Періодичний закон і періодична система хімічних елементів

Періодичний закон і періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва на основі уявлень про будову атома.  

1. формулювання періодичного закону  
Д. І. Менделєєва у світлі теорії будови атома.  
Відкриття періодичного закону і розробка періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєвим з'явилися вершиною розвитку хімії в XIX столітті. Велика сума знань про властивості 63 елементів, відомих на той час, була приведена в стрункий порядок.  
Д. І. Менделєєв вважав, що основною характеристикою елементів є їх атомні ваги, і в 1869 р. вперше сформулював періодичний закон.  

Властивості простих тіл, а також форми і властивості з'єднань елементів знаходяться в періодичній залежності від величини атомних ваг елементів.  
      Весь ряд елементів, розташованих у порядку зростання атомних мас, Менделєєв розбив на періоди, всередині яких властивості елементів змінюються послідовно, розмістивши періоди так, щоб виділити подібні елементи.  
Однак, незважаючи на величезну значимість такого висновку, періодичний закон і система Менделєєва представляли лише геніальне узагальнення фактів, а їх фізичний зміст довгий час залишався незрозумілим. Лише в результаті розвитку фізики XX століття - відкриття електрона, радіоактивності, розробки теорії будови атома - молодий, талановитий англійський фізик Г. Мозлі встановив, що величина зарядів ядер атомів послідовно зростає від елемента до елементу на одиницю. Цим відкриттям Мозлі підтвердив геніальний здогад Менделєєва, який у трьох місцях періодичної таблиці відійшов від зростаючої послідовності атомних ваг.  
Так, при її складанні Менделєєв поставив 27 Зі перед 28 Ni, 52 Ti перед 5 J, 18 Аг перед 19 К, незважаючи на те, що це суперечило формулюванні періодичного закону, тобто розташування елементів в порядку збільшення їх атомної ваги.  
Відповідно до закону Мозлі заряди ядер даних елементів відповідали положенням їх у таблиці.  
У зв'язку з відкриттям закону Мозлі сучасне формулювання періодичного закону наступна:  
властивість елементів, а так само форми та властивості їх сполук перебувають у періодичній залежності від заряду ядра їх атомів.  
   
Зв'язок періодичного закону і періодичної системи з будовою атомів.  
Отже, головною характеристикою атома є не атомна маса, а величина позитивного заряду ядра. Це більш загальна точна характеристика атома, а значить, і елемента. Від величини позитивного заряду ядра атома залежать усі властивості елемента і його положення в періодичній системі. Таким чином, порядковий номер хімічного елемента чисельно збігається із зарядом ядра його атома. Періодична система елементів є графічним зображенням періодичного закону і відображає будову атомів елементів.  
Теорія будови атома пояснює періодичне зміна властивостей елементів. Зростання позитивного заряду атомних ядер від 1-до 110 призводить до періодичного повторення у атомів елементів будови зовнішнього енергетичного рівня. А оскільки від числа електронів на зовнішньому рівні в основному залежать властивості елементів; то і вони періодично повторюються. У цьому фізичний сенс періодичного закону.                       
В якості прикладу розглянемо зміну властивостей у перших і останніх елементів періодів. Кожен період в періодичній системі починається елементами атоми, яких на зовнішньому рівні мають один s-електрон (незавершені зовнішні рівні) і тому виявляють подібні властивості - легко віддають валентні електрони, що обумовлює їх металевий характер. Це лужні метали - Li, Na, К, Rb, Cs.  
Закінчується період елементами, атоми яких на зовнішньому рівні містять 2 (s 2) електрона (у першому періоді) або 8 (s 1 p 6) електронів (у всіх подальших), тобто мають завершений зовнішній рівень. Це благородні гази Не, Ne, Ar, Kr, Xe, що мають інертні властивості.  
Саме внаслідок подібності будови зовнішнього енергетичного рівня схожі їх фізичні і хімічні властивості.  
У кожному періоді зі зростанням порядкового номера елементів металеві властивості поступово слабшають і зростають неметалеві, закінчується період інертним газом. У кожному періоді зі зростанням порядкового номера елементів металеві властивості поступово слабшають і зростають неметалеві, закінчується період інертним газом.  
У світлі вчення про будову атома стає зрозумілим поділ усіх елементів на сім періодів, зроблене Д. І. Менделєєвим. Номер періоду відповідає числу енергетичних рівнів атома, тобто положення елементів у періодичній системі обумовлено будовою їх атомів. У залежності від того, який підрівень заповнюється електронами, всі елементи ділять на чотири типи.  
1. s-елементи. Заповнюється s-підрівень зовнішнього рівня (s 1 - s 2). Сюди відносяться перші два елементи кожного періоду.  
2. р-елементи. Заповнюється р-підрівень зовнішнього рівня (р 1 - p 6) - Сюди відносяться останні шість елементів кожного періоду, починаючи з другого.  
3. d-елементи. Заповнюється d-підрівень останнього рівня (d1 - d 10), а на останньому (зовнішньому) рівні залишається 1 або 2 електрони. До них належать елементи вставних декад (10) великих періодів, починаючи з 4-го, розташовані між s-і p-елементами (їх також називають перехідними елементами).  
                                          
