Меню

Периодический закон Д И Менделеева Квантовые законы

Какой гений всё-таки был Менделеев! Айфон рядом не стоял

Периодическая таблица, таблица Менделеева — кто не помнит её по школьным урокам химии и физики?

Между тем периодическая таблица Менделеева, по мнению множества видных ученых прошлого и современности, стала определяющей вехой не только в химии, но и во всей современной фундаментальной науки и её прямого выражения — техники, которая нас окружает.

Кто вообще такой Менделеев?

“Трёхногий” портрет отца мировой химии

Удивительно, что именно Менделеев стал родоначальником Периодического закона, ставшего основой периодической системы химических элементов.

Ставший 17-м ребенком директора Тобольской гимназии, он не проявлял призвания к какой-либо науке вплоть до старших курсов гимназии, однажды оставшись на второй год. Со временем ему удалось подтянуться и закончить Главный педагогический институт Петербурга с золотой медалью.

Став учителем в Одессе, он проявлял множество странных, нехарактерных для интеллигента того времени привычек и увлечений. Одним из них было увлечение кожевенным делом и шитьё: Менделеев самостоятельно переплетал книги, делал чемоданы и шил одежду для себя самого.

Пороховые заводы Менделеева

В числе других его увлечений оказалось воздухоплавание, экономика и футурология. Попутно он создал основы современной метрологии, разработал первый ледокол. Занятие естественными науками приводило ученого то к созданию русского бездымного пороха, то к попытке разработки собственной теории эфира для объяснения свойств капиллярных сосудов.

Однако водка, несмотря на устоявшееся мнение, никак не связана с именем Менделеева. Водка родилась задолго до защиты диссертации «О соединении спирта с водой», посвященной на самом деле теории растворов (указал о необходимости учитывать химизм раствора), а не русскому национальному напитку.

Менделеева совершил первый метеорологический полет в России

Но все же главное его открытие — Периодический закон: сегодня его относят к одному из фундаментальных законов мироздания, поскольку она до сих по является аксиоматической, абсолютной.

Это противоречит самим законам науки. Однако, правота Менделеева подтверждается раз за разом. И многое мы видим прямо за экраном своего монитора.

Откуда появилась великая таблица Мендлеева?

Памятники Менделееву существуют во всех странах мира

К моменту появления периодической таблицы в 1869 году было открыто 63 химических элемента. Все они представлялись в виде хаотического набора, хотя попытки какого-то упорядочения совершались регулярно.

Первой известной публикацией на этот счет стал «закон триад» (1829 год) Иоганна Дёберейнера, однако он дальше понимания связи атомной массы и химических свойств элементов не продвинулся.

Позднее Александр Эмиль Шанкуртуа создал «Теллуров винт» (1862), разместив элементы на винтовой линии. Ему удалось увидеть частое циклическое повторение химических свойств по вертикали.

Самой правдоподобной стала система Юлиуса Лотара Мейера (1864), который смог составить таблицу, упорядочив элементы по свойствам и весам. Увы, он взял за основу периодичности свойств валентность, что оказалось ошибкой.

Главный конкурент, который подсказал идею: Лотар Мейер

Менделеев, по собственным словам, занимался проблемой систематизации химических элементов на протяжении 20 лет (а не спонтанно во время сна, вопреки устоявшемуся мнению), перекладывая карточки с названием и свойствами элементов в поиске нужной комбинации.

И в 1869 ему удалось найти ответ, опубликованный в статье журнала Русского химического общества «Соотношение свойств с атомным весом элементов».

Сегодня существует несколько сотен вариантов изображения его периодической системы: в виде кривых, таблиц и даже других геометрических фигур.

Периодическая таблица Мейера довольно скудна

Чуть позже идею подхватил Мейер, опубликовав собственную работу с аналогичным результатом. Знал ли он о достижении Менделеева? Незивестно. К тому же он смог организовать лишь 28 элементов

Однако, из-за него в Европе и США Периодическая таблица Менделеева не имеет в названии имени собственного.

Тем не менее, мировое сообщество ученых трижды выдвигало Менделеева лауреатом Нобелевской премии. Увы, ему не удалось стать членом Российской академии наук, а её члены раз за разом отвергали кандидатуру.

Таблица Менделеева важна, но Периодический закон – ещё важнее

Менделеев смог открыть один из всеобъемлющих законов

Как ни странно, важнейшее открытие Менделеева обычно остается за кадром – Периодический закон:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.

Современная формулировка практически ничего не меняет, лишь дополняя исходный текст:

Свойства простых веществ, а также свойства и формы соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера).

Периодическая система стала графическим выражением Периодического закона, который устанавливает зависимость свойств элементов от их атомного веса (атомной массы или атомного числа — числа протонов в атоме).

