Периодическая система элементов

Ряды элементов, в пределах которых свойства изменяются последовательно, как, например, ряд из восьми элементов от лития до неона или от натрия до аргона, называются периодами. Если напишем эти два периода один под другим так. чтобы под литием находился натрий, а под неоном — аргон, то получим следующее расположение элементов:

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

При таком расположении в вертикальные столбцы попадают элементы, сход­ные по своим свойствам и обладающие одинаковой валентностью, например, литий и натрий, бериллий и магний и т. д.

Разделив все элементы на периоды и располагая один период под другим так, чтобы сходные по свойствам и типу образуемых соединений элементы прихо­дились друг под другом, Менделеев составил таблицу, названную им периоди­ческой системой элементов по группам и рядам. Эта таблица в современном виде, дополненная открытыми уже после Менделеева элементами (показать таблицу). Она состоит из десяти горизонтальных рядов и восьми вертикаль­ных столбцов, или групп, в которых один под другим размещены сходные между собой элементы.

Обратим вначале внимание на расположение элементов в горизонтальных ря­дах. В первом ряду стоят только два элемента — водород и гелий. Эти два элемента составляют первый период. Второй и третий ряды состоят из рассмо­тренных уже нами элементов и образуют два периода по восемь элементов в каждом. Оба периода начинаются со щелочного металла и заканчиваются бла­городным газом. Все три периода называются малыми периодами.

Четвертый ряд также начинается со щелочного металла — калия. Судя по тому, как изменялись свойства в двух предыдущих рядах, можно было бы ожи­дать, что и здесь они будут изменяться в той же последовательности и седьмым элементом в ряду будет опять галоген, а восьмым —- благородный газ. Однако этого не наблюдается. Вместо галогена на седьмом месте находится марганец — металл, образующий как основные, так и кислотные оксиды, из которых лишь высший Mn₂O₇ аналогичен соответствующему оксиду хлора (Cl₂O₇). После мар­ганца в том же ряду стоят еще три металла — железо, кобальт и никель, очень сходные друг с другом. И только следующий, пятый ряд, начинающийся с меди. заканчивается благородным газом криптоном. Шестой ряд снова начинается со щелочного металла рубидия и т. д. Таким образом, у элементов, следующих за аргоном, более или менее полное повторение свойств наблюдается только через восемнадцать элементов, а не через восемь, как было во втором и третьем рядах. Эти восемнадцать элементов образуют четвертый — так называемый большой период, состоящий из двух рядов.

Пятый большой период составляют следующие два ряда, шестой и седьмой. Этот период начинается щелочным металлом рубидием и заканчивается благо­родным газом ксеноном.

В восьмом ряду после лантана идут четырнадцать элементов, называемых лантаноидами (или лантанидами), которые чрезвычайно сходны с лантаном и между собой. Ввиду этого сходства, обусловленного особенностью строения их атомов, лантаноиды обычно помещают вне общей таблицы, отмечая лишь в клетке для лантана их положение в системе.

Поскольку следующий за ксеноном благородный газ радон находится только в конце девятого ряда, то восьмой и девятый ряды тоже образуют одни большой период — шестой, содержащий тридцать два элемента.

В больших периодах не все свойства элементов изменяются так последователь­но, как во втором и третьем. Здесь наблюдается еще некоторая периодичность в изменении свойств внутри самих периодов. Так, высшая валентность по ки­слороду вначале равномерно растет при переходе от одного элемента к другому, но затем, достигнув максимума в середине периода, падает до двух, после чего опять возрастает до семи к концу периода. В связи с этим большие периоды разделены каждый на две части (два ряда).

Десятый ряд, составляющий седьмой — пока незаконченный —- период, содер­жит двадцать три элемента, из которых большинство получены искусственным путем. Следующие за актинием четырнадцать элементов сходны по строению их атомов с актинием; поэтому их под названием актиноиды (или актиниды) помещают, подобно лантаноидам, вне общей таблицы.

В вертикальных столбцах таблицы, или в группах, располагаются элементы, обладающие сходными свойствами. Поэтому каждая вертикальная группа пред­ставляет собой как бы естественное семейство элементов. Всего в таблице таких групп восемь. Номера групп отмечены вверху римской цифрой.

Элементы, входящие в первую группу, образуют оксиды с общей формулой Э₂О. во вторую — ЭО, в третью — Э₂Оз и т. д. Таким образом, наибольшая валентность элементов каждой группы по кислороду соответствует за немногими исключениями номеру группы.

Сравнивая элементы, принадлежащие к одной и той же группе, нетрудно заме­тить, что, начиная с пятого ряда (четвертый период), каждый элемент обнару­живает наибольшее сходство не с элементом, расположенным непосредственно под или над ним, а с элементами, отделенными от него одной клеткой. Например, в седьмой группе бром не примыкает непосредственно к хлору и йоду, а отде­лен от хлора марганцем, а от йода — технецием; находящиеся в шестой группе сходные элементы — селен и теллур разделены молибденом, сильно отлича­ющимся от них; находящийся в первой группе рубидий обнаруживает большое сходство с цезием, стоящим в восьмом ряду, но мало похож на расположенное непосредственно под ним серебро и т. д.

Это объясняется тем, что с четвертого ряда начинаются большие периоды, состоящие каждый из двух рядов, расположенных один над другим. Поскольку в пределах периода металлические свойства ослабевают в направлении слева направо, то понятно, что в каждом большом периоде у элементов верхнего (чет­ного) ряда они выражены сильнее, чем у элементов нижнего (нечетного). Чтобы отметить различие между рядами, элементы первых рядов больших периодов сдвинуты в таблице влево, а элементы вторых — вправо.

