Металл la в таблице менделеева. История создания и развития
Металл la в таблице менделеева. История создания и развития
Многие известные именитые химики на рубеже XIX-XX веков уже давно заметили, что физические и химические свойства многих химических элементов очень похожи друг на друга. Так например Калий, Литий и Натрий – все являются активными металлами, которые при взаимодействии с водой образают активные гидроксиды этих металлов; Хлор, Фтор, Бром в своих соединениях с водородом проявляли одинаковую валентность равную I и все эти соединения являются сильными кислотами. Из этой похожести давно напрашивался вывод, что все известные химические элементы можно объединить в группы, причём так чтобы у элементов каждой группы был определённый набор физико-химических характеристик. Однако часто такие группы были неверно составлены из разных элементов различными учёными и долгое время многими игнорировалась одна из главных характеристик элементов – это их атомная масса. Игнорировалась она потому, что была и есть разная у различных элементов, а значит её не могли использовать в качестве параметра для объединения в группы. Исключение составил лишь франзуский химик Александр Эмиль Шанкуртуа, он попытался расположить все элементы в трёхмерной модели по винтовой линии, но его работа не была признана научным сообществом, а модель получилась громоздкая и неудобная.
В отличие от многих учёных, Д.И. Менделеев взял атомную массу (в те времена ещё “Атомный вес”) как ключевой параметр при классификации элементов. В своём варианте Дмитрий Иванович расположил элементы по возрастанию их атомных весов и вот тут обозначилась закономерность, что через определённые промежутки элементов их свойства периодически повторяются. Правда пришлось сделать и исключения: некоторые элементы были поменяны местами и не соответствовали возрастанию атомных масс (например, теллур и йод), но зато соответствовали свойствам элементов. Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения оправдало такие подвижки и показало справедливость этой расстановки. Подробнее об этом вы можете прочесть в статье “В чём открытие Менделеева”
Первый вариант таблицы был опубликован учёным в статье “Соотношение свойств с атомным весом элементов” в 1869 и вариант этот был далек от идеала и совсем не похож на современный.
Как мы можем видеть, расположение элементов в этом варианте совсем не такое, какое мы видим в совремнном виде. Во первых, группы и периоды поменяны местами: группы по горизонтали, периоды по вертикали, а во-вторых, самих групп в нём как-то многовато – девятнадцать, вместо принятых на сегодня восемнадцати.
Однако, спустя всего год, в 1870-м Менделеев сформировал новый вариант таблицы, который уже более узнаваем нами: подобные элементы выстроены по вертикали, образуя группы, а 6 периодов расположены по горизонтали. Особенно примечательно то, что и в первом и во втором варианте таблицы виднеются существенные достижения, коих не было у его предшественников: в таблице заботливо оставлены места под элементы которые, по мнению Менделеева, ещё предстояло открыть. Соответствующие вакантные места обозначены им знаком вопроса и вы можете видеть их на рисунке выше. В дальнейшем были действительно открыты соответствующие элементы: Галий, Германий, Скандий. Таким образом Дмитрий Иванович не только систематезировал элементы в группы и периоды, но и предсказал открытие новых, ещё не известных, элементов.
В дальнейшем, после разрешения многих актуальных загадок химии того времени – открытие новых элементов, выделение группы благородных газов совместно с участием Уильяма Рамзая, установления того факта, что Дидимий вовсе не является самостоятельным элементом, а является смесью двух других, – были опубликованы всё новые и новые варианты таблицы, подчас имеющих даже вовсе и не табличный вид. Но не будем приводить здесь их все, а приведём лишь конечный вариант, сформировавшийся ещё при жизни великого учёного.
Переход от атомных весов к заряду ядра.
К сожалению, Дмитрий Иванович не дожил до планетарной теории строения атома и не видел триумф опытов Резерфорда, хотя именно с его открытиями начинается новая эпоха в развитии периодического закона и всей периодической системы. Напомню что из опытов, проводимых Эрнестом Резерфордом, следовало, что атомы элементов состоят из положительно-заряженного атомного ядра и обращающихся вокруг ядра отрицательно-заряженных электронов. После определения зарядов атомных ядер всех, известных на тот момент, элементов, выяснилось, что в периодической системе они располагаются в соответствии с зарядом ядра. А периодический закон приобрёл новый смысл, теперь он стал звучать так:
“Свойства химических элементов, а также формы и свойства, образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов”
Теперь стало понятно, почему некоторые более лёгкие элементы были поставлены Менделеевым позади их более тяжёлых предшественников, – всё дело в том, что так они стоят по порядку зарядов их ядра. Например, теллур тяжелее йода, однако стоит в таблице раньше него, ибо заряд ядра его атома и количество электронов равняется 52, а у йода – 53. Можете посмотреть на таблицу и убедиться в этом сами.