Современный вид таблицы Менделеева

Размещение элементов в таблице удовлетворяет одновременно 2 условиям: они

▪️ организованы веса атомов, ▪️ химические и физические свойства каждого элемента сходны с предыдущим.

Закон справедлив для всех существующих и гипотетических элементов, исключая самых первых — они просто не имеют ничего перед собой (хотя многие пытаются разместить там гипотетический «эфир», ссылаясь на самого Менделеева, хотя он таких попыток не делал).

Интересно, что в первой версии было лишь 60 элементов таблицы. Сегодня их 118, а конечно число… Теоретически оно могло бы быть бесконечным, если бы не квантовая физика, но об этом чуть позже.

Почему в таблице Мендлеева были пустые клетки?

Памятник Менделееву в Тобольске пора пополнять новыми элементами

Значимость теории Менделеева, спустя некоторое время ставшей аксиомой современной науки, проявилась довольно быстро. Дело в том, что до него элементы упорядочивали в сплошную линию.

Но уже первая версия таблицы Менделеева оставляла пустыми несколько клеток под новые элементы: пустые места должны были занять так называемые эка-элементы, похожие на соседей. Менделееву даже удалось с поразительной точностью предсказать целый ряд их физических и химических свойств.

Соответствующие экабор, экаалюминий, экасилиций, экамарганец были получены экспериментально, получив уже в наше время собственные имена скандий, галлий, германий, технеций. Практика эка-элементов сохраняется и по сей день.

Для известных в середине XIX века бериллия, индия, урана, тория, церия, титана, иттрия Менделееву пришлось исправить атомные веса, чтобы разместить их в таблице согласно химическим свойствам, на что не решился ни один другой исследователь. И это тоже оказалось верным.

Один из первых вариантов таблицы Менделеева с предсказанными элементами

Абсолютность таблицы однажды подвела исследователей: инертным газам в первое время не нашлось в ней места, поэтому их существование активно отвергалось.

В дальнейшем периодичность позволила найти класс несуществующих (или чрезвычайно редких) в природе при обычных состояниях трансурановых элементов.

Как таблицу Менделеева проверили и доделали другие

Мозли связал номер элемента в Таблице и его физические свойства

Окончательный вид подтверждения Периодического закона нашел английский физик Генри Мозли:

Закон Мозли — закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения атома химического элемента с его порядковым номером.

Это привело к более глубокой трактовке закона, о котором Менделеев не мог даже догадываться:

▪️ порядковый номер элемента = мера электрического заряда атомного ядра этого элемента, ▪️ номер горизонтального ряда (периода) = число электронных оболочек атома, ▪️ номер вертикального ряда (группы) определяет квантовую структуру оболочки, что определяет сходство химических свойств.

Как понять таблицу Менделеева, если ты не шаришь?

Краткая шпаргалка к Таблице Менделеева

Периодический закон легко применять на практике. Ещё со школы мы все должны знать: натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото — на серебро и медь. Следующий элемент просто как бы прибавляет к уже существующим ещё что-то.

По самой таблице так же можно узнать примерные свойства. В подгруппах сверху вниз:

▪️ усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические (появляются свободные электроны — проводит ток);

▪️ возрастает атомный радиус (выше плотность/масса),

▪️ возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот (действие сильнее),

▪️ электроотрицательность падает (хуже соединяется с другими элементами).

В периоде с увеличением порядкового номера элемента:

▪️ электроотрицательность возрастает (лучше образовывает соединения),

▪️ металлические свойства убывают, неметаллические возрастают (хуже проводит ток),

▪️ атомный радиус падает (хуже создает соединения).

Ещё одно свойство связано с традиционной, «короткой» формой таблицы, предложенной самим Менделеевым: если сложить её пополам, посредине IV группы, окажется, что элементы напротив друг друга могут образовывать соединения друг с другом.

Хотя на первый взгляд это не нужно в обыденности, таблица Менделеева помогает быстро понять, например: какая кислота «сильнее», что лучше проводит ток, к чему не стоит прикасаться, чем можно отравиться.

Как таблицу Менделеева пополнили ядерные элементы

Здесь создают новые химические элементы

Вряд ли Менделеев предполагал, как далеко зайдут его последователи в поиске продолжения таблицы: в его время элементы получали только из природных материалов — минералов, руд.

Открытие ядерной реакции позволило создать новый способ «пополнения» таблицы: расщепление урана (элемент 92) позволило создать трансурановые элементы, вместе с которыми известно 118 элементов.

Все они не существуют в природе в достаточном для поиска количестве, либо имеют слишком короткий срок жизни. Для их получения ученые сталкивают атомы разных элементов (сегодня используют комбинацию «пучок атомов»->«мишень») , что приводит к их слиянию.

