Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

§ 6. Периодический закон Д. И. Менделеева

Вспомните:

• высшую валентность элементов можно определить по номеру группы Периодической системы, в которой расположен элемент;

• отличить металл от неметалла можно, основываясь на общих физических свойствах металлов; ковкость, металлический блеск, электропроводность, теплопроводность и т. п.;

• как можно определить химический характер оксидов (§ 1).

Открытие Периодического закона

В отличие от своих предшественников, Д. И. Менделеев был глубоко убежден в существовании взаимосвязи между всеми химическими элементами: как между сходными, так и между несходными.

В середине XIX в. Менделеев начал работать над своим знаменитым учебником «Основы химии», и ему необходимо было определить, в каком порядке описывать свойства элементов. За основу систематизации элементов Менделеев взял относительную атомную массу, считая, что она является главной характеристикой химического элемента: она не изменяется при образовании элементом простого или сложного вещества.

Расположив в ряд символы всех известных к тому времени химических элементов в порядке увеличения их относительной атомной массы, он заметил, что элементы со сходными свойствами (например, щелочные элементы) не расположены непосредственно друг за другом, а появляются периодически (регулярно). Оказалось, что так же закономерно (через определенный интервал) повторяется химический характер соединений элементов.

Рис. 6.1. Рукопись первого варианта Периодической системы (1869)

Проанализируем, какие закономерности можно выявить при расположении элементов в ряд (табл. 3, с. 28-29).

Таблица 3. Характер химических элементов и свойства их соединений в зависимости от атомных масс

Признак

Ряд химических элементов

Li

Be

В

C

N

O

Относительная атомная масса

7

9

11

12

14

16

Порядковый номер

3

4

5

6

7

8

Характер простого вещества

M

М

Н

Н

Н

H

Высшая валентность

I

II

III

IV

V

II

Формула высшего оксида

Li2O

ВеО

B2O3

CO2

N2O5

Химический характер высшего оксида

O

А

К

K

K

Период

Второй

F

Ne

Na

Mg

Аl

Si

P

S

Сl

Аr

19

20

23

24

27

28

31

32

35,5

40

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Н

Н

М

М

M

Н

Н

Н

Н

Н

I

I

II

III

IV

V

VI

VII

Na2O

MgO

Аl2O3

SiO2

Р2O5

SO3

Cl2O7

О

О

А

К

K

К

K

Третий

Условные обозначения: М — металл; Н — неметалл; О - основный; К — кислотный; А — амфотерный.

В ряду элементов, приведенных в таблице 3, четко прослеживается периодическое изменение признаков. Так, Литий образует простое вещество металл. Постепенно характер простых веществ меняется на неметаллический. Также постепенно увеличивается высшая валентность, которую проявляют элементы, и химический характер их оксида. Литий оксид является основным, а нитроген(V) оксид — кислотным (Оксиген, Флуор и Неон не способны образовывать оксиды).

Затем эта последовательность в изменении свойств резко обрывается. Появляется элемент Натрий, который по свойствам схож с первым элементом ряда — Литием. Далее свойства элементов изменяются так же, как и от Лития до Флуора. В ряду простых веществ происходит постепенное изменение: от типичного металла (натрия) до типичного неметалла (хлора). Наблюдается также изменение состава и характера свойств соединений, в частности переход от основного натрий оксида к кислотному хлор(VII) оксиду.

Анализируя эту последовательность элементов, Д. И. Менделеев установил, что зависимость свойств элементов и их соединений от атомной массы является периодической. В 1869 г. он сформулировал Периодический закон.

Свойства химических элементов, а также образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от относительных атомных масс элементов.

Располагая известные элементы по увеличению относительной атомной массы, Менделеев заметил противоречия между массой и положением Аргона и Калия. Относительная атомная масса Калия равна 39,1, а Аргона — 39,95. Если располагать их по значению относительных атомных масс Аr, получим:

Группа ПС

Химический элемент

Ar

Высшая валентность

Характер элемента

VII

Сl

35,45

VII

Неметаллич.

VIII

К

39,1

I

Металлич.

I

Аr

39,95

Инертный

II

Са

40,08

II

Металлич.

Если же вопреки атомным массам поменять местами Калий и Аргон, противоречие исчезает:

Группа ПС

Химический элемент

Ar

Высшая валентность

Характер элемента

VII

Сl

35,45

VII

Неметаллич.

VIII

Аr

39,95

Инертный

I

К

39,1

I

Металлич.

II

Са

40,08

II

Металл ич.

Этот парадокс с «неправильным» размещением элементов был объяснен только в начале XX в. после открытия строения атома. Но на тот момент без знаний о строении атома это был очень смелый поступок. Если вы внимательно рассмотрите современную Периодическую систему, то сможете найти еще два примера таких исключений в расположении химических элементов.

