книги / Неорганическая химия
..pdfского закона Д. И. Менделеева производились вслепую и лишь после этого великого открытия работа химиков в этом направ лении приобрела ясность и целеустремленность.
Зависимость свойств химических элементов от величины атомного веса, постепенное ослабление металлических свойств и нарастание неметаллических в горизонтальном ряду по мере увеличения атомного веса, и обратная картина в вертикальной группе — хорошая иллюстрация диалектического закона перехо да количества в качество, а двойственность характера проме жуточных элементов, дающих амфотерные окислы, — пример, ил люстрирующий закон единства противоположностей.
Периодический закон впервые указал на наличие генетиче ской связи между химическими элементами. Последующие от крытия в области строения материи подтвердили это.
Энгельс в своей книге «Диалектика природы» (1936, стр. 129) дает следующую философскую оценку периодического закона и периодической системы: «Менделеев, применяя бессознатель но гегелевский закон о переходе количества в качество, совер шил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверрье, вычислившего орбиту еще неизвестной пла неты — Нептуна».
3.ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМ А И СОВРЕМ ЕН Н ОЕ УЧЕНИЕ
ОСТРОЕНИИ АТОМ ОВ
Напомним основные положения атомистики, существовавшие во время открытия периодического закона: 1) атом — мельчай* шая неделимая частица элемента; 2) каждый элемент состоит из атомов с определенным и постоянным атомным весом; 3) между химическими элементами отсутствует генетическая связь; 4) один химический элемент не может превращаться в другой. Ни одно из этих положений к настоящему времени не сохранилось. Открытие явлений радиоактивности, сложности строения атома, закономерностей структуры рентгеновских спектров химических элементов подорвали правильность этих положений. Атомный .вес химического элемента перестал быть основной величиной для построения периодической системы. Та кой величиной стало порядковое, или атомное, число элемента, равное числу положительных зарядов или, что то же, — числу протонов в ядре атома. Это число называется менделеевским.
В новой формулировке периодический закон гласит: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от величин зарядов их атомных ядер, или: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их поряд кового числа. Новая формулировка определяет более точное со держание периодического закона. Подтверждается порядок рас
положения химических элементов в периодической системе, предложенный Д. И. Менделеевым: калий после аргона, никель после кобальта, йод после теллура и т. д.
Каждый период периодической системы содержит определен ное число элементов, соответствующее формуле 2п2, где п — це лые числа 1, 2, 3, 4, 5... Для первого периода п = 1, следователь но, элементов в нем 2 * 12=2; для второго и третьего «= 2 , эле ментов в них по 2-22=8, для четвертого и пятого п = 3, элемен тов в них по 2 - 32= 18; для шестого и седьмого п —4, элементов в них по 2*42=32 (в седьмом незаконченном периоде 32 элемен та — теоретическое число; практически пока открыто 17).
Например, в шестом периоде следующих за лантаном (№ 57) элементов-лантанидов имеется 14 (№ 58—71), так как у по следнего элемента этой группы — лютеция заканчивается форми рование подгруппы 4/ до 14 электронов при Ых и бз1.
Проследим, как идет построение атомов по периодам перио-.
