Что такое закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений

Что такое закономерности изменения химических свойств элементов и их соединений? Периодический закон изменения свойств химических элементов был открыт в 1869 году великим русским ученым Д.И. Менделеевым и в первоначальной формулировке звучал следующим образом: «… свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Атомным весом в те времена называли атомную массу химического элемента. Следует отметить, что в то время не было ничего известно о реальном строении атома и господствовала идея о его неделимости, в связи с чем Д.И. Менделеев сформулировал свой закон периодичного изменения свойств химических элементов и образованных ими соединений исходя из массы атомов. Позже после установления строения атома закон был сформулирован в следующей формулировке актуальной и в настоящий момент. Свойства атомов химических элементов и образованных ими простых веществ находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов. Графическим изображением периодического закона Д.И. Менделеева можно считать периодическую таблицу химических элементов, впервые построенную самим великим химиком, но несколько усовершенствованную и доработанную последующими исследователями. Применяемый вариант таблицы Д.И. Менделеева отражает современные представления и конкретные знания о строении атомов разных химических элементов.

Современный вариант периодической системы химических элементов:

Длиннопериодная форма таблицы хим. элементов. Каждый период занимает ровно одну строчку. В «длинном» варианте лантаноиды и актиноиды вынесены из общей таблицы, делая её более компактной. В «короткой» форме записи, в дополнение к этому, четвёртый и последующие периоды занимают по 2 строчки; символы элементов главных и побочных подгрупп выравниваются относительно разных краёв клеток. Водород иногда помещают в 7-ю («короткая» форма) или 17-ю («длинная» форма) группу таблицы. Периодами обознаются строки; всего их 7. Фактически номер периода отражает число энергетических уровней, на которых расположены электроны в атоме химического элемента. Например, такие элементы, как фосфор, сера и хлор, обозначаемые символами P, S, и Cl, находятся в третьем периоде. Электроны в этих атомах расположены на трех энергетических уровнях или, если говорить более упрощенно, образуют трехслойную электронную оболочку вокруг ядер.

Список химических элементов:

