1. Предпосылки открытия периодического закона

В пе­ри­од ста­нов­ле­ния науки химии уче­ные пы­та­лись при­ве­сти в си­сте­му све­де­ния об из­вест­ных к тому вре­ме­ни несколь­ких де­сят­ков хи­ми­че­ских эле­мен­тов. Эта про­бле­ма увлек­ла и Д.И. Мен­де­ле­е­ва. Он искал за­ко­но­мер­но­сти и вза­и­мо­свя­зи, ко­то­рые бы охва­ты­ва­ли все эле­мен­ты, а не толь­ко часть из них. Мен­де­ле­ев счи­тал важ­ней­шей ха­рак­те­ри­сти­кой эле­мен­та массу его атома. Про­ана­ли­зи­ро­вав все из­вест­ные к тому вре­ме­ни све­де­ния о хи­ми­че­ских эле­мен­тах и рас­по­ло­жив их в по­ряд­ке воз­рас­та­ния их атом­ных масс, в 1869 году он сфор­му­ли­ро­вал пе­ри­о­ди­че­ский закон.

Фор­му­ли­ров­ка за­ко­на: свой­ства хи­ми­че­ских эле­мен­тов, про­стых ве­ществ, а также со­став и свой­ства со­еди­не­ний на­хо­дят­ся в пе­ри­о­ди­че­ской за­ви­си­мо­сти от зна­че­ния атом­ных масс.

К мо­мен­ту фор­му­ли­ров­ки пе­ри­о­ди­че­ско­го за­ко­на еще не было из­вест­но стро­е­ние атома и су­ще­ство­ва­ния эле­мен­тар­ных ча­стиц. Также впо­след­ствии было уста­нов­ле­но, что от атом­ных масс свой­ства ве­ще­ства не за­ви­сят, как это пред­по­ла­гал Мен­де­ле­ев. Хотя, не об­ла­дая этими све­де­ни­я­ми, Д. И. Мен­де­ле­ев не сде­лал в своей таб­ли­це ни еди­ной ошиб­ки.

После от­кры­тия Мозли, ко­то­рый уста­но­вил экс­пе­ри­мен­таль­но, что заряд ядра атома сов­па­да­ет с по­ряд­ко­вым но­ме­ром хи­ми­че­ско­го эле­мен­та, ука­зан­ным Мен­де­ле­е­вым в его таб­ли­це, в фор­му­ли­ров­ку его за­ко­на внес­ли из­ме­не­ния.

2. Описание периодической системы

Со­вре­мен­ная фор­му­ли­ров­ка за­ко­на: свой­ства хи­ми­че­ских эле­мен­тов, про­стых ве­ществ, а также со­став и свой­ства со­еди­не­ний на­хо­дят­ся в пе­ри­о­ди­че­ской за­ви­си­мо­сти от зна­че­ний за­ря­дов ядер ато­мов.

Рис. 1. Гра­фи­че­ским вы­ра­же­ни­ем пе­ри­о­ди­че­ско­го за­ко­на яв­ля­ет­ся Пе­ри­о­ди­че­ская си­сте­ма хи­ми­че­ских эле­мен­тов Д. И. Мен­де­ле­е­ва

Рис. 2. Рас­смот­рим при­ня­тые в ней обо­зна­че­ния на при­ме­ре ру­би­дия

В каж­дой ячей­ке, со­от­вет­ству­ю­щей эле­мен­ту, пред­став­ле­ны: хи­ми­че­ский сим­вол, на­зва­ние, по­ряд­ко­вый номер, со­от­вет­ству­ю­щий числу про­то­нов в атоме, от­но­си­тель­ная атом­ная масса. Число элек­тро­нов в атоме со­от­вет­ству­ет числу про­то­нов. Ко­ли­че­ство ней­тро­нов в атоме можно найти по раз­но­сти между от­но­си­тель­ной атом­ной мас­сой и ко­ли­че­ством про­то­нов, т. е. по­ряд­ко­во­го но­ме­ра.

N(n⁰)            =          A_r                      -     Z

Ко­ли­че­ство    от­но­си­тель­ная   по­ряд­ко­вый

ней­тро­нов      атом­ная масса   номер эле­мен­та

На­при­мер, для изо­то­па хлора  ³⁵Cl ко­ли­че­ство ней­тро­нов равно: 35-17=18

Со­став­ны­ми ча­стя­ми пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы яв­ля­ют­ся груп­пы и пе­ри­о­ды.

Пе­ри­о­ди­че­ская си­сте­ма со­дер­жит во­семь групп эле­мен­тов. Каж­дая груп­па со­сто­ит их двух под­групп: глав­ной и по­боч­ной. Глав­ные обо­зна­че­ны бук­вой а, а по­боч­ные – бук­вой б. Глав­ная под­груп­па со­дер­жит боль­ше эле­мен­тов, чем по­боч­ная. В глав­ной под­груп­пе со­дер­жат­ся s- и p-эле­мен­ты, в по­боч­ной – d-эле­мен­ты.