дической системы Д. И. Менделеева. |
1 электрон |
||
В атоме водорода |
(порядковый номер 1) имеется |
||
(15*), у атома гелия |
(порядковый номер 2) — 2 электрона |
(1$2) |
|
и этим заканчивается построение п е р в о г о п е р и о д а . |
3), |
||
Во в т о р о м п е р и о д е у лития (порядковый |
номер |
||
кроме 1$2, имеется валентный электрон 2$*; у бериллия (поряд ковый номер 4) имеется два валентных электрона 2$2; у бора (порядковый номер 5) — три валентных электрона 2$2 2рг и так
далее до неона, у |
атома которого электронная |
структура (152 |
|
252 2р6) считается |
прочной, так как на внешнем слое Ь имеется |
||
законченная восьмиэлектронная |
структура. |
|
|
Следующий элемент — натрий |
(порядковый номер 11)— на |
||
чинающий новый — т р е т и й п е р и о д — имеет |
один валент |
||
ный электрон 3$*; у атома магния (порядковый номер 12) элект ронная структура с двумя валентными 352 электронами на внеш-
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 10 |
||
|
Распределение электронов |
по оболочкам |
|
|
|||||
|
Атомные |
|
|
Число электронов в различных слоях |
|
||||
Периоды |
Элементы |
к |
|
м |
N |
О |
Р |
|
|
номера |
Л=2 |
& 7 |
|||||||
|
(от — ДО) |
|
/1=1 |
л -3 |
л=4 |
л=5 |
п -6 |
||
1 |
1 - » 2 |
Н - » Не 1 - » 2 |
|
|
|
_ |
|
|
|
1 - » 8 |
|
|
|
|
|
||||
2 |
3 —►10 |
Ы - » № |
2 |
1 —» 8 |
|
|
|
|
|
3 |
1 1 -М 8 |
№ — Аг |
2 |
8 |
— |
— |
— |
— |
|
4 |
19—>36 |
К - » К г |
2 |
8 |
8 — 18 |
1-»8 |
— |
— |
— |
5 |
3 7 —»54 |
К Ь -»Х е |
2 |
8 |
18 |
8—>18 1 —» 8 |
— |
--. |
|
6 |
55 —» 86 |
Сз - » К п |
2 |
8 |
18 |
18-»32 8 —> 18 1 - » 8 |
— |
||
7 |
8 7 - » 92 |
Рг —> Ц |
2 |
8 |
18 |
32 |
18—>21 8 — 9 |
1 - 2 |
|
Распределение электронов в атомах
|
Слой |
К |
1 |
, |
|
|
м! |
? |
Л |
N |
|
п |
1 |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
А |
|
1 ' |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
2 |
0 |
1 |
|
Подгруппа |
|
25 |
2р |
35 |
, |
3Р |
ы |
45 |
|
1 |
Н |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Не |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
ы |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Ве |
2 |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
5 |
В |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
С |
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
7 |
N |
2 |
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
8 |
О |
2 |
2 |
4 |
|
|
|
|
|
|
9 |
Р |
2 |
2 |
5 |
|
|
|
|
|
|
10 |
N6 |
2 |
2 |
6 |
|
|
|
|
|
|
11 |
№ |
2 |
2 |
6 |
1 |
|
|
|
|
|
12 |
А| |
2 |
... 2 |
6 |
2 |
|
1 |
|
|
|
13 |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
|
|
|
||
14 |
51 |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
2 |
|
|
|
15 |
Р |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
3 |
|
|
|
16 |
3 |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
4 |
|
|
|
17 |
С1 |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
5 |
|
|
|
18 |
Аг |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
|
|
|
19 |
К |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
|
1 |
|
20 |
Са |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
|
2 |
|
21 |
5с |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
1 |
2 |
|
22 |
Т1 |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
2 |
2 |
|
23 |
V |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
3 |
2 |
|
24 |
Сг |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
5 |
1 |
|
25 |
Мп |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
5 |
2 |
|
56 |
Ре |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
6 |
2 |
|
27 |
Со |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
7 |
2 |
|
28 |
N1 |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
8 |
2 |
|
29 |
Си |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
1 |
|
30 |
2п |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
2 |
|
31 |
Оа |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
2 |
1 |
32 |
Ое |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
2 |
2 |
33 |
Аз |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
2 |
3 |
34 |
5е |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
2 |
4 |
35 |
Вг |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
2 |
5 |
36 |
КГ |
2 |
2 |
6 |
2 |
|
6 |
10 |
2 |
6 |
|
|
Слой |
к |
|
м |
N |
|
|
О |
|
|
Р |
|
|
|
|
п |
1 |
2 |
3 |
4 |
.. |
|
5 |
|
|
6 |
|
7 |
|
|
1 |
