Реферат: Периодическая система элементов Менделеева
С позиций
теории строения атома легко объясняется возрастание металлических свойств
элементов в каждой группе с ростом заряда ядра атома. Сравнивая, например,
распределение электронов по уровням в атомах 9F (1s2 2s2 2р5) и 53J (1s2 2s2 2р6
3s2 3р6 3d10 4s2 4p6 4d10
5s2 5p5) можно отметить, что у них по 7 электронов на
внешнем уровне, что указывает на сходство свойств. Однако внешние электроны в
атоме йода находятся дальше от ядра и поэтому слабее удерживаются. По этой
причине атомы йода могут отдавать электроны или, иными словами, проявлять
металлические свойства, что нехарактерно для фтора.
Итак,
строение атомов обуславливает две закономерности:
а) изменение
свойств элементов по горизонтали — в периоде слева направо ослабляются
металлические и усиливаются неметаллические свойства;
б) изменение
свойств элементов по вертикали — в группе с ростом порядкового номера
усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические.
Таким
образом, по мере возрастания заряда ядра атомов химических элементов
периодически изменяется строение их электронных оболочек, что является причиной
периодического изменения их свойств.
2.
Изменение в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы
Формулировка
закона, данная Д.И. Менделеевым, не могла быть точной и полной с современной
точки зрения так как она соответствовала состоянию науки на тот период времени,
когда не было известно строение атома. Поэтому новые научные открытия вступили
с ней в противоречие. Так были открыты изотопы.
Изотопы
– разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие
одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа. Сумму чисел протонов и
нейтронов в ядре атома называют массовым числом обозначают буквой А.
Следовательно, химический элемент – это вид атомов, характеризующихся
одинаковым зарядом ядра, то есть содержащих одинаковое число протонов.
3. Строение
электронных оболочек атомов
Заполнение атомных
орбиталей электронами определяется правилом минимума энергии, принципом
Паули и правилом Хунда.
Электроны
заполняют атомные орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией. В этом
состоит правило минимума энергии. Последовательность в нарастании
энергии подуровней акова: 1s < 2s < 2p < 3s
< 3p < 4s ≤ 3d < 4p < 5s и
так далее …
Согласно
расчетам, электрон движется не по какой-то определенной траектории, а может
находиться в любой части околоядерного пространства-т.е. можно говорить лишь о
вероятности (возможности) его нахождения на определенном расстоянии от ядра.
Электроны
в атоме занимают самые энергетически выгодные атомные орбитали (орбитали с
минимальной энергией), образуя электронные облака определенной формы.
В случае s-орбитали
электронное облако сферическое:
В случае p-орбиталей
форма электронного облака гантелеобразная
Внутри атомных орбиталей
вероятность нахождения электронов велика; иными словами, имеется высокая
электронная плотность. Пространство вне объема орбиталей соответствует
малой электронной плотности.
В каждой атомной орбитали
может размещаться максимально два электрона (принцип Паули).
При наличии орбиталей с
одинаковой энергией (например, трех р-орбиталей одного подуровня) каждая
орбиталь заполняется вначале наполовину (и поэтому на р-подуровне
не может быть более трех неспаренных электронов), а затем уже полностью, с
образованием электронных пар (правило Хунда).
Для изображения
электронной конфигурации атома нужно распределить его электроны по подуровням
так, чтобы каждой атомной орбитали соответствовала одна квантовая ячейка, и в
соответствии с тремя указанными правилами заселения
Электронные конфигурации атомов
Электронные конфигурации
атомов записываются в виде полных и сокращенных электронных формул:
Из рассмотрения
электронных конфигураций атомов видно, что элементы VIIIА-группы (He, Ne, Ar и другие) имеют завершенные s- и p-
подуровни (s2p6). Такие конфигурации обладают повышенной
устойчивостью и обеспечивают химическую пассивность благородных
газов.
В атомах остальных
элементов внешние s- и p- подуровни - незавершенные,
например у хлора: 17Cl = [10Ne] 3s2 3p5.
Незавершенные подуровни и электроны на них называются также валентными,
поскольку именно они могут участвовать в образовании химических связей между
атомами.
f-Элементы. Открытие
новых элементов. Ядерные реакции.
Итак, с увеличением
атомного номера неизбежно наступает момент, когда у элементов начинают
заполняться f-орбитали. Это происходит после заполнения 6s-орбиталей - сразу
после элемента 56Ba с валентной оболочкой ...6s2.
Поскольку при заполнении
семи f-орбиталей образуется целых 14 элементов, то как в форме Периодической
таблицы f-элементы вынесены отдельными строчками внизу. В нижней части любой
таблицы одна строчка из f-элементов “лантаноидов” (по имени элемента лантана
La, открывающего ряд f-элементов) и строчка из f-элементов “актиноидов” (по
имени элемента актиния Ac). У лантаноидов постепенно заполняются 4f-орбитали, у
актиноидов – 5f-орбитали.