3. Понятия о группах и периодах

Груп­па – стол­бец пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы, в ко­то­ром объ­еди­не­ны хи­ми­че­ские эле­мен­ты, об­ла­да­ю­щие хи­ми­че­ским сход­ством вслед­ствие сход­ных элек­трон­ных кон­фи­гу­ра­ций ва­лент­но­го слоя. Это ос­но­во­по­ла­га­ю­щий прин­цип по­стро­е­ния пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы. Рас­смот­рим это не при­ме­ре эле­мен­тов пер­вых двух групп.

Табл. 1

Из таб­ли­цы видно, что эле­мен­ты пер­вой груп­пы глав­ной под­груп­пы имеют один ва­лент­ный элек­трон. Эле­мен­ты вто­рой груп­пы глав­ной под­груп­пы имеют два ва­лент­ных элек­тро­на.

Неко­то­рые глав­ные подруп­пы имеют свои осо­бен­ные на­зва­ния:

Табл. 2

Стро­ка, на­зы­ва­е­мая пе­ри­о­дом, - это по­сле­до­ва­тель­ность эле­мен­тов, рас­по­ло­жен­ных в по­ряд­ке уве­ли­че­ния за­ря­дов их ядер, ко­то­рая на­чи­на­ет­ся с ще­лоч­но­го ме­тал­ла (или во­до­ро­да) и за­кан­чи­ва­ет­ся бла­го­род­ным газом.

Номер пе­ри­о­да равен ко­ли­че­ству элек­трон­ных уров­ней в атоме.

Су­ще­ству­ет два ос­нов­ных ва­ри­ан­та пред­став­ле­ния пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы: длин­но­пе­ри­од­ный, в ко­то­ром вы­де­ля­ют 18 групп (Рис. 3) и ко­рот­ко­пе­ри­од­ный, в ко­то­ром групп 8, но вво­дит­ся по­ня­тие глав­ной и по­боч­ной под­групп (Рис. 1).

Рис. 3

4. Электронные конфигурации валентного слоя некоторых атомов

Пе­ри­о­ди­че­ская по­вто­ря­е­мость стро­е­ния ва­лент­ных элек­тро­нов в атоме – это важ­ней­ший кри­те­рий, ко­то­рый объ­яс­ня­ет и пред­ска­зы­ва­ет свой­ства мно­гих эле­мен­тов. См. табл. 3.

Табл. 3

Элек­трон­ные кон­фи­гу­ра­ции ва­лент­но­го слоя ато­мов эле­мен­тов от лития до каль­ция
Эле­мент	Li	Be	B	C	N	O
Z	3	4	5	6	7	8
Элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция	2s1	2s2	2s22p1	2s22p2	2s22p3	2s22p4
Эле­мент	F	Ne	Na	Mg	Al	Si
Z	9	10	11	12	13	14
Элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция	2s22p5	2s22p6	3s1	3s2	3s23p1	3s23p2
Эле­мент	P	S	Cl	Ar	K	Ca
Z	15	16	17	18	19	20
Элек­трон­ная кон­фи­гу­ра­ция	3s23p3	3s23p4	3s23p5	3s23p6	4s1	4s2

У каж­дой груп­пы есть фор­му­ла выс­ше­го ок­си­да, т. е. ок­си­да с мак­си­маль­ной сте­пе­нью окис­ле­ния эле­мен­тов. Эта ин­фор­ма­ция на­пи­са­на внизу таб­ли­цы. На­при­мер, для эле­мен­тов V груп­пы фор­му­ла выс­ше­го ок­си­да – R₂O_5. Это N₂O₅, P₂O₅, As₂O_5, V₂O_5…. По со­ста­ву выс­ше­го ок­си­да эле­мен­та можно опре­де­лить его свой­ства. Ок­си­ды со­ста­ва R₂O_, RO ос­нов­ные. R₂O₃ - чаще всего ам­фо­тер­ные. Осталь­ные ок­си­ды – кис­лот­ные. Чем выше сте­пень окис­ле­ния эле­мен­та R_, чем ярче вы­ра­жен­ны­ми кис­лот­ны­ми свой­ства­ми об­ла­да­ет его оксид. Таким об­ра­зом, кис­лот­ность выс­ших ок­си­дов эле­мен­тов глав­ных под­групп уве­ли­чи­ва­ет­ся по пе­ри­о­ду слева на­пра­во.

В таб­ли­це от­ра­жен со­став ле­ту­чих во­до­род­ных со­еди­не­ний. Такие со­еди­не­ния об­ра­зу­ют эле­мен­ты IV-VII групп, при­чем толь­ко лег­ких.

