Періодична система елементів і історія її створення

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ

Санкт-Петербурзький державний

УНІВЕРСИТЕТ СЕРВІСУ І ЕКОНОМІКИ

РЕФЕРАТ

Дисципліна: Природознавство.

Тема: Періодична система елементів і історія її створення.

Бологоє. 2007 р

зміст

Вступ

Історія відкриття періодичного закону і періодичної системи Принципи побудови періодичної системи

Опис періодичної системи

висновок

Список використаної літератури

додаток

Вступ

У своєму рефераті я вирішила розповісти про Періодичний закон і періодичної системи Д.І. Менделєєва. Чому я вибрала саме цю тему?

На мій погляд, дана тема вельми цікава, до того ж в школі я дуже любила хімію, і, можливо, саме це і послужило основним моментом при виборі теми для реферату.

Що ж таке Періодична система, і яка її практична і наукова значимість?

Періодична система елементів Д.І. Менделєєва - природна система хімічних елементів, створена Д.І. Менделєєвим на основі відкритого ним періодичного закону в 1869 р Менделєєв вперше сформулював сутність періодичного закону. А в 1871 році запропонував більш розгорнуту його формулювання:

Фізичні та хімічні властивості елементів, які проявляються у властивостях простих і складних тіл, ними утворених, стоять у періодичній залежності.

Сучасна, більш точна і глибока формулювання періодичного закону відображає періодичну залежність властивостей елементів від числа електронів в атомі, який визначається зарядом атомного ядра; це число дорівнює порядковому (атомному) номеру елемента в системі Менделєєва. Оскільки, однак, атомні ваги елементів, як правило, зростають в тій же послідовності, що і заряди атомних ядер, сучасна табличная форма періодичної системи принципово збігається з менделєєвської. Періодична система відображає об'єктивно існуючий взаємозв'язок між хімічними елементами. Тому вона і була названа Менделєєвим «природною» системою елементів.

Періодичний закон не має рівних в історії науки. Замість розрізнених, не пов'язаних між собою речовин перед наукою постала єдина струнка система, що об'єднала в одне ціле всі хімічні елементи.

Менделєєв вказав шлях спрямованого пошуку в хімії майбутнього. Багато вчених грунтувалися на Періодичний закон, передбачаючи і описуючи невідомі хімічні елементи і їх властивості.

Закон Менделєєва зробив величезний вплив на розвиток знань про будову атома, про природу речовин.

періодичний закон менделєєв

Історія відкриття періодичного закону і періодичної системи

Перші спроби класифікації елементів відносяться до кінця 18-початку 19 ст. Особливо ж багатий роботами в цій області 19 століття, що пов'язано з відкриттям і дослідженням багатьох нових елементів. Спочатку класифікацію засновували лише на різко виражених фізичних чи хімічних властивостях. Так, в кінці 18-початку 19 ст. виникло поділ елементів на метали і неметали (А. Лавуазьє, Я. Берцеліус). На початку 19 ст. з розвитком ідей хімічної атомістики і методів хімічного аналізу, з'явилися перші спроби систематизації елементів по їх атомним вагам, визнаним основною кількісною характеристикою елемента.

У 1864 р Лотар Мейєр виклав у монографії «Сучасні теорії хімії та їх значення для хімічної статистики» були літературні дані з питання про співвідношення атомних ваг родинних елементів і привів таблицю, де показав такі співвідношення для декількох характерних груп. Будь-яких теоретичних узагальнень з своєї таблиці Мейєр не вивів. Таким чином, ні в одній з робіт по класифікації хімічних елементів, що передували працям Менделєєва, що не був виявлений взаємозв'язок всіх хімічних елементів. Разом з тим роботи попередників підготували грунт для відкриття Менделєєва. Важливою подією, які підготували це відкриття, був міжнародний хімічний з'їзд в м Карлеруе (1860), де були розмежовані поняття «атомна вага» і «хімічний еквівалент», до цих пір нерідко змішуються. Це дозволило створити єдину систему атомних ваг, і розгляд співвідношень між атомними вагами елементів отримало міцну основу.

Менделєєв відкрив періодичний закон в 1869 р Це відкриття було підготовлено і попередньої 15-річної наукової діяльністю самого Менделєєва, який знайшов окремі важливі співвідношення у властивостях елементів; безпосереднім же приводом до пошуків послужило складання систематичного курсу хімії, названого згодом «Основи хімії». Як і його попередники, Менделєєв в якості основної характеристики, однозначно визначає хімічний елемент, вибрав атомний вагу. Але, на відміну від них. Менделєєв керувався твердою впевненістю в існуванні загального закону природи, що визначає властивості і відмінності між усіма елементами. І шукав закономірності в зміні атомних терезів не тільки у хімічно схожих елементів, всередині однієї природної групи, але і між несхожими елементами. Зіставивши такі вкрай протилежні в хімічному відношенні, але близькі по атомним вагам їх членів групи, як лужні метали і галогени, і написавши перші під другими, Менделєєв розташував під і над ними і інші групи подібних елементів в порядку зміни атомної ваги. Виявилося. Що члени цих природних груп утворюють загальний закономірний ряд, причому хімічні властивості елементів періодично повторюються.