После открытия строения атома и атомного ядра, периодическая система претерпевала ещё несколько изменений, пока, наконец, не достигла вида, уже знакомого нам со школы, короткопериодного варианта таблицы Менделеева.
В этой таблице нам знакомо уже всё: 7 периодов, 10 рядов, побочные и главные подгруппы. Также со временем открытия новых элементов и наполнения ими таблицы, пришлось вынести в отдельные ряды элементы подобные Актинию и Лантану, все они соответственно были названы Актиноидами и Лантаноидами. Эта версия системы просуществовала очень долго – в мировом научном сообществе практически до конца 80х, начала 90х, а в нашей стране и того дольше – до 10х годов нынешнего столетия.
Современный вариант таблицы Менделеева.
Однако, тот вариант, которые многие из нас проходили в школе на деле оказывается весьма запутанным, а путаница выражается в разделении подгрупп на главные и побочные и запоминание логики отображения свойств элементов становится достаточно сложным. Конечно, несмотря на это, многие по нему учились, становились докторами химических наук, но всё же в современности ему на смену пришёл новый вариант – длиннопериодный. Отмечу, что именно этот вариант является одобренным IUPAC (международным союзом теоретической и прикладной химии). Давайте взглянем на него.
На смену восьми группам пришли восемнадцать, среди которых нет уже никакого разделения на главные и побочные, а все группы продиктованы расположением электронов в атомной оболочке. Заодно избавились и от двухрядных и однорядных периодов, теперь все периоды содержат только один ряд. Чем же удобен такой вариант? Теперь периодичность свойств элементов просматривается более наглядно. Номер группы, по сути, обозначает количество электронов во внешнем уровне, в связи с чем все главные подгруппы старого варианта расположились в первой, второй и с тринадцатой по восемнадцатую группу, а все “бывшие побочные” группы разместились в середине таблицы. Тем самым теперь из таблицы хорошо видно, что если это первая группа – то это щелочные металлы и никаких вам меди или серебра, и видно, что все транзитные металлы хорошо демонстрируют схожесть их свойств в связи с заполнением d-подуровня, в меньшей степени влияющим на внешние свойства, также как и лантаноиды и актиноиды проявляют подобные свойства по причине разного лишь f-подуровня. Таким образом, вся таблица разбита на следующие блоки: s-блок, на котором заполняются s-электроны, d-блок, p-блок и f-блок, с заполнением d, p, и f-электронов соответственно.
К сожалению, в нашей стране этот вариант включился в школьные учебники лишь в последние 2-3 года, да и то не во все. И очень напрасно. С чем это связано? Ну во-первых, с застойными временами в лихие 90-е, когда в стране не было вообще никакого развития, не говоря уж о сфере образования, а именно в 90е годы мировое химическое сообщество перешло на этот вариант. Во-вторых, с лёгкой инертностью и тяжестью восприятия всего нового, ведь нашим преподавателям привычен именно старый, короткопериодный вариант таблицы, несмотря на то, что при изучении химии он гораздо сложнее и менее удобен.
Расширенный вариант периодической системы.
Но время не стоит на месте, наука и технологии тоже. Уже открыт 118 элемент периодической системы, а значит скоро придётся открывать следующий, восьмой, период таблицы. Кроме того, появится новый энергетический подуровень: g-подуровень. Элементы его составляющие придётся вынести вниз таблицы, подобно лантаноидам или актиноидам, либо расширить эту таблицу ещё в два раза, так что она перестанет помещаться на лист формата A4. Здесь я приведу лишь ссылку на википедию (см. Расширенная периодическая система) и не буду лишний раз повторять описание этого варианта. Кому станет интересно – сможет пройти по ссылке и ознакомиться.
В этом варианте ни f-элементы (лантаноиды и актиноиды) ни g-элементы (“элементы будущего” с №№ 121-128) не вынесены отдельно, а делают таблицу шире на 32 клетки. Также элемент Гелий помещён во вторую группу, так как он входит в s-блок.
В целом, же вряд ли будущие химики будут пользоваться этим вариантом, скорее всего на смену таблице Менделеева придёт одна из альтернатив, которые уже выдвигаются смелыми учёными: система Бенфея, “Химическая галактика” Стьюарта или иной вариант. Но это будет уже только после достижения второго острова стабильности химических элементов и, скорее всего, нужно будет больше для наглядности в ядерной физике, чем в химии, ну а нам пока хватит старой доброй периодической системы Дмитрия Ивановича.