Из­ме­не­ние атом­но­го ра­ди­у­са

В груп­пах: для эле­мен­тов глав­ных под­групп свер­ху вниз уве­ли­чи­ва­ет­ся число энер­ге­ти­че­ских уров­ней. Энер­ге­ти­че­ский уро­вень – это и есть рас­сто­я­ние, на ко­то­ром на­хо­дит­ся элек­трон от ядра. Зна­чит, по груп­пе вниз атом­ный ра­ди­ус уве­ли­чи­ва­ет­ся.

В пе­ри­о­дах: по пе­ри­о­ду номер энер­ге­ти­че­ско­го уров­ня, на ко­то­ром на­хо­дят­ся ва­лент­ные элек­тро­ны, оста­ет­ся неиз­мен­ным, но число ва­лент­ных элек­тро­нов уве­ли­чи­ва­ет­ся, а также рас­тет и заряд ядра. Зна­чит, элек­тро­ны элек­тро­ста­ти­че­ски силь­нее при­тя­ги­ва­ют­ся к ядру. По­это­му ра­ди­ус атома умень­ша­ет­ся.

Элек­тро­от­ри­ца­тель­ность

Элек­тро­от­ри­ца­тель­ность – это спо­соб­ность атома пе­ре­тя­ги­вать на себя элек­тро­ны связи.

Это ве­ли­чи­на, ко­то­рая от­ра­жа­ет «же­ла­ние» атома от­дать свои ва­лент­ные элек­тро­ны или при­нять чужие ва­лент­ные элек­тро­ны. Чем выше элек­тро­от­ри­ца­тель­ность, тем силь­нее атом хочет при­нять чужие ва­лент­ные элек­тро­ны. Су­ще­ству­ет несколь­ко ос­нов­ных шкал элек­тро­от­ри­ца­тель­но­сти. Элек­тро­от­ри­ца­тель­ность можно вы­ра­зить ко­ли­че­ствен­но и вы­стро­ить эле­мен­ты в ряд по ее воз­рас­та­нию. Наи­бо­лее часто ис­поль­зу­ют шкалу элек­тро­от­ри­ца­тель­но­стей, пред­ло­жен­ную аме­ри­кан­ским хи­ми­ком Л. По­лин­гом. Элек­тро­от­ри­ца­тель­ность (X) из­ме­ря­ет­ся в от­но­си­тель­ных ве­ли­чи­нах (таб­ли­ца 4).

Таб­ли­ца 4. Элек­тро­от­ри­ца­тель­но­сти (X) неко­то­рых эле­мен­тов. Дан­ные из спра­воч­ни­ка: CRS Handbook of Chemistry and Physics (из­да­ние 2007 года).

Элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу – это свой­ство ато­мов, свя­зан­ных хи­ми­че­ски­ми свя­зя­ми, т. е. на­хо­дя­щих­ся в со­ста­ве хи­ми­че­ских со­еди­не­ний. Со­еди­не­ния таких бла­го­род­ных эле­мен­тов, как гелий, неон и аргон до сих пор не по­лу­че­ны, по­это­му не опре­де­ле­на и ЭО этих эле­мен­тов. Од­на­ко в пол­ной таб­ли­це в при­ло­же­нии VII уже можно найти зна­че­ния для ксе­но­на (Xe), со­еди­не­ния ко­то­ро­го с фто­ром и кис­ло­ро­дом из­вест­ны с 60-х годов ХХ века.

Наи­боль­шей элек­тро­от­ри­ца­тель­но­стью об­ла­да­ют эле­мен­ты, на­хо­дя­щи­е­ся в пра­вом верх­нем углу Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы. Со­от­вет­ствен­но, наи­мень­шей – эле­мен­ты, на­хо­дя­щи­е­ся в ниж­нем левом углу. Ана­ло­гич­но ме­ня­ют­ся и ме­тал­ли­че­ские свой­ства про­стых ве­ществ, об­ра­зо­ван­ных дан­ны­ми эле­мен­та­ми. Ме­тал­лы легко от­да­ют свои ва­лент­ные элек­тро­ны, со­от­вет­ствен­но, они имеют низ­кую элек­тро­от­ри­ца­тель­ность. По­это­му ме­тал­лы на­хо­дят­ся в ниж­нем левом углу Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы, а ти­пич­ные неме­тал­лы – в пра­вом верх­нем.

5. Обобщение закономерностей изменения свойств в таблице

За­ко­но­мер­но­сти из­ме­не­ния пе­ри­о­ди­че­ских свойств при­ве­де­ны в табл. 5.

Табл. 5

Под­ве­де­ние итога

Вы узна­ли о стро­е­нии Пе­ри­о­ди­че­ской си­сте­мы эле­мен­тов Д. И. Мен­де­ле­е­ва, а также о за­ко­но­мер­но­стях из­ме­не­ния ос­нов­ных свойств хи­ми­че­ских эле­мен­тов по ней.