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
0 |
1 |
2 |
0 |
|
Подгруппа |
|
|
|
|
б$ |
5Р |
Ъй |
5/ |
6$ |
вр |
Ы |
72 |
|
72 |
нг |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
73 |
Та |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
3 |
|
2 |
|
|
|
|
74 |
IV |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
4 |
|
2 |
|
|
|
|
75 |
Ре |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
5 |
|
2 |
|
|
|
|
76 |
|
Оз |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
6 |
|
2 |
|
|
|
77 1г |
2 8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
7 |
|
2 |
|
|
|
|||
78 |
|
Р1 |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
9 |
|
1 |
|
|
|
79 |
Аи |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
1 |
|
|
|
|
80 |
не |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
|
|
|
|
81 |
|
Т1 |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
1 |
|
|
82 |
|
РЬ |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
2 |
|
|
83 |
|
В! |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
3 |
|
|
84 |
|
Ро |
2 |
8 |
18 |
•32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
4 |
|
|
85 |
|
А* |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
5 |
|
|
86 . |
Рп |
2 |
8 |
18 |
. 32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
6 |
|
|
|
87 |
|
Рг |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
6 |
|
1 |
88 |
|
Ра |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
6 |
|
2 |
89 |
|
Ас |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
|
2 |
6 |
1 |
2 |
90 |
|
ТЬ |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 , |
6 |
10 |
|
2 |
6 |
2 |
2 |
91 |
|
Ра |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
2 |
2 |
6 |
1 |
2 |
92 |
|
II |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
3 |
2 |
6 |
1 |
2 |
93 |
|
Ыр |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
5 |
2 |
6 |
|
2 |
94 |
Ри |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
Ю |
6 |
2 |
6 |
|
2 |
|
95 |
|
Агп |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
7 |
2 |
6 |
|
2 |
96 |
|
Сш |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
7 |
2 |
6 |
1 |
2 |
97 |
|
Вк |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
9 |
2 |
6 |
|
2 |
98 |
|
С1 |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
10 |
2 |
6 |
|
2 |
99 |
|
Ез |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
11 |
2 |
6 |
|
2 |
100 |
РП1 |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
12 |
2 |
6 |
|
2 |
|
101 |
|
т |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
13 |
2 |
6 |
|
2 |
102 |
Ыо |
2 |
8 |
18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
14 |
2 |
6 |
|
2 |
|
ЮЗ |
у |
2 8 18 |
32 |
2 |
6 |
10 |
14 |
2 |
6 ^ 1 |
2 |
||||
|
|
Ь |
||||||||||||
нем слое М. Следовательно, натрий является |
аналогом лития, |
а магний — аналогом бериллия. |
до аргона (по |
Дальше построение атомов идет нормально |
рядковый номер 18) с внешней структурой 3$2 3р6. Он заканчи вает третий период, имея во внешнем слое (М) восьмиэлектрон ную прочную структуру с отсутствием валентных электронов.
Во всех случаях вновь поступающий электрон стремится за нять место в электронной оболочке атома, отвечающее наимень шему уровню энергии. Происходит последовательное формиро вание групп электронов (К, Ь, М). В построении атома после дующего элемента видно повторение внутренней электронной структуры атома предшествующего элемента. Все последующие элементы являются аналогами предшествующих со сходной внешней электронной структурой. Например, аналогами лития являются все элементы главной подгруппы I группы периодиче ской системы (N8, К, КЬ, Сз, Рг), у атомов которых во внешнем слое имеется по одному валентному электрону; аналоги берил лия— элементы главной подгруппы II группы (Мд, Са» Зг, Ва, На) и т. д.
Ч е т в е р т ы й п е р и о д (К—►Кг) состоит из 18 элементов. Построение атомов этого периода (как и последующих) несколь ко отличается от первых трех периодов. Несмотря на то, что от третьего главного квантового числа М остался еще незаполнен ным уровень 3^, сначала идет формирование уровня, определяе мого более высоким главным квантовым числом (IV), но мень шим орбитальным квантовым числом, являющимся в энергети ческом смысле более низким.
Как же идет построение атомов четвертого периода?
Укалия (№ 19) внешняя электронная структура 4а1; у каль ция (№ 20) 4$2.