Читайте также:  Отличие от фактически отработанных часов

Юрий Оганесян из НИЯУ МИФИ, соавтор открытия 5 трансурановых элементов

Например, для создания теннесина (номер 117 соответствует числу протонов в ядре) ученые объединили пучки кальция (20 протонов) с мишенью из беркелия (97 протонов).

Синтез кальция с калифорнием (98) позволил появиться на свет долгоживущему изотопу оганесона (118).

Что ждёт таблицу Менделеева в ближайшем будущем?

Границы таблицы попытался определить Ричард Фейнман

Элементы 119 и 120, над получением которых работают исследователи Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (Московская область), обещают показать принципиально новые физические свойства.

Они которые не вписываются в существующую физическую модель мироздания. А закон Менделеева продолжает работать.

Ричард Фейнман предположил, что таблица закончится на 137-м элементе. Но не потому, что больше их не существует — мы просто не сможем определить количество протонов и нейтронов в его ядре.

В ближайшие 2 года ожидается открытие 120 элемента

Число 1/137 – постоянная Зоммерфельда (постоянная тонкой структуры), которая описывает вероятность поглощения или излучения электроном фотона.

Элемент с 137 электронами в соответствии с определением этой константы должен с вероятностью в 100% поглощать падающий на него фотон.

Его электроны будут вращаться со скоростью света. А электроны элемента 139, чтобы существовать, должны вращаться быстрее, чем скорость света. Не может быть?

Менделеев объединил усилия всех

Увы, текущие расчеты показывают, что фотоны в огромных атомах оганесона должны превысить скорость света, что противоречит самой сути фотона – единичного кванта света.

Это нарушает основные принципы квантовой физики. Но, возможно, именно открытие новых элементов Периодической таблицы Менделеева даст ключ к созданию Теории Всего, которая должна объединить существующие знания в естественных науках.

Закон, открытый 150 лет назад русским ученым, изменит понимание мироздания. Быть может ещё сильнее, чем когда-то это сделала Теория относительности.

Источник

Квантовая природа таблицы менделеева

При взгляде на таблицу Менделеева возникает (и всегда возникал) вопрос: «Что это — удобный способ запоминания элементов — или фундаментальный закон природы?» Понимающему взгляду химика таблица говорит очень много, но сейчас мы не в состоянии обо всем этом рассказать. Мы попытаемся понять только главное: если это закон природы, то:

Что определяет порядок расположения элементов в таблице?

В чем причина их периодических свойств?

От чего зависит длина периодов?

Ответить на эти вопросы пытались в течение полувека — от Менделеева до Паули. Таблицу элементов многократно переписывали, разрезали и снова склеивали на плоскости и в пространстве всеми возможными и невозможными способами. Но, как всегда, причина явления лежала вне его самого: объяснить таблицу смогла только физика после создания теории, атома.

Как мы видели, уже Менделеев знал, что атомный вес лишь приблизительно определяет положение элементов в таблице. И все же каким-то одному ему известным способом он сумел их расположить в таблице правильно. После уж не составляло труда пронумеровать их все подряд. Но имеет ли подобная нумерация глубокий смысл? Ведь с таким же успехом мы можем пронумеровать кубики из нашей детской игры-мозаики для того, чтобы можно было всегда и быстро восстановить всю картину. Это, конечно, удобно, однако глубокого смысла не имеет, поскольку номера кубиков никак не связаны с тем, что на этих кубиках изображено.

Существует ли глубокая внутренняя связь между химическими свойствами элемента и его порядковым номером в таблице? Или же это внешний и произвольный его признак, вроде порядкового номера дома на улице? Если бы это было действительно так, то с открытием каждого нового элемента пришлось бы менять их нумерацию, точно так же, как меняют нумерацию домов при дополнительной застройке улицы. Одним словом, порядковый номер элемента в таблице — это что: удобный способ найти его в этой таблице или же это его внутренняя характеристика, которая присуща ему независимо от всяких таблиц? История склоняется в пользу последнего предположения: за 100 лет существования таблицы нумерация элементов ни разу не изменилась.

Разгадку такой устойчивости таблицы удалось найти лишь после работ Резерфорда. В том же 1911 году, когда Резерфорд обнародовал свою планетарную модель атома, датчанин Ван дер Брок написал в немецкий журнал короткую заметку, в которой высказал предположение:

порядковый номер элемента в таблице Менделеева равен заряду ядра его атомов.

Два года спустя, изучая рентгеновские спектры различных элементов, эту гипотезу доказал один из лучших учеников Резерфорда Генри Гвин Джеффрис Мозли (1887—1915). Работа Мозли стала главным событием в физике даже в те полные открытий годы. Ему не удалось ее завершить: в августе 1915 года он был убит наповал в Греции в окопах Галлипольского полуострова.