При розміщенні елементів у періодичній системі Менделєєв керувався не тільки правилом поступового зростання атомної ваги. Але і принципом періодичності хімічних властивостей; серед останніх в якості безпосереднього і основного критерію він вибрав форми кисневих і водневих сполук елементів, що відповідають їх вищої валентності. Дотримання правил періодичності дозволило Менделєєву в декількох місцях системи правильно розташувати елементи не в порядку зростання атомної ваги, а з порушенням цього порядку, як вимагали хімічні аналогії (Co-Ni, Te-J), а для деяких елементів змінити загальноприйняті в той час атомні ваги навіть в 1,5-2 рази (Be, In, Ce, U і ін.). Одночасно Менделєєв передбачив багато невідомих тоді елементи, для яких в періодичній системі виявилися незаповнені місця, а для трьох з них - так зв. екаалюмінієм, екабор і екасіцілія, докладно описав очікувані властивості. Незабаром ці елементи були відкриті: аналог алюмінію - галій, Лекок де Буабодраном в 1875, аналог бору - скандій, Л. Нильсоном в 1879; аналог кремнію - германій, А. Вінклер в 1886. Вражаючий збіг їх властивостей з передбаченнями Менделєєва привернуло увагу вчених усього світу; періодичний закон отримав загальне визнання і ліг в основу всього подальшого розвитку хімії. Над уточненням і розвитком своєї системи Менделєєв працював ок.40 років. Але особливо великих успіхів досягла система Менделєєва після його смерті, з відкриттям самої причини періодичності, укладеної в складному будову атомів.

Принципи побудови періодичної системи

Кожен електрон в атомі, відповідно до квантовою механікою, характеризується чотирма квантовими числами: головним квантовим числом n, що приймає значення n = 1,2,3,4 ..., азимутним l, які приймають значення l = 0,1,2 ..., n- 1, магнітним m, мають (2l + 1) значень, і спінові ms, які приймають значення 1/2 і -1/2. Стан з l = 0,1,2,3,4 ... прийнято позначати буквами s, p, d, j, g - і відповідно називати s-, p-, d-, j-, g- ... станами. Електрони з даними n утворюють електронний шар, який складається з n оболонок з l = 0,1,2 ... n-1 і містить 2n в квадраті електронів. Звідси отримуємо такий розподіл електронів по верствам і оболонок.

Таблиця 1. Розподіл електронів по верствам і оболонок.

Звідси видно, що максимально можливе число електронів в першому шарі (n = 1) дорівнює 2 (1s-стану); у другому шарі - 8 (2s- і 2p-стану); в третьому і в четвертому шарах - відповідно 18 і 32 електрона. Тим самим встановлюється зв'язок між шаруватим розташуванням електронів в атомі і періодичної системою: періоди таблиці Менделєєва містять 2, 8, 18 і 32 елемента. Залишається з'ясувати, чому в таблиці Менделєєва зустрічаються по два рази періоди з 8 і 18 елементів. Це пояснюється тим, що в таблиці 1 вказано можливе максимальне число електронів в різних шарах, в дійсності ж електрони в атомах розташовуються в тих станах (з числа можливих), які відповідають найменшої енергії. Енергія електрона на орбіті тим вище, чим більше n, а при даному n тим вище, чим більше l. Тому послідовність енергетичних рівнів окремих станів електрона не завжди збігається з послідовністю головних квантових чисел n.

