Периодическая система элементов

Ряды элементов, в пре­делах которых свойства изменяются последовательно, как, на­пример, ряд из восьми элементов от лития до неона или от на­трия до аргона, Менделеев назвал периодами. Если мы напишем эти два периода один под другим так, чтобы под литием нахо­дился натрий, а под неоном — аргон, то получим следующее рас­положение элементов:

Li Be В С N О F Ne Na Mg Al Si Р S ClAr

При таком расположении в вертикальные столбики попадают элементы, сходные по своим свойствам и обладающие одинаковой валентностью, например литий и натрий, бериллий и маг­ний и т. д.

Разделив все элементы на периоды и располагая один период под другим так, чтобы сходные по свойствам и типу образуемых соединений элементы приходились друг под другом, Менделеев составил таблицу, названную им периодической систе­мой элементов по группам и рядам. Эта таблица в современном ее виде, дополненная открытыми уже после Мен­делеева элементами. Она состоит из десяти горизонтальных рядов и девяти вертикальных столбцов или групп, в которых один под другим размещены сходные между собой элементы.

Обратим вначале внимание на расположение элементов в го­ризонтальных рядах. В первом ряду стоят только два элемента — водород в начале ряда и гелий в конце его. Эти два крайних эле­мента и составляют первый период, в котором как бы отсутствуют все промежуточные члены.

Второй и третий ряд

Второй и третий ряды состоят из рассмотренных уже нами элементов и образуют два периода по восьми элементов в каж­дом. Оба периода начинаются со щелочного металла и заканчи­ваются инертным газом. Все три периода называются малыми периодами.Четвертый ряд также начинается со щелочного металла калия.

Судя по тому, как изменялись свойства в двух предыдущих рядах, можно было бы ожидать, что и здесь они будут изменяться в той же последовательности и седьмым эле­ментом в ряду будет опять галоген, а восьмым — инертный газ. Однако этого не наблюдается. Вместо галогена на седьмом ме­сте находится марганец, имеющий очень мало общего с галоге­нами.

Это — металл, правда, переходного характера, образующий как основные, так и кислотные окислы, из которых высший Mn₂O₇ аналогичен окислу хлора Cl₂O₇. После марганца в том же ряду стоят еще три элемента — железо, кобальт и никель, очень сходные друг с другом, но не имеющие ничего общего с инертными газами. И только следующий, пятый ряд, начинающийся с меди, заканчивается, наконец, инертным газом криптоном. Шестой ряд снова начинается со щелочного металла руби­дия и т. д.

Таким образом, у элементов, следующих за аргоном, более или менее полное повторение свойств наблюдается только через 18 элементов, а не через восемь, как было во втором и третьем рядах. Эти 18 элементов образуют так называемый большой период, состоящий из двух рядов.

Один большой период составляют и следующие два ряда, шестой и седьмой. Этот период начинается щелочным металлом рубидием и заканчивается инертным газом ксеноном.

В восьмом ряду появляется новое осложнение. Здесь после лантана идут 14 элементов, называемых металлами ред­ких земель или лантанидами , которые встречаются в очень небольших количествах и чрезвычайно сходны с ланта­ном и между собой. Ввиду этого сходства, обусловленного осо­бенностью строения их атомов , лантаниды помещают теперь вне общей таблицы, отмечая лишь в клетке для лантана их положение в системе.

Так как следующий за ксеноном инертный газ радон нахо­дится только в конце девятого ряда, то восьмой и девятый ряды тоже образуют один большой период, охватывающий 32 элемента.

В больших периодах не все свойства элементов изменяются так последовательно, как во втором и третьем периодах. Здесь-наблюдается еще некоторая периодичность в изменении свойств внутри самих периодов.

Так, например, валентность вначале равномерно растет при переходе от одного элемента к другому, но затем, достигнув максимума в середине периода, сразу падает до единицы, после чего опять возрастает до семи к концу пе­риода. В связи с этим большие периоды разделены каждый на две части (два ряда), образующие как бы самостоятельные пе­риоды.

Десятый ряд содержит 15 элементов, из которых первый и по­следние девять получены лишь сравнительно недавно искусствен­ным путем. Последние девять элементов, а также предшествую­щие им уран, протактиний и торий, очень сходны по строению их атомов с актинием, поэтому их под названием актиниды помещают вне общей таблицы, подобно лантанидам.

Итак, десять горизонтальных рядов таблицы образуют три малых, три больших и один незаконченный период. Первый пе­риод начинается с водорода, остальные с одного из, щелоч­ных металлов. Каждый период заканчивается инертным газом.