В чем суть и важность этих открытий?

Прежде всего из них следует, что элементы в таблице расставлены верно.

Кроме того, они доказывают, что все элементы уже открыты, за исключением тех, для которых в таблице оставлены пустые места.

Такая окончательность утверждений всегда обладает необъяснимой притягательной силой. Она становится особенно ценной, когда речь идет о системе мира. После работ Мозли система химических элементов была наконец установлена окончательно и оставалось только понять ее особенности.

Природа позаботилась о том, чтобы как можно дальше упрятать свои главные свойства от глаз естествоиспытателей: заряд ядра атома надежно укрыт шубой из электронов и недоступен измерению никакими химическими и большинством физических методов. Это свойство атомов нащупали только после того, как начали обстреливать их такими снарядами, как «&#955-частицы. Вместе с тем именно это так глубоко запрятанное свойство определяет структуру атома и все наблюдаемые свойства элементов, состоящих из этих атомов. И если мы хотим по-настоящему узнать атом, то вначале должны докопаться до его ядра. (Как в сказке о Кащее Бессмертном: высоко на горе растет дуб, на дубу — сундук, в сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо, в яйце — игла, а в кончике той иглы — жизнь и смерть Кащея.)

В силу каких-то глубоких причин, которые мы пока не вполне знаем, заряд ядра атома примерно вдвое меньше, чем его атомный вес. Поэтому, располагая элементы в порядке возрастания их атомных весов, мы более или менее правильно выстроим их и в порядке возрастания зарядов ядер их атомов. Менделеев, конечно, не знал о существовании ядер, но он почувствовал, что у атомов есть еще какое-то свойство, более глубокое, чем атомный вес, и поэтому, располагая элементы в таблице, доверял больше интуиции, чем атомным весам. Он как бы заглянул под электронную оболочку атомов, пересчитал там положительные заряды в ядре и затем это число присвоил элементу, назвав его порядковым номером. Очевидно, порядковый номер — внутренняя характеристика элемента, и, конечно, она не зависит от нашего произвола, как, например, номер дома на улице. (Если продолжить нашу аналогию с детской игрой-мозаикой, то можно сказать, что все ее кубики в действительности оказались пронумерованными. Только номера эти были запрятаны внутри кубиков.)

Теперь наконец можно дать точное определение элемента.

Элемент — это вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра.

Нам осталось выяснить последнее: почему монотонное изменение заряда ядра атомов приводит к периодическим изменениям их химических свойств? Изменяются при этом не только химические, но и физические свойства: удельный вес, твердость и даже агрегатное состояние. Например, элементы с порядковыми номерами 2, 10, 18, 36 — это газы гелий, неон, аргон, криптон, получившие название благородных за свою неспособность вступать в обычные химические реакции. Но если заряд ядер этих атомов увеличить всего на единицу, то мы получим элементы 3, 11, 19, 37 — щелочные металлы литий, натрий, калий, рубидий, которые никак не похожи на соседние газы ни по физическим, ни по химическим свойствам. Например, натрий и калий так легко вступают в химические реакции, что их нельзя держать на открытом воздухе — они там самовоспламеняются.

Очевидно, причину периодического изменения свойств элементов следует искать не в ядре, а в окружающей его электронной оболочке. Первая мысль, при этом возникающая, состоит в том, что электроны вокруг ядра расположены не беспорядочно, а слоями-оболочками. Начало заполнения новой оболочки совпадает с началом нового периода, и как раз в этот момент скачком изменяются химические свойства элементов. После работ Бора подобная мысль казалась очень естественной, и он сам же ее впервые и высказал.

Однако приведенные наблюдения не подсказывают способа вычислить длину периода. На первый взгляд длина периодов в таблице меняется весьма прихотливо: в I периоде — два элемента, во II и III — восемь, в IV и V — восемнадцать, в VI — тридцать два. Но еще в 1906 году Иоганн Ридберг заметил, что ряд чисел 2, 8, 18, 32 подчиняется простой формуле: 2n 2 . Эту закономерность удалось объяснить Паули только в 1924 году, после открытия им принципа запрета.