У табл.2 (див. Додаток) представлена ​​схема заповнення електронних оболонок послідовно для всіх елементів періодичної системи по окремим періодам. Перший період містить лише два елементи, що відповідає максимальному числу електронів в 1s-стані першого шару. Починаючи з Li йде поступове заповнення другого шару аж до Ne (Z = 10). З одинадцятого електрона Na починається заповнення третього шару - третього періоду системи Менделєєва. В елементах, що настають за Na, йде послідовне заповнення електронами станів 3s і 3p третього шару. У Ar вісім електронів складають симетричну групу і обумовлюють подібність його фізико-хімічних властивостей з неоном. Цим завершується третій період, що містить, як і другий, 8 елементів. 19-й елемент До починає новий, четвертий, шар і четвертий період таблиці. Однак число вільних місць третього шару далеко не вичерпано. Після Ar залишаються ще вільними 10 місць 3d-стану. Тут вперше послідовний порядок заповнення порушується через енергетичних міркувань. Стан 4s виявляється енергетично більш вигідним, ніж стан 3d. Але починаючи з Sc і аж до Ni знову стає енергетично більш вигідним заповнення стану 3d. Всі місця цього стану у Ni виявляються заповненими і з Cu починається нормальне заповнення стану 4s четвертого шару. Ця обставина обумовлює деяку схожість міді з лужними металами. Kr з вісьмома електронами в цьому шарі, що закінчує четвертий період, виявляється подібним з Ne і Ar. З наступного за Kr 37-го елемента Rbначінается забудова п'ятого шару, хоча в четвертому шарі ще залишаються 24 вільних місця - 10 місць в стані 4d і 14 місць в стані 4f. Тут, як і у К, стан 5s виявляється енергетично більш вигідним. Добудова четвертого шару відновлюється з Y, починаючи з якого йде заповнення 4d-оболонки. Стану 4f залишаються незаповненими аж до 58-го елемента. Лише з Се вони починають заповнюватися. Забудова 4f-стану охоплює 14 елементів, що утворюють своєрідну групу лантанидов, дуже схожих між собою за своїми фізико-хімічними властивостями. Така ж група елементів з добудовувати 5f-станами, звана актинидов, починається з Th (Z = 90).

Таким чином, кожен період (крім першого) починається зі лужного металу з одним валентним електроном і закінчується інертним газом з вісьмома валентними електронами, що утворюють замкнену оболонку.Другий і третій періоди, де нормально забудовуються s- і p-стани, містять відповідно до цього по 8 елементів. Періоди ж четвертий і п'ятий, в які вклинюються групи елементів з добудовувати d-станами, містять по 18 елементів. Нарешті, останній повний період - шостий - містить 32 елемента, тому що в ньому з'являється нова група з 14 елементів з добудовувати 4j-станами. Тим самим вся складна періодичність, відкрита Менделєєвим, повністю пояснюється розташуванням електронів по групах, що характеризується певними квантовими числами.

Цікаво відзначити, що 72-й елемент в той час, коли Н.Бор будував табл.2, не було відкрито. Було неясно, скільки повинно бути лантанидов. Вважаючи, що число їх одно п'ятнадцяти, 72-й елемент шукали серед мінералів, що містять рідкісні землі. Оскільки число 4f-електронів дорівнює 14, то цей елемент повинен мати близьку до Zr зовнішню електронну оболонку. Тому Бор запропонував шукати 72-й елемент в цирконієвих рудах. Цей елемент, наз. гафнію, до торжества теорії Бора, і був виявлений в цирконієвих рудах.

Що ж стосується аналогів лантанидов - актинидов, у яких заповнюються запропонував шукати 72-й елемент в цирконієвих рудах. Цей елемент, наз.гафніем, до торжества теорії Бора, і був виявлений в цирконієвих рудах.

Що ж стосується аналогів лантанидов - актинидов, у яких заповнюються 5f-стану, то тут слід мати на увазі, що 6d- і 5f-стану енергетично дуже близькі, що обумовлює легкість переходів електронів між ними і призводить до великих труднощів при встановленні істинного розташування електронів по цих станів.

З моменту відкриття системи Менделєєва було опубліковано кілька сот різних варіантів її зображення на площині і в просторі. Найбільш споживані коротка таблиця, один з можливих варіантів якої поміщений в Додатку.

Опис періодичної системи

У таблиці поміщені символи елементів, прийняті в 1961 р Міжнародним з'їздом Союзу чистої і прикладної хімії. Для ряду елементів в літературі вживаються різні назви; наприклад, 86-й елемент зв. радоном (Rn), або еманацією (Еm), 71-й елемент - Лютецією (Lu), або Кассіопеї (Ср).

Атомні ваги дані в таблиці міжнародних атомних ваг на 1962 року в вуглецевої шкалою (за одиницю прийнята 1/12 маси ізотопу вуглецю С в 22 ступені). Для радіоактивних елементів, які не мають стабільних і довгоіснуючих радіоактивних ізотопів, поняття атомної ваги втрачає сенс. Тому для таких елементів наведено масове число найбільш довгоживучих ізотопу.

Для кожного елемента наведена конфігурація зовнішніх електронних оболонок. Номери електронних шарів, до яких належать оболонки, дані в першій колонці зліва від таблиці. Наприклад, для Вr (Z = 35) конфігурація зовнішніх оболонок s2р5 означає наявність 2 електронів в 4 s-оболонці і 5 електронів в 4р-оболонці, тобто 4 s24р5; в атомі Вr, крім зовнішніх оболонок, заповнені і внутрішні; повна електронна конфігурація атома 1s2 2s2 2р6 3s2 3р6 3d10 4 s2 4р5.