История открытия таблицы Менделеева
Открытие Дмитрием Менделеевым периодической таблицы химических элементов в марте 1869 года стало настоящим прорывом в химии. Российскому ученому удалось систематизировать знания о химических элементах и представить их в виде таблицы, которую и сейчас обязательно изучают школьники на уроках химии. Периодическая таблица стала фундаментом для бурного развития этой сложной и интересной науки, а история ее открытия окутана легендами и мифами. Для всех увлекающихся наукой будет интересно узнать правду о том, как Менделеев открыл таблицу периодических элементов.
История таблицы Менделеева: как все начиналось
Попытки классифицировать и систематизировать известные химические элементы предпринимались задолго до Дмитрия Менделеева. Свои системы элементов предлагали такие известные ученые, как Деберейнер, Ньюлендс, Мейер и другие. Однако из-за нехватки данных о химических элементах и их правильных атомных массах предложенные системы были не совсем достоверными.
История открытия таблицы Менделеева начинается в 1869 году, когда российский ученый на заседании Русского химического общества рассказал своим коллегам о сделанном им открытии. В предложенной ученым таблице химические элементы располагались в зависимости от их свойств, обеспечивающихся величиной их молекулярной массы.
Интересной особенностью таблицы Менделеева было также наличие пустых клеток, которые в будущем были заполнены открытыми химическими элементами, предсказанными ученым (германий, галлий, скандий). После открытия периодической таблицы в нее много раз вносились добавления и поправки. Совместно с шотландским химиком Уильямом Рамзаем Менделеев добавил в таблицу группу инертных газов (нулевую группу).
В дальнейшем история периодической таблицы Менделеева была напрямую связана с открытиями в другой науке – физике. Работа над таблицей периодических элементов продолжается до сих пор, и современные ученые добавляют новые химические элементы по мере их открытия. Значение периодической системы Дмитрия Менделеева сложно переоценить, так как благодаря ей:
- Систематизировались знания о свойствах уже открытых химических элементов;
- Появилась возможность прогнозирования открытия новых химических элементов;
- Начали развиваться такие разделы физики, как физика атома и физика ядра;
Существует множество вариантов изображения химических элементов согласно периодическому закону, однако наиболее известный и распространенный вариант – это привычная для каждого таблица Менделеева.
Мифы и факты о создании периодической таблицы
Самым распространенным заблуждением в истории открытия таблицы Менделеева является то, что ученый увидел ее во сне. На самом деле сам Дмитрий Менделеев опроверг этот миф и заявил, что размышлял над периодическим законом на протяжении многих лет. Чтобы систематизировать химические элементы он выписывал каждый из них на отдельную карточку и многократно комбинировал их между собой, расставляя в ряды в зависимости от их схожих свойств.
Миф о «вещем» сне ученого можно объяснить тем, что Менделеев работал над систематизацией химических элементов сутками напролет, прерываясь на непродолжительный сон. Однако только упорный труд и природный талант ученого дал долгожданный результат и обеспечил Дмитрию Менделееву всемирную известность.
Многих учащихся в школе, а иногда и в университете, заставляютзаучивать или хотя бы примерно ориентироваться в таблице Менделеева. Для этого человек должен не только иметь хорошую память, но и логически мыслить, связывая элементы в отдельные группы и классы. Изучение таблицы легче всего дается тем людям, которые постоянно поддерживают мозг в тонусе, проходя тренинги на BrainApps.
Периодическая система – упорядоченное множество химических элементов, их естественная классификация, которая является графическим (табличным) выражением периодического закона химических элементов. Структура её, во многом сходная с современной, разработана Д. И. Менделеевым на основе периодического закона в 1869–1871 гг.
Прообразом периодической системы был «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», составленный Д. И. Менделеевым 1 марта 1869 г. На протяжении двух с половиной лет ученый непрерывно совершенствовал «Опыт системы», ввел представление о группах, рядах и периодах элементов. В результате структура периодической системы приобрела во многом современные очертания.
Важным для её эволюции стало понятие о месте элемента в системе, определяемом номерами группы и периода. Опираясь на это понятие, Менделеев пришел к выводу, что необходимо изменить атомные массы некоторых элементов: урана, индия, церия и его спутников. Это было первое практическое применение периодической системы. Менделеев также впервые предсказал существование и свойства нескольких неизвестных элементов. Ученый подробно описал важнейшие свойства экаалюминия (будущего галлия), экабора (скандия) и экасилиция (германия). Кроме того, он предсказал существование аналогов марганца (будущих технеция и рения), теллура (полония), иода (астата), цезия (франция), бария (радия), тантала (протактиния). Прогнозы ученого в отношении данных элементов носили общий характер, поскольку эти элементы располагались в малоизученных областях периодической системы.