Ход рассуждений Паули легко понять. В самом деле, движение электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, о которых мы подробно говорили в предыдущей главе и которые напомним теперь еще раз:

Читайте также:  В каких продуктах больше клетчатки

n — главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3. ;

l — орбитальное квантовое число, которое при заданном n принимает значения О, 1, 2. (n — 1);

m — магнитное квантовое число; при заданных n и l оно пробегает ряд значений —l, —(l—1). —1, О, 1, . (l—1), l, — всего 2l+1 значений;

S — спиновое квантовое число, принимающее значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули гласит:

В атоме не может быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

Поэтому на оболочке с порядковым номером n может поместиться только ограниченное число электронов. Например, на первой оболочке умещаются только два электрона. В самом деле, если главное квантовое число n = 1, то для орбитального момента допустимо только одно значение l = 0, а следовательно, и магнитное квантовое число m = 0; спин электрона не зависит от других квантовых чисел и может принимать два значения S = 1/2 и S= -1/2. В соответствии с этим на первом квантовом уровне могут поместиться только два электрона с квантовыми числами: (n = 1; l = 0; m = 0; S = 1/2) и (n = 1; l = 0; m = 0; S= —1/2). Рассуждая точно так же, можно убедиться, что на второй оболочке умещается 8 электронов, на третьей — 18 и вообще на оболочке с главным квантовым числом n помешается 2n 2 электронов. То есть число электронов на заполненных оболочках атомов равно длине периодов таблицы Менделеева.

Чтобы нагляднее уяснить себе причину появления этих чисел, представьте, что вам надлежит заселить жилой квартал, в котором n домов, пронумерованные числом l = О, 1, 2, . (n — 1), причем в доме с номером l только (2l+1) квартир. Если в каждую квартиру запрещено поселять больше двух жильцов, то во всем квартале поместится 2n 2 человек и не более.

Каждый период в таблице Менделеева начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом. Химические свойства этих элементов резко различны. Теперь легко понять и причину их различия. Инертные газы — гелий, неон, аргон и т. д. — отличаются от всех остальных элементов тем, что у них оболочки полностью заполнены.

Атомы щелочных металлов: лития, натрия, калия и т. д., которые в таблице расположены следом за инертными газами, содержат по одному электрону в следующей, более высокой оболочке. Эти электроны связаны с ядром много слабее, чем остальные, и поэтому атомы щелочных металлов легко их теряют и становятся положительными однозарядными ионами:

Li + , Na + , К + и т. д.

Наоборот, в атомах фтора, хлора, брома и т. д. недостает одного электрона, чтобы замкнуть их внешнюю оболочку до оболочки благородного газа. Поэтому-то галогены так охотно присоединяют электрон, образуя отрицательные ионы F — , Cl — Вr — и т. д. Когда атомы натрия и хлора встречаются, то натрий отдает свой внешний электрон хлору, в результате чего возникают ионы Na + и Cl — . Ионы эти притягиваются, образуя молекулы NaCl, из которых состоит хорошо известная всем поваренная соль.

Попутно нам удалось выяснить смысл понятия валентности, которое так трудно определить химически: валентность элемента в соединении — это число электронов его атома, участвующих в образовании химической связи. Легко видеть, что валентность вместе с другими химическими свойствами должна повторяться периодически через 2, 8, 18, 32 элемента при начале заполнения каждой следующей оболочки.

В прошлом веке числа 2, 8, 18, 32 вызывали недоумение и получили название «магических». Объяснить их пытались по-разному, например, вспоминали, что октаэдр — самый прочный многогранник и что в буддийской философии есть учение о восьми путях добра. Но вряд ли кто предполагал, что для них существует такое простое и рациональное объяснение.

Если бы Дальтон, Лавуазье, Менделеев — все, кто в свое время посвятил жизнь и силы изучению системы химических элементов, попали хоть ненадолго в наше время, они бы, без сомнения, испытали совершенную радость чистого знания, которое наконец достигнуто в учении об элементах. Вместо случайного набора веществ, относительно которых даже не всегда было известно, элементы ли это или смеси, они увидели бы стройную иерархию атомов: от водорода до курчатовия.

Этой гармонией мы обязаны квантовой механике, к знакомству с которой теперь и перейдем.

Источник



Квантовая природа таблицы менделеева

Только после появления квантовой механики эти закономерности были объяснены. Как известно, энергия электронов в многоэлектронных атомах, зависит от квантовых чисел . Последовательность расположения электронных оболочек имеет вид:

— это идеальное заполнение оболочек.

Опыты показывают, что начиная с оболочек эта последовательность нарушается.

Для объяснения закономерностей таблицы Менделеева используется, так называемый, принцип построения:

  1. Заполнение электронных оболочек начинается с орбитали с наименьшей энергией и продолжается по мере возрастания энергии.
  2. Согласно принципу Паули, на каждой атомной орбитали (АО), с определенным набором квантовых чисел n.l и находится по 2 электрона с противоположными спинами.
  3. Правило Хунда. Для данной электронной конфигурации: наименьшей энергией обладает (уровень) терм, с наибольшей мультиплетностью, т.е. с наибольшим значением (полный спиновый момент или полный спин) и с наибольшим значением (суммарный орбитальный момент) при данной .

