Группы и периоды Периодической системы - Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Физический смысл порядкового номера химического элемента

Периодический закон — один из фундаментальных законов природы. Он был открыт великим русским учёным Д.И. Менделеевым в 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев пытался найти естественную классификацию химических элементов. В основу своих поисков учёный положил значения атомных масс элементов. Выбор атомной массы связан с тем, что в середине XIX в. это была единственная определяемая характеристика химического элемента (никаких представлений об атомных или ионных радиусах, энергии ионизации, сродстве к электрону, электроотрицательности в те времена не существовало).

Расположив 63 известных в то время химических элемента в порядке возрастания атомных масс, Д.И. Менделеев подметил определённую повторяемость свойств элементов. Периодический закон помог учёным понять, как устроен атом. В свою очередь, учение об атомном строении позволило уточнить формулировку Периодического закона. Оказалось, что основная характеристика химического элемента — не атомная масса, а заряд ядра атома, поэтому современная формулировка Периодического закона звучит так: “Свойства элементов, а также свойства образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов*.

Графическим выражением Периодического закона является Периодическая система химических элементов, которую представляют обычно в виде таблицы. При разработке Периодической системы Д.И. Менделееву пришлось столкнуться с огромными трудностями. Так, в 1869 г. одни химические элементы были ещё не открыты, свойства многих других были изучены явно недостаточно, атомные массы некоторых элементов были определены неправильно. На основании Периодического закона учёный исправил атомные массы некоторых элементов (бериллия, урана, индия и др.), предсказал существование нескольких неизвестных тогда элементов (скандия, германия, галлия и др.), детально описал свойства не только неоткрытых элементов, но и их важнейших соединений (оксидов, гидроксидов, солей). В течение последующих 15 лет все предсказанные Менделеевым элементы были открыты. Более того, оказалось, что многие свойства этих элементов были определены первооткрывателями неверно — предсказания Менделеева лучше соответствовали действительности. Открытие предвиденных Д.И. Менделеевым химических элементов привело к всеобщему признанию Периодического закона.

Каждый элемент в Периодической системе имеет своё место, определяемое номером группы и номером периода. Порядковый номер элемента в Периодической системе — наиболее важная характеристика элемента. Именно порядковый номер (или атомный номер) указывает на заряд ядра атома данного элемента, а следовательно, на число протонов в ядре и на число электронов в атоме.

Совпадение величины заряда ядра и атомного номера элемента в Периодической таблице Д.И. Менделеева было в 1913 г. экспериментально подтверждено Г. Мозли, изучавшим рентгеновские спектры различных элементов. Г. Мозли подтвердил, что Д.И. Менделеев правильно разместил элементы в Периодической системе даже в тех случаях, когда был нарушен принцип возрастания атомных масс (в случае аргона, кобальта, иода). Неосознанно Менделеев предугадал, что в соответствии с найденным им порядком расположения этих элементов происходит увеличение заряда ядер их атомов, тем самым незначительные отступления в Периодической системе были устранены.

1.2.1. Группы и периоды Периодической системы

Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева состоит из вертикально расположенных колонок (групп элементов) и горизонтально расположенных рядов (периодов). В настоящее время известно множество модификаций Периодической таблицы элементов. В последнее время в соответствии с рекомендациями ИЮПАК начинает использоваться длиннопериодная Периодическая таблица, состоящая из 18 групп (рис. 6):

В этой таблице группы элементов обозначаются арабскими цифрами.

Большинство химиков продолжает пользоваться короткопериодной Периодической таблицей (рис. 7).

В короткопериодном варианте Периодическая таблица содержит 8 групп элементов, они обозначаются римскими цифрами. Группами называют вертикальные колонки Периодической системы. Группа состоит из двух подгрупп — главной и побочной. В последнее время вместо термина “главная подгруппа” используют термин “группа А” (с указанием номера группы), а вместо “побочной подгруппы” — “группа В”. Так, пятую группу образуют элементы азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (группа VA) и ванадий, ниобий, тантал (группа VB).

Атомы элементов, принадлежащих к одной группе, имеют, как правило, одинаковое число валентных электронов и, следовательно, — одинаковую высшую степень окисления. Так, электронные конфигурации атомов фосфора и ванадия таковы:

И атомы фосфора, и атомы ванадия содержат по 5 валентных электронов (они подчёркнуты). В атоме фосфора валентными являются 5 электронов внешнего уровня 3s²3p³. В атоме ванадия валентными являются внешние s- и пред внешние d-электроны 3d³4s². За счёт пяти валентных электронов и фосфор, и ванадий проявляют высшую степень окисления +5, образуя высшие оксиды Р₂O₅ и V₂O₅. Различия в электронном строении атомов фосфора и ванадия, а также различия в валентных электронах обуславливают отнесение этих элементов к разным подгруппам — главной и побочной. Главные подгруппы образованы s- и p-элементами, побочные подгруппы — d- и f-элементами (переходными металлами).

Для d-элементов I и VIII групп число валентных электронов не совпадает с номером группы. Так, в IB группе расположены элементы медь и золото, для которых более характерна степень окисления не +1, а соответственно +2 и +3. В VIIIB группе есть элементы: кобальт, никель, палладий и др., которые не проявляют высшей степени окисления +8.

Период — это горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания зарядов ядер атомов. В Периодической системе Д.И. Менделеева 7 периодов, последний период незавершённый. Каждый период (кроме первого) начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Первый период содержит лишь 2 элемента (водород и гелий), второй и третий периоды — по 8 элементов. Первые три периода называют малыми периодами. В отличие от первых трёх периодов все последующие периоды называют большими, они содержат по 18 и более элементов.

Если порядковый номер указывает на общее число электронов в атоме элемента, то номер периода указывает на число энергетических уровней, на которых расположены электроны в этом атоме. Так, все 15 электронов в атоме фосфора (элемент № 15) расположены на трёх энергетических уровнях (т. к. фосфор — элемент третьего периода). Все 26 электронов в атоме железа (элемент № 26) расположены на четырёх энергетических уровнях (т. к. железо — элемент четвёртого периода).