Название Символ Латинское название Период , группа Атомная масса(а.е.м.) Плотность ,г/ см³(при 20 °C) Температура плавления (°C) Температура кипения (°C)
1 Водород H Hydrogenium 1, 1 1,00794 (7) 0,08988 г/л -259,1 -252,9
2 Гелий He Helium 1, 18 4,002602 (2) 0,17 г/л -272,2 (при 2,5 МПа) -268,9
3 Литий Li Lithium 2, 1 6,941 (2) 0,53 180,5 1317
4 Бериллий Be Beryllium 2, 2 9,012182 (3) 1,85 1278 2970
5 Бор B Borum 2, 13 10,811 (7) 2,46 2300 2550
6 Углерод C Carboneum 2, 14 12,0107 (8) 3,51 3550 4827
7 Азот N Nitrogenium 2, 15 14,0067 (2) 1,17 г/л -209,9 -195,8
8 Кислород O Oxygenium 2, 16 15,9994 (3) 1,33 г/л -218,4 -182,9
9 Фтор F Fluorum 2, 17 18,9984032 (5) 1,58 г/л -219,6 -188,1
10 Неон Ne Neon 2, 18 20,1797 (6) 0,84 г/л -248,7 -246,1
11 Натрий Na Natrium 3, 1 22,98976928 (2) 0,97 97,8 892
12 Магний Mg Magnesium 3, 2 24,3050 (6) 1,74 648,8 1107
13 Алюминий Al Aluminium 3, 13 26,9815386 (8) 2,70 660,5 2467
14 Кремний Si Silicium 3, 14 28,0855 (3) 2,33 1410 2355
15 Фосфор P Phosphorus 3, 15 30,973762 (2) 1,82 44 (P4) 280 (P4)
16 Сера S Sulfur, Sulphur 3, 16 32,065 (5) 2,06 113 444,7
17 Хлор Cl Chlorum 3, 17 35,453 (2) 2,95 г/л -101 -34,6
18 Аргон Ar Argon 3, 18 39,948 (1) 1,66 г/л -189,4 -185,9
19 Калий K Kalium, Calium 4, 1 39,0983 (1) 0,86 63,7 774
20 Кальций Ca Calcium 4, 2 40,078 (4) 1,54 839 1487
21 Скандий Sc Scandium 4, 3 44,955912 (6) 2,99 1539 2832
22 Титан Ti Titanium 4, 4 47,867 (1) 4,51 1660 3260
23 Ванадий V Vanadium 4, 5 50,9415 (1) 6,09 1890 3380
24 Хром Cr Chromium 4, 6 51,9961 (6) 7,14 1857 2482
25 Марганец Mn Manganum, Manganesium 4, 7 54,938045 (5) 7,44 1244 2097
26 Железо Fe Ferrum 4, 8 55,845 (2) 7,87 1535 2750
27 Кобальт Co Cobaltum 4, 9 58,933195 (5) 8,89 1495 2870
28 Никель Ni Niccolum 4, 10 58,6934 (2) 8,91 1453 2732
29 Медь Cu Cuprum 4, 11 63,546 (3) 8,92 1083,5 2595
30 Цинк Zn Zincum 4, 12 65,409 (4) 7,14 419,6 907
31 Галлий Ga Gallium 4, 13 69,723 (1) 5,91 29,8 2403
32 Германий Ge Germanium 4, 14 72,64 (1) 5,32 937,4 2830
33 Мышьяк As Arsenicum 4, 15 74,92160 (2) 5,72 613 613 ( subl. )
34 Селен Se Selenium 4, 16 78,96 (3) 4,82 217 685
35 Бром Br Bromum 4, 17 79,904 (1) 3,14 -7,3 58,8
36 Криптон Kr Krypton, Crypton 4, 18 83,798 (2) 3,48 г/л -156,6 -152,3
37 Рубидий Rb Rubidium 5, 1 85,4678 (3) 1,53 39 688
38 Стронций Sr Strontium 5, 2 87,62 (1) 2,63 769 1384
39 Иттрий Y Yttrium 5, 3 88,90585 (2) 4,47 1523 3337
40 Цирконий Zr Zirconium 5, 4 91,224 (2) 6,51 1852 4377
41 Ниобий Nb Niobium 5, 5 92,90638 (2) 8,58 2468 4927
42 Молибден Mo Molybdaenum 5, 6 95,94 (2) 10,28 2617 5560
43 Технеций Tc Technetium 5, 7 [98,9063] 11,49 2172 5030
44 Рутений Ru Ruthenium 5, 8 101,07 (2) 12,45 2310 3900
45 Родий Rh Rhodium 5, 9 102,90550 (2) 12,41 1966 3727
46 Палладий Pd Palladium 5, 10 106,42 (1) 12,02 1552 3140
47 Серебро Ag Argentum 5, 11 107,8682 (2) 10,49 961,9 2212
48 Кадмий Cd Cadmium 5, 12 112,411 (8) 8,64 321 765
49 Индий In Indium 5, 13 114,818 (3) 7,31 156,2 2080
50 Олово Sn Stannum 5, 14 118,710 (7) 7,29 232 2270
51 Сурьма Sb Stibium 5, 15 121,760 (1) 6,69 630,7 1750
52 Теллур Te Tellurium 5, 16 127,60 (3) 6,25 449,6 990
53 Иод I Iodium, Jodium 5, 17 126,90447 (3) 4,94 113,5 184,4
54 Ксенон Xe Xenon 5, 18 131,293 (6) 4,49 г/л -111,9 -107
55 Цезий Cs Caesium 6, 1 132,9054519 (2) 1,90 28,4 690