Используя эти правила, построим электронную конфигурацию некоторых атомов, начиная с водорода:

Третий электрон при заполнении электронных оболочек не может находиться на орбитали, в соответствии с принципом Паули.

В атоме третий электрон находится либо на , либо на орбитали.

Экспериментально установлено, что энергия , однако:

Таким образом, третий электрон находится на орбитали; тогда электронная конфигурация будет иметь вид:

Квантовые числа четвертого электрона:

Известно, что – орбитали состоят из 3-х эквивалентных орбиталей: . Пятый электрон бора с одинаковой вероятностью может находиться в одной из них. Аналогичная картина имеет место в атоме углерода.

В некоторых случаях сперва заполняются оболочки с большим значением главного квантового числа n.

Для объяснения этого Клечковский предложил следующее правило:

Если для 2-х уровней энергии одинаково, то первым заполняется уровень с меньшим n например:

Используя правило Клечковского и принцип построения таблицы Менделеева, можно представить заполнение электронных оболочек следующим образом:

Период Электронное состояние Число электронов
1 2
2 8
3 8
4 18
5 18
6 32
7

Таблица Менделеева состоит из 7 периодов. Первый элемент каждого периода входит в I группу. Всего групп – 8.

Каждый период начинается с заполнения – оболочки и заканчивается заполнением – оболочки.

Судьба не парит, как орел, а шныряет, как крыса. Элизабет Боуэн
ещё >>

Источник

Периодический закон Д.И. Менделеева. Квантовые законы

В современной интерпретации периодический закон может быть сформулирован так: свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов. Закон был открыт Д. И. Менделеевым в 1869 г, когда о строении атомов и квантовой механике ученые ничего не знали. Периодическая система элементов есть табличное выражение квантовых законов.

В 1926 г. австрийский физик-теоретик Э. Шредингер разработал теорию движения микрочастиц – волновую механику, в основу которой положил уравнение, играющее такую же фундаментальную роль, как законы И. Ньютона в классической физике. Решением волнового уравнения Шредингера является функция , которая удовлетворяет волновому уравнению при условии, что квантовые числа n, l, ml., физический смысл которых рассматривается ниже, принимают определенные значения.

С позиций квантовой механики период – это горизонтальный ряд элементов, в атомах которых электроны последовательно заполняют ns- и завершают заполнение np- орбиталей (n – главное квантовое число, определяющее порядковый номер внешнего энергетического уровня и одновременно номер периода) (рис. 6). Группа – это вертикальный ряд, в котором объединены атомы химических элементов с одинаковым числом электронов на внешней орбитали.

Что такое квантовые числа?

Квантовыминазывают целые или дробные числа, которые определяют значения физических величин, характеризующих атом, ядро атома, молекулу или элементарные частицы.

Параметр, с помощью которого можно вычислить энергию электрона в атоме, называетсяглавным квантовым числомn. Оно принимает значения 1, 2, 3, 4. Чем больше n, тем больше энергия электрона в атоме. Обратимся к атому водорода. Для него значение Е энергетического (электронного) уровня вычисляется по уравнению:

Е = — const/n 2 ,

где const — постоянная величина. Чем больше отрицательное значение Е, тем меньше энергия энергетического уровня. И, наоборот, по мере роста nотрицательное значение Е уменьшается и, соответственно, растет энергия уровня.

Рис. 6. Порядок заполнения электронами энергетических уровней в многоэлектронных атомах. За исключением первого периода, каждый период начинается и заканчивается заполнением ns- и np-орбиталей.

Форма орбитали и энергия подуровня определяетсяорбитальным квантовым числомl.

Значения l зависят определенным образом от главного квантового числа. Каждому значению n соответствует одно или несколько значений l:

значения n:1 2 3 4

значения l:0 0, 1 0, 1, 2 0, 1, 2, 3

Из сравнения n и l следует, что орбитальное квантовое число принимает целые значения от 0 до n — 1 для данного значения n. Квантовое число l определяет конфигурацию орбиталей. Если lравно 0, орбиталь имеет сферическую форму, это s-орбиталь. По мере увеличения значения главного квантового числа увеличиваются размеры орбиталей и возникает разнообразие форм орбиталей. Орбитальному квантовому числу l =1 соответствуют р-орбитали. Форма орбиталей усложняется по мере роста орбитального квантового числа.

Число орбиталей для данного значения l определяетсямагнитным квантовым числомml: Для каждого значения l получается ряд значений ml, изменяющихся в интервале —l. 0. + l. Значение ml, равное 0, соответствует одной s-орбитали на любом энергетическом уровне, определяемом главным квантовым числом n. Три значения ml (-1, 0, +1) соответствуют трем р-орбиталям, пять значений ml (-2,-1, 0, +1, +2) соответствуют пяти d-орбиталям и т. д. Магнитное квантовое число указывает также положение орбиталей в пространстве.