Изначально формулировка закона Д. И. Менделеева была несколько иной: «Свойства простых тел, а также форма и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию от величины атомного веса элементов». В те времена вместо «вещество» говорили «тело», а атомную массу называли атомным весом.

От ряда элементов к Периодической системе

Итак, ряд химических элементов, расположенных по увеличению их относительных атомных масс, можно разделить на отдельные участки. Каждый участок начинается щелочным элементом, а заканчивается инертным. Такие участки называют периодами. Периоды, расположенные друг под другом, образуют уже знакомую вам Периодическую систему химических элементов (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Первые 20 элементов, расположенные в ряд по увеличению атомной массы. В периодической таблице элементы со сходными свойствами располагают друг под другом

Ряд химических элементов, расположенных в порядке возрастания их атомных масс, начинающийся с Гидрогена или щелочного металлического элемента и заканчивающийся инертным элементом, называют периодом.

Характер элементов и свойства их простых веществ и соединений при увеличении атомных масс в периоде постепенно изменяются.

Первый период содержит только два элемента, второй и третий — по восемь. Эти периоды называют малыми. В них при переходе от Гидрогена или щелочного металлического элемента к инертному элементу высшая валентность элементов постепенно увеличивается от I (у Гидрогена и щелочных металлических элементов) до VII (у галогенов). Если бы удалось получить соединения инертных элементов Неона и Аргона, то их максимальная валентность была бы равна VIII.

В отличие от первых трех периодов, четвертый и последующие периоды (пятый, шестой, седьмой) содержат по 18 и больше элементов, поэтому их называют большими.

В больших периодах также наблюдается постепенное изменение свойств. Но если в малых периодах переход от типичного металлического элемента к типичному неметаллическому элементу происходит за семь элементов, то в больших периодах такой же переход происходит за 17 или 31 элемент. То есть в больших периодах изменение свойств происходит значительно медленнее: характер соседних элементов в больших периодах отличается не так значительно, как у соседних элементов малых периодов.

Существует легенда, будто идея о Периодической системе пришла к Менделееву во сне. Однажды его спросили, так ли это, на что ученый ответил: «Я над ней, может, двадцать лет размышлял, а вы думаете: сидел и вдруг... готово».

Выводы

1. Характер химических элементов и свойства образованных ими соединений находятся в периодической зависимости от их атомных масс. Все химические элементы разделяют на периоды, каждый из которых начинается щелочным элементом (или Гидрогеном) и заканчивается инертным элементом.

2. В периоде ослабляется металлический характер элементов и усиливается неметаллический. Так же изменяется и характер соединений элементов: соединения элементов, расположенных в начале периода, проявляют основные свойства, а в конце периода — кислотные.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте Периодический закон.

2. Какие свойства элементов и их соединений изменяются периодически?

3. Что называют периодом химических элементов?

4. Какие периоды называют малыми? большими? Почему их называют именно так?

5. Чем отличается изменение характера элементов в больших и малых периодах?

6. В какой части периода расположены элементы, относящиеся к семействам: а) щелочных элементов; б) галогенов; в) инертных элементов?

Задания для усвоения материала

1. Найдите в Периодической системе элементы, расположенные не в порядке увеличения относительной атомной массы. Какие противоречия появятся, если их расположить согласно их атомным массам?

2. Как изменяется характер оксидов элементов в периоде? Проиллюстрируйте уравнениями реакций свойства оксидов Лития и Карбона. Какие свойства характерны для их гидратов?

3. Составьте формулы высших оксидов и гидратов оксидов элементов третьего периода. Укажите характер этих соединений (кислотный или основный).

4. Элемент в Периодической системе имеет порядковый номер 16. Какими свойствами обладают его оксиды, соответствующие высшей и низшей валентности? Образует ли этот элемент соединения с Гидрогеном?

5. Проанализируйте положение в Периодической системе элементов, способных образовывать летучие соединения с Гидрогеном (см. форзац 1). Проявление элементом каких свойств свидетельствует об образовании им летучего соединения с Гидрогеном?

6. До конца 60-х гг. XIX в. два элемента — А и Б — считали двухвалентными металлическими элементами и приписывали им неправильные атомные массы. Не найдя для них в Периодической системе места, которое соответствовало бы их свойствам, Д. И. Менделеев увеличил в полтора раза значения их атомных масс и уточнил валентность каждого из них, и тогда место для них нашлось. Неправильные атомные массы, которые приписывались элементам, были следующие; у элемента А — около 60, а у элемента Б — немногим больше 90. Найдите им место в Периодической системе и назовите эти элементы.

7. Выполните учебный проект № 1 «Из истории открытия Периодической системы химических элементов».