Таким образом, начиная с четвертого периода, каждую группу периодической системы можно разбить на две подгруппы: «четную», состоящую из элементов верхних рядов, и «нечетную», образованную элементами нижних рядов. Что же касается элементов малых периодов, которые Менделеев назвал типическими, то в первой и второй группах-они ближе примыкают по своим свойствам к эле­ментам четных рядов и сдвинуты влево, в других — к элементам нечетных рядов и сдвинуты вправо. Поэтому типические элементы обычно объединяют со сход­ными с ними элементами четных или нечетных рядов в одну главную подгруппу, а другая подгруппа называется побочной.

При построении периодической системы Менделеев руководствовался принци­пом расположения элементов по возрастающим атомным массам. Однако, как видно из таблицы, в трех случаях этот принцип оказался нарушенным. Так, ар­гон (атомная масса 39,948) стоит до калия (39,098), кобальт (58.9332) находится до никеля (58,70) и теллур (127,60) — до йода (126,9045). Здесь Менделеев отсту­пил от принятого им порядка, исходя из свойств этих элементов, требовавших именно такой последовательности их расположения. Таким образом, он не при­давал исключительного значения атомной массе и, устанавливая место элемента в таблице, руководствовался всей совокупностью его свойств. Развитие теории строения атома показало, что произведенное Менделеевым размещение элемен­тов в периодической системе является совершенно правильным и соответствует строению атомов (об этом уже говорили).

Итак, в периодической системе свойства элементов, их атомная масса, валент­ность, химический характер изменяются в известной последовательности как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Место элемента в таблице определяется, следовательно, его свойствами, и, наоборот, каждому месту соот­ветствует элемент, обладающий определенной совокупностью свойств. Поэтому, зная положение элемента в таблице, можно довольно точно указать его свойства.

Не только химические свойства элементов, но и очень многие физические свойства простых веществ изменяются периодически, если рассматривать их как функции атомной массы.

Периодичность в изменении физических свойств простых веществ ярко вы­является, например, при сопоставлении их атомных объемов. Атомный объем — объем, занимаемый одним молем атомов простого вещества в твердом состо­янии.

Изображенная на рисунке (показать рисунок) кривая показывает, как изменяется атомный объем элементов с возрастанием атомной массы: наибольшие атомные объемы имеют щелочные металлы.

Так же периодически изменяются и многие другие физические константы про­стых веществ.

Значение периодической системы. Периодическая система элементов ока­зала, и оказывает сейчас, большое влияние на последующее развитие химии. Она является естественной классификацией химических элементов, показывающей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом. Периодическая система — могучее орудие для дальнейших исследований.

В то время, когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Так, был не­известен элемент четвертого периода скандий. По атомной массе вслед за каль­цием шел титан, но титан нельзя было поставить сразу после кальция, так как он попал бы в третью группу, тогда как титан образует высший оксид TiO₂, да и по другим свойствам должен быть отнесен к четвертой группе. Поэтому Менделеев пропустил одну клетку, т. е. оставил свободное место между каль­цием и титаном. На том же основании в четвертом периоде между цинком и мышьяком были оставлены две свободные клетки, занятые теперь элементами галлием и германием. Свободные места остались и в других рядах. Менделеев был не только убежден, что должны существовать неизвестные еще элементы, которые заполнят эти места, но и заранее предсказал свойства таких элементов, основываясь на их положении среди других элементов периодической системы. Одному из них, которому в будущем предстояло занять место между кальцием и титаном, он дал название экабор (так как свойства его должны были напоми­нать бор); два других, для которых в таблице остались свободные места между цинком и мышьяком, были названы экаалюминием и экасилицием.

В течение следующих 15 лет предсказания Менделеева блестяще подтверди­лись: все три ожидаемых элемента были открыты: галлий, обладающий всеми свойствами экаалюминия; скандий, имевший свойства экабора, и германий, ко­торый оказался тождественным экасилицию.

Большое значение имела периодическая система также при установлении ва­лентности и атомных масс некоторых элементов. Так, элемент бериллий долгое время считался аналогом алюминия и его оксиду приписывали формулу Be₂O₃.

Исходя из процентного состава и предполагаемой формулы оксида бериллия, его атомную массу считали равной 13,5. Периодическая система показала, что для бериллия в таблице есть только одно место, а именно — над магнием, так что его оксид должен иметь формулу ВеО, откуда атомная масса бериллия по­лучается равной десяти. Этот вывод вскоре был подтвержден определениями атомной массы бериллия по плотности пара его хлорида.

Точно так же периодическая система дала толчок к исправлению атомных масс некоторых элементов. Например, цезию раньше приписывали атомную мас­су 123,4. Менделеев же, располагая элементы в таблицу, нашел, что по своим свойствам цезий должен стоять в главной подгруппе первой группы под рубиди­ем и потому будет иметь атомную массу около 130. Современные определения показывают, что атомная масса цезия равна 132,9054.

На основе периодического закона были искусственно созданы трансурановые элементы, расположенные в периодической системе после урана.

Открытие периодического закона и создание системы химических элементов имело огромное значение не только для химии, но и для других естественных наук, для философии, для всего нашего миропонимания. Периодический закон - фундаментальный закон о взаимосвязи и взаимообусловленности явлений природы. Он является формой проявления одного из всеобщих законов развития природы — закона перехода количества в качество.