d-орбиталями.

Точно так же элементы пурпурных квадратов, хотя они переходят от газообразных веществ, от красноватой жидкости к твердому черно-пурпурному (йод) и серебристо-серому (астатин), их химические свойства делают их родственниками. Эти свойства определяются электронной структурой его атомов.

Организация и структура периодической таблицы не являются произвольными, но подчиняются ряду периодических свойств и шаблонов значений, определенных для элементов. Например, если металлический символ уменьшается слева направо от таблицы, металлический элемент в верхнем правом углу ожидать нельзя.

Периоды

Элементы расположены рядами или периодами в зависимости от уровня энергии их орбиталей. До периода 4, когда элементы следовали друг за другом в порядке возрастания атомной массы, было обнаружено, что для каждых восьми из них химические свойства повторяются (закон октав Джона Ньюлендса).

Переходные металлы были отлиты с другими неметаллическими элементами, такими как сера и фосфор. По этой причине введение квантовой физики и электронных конфигураций было жизненно важным для понимания современных периодических таблиц.

Орбитали энергетической оболочки заполняются электронами (и ядрами протонов и нейтронов), когда она движется в течение определенного периода времени. Этот энергетический слой идет рука об руку с размером или атомным радиусом; поэтому элементы в верхних периодах меньше, чем в нижеследующих.

H и He находятся на первом (периоде) энергетическом уровне; первый ряд сероватых квадратов в четвертом периоде; и ряд оранжевых квадратов в шестом периоде. Обратите внимание, что хотя последний, кажется, находится в предполагаемом девятом периоде, на самом деле он принадлежит шестому, сразу после желтого квадрата для Ва.

группы

Проходя период, обнаруживается, что масса, количество протонов и электронов увеличиваются. В одном столбце или группе, хотя масса и протоны меняются, количество электронов в валентной оболочке одинаково.

Например, в первом столбце или группе H имеет единственный электрон на орбитали 1s ¹ , как и Li (2s ¹ ), натрий (3s ¹ ), калий (4s ¹ ) и так далее, пока не будет франций. (7с ¹ ). Эта цифра 1 означает, что эти элементы практически не имеют валентного электрона и, следовательно, принадлежат к группе 1 (IA). Каждый предмет находится в разные периоды.

Не считая водорода в зеленой рамке, элементы под ней заключены в оранжевую рамку и называются щелочными металлами. Еще одно поле справа в любой период - это группа или столбец 2; то есть его элементы имеют два валентных электрона.

Но, продвигаясь на один шаг вправо, без знания d-орбиталей, мы попадаем в группу бора (B) или группу 13 (IIIA); вместо группы 3 (IIIB) или скандия (Sc). Учитывая заполнение d-орбиталей, начинаем переходить через периоды сероватых квадратов: переходные металлы.

Число протонов против валентных электронов

При изучении таблицы Менделеева может возникнуть путаница между атомным номером Z или общим числом протонов в ядре и числом валентных электронов. Например, углерод имеет Z = 6, то есть он имеет шесть протонов и, следовательно, шесть электронов (в противном случае он не мог бы быть нейтрально заряженным атомом).

Но из этих шести электронов четыре валентны . По этой причине его электронная конфигурация 2s ² 2p ² . обозначает два 1s ² электрона замкнутой оболочки, и теоретически они не участвуют в образовании химических связей.

Кроме того, поскольку углерод имеет четыре валентных электрона, «удобно» он находится в группе 14 (IVA) периодической таблицы.

Элементы ниже углерода (Si, Ge, Sn, Pb и Fl) имеют более высокие атомные номера (и атомные массы); но все они имеют четыре общих валентных электрона. Это ключ к пониманию того, почему предмет принадлежит одной группе, а не другой.

Элементы таблицы Менделеева

Блок s

Как только что объяснено, группы 1 и 2 характеризуются наличием одного или двух электронов на s-орбиталях. Эти орбитали имеют сферическую геометрию, и по мере того, как человек спускается по любой из этих групп, элементы приобретают слои, которые увеличивают размер их атомов.

Поскольку они демонстрируют сильные тенденции в своих химических свойствах и способах реагирования, эти элементы организованы в виде s-блока. Следовательно, к этому блоку относятся щелочные и щелочноземельные металлы. Электронная конфигурация элементов этого блока - нс (1с, 2с и т. Д.).