Ускандия (№ 21) начинается заполнение более глубоко ле
жащего подуровня: Ъйх 4$2; у титана (№ 22) Ы2 4$2; у ванадия (№ 23) 3#4з2; у хрома 3^54э!; у марганца М Чз2; у железа М Чз2; у кобальта М 74з2; у никеля М Чз2; у меди 3^10451; у цин ка М хЧз2.
У галлия начинается заполнение подуровня 4р. Его послед ние три подуровня: М хЧзЧрх; у германия М хЧзЧр2; у мышьяка Зс/104$24р3; у селена М хЧз24рА; у брома 3^104524р5; у криптона
ЗФЧзЧр*.
Подобным же образом строятся внешние электронные поду
ровни атомов |
элементов |
п я т о г о п е р и о д а , состоящего из |
18 элементов |
(КЬ —>Х е). |
Сначала заполняется подуровень 5$ |
до 2 электронов *. Начиная с иттрия, происходит заполнение бо лее глубоко лежащего подуровня 4й до 10 электронов (у индия).
* У палладия 55=0, у ниобия, молибдена, рутения, радия и сереб ра 5$.
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
н е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
О |
5 |
6 |
7 |
6 |
9 |
ю |
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
ее |
в |
С N о г ые |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
11М1111 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
и |
12 |
13 |
11* |
15 |
16 |
17 |
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
М д А 1 51 Р |
5 а А г |
|
|
|
|||||
Г9 |
20 |
21 |
22 |
23 |
21* |
25 |
26 |
27 28 |
29 |
30 |
31 |
32 33 |
34 |
35 36 |
|
В |
СО 5с |
п |
м |
сг |
мп ее |
Со ш |
Си 2п Со Се А$ |
6р |
Вг Иг |
||||||
3 7 |
3 8 |
39 |
00 01 |
02 |
03 |
00 |
05 06 07 |
08 |
09 50 Ы 52 53 50 |
||||||
В О З г У 2 г N0 М О Тс Н и М |
|
Р О А д с а т 50 8 0 те з х е |
|||||||||||||
83 80 85 86 В1 РОАс ЯЛ'.
87 88
Тг н а
Рис, 35. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева по Бору—Томсену. В рамках помещены элементы, в атомах которых происходит дополнение внутренних электронных слоев: второго (простые рамки) или третьего (двойная рамка) снаружи
Дальше в слое О идет формирование подуровня 5р до 6 элект
ронов (у ксенона); этим заканчивается |
построение пятого |
пе |
|||
риода системы (табл. 11). |
атомов |
элементов ш е с т о г о |
и |
||
Сложнее |
идет построение |
||||
с е д ь м о г о |
периодов. Здесь, |
наряду |
с |
заполнением внешних |
|
энергетических уровней электронных орбит, идет формирование более глубоко лежащих подуровней 4/, Ы в VI периоде и 5/, Ы в VII периоде. Различие отдельных энергетических уровней здесь столь незначительно, что химические свойства некоторых эле ментов середины шестого периода почти идентичны. Таковы, на пример, редкоземельные элементы.
В шестом периоде у цезия ( №55) внешняя структура атома
5525р6б51 (одновалентен), у |
бария (№ 56) 5$25р6б52 (двухвален |
|
тен); |
у лантана (№57) Б825р*5Д16$2 (трехвалентен); у церия |
|
(№ |
58) 4/25525р6б52 (трех- |
и четырехвалентен). У лютеция за |
канчивается построение глубоко лежащего подуровня 4/ и тем самым заканчивается формирование размещенного внизу таб лицы ряда лантанидов иЗ 14 следующих за лантаном элементов. Все они, как правило, трехвалентны: валентные электроны у них два из подуровня 6$ и один из подуровня Ы (№ 57, 64, 71) или из подуровня 4/ (58—63; 65—70).
Начиная с гафния, идет дальнейшая достройка подуровня Ъй и подуровня 6р.
Построение атомов с е д ь м о г о п е р и о д а (незаконченного) происходит приблизительно так же,-как и. шестого периода.
