«Наука есть достояние общее, а потому справедливость требует
реклама
«Наука есть достояние общее, а потому справедливость требует не тому отдать наибольшую научную славу, кто первый высказал известную истину, а тому, кто сумел убедить в ней других, показал ее достоверность и сделал ее применимой в науке». Д.И.Менделеев Периодический закон Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева План • Доменделеевские попытки систематизации элементов • Открытие периодического закона и Периодической системы химических элементов • Современная формулировка периодического закона. • Объяснение причины периодичности. • Структура Периодической системы химических элементов • Графические формы Периодической системы • Основные тенденции в изменении свойств элементов по периоду и по подгруппе Классификация элементов: история Доменделеевские попытки систематизации элементов Триады Дёберейнера, 1817 г. 1.Li (6.94), Na (23.00), K (39.1) 2.Ca (40.07), Sr (87.63), Ba (137.37) 3.P (31.04), As (74.94), Sb (121.8) 4.S (32.06), Se (79.2), Te (127.5) 5.Cl (35.46), Br (79.92), I (126.92) 1857 г., Ленсен – 20 триад 6.94 (Li) + 39.1 (K) 23 (Na) = 2 1864 г. – У. Одлинг 1864 г. – Лотар Мейер Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780-1849) Johann Wolfgang Döbereiner Спираль де Шанкартуа 1862 Александр-Эмиль Бегье де Шанкартуа (1820-1886) Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois Закон октав Ньюлендса Таблица элементов по Дж. Ньюлэндсу, 1866 до ре ми фа соль ля си H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Ti Cr Mn Fe Co, Ni Cu V Zn In As Se Br Rb Sr Ce, La Zr Di, Mo Rh, Ru Pd Ag Cd U Sn Sb Te I Cs Ba, V Ta W Nb Au Pt, Ir Tl Pb Th Hg Bi Os Профессор Фостер: «Не пробовал ли автор расположить элементы в алфавитном порядке и не заметил ли он при таком расположении каких-либо новых закономерностей? 1864 г. – предсказание элемента между Si и Sn Ar = 73, современное значение 72,61. Лотар Мейер Лотар Мейер (1830-1895) Таблица Мейера 1864 г. (фрагмент) 4 val 3 val 2 val 1 val 1 val 2 val C=12 N=14.4 O=16 F=19 Na=23 Mg=24 Si=28.5 P=31 S=32 Cl=35.5 K=39 Ca=40 ... As=75 Se=78.8 Br=80 Rb=85.4 Sr=87 Sn=117.6 Sb=120.6 Te=128.3 I=126.8 Cs=133 Ba=137.4 Pb=207 Bi=208 ... ... (Tl=204) ... Таблица Мейера 1870 г. I II III IV V B Al In (?) Tl C Si Sn Pb Sb Bi Ti N P As S Nb Se Cr F Cl Na Mg I Rb Ca Os Ir Pt Cs Ag Sr Zn W Ru Rh Pd Cu Be Te Br K VIII Ta Mo Mn Fe Co Ni Li VII IX Zr V O VI Au Ba Cd Hg Уильям Одлинг Триплетные группы H1 Mo 96 W 184 Au 196.5 Pd 106.5 Pt 197 Li 7 Na 23 - Ag 108 G9 Mg 24 Zn 65 Cd 112 Hg 200 B 11 Al 27.5 - - Tl 203 C 12 Si 28 - Sn 118 Pb 207 N 14 P 31 As 75 Sb 122 Bi 210 O 16 S 32 Se 79.5 Te 129 F 19 Cl 35 Br 80 J 127 K 39 Rb 85 Cs 133 Ca 40 Sr 87.5 Ba 137 Ti 40 Zr 89.5 - Cr 52.5 Mn 55 и др. (Fe,Ni,Co,Cu) V 138 Th 231 Некоторая хронология Менделеев в 1869 г. и далее Январь – работает над «Основами химии» Февраль, 8 – награжден орденом Св. Анны II степени Февраль, 15 – написал прошение об отпуске Февраль 17 – вечером в типографию отправлена таблица Февраль, 20 – держал корректуру Март, 1 – разослал таблицу 1-12 марта – посещает сыроварни Доклад делает Меншуткин 4 марта – РХО Савченков Одлинг Май – статья «Соотношение свойств с атомным весом элемента» Рукопись Д.И. Менделеева Элемент → простое вещество • Свойства простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от атомного веса элементов только потому, что свойства простых и сложных тел сами составляют результат свойств элементов, их образующих Д.И. Менделеев Некоторая хронология 20 сентября 1875 г. Буабодран 4 ноября 1875 г. РФО. Менделеев Gaэкаалюминий 6 ноября 1875 РХО. Поправка плотности. Не 4,7, а 5,9. 6 декабря – Парижская Академия наук Открытия элементов, предсказанных Д.