Читайте также:  Вопрос 3 Классификация профессий и

Начиная со второго энергетического уровня, кроме s-орбитали, появляются три р-орбитали (рх, руи рz), расположенные под углом 90 0 . На третьем энергетическом уровне появляются пять 3d-орбиталей. Такая последовательность увеличения числа орбиталей продолжается вплоть до седьмого периода. Электроны обладают собственным моментом количества движения –спином. Это движение позволяет отличить электроны, находящиеся на одной орбитали. Характеристикой спина электрона является спиновое квантовое число ms, которое принимает значения +1/2 и -1/2. На атомных орбиталях или в квантовых ячейках различие спинов наглядно изображают стрелками ­¯.

Таким образом, четыре квантовых числа n, l, ml, ms определяют следующие характеристики атома:

  • число энергетических уровней (n); n = 1, 2, 3,….¥;
  • численное значение энергии уровня и подуровня

(n, l); l = 0, 1, 2,…( n-1);

  • форму и пространственное расположение орбиталей (l, ml,), ml = — l…-2, -1, 0, +1, +2,….+ l;
  • число орбиталей на подуровне ( ml);
  • число электронов на орбитали (ms = ± 1/2).

Использование квантовых чисел и квантовых правил позволяет определить, как заполняются электронами энергетические уровни в многоэлектронном атоме (рис. 6). Квантовых правил три:

принцип наименьшей энергии (правило Клечковского): электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии от низшего к высшему энергетическому уровню. Другими словами, заполнение происходит по мере роста суммы квантовых чисел (n + l); если сумма(n + l) имеет одинаковые значения, то сначала заполняется уровень с меньшим n;

принцип запрета Паули: на одной орбитали не может быть больше двух электронов, причем их спины должны быть противоположны (ms = +1/2 и -1/2).

Ниже показано разрешенное и не разрешенное заполнение квантовых ячеек (орбиталей):

разрешенное не разрешенное

He
B C N O F Ne
Al Si P S Cl Ar
Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Mt 118

правило Гунда: устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором сумма спиновых чисел максимальна (å ms = max)

å ms = +1/2 +1 +3/2 +1 +1/2 0

Квантовым ячейкам ••• соответствует три взаимно перпендикулярные р-орбитали. Сила электростатического отталкивания между электронами, заполняющими р-орбитали, будет наименьшей, когда первые три электрона располагаются на удаленных друг от друга трех р-орбиталях. Четвертый и последующие электроны «вынуждены» располагаться на орбиталях, уже содержащих электроны. Их спины противоположны по знаку, поэтому сумма спинов уменьшается

В соответствии с квантовыми правилами заполняются электронные уровни в многоэлектронных атомах. На рис. 7 представлен график изменения атомного радиуса (r) от заряда ядра (Zя).

Рис. 7. Периодическое изменение радиусов атомов от заряда ядра

Атомы проявляют свойство изменять геометрическую конфигурацию и размеры. Радиусы атомов уменьшаются с ростом заряда ядра в периоде и увеличиваются в группе. Это наглядно показано в табл. 1. Завершается 7-й период 118 элементом, синтез которого был осуществлен уже в этом столетии. Период полураспада его ничтожен. Размеры атома данного элемента теоретически должны быть больше размеров атома радона.

Краткий итог темы

1. Крайне важно знать, что атом представляет собой систему зарядов, противоположных по знаку (ядро и электроны).

2. Атом — чрезвычайно устойчивая динамическая система.

3. Электронное облако характеризует не образ «размытых» в пространстве электронов или электрона, а область вероятного местонахождения электронов относительно ядра.

4. Форма, пространственное расположение орбиталей и последовательность заполнения электронами энергетических уровней определяется квантовыми числами и квантовыми правилами.

5. Носителем свойств атомов является атомное ядро. Заряд ядра определяет количество электронов в электронейтральном атоме и, следовательно, характер распределения электронов по энергетическим уровням. Отсюда вытекают такие свойства атомов, как энергия ионизации, сродство к электрону, валентность, способность образовывать различные типы химических связей и их количество.

Термины для запоминания

Следует ориентироваться в физических и химических терминах и понятиях. Запоминание (знание) всегда должно следовать за пониманием. Если понятен смысл терминов и определений, их легче запомнить и применить в смежных областях знаний.