Хотя элемент гелий находится в правом верхнем углу таблицы, его электронная конфигурация составляет 1s ² и поэтому принадлежит этому блоку.

Блок p

В отличие от s-блока, элементы этого блока полностью заполнили s-орбитали, а их p-орбитали по-прежнему заполнены электронами. Электронные конфигурации элементов, принадлежащих этому блоку, относятся к типу ns ² np ^1-6 (p-орбитали могут иметь один или до шести электронов для заполнения).

Так где же в таблице Менделеева расположен этот блок? Справа: зеленый, фиолетовый и синий квадраты; то есть неметаллические элементы и тяжелые металлы, такие как висмут (Bi) и свинец (Pb).

Начиная с бора с электронной конфигурацией ns ² np ¹ , углерод справа от него добавляет еще один электрон: 2s ² 2p ² . Далее, электронные конфигурации других элементов периода 2 блока p следующие: 2s ² 2p ³ (азот), 2s ² 2p ⁴ (кислород), 2s ² 2p ⁵ (фтор) и 2s ² 2p ⁶ (неон).

Если вы спуститесь к более низким периодам, у вас будет уровень энергии 3: 3s ² 3p ^1-6 и так далее до конца блока p.

Обратите внимание, что наиболее важным в этом блоке является то, что начиная с периода 4 его элементы полностью заполнили d-орбитали (синие прямоугольники справа). Вкратце: блок s находится слева от периодической таблицы, а блок p - справа.

Репрезентативные элементы

Какие репрезентативные элементы? Это те, которые, с одной стороны, легко теряют электроны или, с другой стороны, приобретают их для завершения октета валентности. Другими словами: это элементы блоков s и p.

Их группы отличались от других буквой А в конце. Таким образом, было восемь групп: от IA до VIIIA. Но в настоящее время в современных периодических таблицах используется арабская система нумерации от 1 до 18, включая переходные металлы.

По этой причине группа бора может быть IIIA или 13 (3 + 10); углеродная группа, НДС или 14; и благородных газов, последний справа в таблице, VIIIA или 18.

Переходные металлы

Все переходные металлы - это элементы сероватых квадратов. На протяжении всех периодов их d-орбитали заполнены, их пять и, следовательно, может быть десять электронов. Поскольку для заполнения этих орбиталей у них должно быть десять электронов, то должно быть десять групп или столбцов.

Каждая из этих групп в старой системе нумерации обозначается римскими цифрами и буквой B в конце. Первая группа, скандий, была IIIB (3), группа железа, кобальта и никеля VIIIB, имеющая очень близкие реакционные свойства (8, 9 и 10), и группа цинка IIB (12).

Как видно, распознавать группы по арабским числам намного проще, чем по римским.

Внутренние переходные металлы

Начиная с периода 6 периодической таблицы, f-орбитали становятся энергетически доступными. Они должны быть заполнены раньше, чем d-орбитали; и поэтому его элементы обычно размещают отдельно, чтобы не делать стол слишком длинным.

Последние два периода, оранжевый и серый, - это внутренние переходные металлы, также называемые лантаноидами (редкоземельными элементами) и актинидами. Существует семь f-орбиталей, для заполнения которых требуется четырнадцать электронов, и, следовательно, должно быть четырнадцать групп.

Если эти группы добавить в таблицу Менделеева, их всего будет 32 (18 + 14), и будет «длинная» версия:

Источник: Автор Sandbh, из Wikimedia Commons.

Светло-розовый ряд соответствует лантаноидам, а темно-розовый ряд - актиноидам. Лантан, La с Z = 57, актиний, Ac с Z = 89 и весь f-блок принадлежат к той же группе, что и скандий. Зачем? Потому что скандий имеет nd ¹ орбиталь , которая присутствует в остальных лантаноидах и актиноидах.

La и Ac имеют валентные конфигурации 5d ¹ 6s ² и 6d ¹ 7s ² . По мере того, как вы перемещаетесь вправо через оба ряда, орбитали 4f и 5f начинают заполняться. После заполнения вы попадаете в элементы lutetium, Lu и laurencio, Lr.