И. Менделеевым 27 августа 1875 г. Галлий Ga Лекок де Буабодран 12 марта 1879 г. Скандий Sc Ларс Нильсон 6 февраля 1886 г. Германий Ge Карл Винклер Экаалюминий Ea Галлий Ga Атомная масса ≈ 68 Атомная масса 69,72 Простое тело должно быть низкоплавкое Температура плавления 29,75 °С Плотность металла близка к 6,0 Плотность 5,9 (тв.) Объем атома должен быть близок к 11,5 Атомный объем 11,8 На воздухе не изменяется Слабо окисляется при красном калении Должен разлагать воду при кипячении Разлагает воду при высокой температуре Образует квасцы, но труднее, чем Al Дает квасцы NH4Ga(SO4)2 ·12H2O Ea2O3 должен легко восстанавливаться до металла Ga легко восстанавливается прокаливанием Ga2O3 в токе водорода Более летуч, чем Al, будет открыт методом спектрального анализа Ga открыт спектроскопическим методом Экабор Eb Скандий Sc2O3 Атомная масса ≈ 44 Атомная масса 45,1 Плотность металла ≈ 3,0 Плотность 3,0 Объем атома около 15 Атомный объем 15 Металл нелетуч и не может быть открыт спектральным анализом Летучесть низкая Образует основный оксид Образует основный оксид Воду будет разлагать при повышенной температуре Разлагает воду при кипячении Eb2O3 в воде нерастворим, плотность ≈ 3,5 Sc2O3 в воде не растворяется, плотность 3,864 Eb2O3 с большим трудом образует квасцы Sc2O3 образует двойную соль 3K2SO4∙Sc2(SO4)3 Приоритет Менделеева признает Лотар Мейер: Лотар Мейер (1830-1895) В 1869 г., раньше, чем я высказал свои мысли о периодичности свойств элементов, появился реферат статьи Менделеева, в которой написано: • 1) при расположении элементов в порядке восходящих атомных весов наблюдается периодическое изменение свойств элементов; • 2) величина атомных весов определяет свойства элементов; Приоритет Менделеева признает Лотар Мейер • 3) атомные веса некоторых элементов требуют исправлений; • 4) должны существовать некоторые еще неоткрытые элементы… Это все было Менделеевым опубликовано до меня и вообще впервые. Я открыто сознаюсь, что у меня не хватило смелости для таких дальновидных предположений, какие с уверенностью высказал Менделеев» Лотар Мейер Генри Мозли Установил физический смысл порядкового номера элемента! В 1962 г. Нильс Бор заметил: Вы знаете, работы Резерфорда [по атомному ядру] не считались серьезными. Сегодня мы не можем в это поверить, но они вовсе не рассматривались серьезно. Никто и нигде про них не упоминал. И только после работ Мозли все изменилось. Генри Гвин Джефрис Henry Moseley (1887-1915) H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar 3p 3s 2p 2s 1s 3d Электронные конфигурации атомов 4f 4d 4p 4s 3d 3p 3s 2p 2s 1s Графические формы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева Варианты графических форм Периодической системы • Короткопериодный (Менделеев, Браунер) • Полудлинный (Уокер) • Длиннопериодный (А. Вернер) • Лестничный (по Н. Бору) • Спиралевидная (по Баумгауеру) IA IIA IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA Полудлинный вариант Периодической системы Химических элементов H Li IIIB VIIIA He Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Понятие «группа» и «подгруппа» • «Группы – вертикальные ряды, объединяющие элементы с одинаковой степенью окисления в высших оксидах и сходными свойствами» (Н.Е. Кузнецова, 11 кл.) Хлор и марганец 2 Сравните хлор и марганец Хлор Марганец 3s23p5 3d54s2 Cl2 неметалл Mn металл Низшие оксиды Cl2O кислотный MnO основный Высший оксид Cl2O7 кислотный Mn2O7 кислотный Высший гидроксид HClO4 сильная HMnO4 сильная Пример соли, образованной высшим гидроксидом KClO4 KMnO4 Электронная конфигурация валентного слоя в атомах Простые вещества кислота кислота 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 H Li 18 He Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn IUPAC Periodic Table of the Elements http://www.iupac.org/reports/periodic_table IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA H Li VIIIA He Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Таблица по Н. Бору Т.Е. Торп, 1889 г.: • Ни один русский не оказал более важного, более длительного влияния на развитие физических знаний, чем Менделеев. Способ работы и мышление у него настолько самобытны, его метод преподавания и чтения лекций так оригинален, а успех великого обобщения, с которым связано его имя и слава, так полон, что в глазах ученого мира Европы и Америки он стал для России тем же, чем был Берцелиус для Швеции, Либих для Германии, Дюма для Франции… Признание Периодического закона и приоритета Менделеева • Самым крупным завоеванием естествознания в XIX веке надо считать открытие периодического закона Панет, 1930 г. Фридрих