Первые варианты периодической системы во многом представляли лишь эмпирическое обобщение. Ведь был неясен физический смысл периодического закона, отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных масс. В связи с этим оставались нерешенными многие проблемы. Есть ли границы периодической системы? Можно ли определить точное количество существующих элементов? Оставалась неясной структура шестого периода – каково точное количество редкоземельных элементов? Было неизвестно, существуют ли еще элементы между водородом и литием, какова структура первого периода. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории периодической системы перед ней не раз возникали серьезные трудности. Неожиданным было открытие в 1894–1898 гг. пяти инертных газов, которым, казалось, не находилось места в периодической системе. Эта трудность была устранена благодаря идее включить в структуру периодической системы самостоятельную нулевую группу. Массовое открытие радиоэлементов на стыке XIX и XX вв. (к 1910 г. их число составило около 40) привело к резкому противоречию между необходимостью их размещения в периодической системе и её сложившейся структурой. Для них было только 7 вакантных мест в шестом и седьмом периодах. Эта проблема была решена в результате установления правил сдвига и открытия изотопов.
Одна из главных причин невозможности объяснить физический смысл периодического закона и структуру периодической системы состояла в том, что было неизвестно, как устроен атом (см. Атом). Важнейшей вехой на пути развития периодической системы явилось создание атомной модели Э. Резерфордом (1911). На её основе голландский ученый А. Ван ден Брук (1913) высказал предположение, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома (Z). Это экспериментально подтвердил английский ученый Г. Мозли (1913). Периодический закон получил физическое обоснование: периодичность изменения свойств элементов стала рассматриваться в зависимости от Z – заряда ядра атома элемента, а не от атомной массы (см. Периодический закон химических элементов).
В результате структура периодической системы значительно упрочилась. Была определена нижняя граница системы. Это водород – элемент с минимальным Z = 1. Стало возможным точно оценить количество элементов между водородом и ураном. Были определены «пробелы» в периодической системе, соответствующие неизвестным элементам с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87. Однако оставались неясными вопросы о точном количестве редкоземельных элементов и, что особенно важно, не были вскрыты причины периодичности изменения свойств элементов в зависимости от Z.
Опираясь на сложившуюся структуру периодической системы и результаты изучения атомных спектров, датский ученый Н. Бор в 1918–1921 гг. развил представления о последовательности построения электронных оболочек и подоболочек в атомах. Ученый пришел к выводу, что сходные типы электронных конфигураций внешних оболочек атомов периодически повторяются. Таким образом, было показано, что периодичность изменения свойств химических элементов объясняется существованием периодичности в построении электронных оболочек и подоболочек атомов.
Периодическая система охватывает более 100 элементов. Из них все трансурановые элементы (Z = 93–110), а также элементы с Z = 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат), 87 (франций) получены искусственно. За всю историю существования периодической системы было предложено очень большое количество (>500) вариантов её графического изображения, преимущественно в виде таблиц, а также в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (спиралей и пр.) и т. д. Наибольшее распространение получили короткая, полудлинная, длинная и лестничная формы таблиц. В настоящее время предпочтение отдается короткой форме.
Фундаментальным принципом построения периодической системы является её подразделение на группы и периоды. Менделеевское понятие рядов элементов ныне не употребляется, поскольку лишено физического смысла. Группы, в свою очередь, подразделяются на главную (а) и побочную (Ь) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы – химические аналоги. Элементы a‑ и b‑подгрупп в большинстве групп также обнаруживают между собой определенное сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, равны номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, которая начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом (особый случай – первый период). Каждый период содержит строго определенное количество элементов. Периодическая система состоит из восьми групп и семи периодов, причем седьмой период пока не завершен.
Особенность первого периода заключается в том, что он содержит всего 2 газообразных в свободном виде элемента: водород и гелий. Место водорода в системе неоднозначно. Поскольку он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами, то его помещают либо в 1a‑, либо в Vlla‑подгруппу, либо в обе одновременно, заключая в одной из подгрупп символ в скобки. Гелий – первый представитель VIIIa‑подгруппы. Долгое время гелий и все инертные газы выделяли в самостоятельную нулевую группу. Это положение потребовало пересмотра после синтеза химических соединений криптона, ксенона и радона. В результате инертные газы и элементы бывшей VIII группы (железо, кобальт, никель и платиновые металлы) были объединены в рамках одной группы.