Проследим; изменение свойств, химических элементов в пе риоде по мере увеличения порядкового номера по предложенное му Бором—Томсеном развернутому варианту периодической си стемы (рис. 35).
Во II и III периодах между крайними членами периода— щелочным металлом и галогеном находятся всего пять элемен тов; изменение их свойств происходит довольно резко. В IV и V периодах с 15 промежуточными элементами изменение свойств элементов происходит более постепенно. Так, в середи не IV периода, где происходит достройка внутренних электрон ных подгрупп {Ы) Т1, V, Сг, Мп, Ре, Со, № и Си, у этих метал лов в свободном их состоянии проявляется значительное сход ство свойств.
Начиная с цинка, в IV периоде по мере нарастания поряд кового номера свойства элементов 2п, (За, (Зе, Аз, $е и Вг изме
няются |
почти так же |
резко, как |
и в коротких периодах. Это |
|
объясняется тем, что валентными |
являются те |
электроны, ко |
||
торые |
располагаются |
во внешних |
электронных |
подгруппах 4$ |
и 4р.
Подобную картину можно наблюдать и в V периоде.
В VI периоде — 32 элемента с 29 промежуточными элемен тами между цезием и астатием, поэтому переход от металлов к
неметаллам почти вдвое длиннее, чем в. IV и V периодах. В сере* дине VI периода к той картине Перехода, которая наблюдается
в IV и V периодах, |
прибавляется 14 трехвалентных |
лантани* |
|
дов, обладающих почти одинаковыми химическими |
свойства* |
||
ми. Начало шестого |
периода и вторая |
его половина, |
начиная |
с гафния, состоит из аналогов элементов |
более ранних |
(IV и V) |
|
периодов.
Таким образом, место в периодической системе и электрон* ные структуры атомов позволяют правильно определить свойст ва элементов.
Радиус
(а )
Рис. 36. Кривая эффективных атомных радиусов простых |
веществ |
в зависимости от расположения элементов в периодической |
системе |
Нарастание металлических свойств у элементов главной под* группы одной и той же группы периодической системы особен но ясно видно из электронной структуры их атомов: по мере роста порядкового числа элементов в группе число электронных слоев увеличивается, тем самым увеличивается размер атомов и расстояние валентных электронов от центрального положи тельного ядра атома. Это облегчает потерю тяжелыми атомами валентных электронов — нарастают металлические свойства эле ментов.
На рис. 36 изображена кривая зависимости эффективных атомных радиусов от расположения элементов в периодической системе. На кривой видно, что наибольшим атомным радиусом обладают наиболее активные в химическом отношении металлы I группы.
О характере прочности связи электронов в атоме элемента можно судить по величине ионизационного потенциала, который показывает расход энергии в электронвольтах (эв) или ккал}г- атом, необходимый для отрыва одного электрона от нейтраль ного атома (рис. 37). Легче всего теряют электрон атомы ще лочных металлов (один внешний электрон), наибольшая затрата энергии требуется для отрыва электрона от атома инертных га зов, имеющих прочную электронную структур^
|
|
Рис. 37. |
Кривая ионизационных потенциалов элементов |
|
|||||
сит |
От |
положения |
элемента |
в |
периодической |
системе |
завиг |
||
величина его |
ионизационного потенциала. |
Внутри перио |
|||||||
да |
ионизационный |
потенциал увеличивается от щелочного ме |
|||||||
талла |
(нашример' |
Ыа) к |
инертному |
газу |
(например |
Аг) |
|||
(табл. |
12). |
|
подгруппы |
одной |
группы сверху |
вниз, |
|||
|
Внутри главной |
||||||||
наоборот, ионизационный потенциал увеличивается (табл. 13). Если восстановительную способность металла характеризу ет величина ионизационного потенциала, то. окислительную спо
собность неметалла характеризует так называемое сродство к электрону. Сродство к электрону — это та энергия, которая вы деляется при присоединении электрона к атому элемента (ис числяется она также в эв или ккал/г-атом). Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов и элемен тов группы кислорода, наименьшим — атомы инертных газов (табл. 14)*