4. f-елементи. Заповнюється f-підрівень глибинного (третина його зовні) рівня (f 1-f 14), а будову зовнішнього електронного рівня залишається незмінним. Це лантаноїди і актиноїди, що знаходяться в шостому і сьомому періодах.  
Таким чином, число елементів в періодах (2-8-18-32) відповідає максимально можливому числу електронів на відповідних енергетичних рівнях: на першому - два, на другому - вісім, на третьому - вісімнадцять, а на четвертому - тридцять два електрони. Розподіл груп на підгрупи (головну і побічну) засноване на відмінності в заповненні електронами енергетичних рівнів. Головну підгрупу складають s - і p-елементи, а побічну підгрупу - d-елементи. У кожній групі об'єднані елементи, атоми яких мають подібну будову зовнішнього енергетичного рівня. При цьому атоми елементів головних підгруп містять на зовнішніх (останніх) рівнях число електронів, що дорівнює номеру групи. Це так звані - валентні електрони.  
 
У елементів побічних підгруп валентними є електрони не лише зовнішніх, а й передостанніх (других зовні) рівнів, в чому і полягає основна відмінність у властивостях елементів головних і побічних підгруп.  
Звідси випливає, що номер групи, як правило, вказує число електронів, які можуть брати участь в утворенні хімічних зв'язків. У цьому полягає фізичний зміст номера групи.  
З позицій теорії будови атома легко пояснюється зростання металевих властивостей елементів у кожній групі зі зростанням заряду ядра атома. Порівнюючи, наприклад, розподіл електронів по рівнях в атомах 9 F (1s 2 2s 2 2р 5) і 53J (1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 Зр 6 3d 10 4s 4 лютому р 4 червня d 10 5s 2 5p 5) можна відзначити, що у них по 7 електронів на зовнішньому рівні, що вказує на схожість властивостей. Проте зовнішні електрони в атомі йоду знаходяться далі від ядра і тому слабше утримуються. З цієї причини атоми йоду можуть віддавати електрони або, іншими словами, виявляти металеві властивості, що нехарактерно для фтору.  
Отже, будова атомів обумовлює дві закономірності:  
а) зміна властивостей елементів по горизонталі - у періоді зліва направо послаблюються металеві і посилюються неметалічні властивості;  
б) зміна властивостей елементів по вертикалі - у групі з зростанням порядкового номера посилюються металеві властивості і слабшають неметалічні.  
Таким чином: у міру зростання заряду ядра атомів хімічних елементів періодично змінюється будова їх електронних оболонок, що є причиною періодичної зміни їх властивостей.  

3. Структура періодичної Системи Д. І. Менделєєва.  
Періодична система Д. І. Менделєєва підрозділяється на сім періодів - горизонтальних послідовностей елементів, розташованих за зростанням порядкового номера, і вісім груп - послідовностей елементів володіють однотипної електронною конфігурацією атомів і подібними хімічними властивостями.  
Перші три періоди називаються малими, решта - великими. Перший період включає два елементи, другий і третій періоди - по вісім, четвертий і п'ятий - по вісімнадцять, шостий - тридцять два, сьомий (незавершений) - двадцять один елемент.  
Кожен період (виключаючи перший) починається лужним металом і закінчується благородним газом.  
Елементи 2 і 3 періодів називаються типовими.  
Малі періоди складаються з одного ряду, великі - з двох рядів: парного (верхнього) і непарного (нижнього). У парних рядах великих періодів розташовані метали, і властивості елементів зліва направо змінюються слабко. У непарних рядах великих періодів властивості елементів змінюються зліва направо, як у елементів 2 і 3 періодів.  
У періодичній системі для кожного елемента вказується його символ і порядковий номер, назва елемента і його відносна атомна маса. Координатами положення елементу в системі є номер періоду і номер групи.  
Елементи з порядковими номерами 58-71, іменованими лантаноїдами, і елементи з номерами 90-103 - актиноїди - поміщаються окремо внизу таблиці.  
Групи елементів, що позначаються римськими цифрами, діляться на головні і побічні підгрупи. Головні підгрупи містять 5 елементів (або більше). У побічні підгрупи входять елементи періодів, починаючи з четвертого.  
Хімічні властивості елементів обумовлюються будовою їх атома, а точніше будовою електронної оболонки атомів. Зіставлення будови електронних оболонок з положенням елементів у періодичній системі дозволяє встановити ряд важливих закономірностей:  
1. Номер періоду дорівнює загальному числу енергетичних рівнів, що заповнюються електронами, у атомів даного елемента.  
2. У малих періодах і непарних рядах великих періодів із зростанням позитивного заряду ядер зростає число електронів на зовнішньому енергетичному рівні. З цим пов'язано ослаблення металевих і посилення неметалічних властивостей елементів зліва направо.  
Номер групи, вказує число електронів, які можуть брати участь в утворенні хімічних зв'язків (валентних електронів).