Второй период содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом литием, единственная степень окисления которого +1. Далее следует бериллий (металл, степень окисления +2). Бор проявляет уже слабо выраженный металлический характер и является неметаллом (степень окисления +3). Следующий за бором углерод – типичный неметалл, который проявляет степени окисления как +4, так и −4. Азот, кислород, фтор и неон – все неметаллы, причем у азота высшая степень окисления +5 соответствует номеру группы. Кислород и фтор относятся к самым активным неметаллам. Инертный газ неон завершает период.
Третий период (натрий – аргон) также содержит 8 элементов. Характер изменения их свойств во многом аналогичен тому, который наблюдался для элементов второго периода. Но здесь есть и своя специфика. Так, магний в отличие от бериллия более металличен, так же как и алюминий по сравнению с бором. Кремний, фосфор, сера, хлор, аргон – все это типичные неметаллы. И все они, кроме аргона, проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы.
Как видим, в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается отчетливое ослабление металлических и усиление неметаллических свойств элементов. Д. И. Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (по его словам, малых) типическими. Элементы малых периодов принадлежат к числу самых распространенных в природе. Углерод, азот и кислород (наряду с водородом) – органогены, т. е. основные элементы органической материи.
Все элементы первого – третьего периодов размещаются в a‑подгруппах.
Четвертый период (калий – криптон) содержит 18 элементов. По Менделееву, это первый большой период. После щелочного металла калия и щелочноземельного металла кальция следует ряд элементов, состоящий из 10 так называемых переходных металлов (скандий – цинк). Все они входят в b‑подгруппы. Большинство переходных металлов проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы, кроме железа, кобальта и никеля. Элементы, начиная с галлия и кончая криптоном, принадлежат к а-подгруппам. Для криптона известен ряд химических соединений.
Пятый период (рубидий – ксенон) по своему построению аналогичен четвертому. В нем также содержится вставка из 10 переходных металлов (иттрий – кадмий). У элементов этого периода есть свои особенности. В триаде рутений – родий – палладий для рутения известны соединения, где он проявляет степень окисления +8. Все элементы a‑подгрупп проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы. Особенности изменения свойств у элементов четвертого и пятого периодов по мере роста Z имеют по сравнению со вторым и третьим периодами более сложный характер.
Шестой период (цезий – радон) включает 32 элемента. В этом периоде кроме 10 переходных металлов (лантан, гафний – ртуть) содержится еще и совокупность из 14 лантаноидов – от церия до лютеция. Элементы от церия до лютеция химически очень похожи, и на этом основании их давно включают в семейство редкоземельных элементов. В короткой форме периодической системы ряд лантаноидов включают в клетку лантана и расшифровку этого ряда дают внизу таблицы (см. Лантаноиды).
В чем состоит специфика элементов шестого периода? В триаде осмий – иридий – платина для осмия известна степень окисления +8. Астат имеет достаточно выраженный металлический характер. Радон обладает наибольшей реакционной способностью из всех инертных газов. К сожалению, из‑за того, что он сильно радиоактивен, его химия мало изучена (см. Радиоактивные элементы).
Седьмой период начинается с франция. Подобно шестому, он также должен содержать 32 элемента, но из них пока известны 24. Франций и радий соответственно являются элементами Ia‑ и IIa‑подгрупп, актиний принадлежит к IIIb‑подгруппе. Далее следует семейство актиноидов, которое включает элементы от тория до лоуренсия и размещается аналогично лантаноидам. Расшифровка этого ряда элементов также дается внизу таблицы.
Теперь посмотрим, как изменяются свойства химических элементов в подгруппах периодической системы. Основная закономерность этого изменения заключается в усилении металлического характера элементов по мере роста Z. Особенно отчетливо эта закономерность проявляется в IIIa–VIIa‑подгруппах. Для металлов Ia–IIIa‑подгрупп наблюдается рост химической активности. У элементов IVa–VIIa‑подгрупп по мере увеличения Z наблюдается ослабление химической активности элементов. У элементов b‑подгрупп характер изменения химической активности более сложен.
Теория периодической системы была разработана Н. Бором и другими учеными в 20‑х гг. XX в. и основана на реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов (см. Атом). Согласно этой теории, по мере роста Z заполнение электронных оболочек и подоболочек в атомах элементов, входящих в периоды периодической системы, происходит в следующей последовательности:
Источники:
http://xn—-7sbbaecnhbaa5b5ahdr7gqd.xn--p1ai/%D1%82%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0-%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B5%D0%B2%D0%B0/%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%B8-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B8%D1%8F
http://www.interesnyekartinki.ru/metall-la-v-tablice-mendeleeva-istoriya-sozdaniya-i-razvitiya.html
Загрузка...