Металлы и неметаллы

Оставив позади торт таблицы Менделеева, удобнее прибегнуть к тому, что на верхнем изображении, даже в его удлиненной форме. На данный момент подавляющее большинство упомянутых элементов являются металлами.

При комнатной температуре все металлы представляют собой твердые вещества (кроме жидкой ртути) серебристо-серого цвета (кроме меди и золота). Кроме того, они обычно твердые и блестящие; хотя у блока s мягкие и хрупкие. Эти элементы характеризуются легкостью потери электронов и образования катионов M ⁺ .

В случае лантаноидов они теряют три электрона 5d ¹ 6s ² и становятся трехвалентными катионами M ³⁺ (такими как La ³⁺ ). Церий, в свою очередь, способен потерять четыре электрона (Ce ⁴⁺ ).

С другой стороны, неметаллические элементы составляют наименьшую часть таблицы Менделеева. Это газы или твердые вещества с ковалентно связанными атомами (такими как сера и фосфор). Все расположены в блоке p; точнее, в его верхней части, поскольку при спуске к нижним периодам металлический характер (Bi, Pb, Po) усиливается.

Кроме того, неметаллы вместо того, чтобы терять электроны, вы их приобретаете. Таким образом, они образуют анионы X ^- с разными отрицательными зарядами: -1 для галогенов (группа 17) и -2 для халькогенов (группа 16, кислород).

Металлические семьи

Внутри металлов существует внутренняя классификация, позволяющая отличать их друг от друга:

-Металлы 1 группы щелочные

-Группа 2, щелочноземельные металлы (г-н Бекамбара)

-Семейство скандия группы 3 (IIIB). Это семейство состоит из скандия, главы группы, из иттрия Y, лантана, актиния и всех лантаноидов и актиноидов.

-Группа 4 (IVB), семейство титанов: Ti, Zr (цирконий), Hf (гафний) и Rf (резерфорд). Сколько у них валентных электронов? Ответ в вашей группе.

-Группа 5 (VB), семейство ванадия. Группа 6 (VIB), семейство хрома. И так до семейства цинка, группа 12 (IIБ).

Металлоиды

Металлический характер увеличивается справа налево и сверху вниз. Но какова граница между этими двумя типами химических элементов? Эта граница состоит из элементов, известных как металлоиды, которые обладают характеристиками как металлов, так и неметаллов.

Металлоиды можно увидеть в периодической таблице в «лестнице», которая начинается с бора и заканчивается радиоактивным элементом астатином. Эти элементы:

-B: бор

-Кремний: Да

-Ge: германий

-As: мышьяк

-Sb: сурьма

-Te: теллур

-Ат: астатин

Каждый из этих семи элементов проявляет промежуточные свойства, которые варьируются в зависимости от химической среды или температуры. Одно из этих свойств - полупроводимость, то есть металлоиды являются полупроводниками.

газов

В земных условиях газообразными элементами являются легкие неметаллы, такие как азот, кислород и фтор. Также в эту классификацию попадают хлор, водород и благородные газы. Из всех них наиболее символичными являются благородные газы из-за их низкой склонности реагировать и вести себя как свободные атомы.

Последние находятся в группе 18 периодической таблицы и являются:

-Helio, Он

-Неон, Ne

-Аргон, Ar

-криптон, Kr

-Ксенон, Хе

-Радон, р-н

- И самый последний из них, синтетический благородный газ оганесон, Og.

Все благородные газы имеют общую валентную конфигурацию ns ² np ⁶ ; то есть у них есть весь октет валентности.

Агрегатные состояния элементов при других температурах

Элементы находятся в твердом, жидком или газообразном состоянии в зависимости от температуры и силы их взаимодействия. Если температура Земли снизится примерно до абсолютного нуля (0К), все элементы замерзнут; кроме гелия, который конденсируется.

При такой экстремальной температуре остальные газы будут в форме льда.

С другой стороны, если бы температура была примерно 6000 К, «все» элементы находились бы в газообразном состоянии. В этих условиях можно было буквально увидеть облака из золота, серебра, свинца и других металлов.

Использование и приложения

Сама по себе таблица Менделеева всегда была и всегда будет инструментом для изучения символов, атомных масс, структур и других свойств элементов. Это чрезвычайно полезно при выполнении стехиометрических расчетов, которые являются обычным делом во многих задачах в лаборатории и за ее пределами.