56 Барий Ba Barium 6, 2 137,327 (7) 3,65 725 1640
57 Лантан La Lanthanum 6 138,90547 (7) 6,16 920 3454
58 Церий Ce Cerium 6 140,116 (1) 6,77 798 3257
59 Празеодим Pr Praseodymium 6 140,90765 (2) 6,48 931 3212
60 Неодим Nd Neodymium 6 144,242 (3) 7,00 1010 3127
61 Прометий Pm Promethium 6 [146,9151] 7,22 1080 2730
62 Самарий Sm Samarium 6 150,36 (2) 7,54 1072 1778
63 Европий Eu Europium 6 151,964 (1) 5,25 822 1597
64 Гадолиний Gd Gadolinium 6 157,25 (3) 7,89 1311 3233
65 Тербий Tb Terbium 6 158,92535 (2) 8,25 1360 3041
66 Диспрозий Dy Dysprosium 6 162,500 (1) 8,56 1409 2335
67 Гольмий Ho Holmium 6 164,93032 (2) 8,78 1470 2720
68 Эрбий Er Erbium 6 167,259 (3) 9,05 1522 2510
69 Тулий Tm Thulium 6 168,93421 (2) 9,32 1545 1727
70 Иттербий Yb Ytterbium 6 173,04 (3) 6,97 824 1193
71 Лютеций Lu Lutetium 6, 3 174,967 (1) 9,84 1656 3315
72 Гафний Hf Hafnium 6, 4 178,49 (2) 13,31 2150 5400
73 Тантал Ta Tantalum 6, 5 180,9479 (1) 16,68 2996 5425
74 Вольфрам W Wolframium 6, 6 183,84 (1) 19,26 3407 5927
75 Рений Re Rhenium 6, 7 186,207 (1) 21,03 3180 5873
76 Осмий Os Osmium 6, 8 190,23 (3) 22,61 3045 5027
77 Иридий Ir Iridium 6, 9 192,217 (3) 22,65 2410 4130
78 Платина Pt Platinum 6, 10 195,084 (9) 21,45 1772 3827
79 Золото Au Aurum 6, 11 196,966569 (4) 19,32 1064,4 2940
80 Ртуть Hg Hydrargyrum 6, 12 200,59 (2) 13,55 -38,9 356,6
81 Таллий Tl Thallium 6, 13 204,3833 (2) 11,85 303,6 1457
82 Свинец Pb Plumbum 6, 14 207,2 (1) 11,34 327,5 1740
83 Висмут Bi Bismuthum 6, 15 208,98040 (1) 9,80 271,4 1560
84 Полоний Po Polonium 6, 16 [208,9824] 9,20 254 962
85 Астат At Astatum 6, 17 [209,9871] 302 337
86 Радон Rn Radon 6, 18 [222,0176] 9,23 г/л -71 -61,8
87 Франций Fr Francium 7, 1 [223,0197] 1,87 27 677
88 Радий Ra Radium 7, 2 [226,0254] 5,50 700 1140
89 Актиний Ac Actinium 7 [227,0278] 10,07 1047 3197
90 Торий Th Thorium 7 232,03806 (2) 11,72 1750 4787
91 Протактиний Pa Protactinium 7 231,03588 (2) 15,37 1554 4030
92 Уран U Uranium 7 238,02891 (3) 18,97 1132,4 3818
93 Нептуний Np Neptunium 7 [237,0482] 20,48 640 3902
94 Плутоний Pu Plutonium 7 [244,0642] 19,74 641 3327
95 Америций Am Americium 7 [243,0614] 13,67 994 2607
96 Кюрий Cm Curium 7 [247,0703] 13,51 1340
97 Берклий Bk Berkelium 7 [247,0703] 13,25 986
98 Калифорний Cf Californium 7 [251,0796] 15,1 900
99 Эйнштейний Es Einsteinium 7 [252,0829] 13,5 860
100 Фермий Fm Fermium 7 [257,0951]
101 Менделевий Md Mendelevium, Mendeleevium 7 [258,0986]
102 Нобелий No Nobelium 7 [259,1009]
103 Лоуренсий Lr Lawrencium, Laurentium 7, 3 [266]
104 Резерфордий Rf Rutherfordium 7, 4 [267] 23
105 Дубний Db Dubnium 7, 5 [268] 29
106 Сиборгий Sg Seaborgium 7, 6 [269] 35
107 Борий Bh Bohrium 7, 7 [270] 37
108 Хассий Hs Hassium 7, 8 [277]
109 Мейтнерий Mt Meitnerium 7, 9 [278] 37,4
110 Дармштадтий Ds Darmstadtium 7, 10 [281]
111 Рентгений Rg Roentgenium 7, 11 [282]
112 Коперниций Cn Copernicium 7, 12 [285]
113 Нихоний Nh Nihonium 7, 13 [286]
114 Флеровий Fl Flerovium 7, 14 [289]
115 Московий Mc Moscovium 7, 15 [290]
116 Ливерморий Lv Livermorium 7, 16 [293]
117 Теннессин Ts Tennessine 7, 17 [294]
118 Оганесон Og Oganesson 7, 18 [294]
119 Унуненний Uue Ununennium
120 Унбинилий Ubn
121 Унбиуний Ubu
122 Унбибий Ubb
123 Унбитрий Ubt
124 Унбиквадий Ubq
125 Унбипентий Ubp
126 Унбигексий Ubh
127 Унбисептий Ubs