В вертикальных столбцах таблицы, или в группах, распола­гаются элементы, обладающие сходными свойствами. Поэтому каждая вертикальная группа представляет собой как бы есте­ственное семейство элементов. Всего в таблице таких групп де­вять. Номера групп отмечены вверху римской цифрой. Внизу таблицы помещены типы высших солеобразующих окислов, ха­рактерных для каждой группы.

Валентность элементов

В первой группе находятся элементы, образующие окислы типа R₂O,во второй — типа RO, в третьей — типа R₂O₃ и т. д. Таким образом, наибольшая валентность элементов каждой группы в их кислородных соединениях, за немногими исключе­ниями, соответствует номеру группы.

Валентность по водороду также может характеризовать группу. Элементы первой, второй и третьей групп почти исклю­чительно металлы, которые или не образуют соединений с водо­родом, или образуют соединения, представляющие собой твердые вещества, разлагаемые водой. Металлоиды же, находящиеся в четвертой, пятой, шестой и седьмой группах, дают характерные газообразные водородные соединения, типы которых при­ведены внизу таблицы.

Мы видим, что в то время как валент­ность металлоидов по кислороду непрерывно возрастает, валент­ность по водороду, равная в четвертой группе четырем, наоборот, убывает, причем сумма обеих валентностей (по кислороду и во­дороду) остается равной восьми. Последнее обстоятельство дает возможность определить одну валентность по другой. Так, на­пример, помня, что азот трехвалентен по водороду (NH₃), мы находим, что наибольшая его валентность по кислороду равна пяти (8 — 3 = 5).

Сравнивая элементы, принадлежащие к одной и той же группе, нетрудно заметить, что, начиная с четвертого горизон­тального ряда, каждый элемент обнаруживает наибольшее сход­ство не с элементом, расположенным непосредственно под или над ним, а с элементами, отделенными от него одной клеткой.

На­пример, в седьмой группе бром не примыкает непосредственно к хлору и иоду, а отделен от каждого из них одним элементом; находящиеся в шестой группе сходные элементы — селен и тел­лур разделены молибденом, имеющим с ними мало общего; нахо­дящийся в первой группе калий обнаруживает большое сходство с рубидием, стоящим в шестом ряду, но мало похож на распо­ложенную непосредственно под ним медь, и т. д.

Это обстоятельство связано с тем, что с четвертого ряда начинаются большие периоды, состоящие каждый из двух рядов — четного и нечетного, расположенных один над другим. Поэтому в каждую группу попадает один элемент из первой половины периода (четный ряд) и один из второй (нечетный ряд).

Так как в пределах периода металлические свойства ослабевают в на­правлении слева направо, то понятно, что у элементов четных рядов они выражены, в общем, сильнее, чем у элементов нечет­ных рядов. Чтобы отметить такое различие между рядами, эле­менты четных рядов больших периодов сдвинуты в таблице не­сколько влево, а элементы нечетных рядов — вправо.

Таким образом, начиная с четвертого ряда каждую группу периодической системы, кроме восьмой и нулевой, можно раз­бить на две подгруппы: «четную», состоящую из элементов чет­ных рядов больших периодов, и «нечетную», образованную эле­ментами нечетных рядов. Что же касается элементов второго и третьего периодов, которые Менделеев назвал типическими, то в одних грушах они ближе примыкают по своим свойствам к элементам четных рядов, в других — к элементам нечетных рядов.

Поэтому типические элементы обычно объединяют со сходными с ними элементами четных или нечетных рядов в одну главнуюподгруппу, являющуюся более характерной для дан­ной группы; в таком случае другая подгруппа называется побочной. В связи с этим типические элементы первой и второй групп сдвинуты в таблице влево, а остальных групп — вправо.

Различие между главной и побочной подгруппами

Различие между главной и побочной подгруппами наиболее ярко проявляется в крайних группах таблицы (не считая восьмой и нулевой). Так, в первой группе главную подгруппу образуют элементы четных рядов больших периодов — калий, рубидий, цезий и франций, к которым примыкают и элементы второго и третьего рядов—литий и натрий.

Все они обладают резко выра­женными металлическими свойствами, энергично разлагают воду,, образуя сильные щелочи. Побочную подгруппу составляют медь, серебро и золото, обнаруживающие мало сходства с элементами главной подгруппы. Наоборот, в седьмой группе главную под­группу составляют металлоиды — фтор, хлор, бром и иод, в по­бочной же находятся элементы четных рядов — марганец, технеций и рений, у которых преобладают металлические свой­ства.

В главных подгруппах можно хорошо проследить, как с уве­личением атомного веса усиливаются металлические свойства элементов.