Не только это, но и периодическая таблица Менделеева позволяет сравнивать элементы одной группы или периода. Таким образом, можно предсказать, на что будут похожи определенные соединения элементов.

Прогнозирование формул оксидов

Например, для оксидов щелочных металлов, поскольку они имеют один валентный электрон и, следовательно, валентность +1, ожидается, что формула их оксидов будет иметь формулу M ₂ O. Это подтверждается с оксидом водорода, воды, H ₂ O. Также с оксидами натрия Na ₂ O и калия K ₂ O.

Для других групп их оксиды должны иметь общую формулу M ₂ O _n , где n равно номеру группы (если элемент из блока p, вычислить n-10). Таким образом, углерод, принадлежащий к группе 14, образует CO ₂ (C ₂ O _4/2 ); сера из группы 16, SO ₃ (S ₂ O _6/2 ); и азот из группы 15, N ₂ O ₅ .

Однако это не относится к переходным металлам. Это связано с тем, что железо, даже если оно относится к группе 8, не может потерять 8 электронов, но 2 или 3. Поэтому, вместо запоминания формул, более важно обращать внимание на валентности каждого элемента.

Валентности элементов

Периодические таблицы (некоторые) показывают возможные валентности для каждого элемента. Зная их, можно заранее оценить номенклатуру соединения и его химическую формулу. Валентности, как упоминалось выше, связаны с номером группы; хотя это относится не ко всем группам.

Валентности больше зависят от электронной структуры атомов и от того, какие электроны они могут получить или потерять.

Зная количество валентных электронов, вы также можете начать со структурой Льюиса соединения на основе этой информации. Таким образом, периодическая таблица позволяет студентам и специалистам рисовать структуры и дает возможность исследовать возможные геометрические формы и молекулярные структуры.

Цифровые периодические таблицы

Сегодняшние технологии позволили сделать периодические таблицы более универсальными и предоставить больше информации, доступной каждому. Некоторые из них содержат поразительные иллюстрации каждого элемента, а также краткое изложение его основных применений.

То, как вы взаимодействуете с ними, ускоряет их понимание и изучение. Таблица Менделеева должна быть приятным для глаз инструментом, простым для изучения, а наиболее эффективным методом познания ее химических элементов является просмотр ее от периодов к группам.

Важность таблицы Менделеева

Сегодня периодическая таблица Менделеева является наиболее важным организующим инструментом в химии из-за подробных взаимоотношений ее элементов. Его использование важно как для студентов и преподавателей, так и для исследователей и многих специалистов, работающих в области химии и инженерии.

Просто взглянув на таблицу Менделеева, вы быстро и эффективно получите огромное количество информации, например:

- Литий (Li), бериллий (Be) и бор (B) проводят электричество.

- Литий - щелочной металл, бериллий - щелочноземельный металл, а бор - неметалл.

- Литий - лучший проводник из трех названных, за ним следуют бериллий и, наконец, бор (полупроводник).

Таким образом, поместив эти элементы в периодическую таблицу, можно сразу сделать вывод об их тенденции к электропроводности.

Ссылки

1. Шерри, Э. (2007). Таблица Менделеева: ее история и ее значение. Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
2. Шерри, Э. (2011). Таблица Менделеева: очень краткое введение. Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
3. Мур, Дж. (2003). Химия для чайников. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley Pub.
4. Венейбл, ФП. (1896 г.). Развитие периодического закона. Истон, Пенсильвания: Химическая издательская компания.
5. Болл, П. (2002). Ингредиенты: экскурсия по элементам. Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
6. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
7. Королевское химическое общество. (2018). Периодическая таблица. Получено с: rsc.org
8. Ричард С. Бэнкс. (Январь 2001 г.). Периодическая таблица. Получено с: chemistry.boisestate.edu
9. Физика 2000. (б. Происхождение Периодической таблицы. Получено с: Physics.bk.psu.edu
10. Король К. и Назаревич В. (7 июня 2018 г.). Есть ли конец периодической таблице Менделеева? Получено с: msutoday.msu.edu
11. Доктор Дуг Стюарт. (2018). Периодическая таблица. Получено с: chemicool.com
12. Мендес А. (16 апреля 2010 г.). Таблица Менделеева. Получено с: quimica.laguia2000.com