Каждый период таблицы, кроме первого, начинается щелочным металлом и заканчивается благородным (инертным) газом. Все щелочные металлы имеют электронную конфигурацию внешнего электронного слоя ns1, а благородные газы — ns2np6, где n – номер периода, в котором находится конкретный элемент. Исключением из благородных газов является гелий (He) с электронной конфигурацией 1s2 . Также можно заметить, что помимо периодов таблица делится на вертикальные столбцы — группы, которых насчитывается восемь. Большинство химических элементов имеет равное номеру группы количество валентных электронов. Напомним, что валентными электронами в атоме называются те электроны, которые принимают участие в образовании химических связей. В свою очередь, каждая группа в таблице делится на две подгруппы – главную и побочную. Для элементов главных групп количество валентных электронов всегда равно номеру группы.

Уатома хлора, расположенного в третьем периоде в главной подгруппе VII группы, количество валентных электронов равно семи: *** Элементы побочных групп имеют в качестве валентных электроны внешнего уровня или нередко электроны d-подуровня предыдущего уровня. Так, например, хром, находящийся в побочной подгруппе VI группы, имеет шесть валентных электронов – 1 электрон на 4s-подуровне и 5 электронов на 3d-подуровне. *** Общее количество электронов в атоме химического элемента равно его порядковому номеру. Другими словами, общее количество электронов в атоме с номером элемента возрастает. Тем не менее, количество валентных электронов в атоме изменяется не монотонно, а периодически – от 1-го у атомов щелочных металлов до 8-ми для благородных газов. Иными словами, причина периодического изменения каких-либо свойств химических элементов связана с периодическими изменениями в строении электронных оболочек. При движении вниз по подгруппе атомные радиусы химических элементов возрастают ввиду увеличения количества электронных слоев. Тем не менее, при движении по одному ряду слева направо, то есть с ростом количества электронов для элементов, расположенных в одном ряду, происходит уменьшение радиуса атома. Данный эффект объясняется тем, что при последовательном заполнении одной электронной оболочки атома ее заряд, как и заряд ядра, увеличивается, что приводит к усилению взаимного притяжения электронов, в результате чего электронная оболочка «поджимается» к ядру:

***

Внутри одного периода с ростом количества электронов происходит уменьшение радиуса атома, а также возрастает энергия связи каждого электрона внешнего уровня с ядром. Это означает, что, например, ядро атома хлора будет удерживать электроны своего внешнего уровня намного сильнее, чем ядро атома натрия единственный электрон внешнего электронного уровня.

При столкновении атома натрия и хлора хлор «отберет» единственный электрон у атома натрия, то есть электронная оболочка хлора станет такой же, как у благородного газа аргона, а у натрия — такой же, как у благородного газа неона. Способность атома какого-либо химического элемента оттягивать на себя «чужие» электроны при столкновении с атомами другого химического элемента называется электроотрицательностью. Более подробно про электроотрицательность будет рассказано в главе, посвященной химическим связям, но нужно отметить, что, электроотрицательность, как и многие другие параметры химических элементов, также подчиняется периодическому закону. Внутри одной подгруппы химических элементов электроотрицательность убывает, а при движении по ряду одного периода вправо электроотрицательность возрастает. Следует усвоить один полезный мнемонический прием, позволяющий восстановить в памяти то, как меняются те или иные свойства химического элемента.

Заключается он в следующем. Представим себе циферблат обычных круглых часов. Если его центр поместить в правый нижний угол таблицы, то свойства химических элементов будут однообразно изменяться при движении по ней вверх и вправо (по часовой стрелке) и противоположно вниз и влево (против часовой стрелки):

***

Используем данный прием к размеру атома. Допустим, что вы точно помните, что при движении вниз по подгруппе в таблице радиус атома увеличивается, поскольку растет число электронных оболочек, но напрочь забыли, как изменяется радиус при движении влево и вправо. Тогда нужно действовать следующим образом.

Поставьте большой палец правой руки в правый нижний угол таблицы. Движение вниз по подгруппе будет совпадать с движением указательного пальца против часовой стрелки, как и движение влево по периоду, то есть радиус атома при движении влево по периоду, как и при движении вниз по подгруппе, увеличивается. Аналогично и для других свойств химических элементов. Точно зная, как изменяется то или иное свойство элемента при движении вверх-вниз, благодаря данному методу вы сможете восстановить в памяти то, как меняется это же свойство при движении влево или вправо по таблице.