Таблиця складається з 7 горизонтальних періодів, в кожному з яких починається заповнення нового електронного шару. У 1-й колонці наведені номери періодів n, що збігаються з величиною головного квантового числа електронного шару, найбільш віддаленого від атомного ядра. Як видно з першої таблиці, в 1-му періоді забудовується 1s-оболонка; період містить 2 елементи. У 2-му і 3-му періодах, що містять по 8 елементів, спочатку забудовуються s-, а потім р-оболонки. 4-й і 5-й періоди складаються кожен з 18 елементів, у яких забудовуються спочатку відповідні s-оболонки (4 s і 5s), потім d-оболонки попередніх шарів (3d і 4d) і, нарешті, р-оболонки (4р і 5р). Елементи, у яких відбувається забудова d-оболонок, наз. перехідними. У 6-му періоді, що містить 32 елемента, після заповнення 6s-оболонки у Сs і Ва починає розбудовуватися 5d-оболонка у Lа, але у наступних 14 елементів - лантанидов (Се- Lu) відбувається забудова глибшої 4f-оболонки і тільки після її заповнення добудовуються 5d- і 6р-оболонки (НF - Нg і Тl - Rn). У 7-му періоді заповнення оболонок відбувається аналогічно заповненню в 6-му періоді; послідовно забудовуються 7s-оболонка, потім заміщається 1-е місце в 6d-оболонці, після чого відбувається заповнення 5f-оболонки у 14 актинидов. У наступних, ще невідомих елементів (їх порядкові номери надруковані в дужках), має відбуватися заповнення 6d-оболонки (елементи з п.н. від 104 до 112) і 7р-оболонки (113-118).

Елементи в періодичній системі поділяються на 8 вертикальних груп (позначені римськими цифрами). У короткій формі таблиці групи складаються з підгруп - а (основна) і б (побічна). У елементів 1а підгрупи (лужних металів) кожен раз починається утворення нової електронної оболонки, а у елементів 8а підгрупи (інертних газів) вона закінчується. Перший по порядку перехідний елемент - скандій, вперше починає формування підгрупи б (в 3 гр. Зрушать вправо). Таким чином, у елементів головних підгруп забудовуються s- і р-оболонки, у елементів побічних підгруп - d- і f-оболонки.

Лантаніди і актинідії, що належать до 3 гр. системи, поміщені для компактності внизу таблиці, хоча правильніше було б мати у своєму розпорядженні всі елементи періодичної системи один за одним, у міру зростання Z. У відповідних місцях таблиці, після Lа і Ас, дійсний стан лантанидов і актинидов позначено їх порядковими номерами в двох квадратах (58 -71 і 90-103).

Як видно з таблиці, номер групи періодичної системи збігається із загальним числом зовнішніх s- і р-електронів у елементів головної підгрупи, тобто з максимальним числом їх валентних електронів. У побічних підгрупах ця правильність має ряд винятків. Проте можна в загальному сказати, що номер групи в періодичній системі збігається із загальним числом валентних електронів у атомів елементів, розташованих в цій групі. Підтверджується таким чином і загальне визначення груп, дане Менделєєвим: номер групи дорівнює максимальної валентності елемента по кисню.

Періодична система була опублікована Менделєєвим в 2 формах - короткою, в якій елементи великих періодів підрозділяються на два ряди, і довгою, де елементи великих періодів розташовуються в один безперервний ряд. Сам Менделєєв користувався головним чином короткою системою. У довгій формі періодичної системи кожен елемент з аналогічною електронною структурою поміщений в окремій групі, тому довга форма таблиці більш строго відповідає електронної структурі і хімічним аналогам.

висновок

Періодична система Д.І. Менделєєва, або таблиця Менделєєва, прикрашає кожен кабінет хімії в школі, лабораторії в вузі або технікумі. Сторінка з нею є в кожному підручнику або довіднику з фізики або хімії.

Відкриття Д.І. Менделєєва, зроблене в 1869 р, має величезне значення для пізнання і розвитку світу, в якому ми живемо. Менделєєв залишив нам величезну наукову спадщину в різних областях людських знань таких, як фізика, хімія, хімічна технологія, повітроплавання, метеорологія та ін.

Менделєєву вдалося внести систему в хімічний світ елементів. Він перетворив уривчасті спостереження і досліди над речовиною в строгу і струнку науку. Можна сказати, що він вперше побудував науку хімію.

Періодична система елементів - головне творіння генія.

У своєму рефераті я лише коротко розповіла про це велике відкриття, вивчила будову і історію створення Періодичної системи. На мій погляд, розгляд даного питання дуже цікаво, і в свій вільний час я обов'язково ще повернуся до теми.

Список використаної літератури:

1. Коротка хімічна енциклопедія, Москва, 1964 року

2. Концепції сучасного природознавства. Самигін А.Д. , Ростов-на-Дону, 2007 р

3. Я пізнаю світ. Під ред. Савіна Л.А., Москва, 1996 г.

4. Підручник з хімії. 8 кл., Москва, 1998 г.