Адольф Панет (1887—1958) Тенденции в изменении свойств элементов Как изменяются свойства элементов по периоду и по группе РА ЭИ ЭО МС Радиус атома Энергия ионизации Электроотрицательность Металлические свойства соответствующих простых веществ Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов КС Радиус атома Радиус атома 1) калия Наименьший радиус имеет атом 2) мышьяка 3) кальция 4) селена Наибольший радиус имеет атом 1) 2) 3) 4) олова кремния свинца углерода Энергия ионизации • Энергия ионизации – наименьшая энергия, необходимая для удаления электрона от свободного атома в его основном энергетическом состоянии. Что влияет на энергию ионизации: • Эффективный заряд ядра • Радиальное расстояние от ядра до максимума зарядовой плотности наружного слоя • Мера проникающей способности внешнего электрона • Межэлектронное отталкивание валентных электронов. Энергия ионизации Наибольшую энергию нужно затратить на отрыв электрона от атома 1) Ga 2) Al 3) Si 4) C Наименьшую энергию нужно затратить на отрыв электрона от атома 1) As 2) Se 3) S 4) P В ряду Li – Na – K – Rb способность металлов отдавать электроны 1) возрастает 2) ослабевает 3) не изменяется 4) изменяется периодически Электроотрицательность Электроотрицательность В порядке увеличения электроотрицательности химические элементы расположены в ряду: 1) 2) 3) 4) C, N, O Si, Al, Mg Mg, Ca, Ba P, S, Si IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA H Li VIIIA He Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn K Щелочные металлы Галогены Халькогены Благородные газы Металлические свойства В каком ряду простые вещества расположены в порядке усиления металлических свойств? 1) Mg, Ca, Ba 2) Na, Mg, Al 3) K, Ca, Fe 4) Sc, Ca, Mg В ряду химических элементов Li - Be - B - C металлические свойства 1) 2) 3) 4) ослабевают усиливаются не изменяются изменяются периодически Неметаллические свойства В порядке усиления неметаллических свойств расположены 1) S-Se 2) Se-Br 3) Br-I 4) I-Te Водородные соединения LiH BeH2 B2H6 CH4 NH3 H2O HF NaH MgH2 AlH3 SiH4 PH3 H2S HCl CaH2 GaH3 GeH4 AsH3 H2Se HBr KH RbH SrH2 InH3 SnH4 SbH3 H2Te HI Обратите внимание как изменяются кислотно-основные свойства! Водородные соединения Газообразные водородные соединения состава ЭН3 образуют 1) Be, Ca, Sr 2) P, As, Sb 3) Ga, Al, B 4) Te, S, Sc +1 +2 Li2O BeO +3 B2O3 +4 +5 CO2 N2O5 +6 Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO Ga2O3 GeO2 As2O5 SeO3 +7 Cl2O7 Гидроксиды LiOH Be(OH)2 H3BO3 H2CO3 HNO3 - - NaOH Mg(OH)2 Al(OH)3 H2SiO3 H3PO4 H2SO4 HClO4 Высшие оксиды и гидроксиды, водородные соединения Формула высшего оксида азота 1) NO2 2) N2O5 3) N2O Формула высшего оксида и водородного соединения некоторого элемента: 1) ЭO2 и H2Э 2) ЭO3 и H2Э 3) Э2O5 и H2Э 4) ЭO2 и ЭH3 4) N2O3 Кислотно-основные свойства Основные свойства усиливаются в ряду 1) NaOH - Mg(OH)2 - Al(OH)3 2) LiOH – NaOH – KOH 3) Ba(OH)2 - Sr(OH)2 - Ca(OH)2 4) Al(OH)3 - Mg(OH)2 - Be(OH)2 Кислотно-основные свойства Кислотные свойства усиливаются в ряду 1) HBr - HCl- HF 2) H3PO4 - H2SO4 - HClO4 3) HNO3 - H2CO3 - H3BO3 4) HNO3 - H3PO4 - H3AsO4 Наиболее сильные кислотные свойства проявляет водородное соединение 1) 2) 3) 4) H2O NH3 H2S PH3 Кислотный характер наиболее выражен у высшего оксида, образованного 1) кремнием 2) алюминием 3) серой 4) углеродом Обобщающие вопросы В ряду химических элементов: бор – углерод – азот возрастает 1) 2) 3) 4) способность атома отдавать электроны высшая степень окисления низшая степень окисления радиус атома В ряду Ве – В – С – N происходит 1) увеличение радиуса атома 2) уменьшение электроотрицательности 3) увеличение силы притяжения валентных электронов к ядру 4) уменьшение числа неспаренных электронов в основном состоянии атома В ряду Ве – Мg – Са - Sr происходит 1) ослабление металлических свойств 2) увеличение электроотрицательности 3) уменьшение числа валентных электронов 4) уменьшение силы притяжения валентных электронов к ядру В ряду элементов Si → P → S → Cl 1) увеличивается число электронных слоев в атомах 2) уменьшается число внешних электронов в атомах 3) возрастают радиусы атомов 4) усиливаются неметаллические свойства Спасибо за внимание!
