Периодическая система химических элементов¶

Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева) — это классификация химических элементов, устанавливающая зависимость их свойств от заряда атомного ядра. Представляет собой графическое выражение периодического закона, открытого русским учёным Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году. Система состоит из 118 подтверждённых элементов, расположенных в порядке возрастания атомного номера и сгруппированных по сходству химических свойств.

¶История открытия

К середине XIX века было известно около 63 химических элементов. Учёные предпринимали попытки их систематизации: Иоганн Деберейнер (триады), Александр Эмиль Бегье де Шанкуртуа (витовая таблица), Джон Ньюлендс (закон октав). Однако ни одна из этих систем не была полной и не могла предсказывать свойства неизвестных элементов.

Дмитрий Менделеев, работая над учебником «Основы химии», искал способ логично изложить материал. 1 марта 1869 года он составил таблицу, расположив элементы по возрастанию атомных весов и заметив периодическое повторение свойств. Ключевым отличием его работы стало то, что учёный не только систематизировал известные данные, но и оставил пустые клетки для ещё не открытых элементов, предсказав их свойства. Он исправил атомные веса некоторых элементов (например, бериллия, урана), исходя из логики своей системы.

Первоначальная формулировка периодического закона гласила, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных масс. После открытия в 1913 году Генри Мозли закономерностей в рентгеновских спектрах стало ясно, что определяющим фактором является заряд ядра (атомный номер), а не масса. Современная формулировка закона: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда атомного ядра.

¶Структура таблицы

¶Периоды

Таблица состоит из 7 периодов (горизонтальных рядов). Номер периода соответствует числу электронных оболочек атома. Периоды делятся на малые (1–3) и большие (4–7). Первый период содержит только 2 элемента (водород и гелий), второй и третий — по 8, четвёртый и пятый — по 18, шестой — 32, седьмой является незавершённым. Каждый период начинается щелочным металлом (или водородом в первом) и заканчивается инертным газом.

¶Группы

Вертикальные столбцы называются группами. В короткой форме таблицы их 8, в длинной — 18. Элементы одной группы имеют одинаковое число валентных электронов, что обусловливает сходство химических свойств. Группы делятся на главные (А) и побочные (Б) подгруппы. В главных подгруппах располагаются элементы малых и больших периодов, в побочных — только элементы больших периодов.

¶Блоки

По электронному строению элементы делятся на s-блок (щелочные и щёлочноземельные металлы), p-блок (неметаллы и постпереходные металлы), d-блок (переходные металлы) и f-блок (лантаноиды и актиноиды). Лантаноиды и актиноиды обычно выносятся в отдельные ряды под таблицей.

¶Периодический закон и свойства элементов

Периодичность проявляется в изменении многих свойств: атомного радиуса, энергии ионизации, электроотрицательности, металлических и неметаллических характеристик.

• Атомный радиус в пределах периода уменьшается слева направо (растёт заряд ядра, электроны сильнее притягиваются), в пределах группы — увеличивается сверху вниз (растёт число оболочек).
• Энергия ионизации (энергия отрыва электрона) в периоде растёт слева направо, в группе падает сверху вниз.
• Электроотрицательность (способность притягивать электроны) максимальна у фтора, минимальна у франция и цезия.
• Металлические свойства усиливаются сверху вниз и справа налево; неметаллические — наоборот.

¶Формы таблицы

Классическая короткая форма, предложенная Менделеевым, содержит 8 групп и объединяет главные и побочные подгруппы. В середине XX века получила распространение длинная (18-групповая) форма, рекомендованная ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии). В ней каждый элемент находится в отдельной ячейке, что точнее отражает электронную структуру. Существуют также лестничная форма (по предложению Теодора Бенфея), спиральные и трёхмерные варианты таблицы.

¶Предсказательная сила

Наибольшая научная ценность системы Менделеева — возможность предсказывать свойства неоткрытых элементов. Учёный предсказал существование галлия (экаалюминий), скандия (экабор), германия (экасилиций), и их свойства были подтверждены экспериментально при открытии в 1875, 1879 и 1886 годах соответственно. Позже были предсказаны технеций, рений, полоний и другие элементы. Система позволила также исправить ошибочные атомные массы ряда элементов.

¶Современное состояние

Последним открытым элементом природного происхождения является франций (1939). Все элементы с атомным номером выше 92 (урана) — трансурановые — получены искусственно в ходе ядерных реакций. На данный момент синтезированы элементы до 118-го (оганесон, назван в честь российского учёного Юрия Оганесяна). Работы по синтезу сверхтяжёлых элементов ведутся в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. Вопрос о существовании «острова стабильности» — гипотетической области сверхтяжёлых элементов с увеличенным периодом полураспада — остаётся открытым.

¶Значение

Периодическая система является фундаментальным инструментом химии и физики. Она систематизирует знания об элементах, позволяет предсказывать свойства соединений, используется в преподавании, научных исследованиях и промышленности. В честь Менделеева назван 101-й элемент — менделевий.