Восьмая группа элементов занимает особое положение в пе­риодической системе. Она содержит всего девять элементов, при­чем в одном горизонтальном ряду помещаются сразу три довольно сходных между собой элемента. Эти «триады» составляют переходы от конца одного горизонтального ряда к началу другого в каждом большом периоде. Элементы восьмой группы должны были бы иметь наибольшую валентность по кислороду, равную восьми. Однако до сих пор лишь для немногих из них по­лучены высшие окислы типа RO₄.

История создания таблицы Менделеевым

Первоначально таблица Менделеева содержала всего восемь групп, так как инертные газы аргон, гелий и др. в то время были еще неизвестны. Впоследствии, когда были открыты инертные газы, пришлось отвести для них новую группу.

Менделеев поме­стил их впереди первой группы и дал новой группе название нулевой,которое, кроме порядкового значения, указывает еще на особый химический характер группы: члены ее не всту­пают в соединения с другими элементами, т. е. обладают как бы нулевой валентностью. Однако в настоящее время по причине, о которой мы скажем позже, нулевую группу обычно помещают в таблице в последней графе справа.

Следует отметить, что еще в 1883 г. за 11 лет до открытия первого из инертных газов — аргона — русский революционер-ученый Н. А. Морозов, заключенный царским правительством за участие в революционном движении в Шлиссельбургскую кре­пость, предсказал существование инертных газов, вычислил теоретически их атомные веса и точно определил место инертных газов в периодической системе. Но об этом замечательном пред­видении Морозова стало известно только после его освобождения из крепости в 1905 г. и появления в печати его трудов, написанных в одиночном заключении.

При построении периодической системы Менделеев руковод­ствовался принципом расположения элементов по возрастающим атомным весам. Однако, как видно из таблицы, в трех случаях этот принцип оказался нарушенным.

Так, аргон (ат. вес 39,944) стоит впереди калия (ат. вес. 39,100), хотя его атомный вес больше, чем калия, кобальт (ат. вес 58,94) находится впереди никеля (ат. вес 58,71) и теллур (ат. вес 127,61) —впереди иода (ат. вес 126,91). Здесь Менделеев отступил от принятого им по­рядка, исходя из свойств этих элементов, требовавших именно такой последовательности их расположения. Таким образом, он не придавал решающего значения атомному весу и при уста­новлении места элемента в таблице руководствовался всей сово­купностью его индивидуальных свойств.

Позднейшие исследования показали, что произведенное Мен­делеевым размещение элементов в периодической системе является совершенно правильным и соответствует строению ато­мов.

Итак, в периодической системе свойства элементов, их атом­ные веса, валентность, химический характер и т. д. изменяются в известной последовательности как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Место элемента в таблице опреде­ляется, следовательно, его свойствами, и, наоборот, каждое место занимает элемент, обладающий совершенно определенной сово­купностью свойств. Поэтому, зная положение элемента в таб­лице, можно довольно точно указать его свойства.

Положим, например, что нам нужно определить свойства элемента, занимающего место в третьем горизонтальном ряду между магнием и кремнием.

Уже из того, что этот элемент на­ходится в третьей группе, следует, что он образует окисел типа R₂O₃, т. е. что этот элемент трехвалентен. Далее, так как слева от него во второй группе стоит типичный металл магний, а справа в четвертой группе — слабый металлоид кремний, то вероятнее всего описываемый элемент будет тоже металлом, но менее типичным, чем магний.

Это заключение подтверждается еще тем, что одним местом выше в той же группе стоит бор, обладающий очень слабо выраженными металлическими свой­ствами, а ниже — скандий, имеющий уже вполне ясные металлические свойства. Итак, исследуемый нами элемент — металл.

Следовательно, с водородом он или совсем не соединяется, или образует твердое соединение; окисел его, как окисел элемента, переходного от металла магния к металлоиду кремнию, должен иметь слабо выраженные основные свойства или быть амфотерным, т. е. образующим соли и с кислотами и со щелочами. Таковы действительно свойства элемента алюминия, занимающего выбранное нами место.

Атомный вес алюминия также легко может быть вычислен на основании его положения в таблице как среднее арифметиче­ское из атомных весов его соседей.

Следует заметить, что не только химические свойства элемен­тов, но и очень многие физические свойства простых веществ-изменяются периодически, если рассматривать их как функции атомного веса. Периодичность в изменении физических свойств-простых веществ особенно ярко выявляется при сопоставлении атомных объемов простых веществ, т. е. объемов, занимаемых грамматомами элементов в твердом или жидком состоянии.

Изображенная на рис. 2 кривая атомных объемов иллюстрирует ход изменения этих величин с возрастанием атомного веса. Выс­шие точки кривой заняты щелочными металлами, которые обла­дают наибольшими атомными объемами.

Так же периодически изменяются удельные веса, температуры плавления и кипения и другие физические константы простых веществ.

31 32 33

Статья на тему Периодическая система элементов