Проверьте свои знания. Лучший способ сделать это – записать определение термина или понятия своими словами, не заглядывая в текст. Термины и понятия не нужно заучивать наизусть, но передать их смысл близко к тексту необходимо. Если вы затрудняетесь в написании определения терминов и понятий – прочитайте соответствующий раздел темы еще раз.

Атом- это микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в поле ядра.

Главное квантовое число (n) – параметр, с помощью которого можно вычислить энергию электрона в атоме.

Группа – вертикальный ряд периодической системы, в котором объединены атомы химических элементов с одинаковым числом электронов на внешней орбитали.

Квантовые числа определяют значения физических величин, характеризующих атом, ядро атома, молекулу или элементарные частицы.

Магнитное квантовое число (ml) определяет число орбиталей для данного значения орбитального квантового числа l.

Модель есть объект-заменитель объекта-оригинала, сохраняющий некоторые его свойства.

Орбиталь – отрицательно заряженная область атома, в которой вероятность обнаружить движущийся электрон (или электроны) уменьшается по мере удаления от ядра.

Орбитальное квантовое число (l) – параметр, с помощью которого можно определить форму орбитали и энергию подуровня.

Период – это горизонтальный ряд элементов, в атомах которых электроны последовательно заполняют ns- и завершают заполнение np-орбиталей.

Периодический закон: свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов.

Правило Гунда: устойчивому состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором сумма спиновых чисел максимальна (å ms = max).

Принцип запрета Паули: на одной орбитали не может быть больше двух электронов, различающихся спиновыми числами ms = +1/2 и -1/2.

Принцип наименьшей энергии: электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии от низшего к высшему энергетическому уровню.

Принцип неопределенности: объект микромира невозможно одновременно с наперед заданной точностью характеризовать координатой и импульсом.

Свойство – это качество, постоянно присущее объекту.

Система есть совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое.

Соотношение неопределенности: .

Спин электрона – собственный момент количества движения электрона. В моделях атомов спин обозначается ­.

Химия наука, изучающая состав, свойства и превращения вещества, а также явления, которые сопровождают эти превращения.

Электронное облако характеризует не образ «размытых» в пространстве электронов или электрона, а область вероятного местонахождения электронов относительно ядра.

Ядро атома – микросистема, которая состоит из протонов и нейтронов.

Вопросы для проверки знаний

1. Объясните, почему модель Демокрита считают умозрительной?

2. Что подразумевается под моделью атома Э. Резерфорда?

3. В чем сильные и слабые стороны постулатов Н. Бора?

4. Каким образом заряд ядра атома влияет на свойства атома?

5. Что подразумевается под понятием «электронная орбиталь»?

6. Что такое атом?

7. В чем смысл квантовых чисел?

8. Согласны ли вы с утверждением, что «электронным клеем», соединяющим атомы, являются электрические силы притяжения?

9. Согласны ли вы с утверждением, что по мере увеличения заряда ядра атомные орбитали сокращаются в размере?

10. По какому признаку атомы элементов объединены в периоды, в группы?

11. В чем физический смысл номера периода, номера группы, порядкового номера элемента?

12. Согласны ли вы с утверждением, что даже современная формулировка периодического закона имеет недостатки?

Упражнения

1. Сколько электронов входит в состав атомов с зарядом ядра:

2. Сколько протонов в ядре атома, если число электронов: а) 4; б) 10; в) 30?

3. Какова форма орбиталей в атомах с зарядом ядра +1 и +2?

4. Какой из атомов проявляет большую склонность отрывать электроны от соседних атомов: кислород или фтор? Ответ обоснуйте.

5. Ядро атома содержит 6 протонов и 7 нейтронов. Сколько электронов содержит электронейтральный атом? Напишите его химический символ с указанием массового числа и заряда ядра.

6. Сколько электронов в электронейтральном атоме, если заряд ядра равен: а) +3, б) +7, в) +10?

7. Как называется частица, заряд ядра которой равен +3, а электронная оболочка представлена двумя электронами?

8. Обоснуйте существование трех p-орбиталей на каждом энергетическом уровне, начиная со второго.

9. Какой заряд ядра имеет химический элемент, у которого: а) завершено заполнение электронами 2p-орбиталей; б) заполнена одним электроном 3p-орбиталь.

10. Сколько элементов в 1, 2 и 3 периодах? Объясните число элементов в периоде, пользуясь значениями квантовых чисел и правилами заполнения орбиталей.

11. Структура внешних орбиталей атомов выражается электронными формулами: а) 2s 2 ; б) 5s 2 5p 4 ; в) 3s 2 3p 5 ; г) 4s 1 . Определите порядковые номера и названия элементов.

12. Определите: а) число энергетических уровней; б) число внешних электронов у атомов с зарядом ядра: 1) +35, 2) +17, 3) +20, 4) +15.

Источник