Клеточки с f-элементами в
Периодической таблице обычно окрашены в зеленый цвет. Для удобства не только в
короткой, но даже в длинной форме Периодической таблицы f-элементы вынесены за
ее пределы - иначе вся таблица еще сильнее "вытянулась" бы в ширину.
Итак, f-элементами являются
14 лантаноидов и 14 актиноидов.
У лантаноидов заполняются
"глубинные" 4f-орбитали третьего снаружи уровня. На внешнем
6s-подуровне все они имеют по 2 электрона (...6s2) и обладают очень
похожими химическими свойствами. Лантаноиды - активные металлы, все они
реагируют с водой с образованием элементарного водорода и гидроксида металла.
Их преимущественная степень окисления +3.
Из-за похожести
химических свойств многие лантаноиды долго не удавалось выделить в чистом виде.
Кроме того, в природных минералах они встречаются редко и в небольших
количествах. Отсюда еще одно общее название лантаноидов - редкоземельные
элементы.
Актиноиды меньше похожи
друг на друга по своим химическим свойствам. Их исследование очень затруднено
из-за неустойчивости (радиоактивности) атомов этих элементов. Кстати, у первого
члена ряда актиноидов - элемента актиния (89Ac) наблюдается
аналогичный “проскок” 5f1-электрона на 6d1! Это, как мы
уже знаем, связано с требованием минимизации энергии атома данного элемента
(хотя, повторим, здесь не все еще понятно), но никак не меняет общих
закономерностей Периодической таблицы.
Заполнение 5f-оболочек у
актиноидов заканчивается на элементе 103 (Lr, лоуренсий). Здесь в Периодической
таблице расположены элементы с уже очень "тяжелыми" и поэтому
неустойчивыми ядрами.
Последний из “тяжелых”
элементов, еще существующих в природе - это уран (92U). Уран
радиоактивен, то есть постепенно распадается с образованием ядер других
элементов. Однако скорость этого распада все же не так велика, чтобы весь уран
на Земле успел исчезнуть. Все элементы с более тяжелыми ядрами давно распались
и сегодня в минералах их найти невозможно. Такие элементы получают только
искусственным путем - синтезом их атомов из ядер более легких элементов с
помощью ядерных реакций.
Сначала атомы одного из
исходных элементов превращают в ионы - чтобы они приобрели заряд и могли быть
разогнаны до высоких скоростей на специальных сложных приборах - ускорителях.
Затем разогнанными на ускорителе ядрами бомбардируют мишень из атомов другого
элемента. При высоких энергиях ионных пучков на таких ионных ускорителях
удается добиться слияния двух ядер в новое ядро с зарядом, равным сумме зарядов
двух ядер.
Существуют три признанных
во всем мире исследовательских центра по синтезу тяжелых элементов: в Дубне
(Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все элементы, начиная с
93-го (нептуний) и до 109-го (майтнерий) были получены именно в этих
лабораториях.
Открытие новых элементов
сегодня - чрезвычайно сложный и долгий процесс. Атомы искусственных элементов
живут очень недолго - порядка секунд для элементов с Z = 101-103, а при
дальнейшем “утяжелении” ядер время жизни атомов катастрофически уменьшается. Из
миллиардов образующихся ядер нового элемента удается зафиксировать и распознать
лишь одно.
В качестве примера
рассмотрим сравнительно недавние работы по синтезу 110-го элемента (еще не
имеющего названия). Для синтеза ядер этого элемента в лаборатории Дармштадта на
мощном ионном ускорителе мишень из свинца-208 (изотопа свинца 82Pb с
массовым числом A = (Z + N) = 208) облучалась ядрами никеля-62 (изотопа никеля 28Ni
с массовым числом 62). Это приводило к образованию ядер 110-го элемента с
числом протонов (82 + 28) = 110 и с числом нейтронов - 159. Схематично ядерную
реакцию, использованную в Дармштадте, можно записать так:
82Pb + 28Ni ® 110Элемент (изотоп с
массовым числом 269).
В Дубне для синтеза
110-го элемента использовали мишень из плутония-244, которая облучалась ядрами
серы-34. Этот эксперимент проводился на ускорителе в Дубне совместно с
Ливерморской лабораторией (США), которая изготовила для эксперимента
плутониевую мишень высокого качества. Было зарегистрировано несколько атомов
110-го элемента с числом нейтронов 163. Ядерная реакция в этом случае выглядит
так:
94Pu + 16S ® 110Элемент (изотоп с
массовым числом 273).
Новый элемент не
считается открытым до тех пор, пока одна группа исследователей не получит
надежных результатов по исследованию его атомов и пока другая (независимая)
группа ученых не подтвердит эти результаты. Поэтому дальние клеточки
Периодической таблицы заполняются очень медленно.
Страницы: 1, 2, 3, 4 |