Лекция 7. Периодическая система химических элементов

Периодическая система химических элементов – упорядоченное множество химических элементов, их естественная классификация. Она является графическим (табличным) выражением периодического закона химических элементов. Закон был открыт Дмитрием Ивановичем Менделеевым 1 марта 1869 г. и сформулирован следующим образом: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса». До разработки модели строения атома Э. Резерфордом и Н. Бором причина периодического изменения свойств химических элементов оставалась непонятной. Она получила объяснение, когда было доказано, что порядковый номер элемента в системе численно равен заряду ядра его атома, а распределение электронов по оболочкам и подоболочкам вокруг ядра подчиняется определенным закономерностям. В результате появилась современная формулировка периодического закона: свойства элементов периодически изменяются по мере роста зарядов ядер (Z) их атомов.

 Структура периодической системы основана на вычленении в ней периодов и групп элементов. Каждый период (за исключением первого) начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом; первый период содержит лишь два элемента – водород и гелий. Числа элементов в последующих периодах таковы: второй и третий содержат по 8 элементов, четвертый и пятый – по 18, шестой и седьмой (он пока не завершен) – по 32. Как видно, числа элементов в соседних периодах попарно повторяются, и в этом заключается важная структурная особенность периодической системы. Число групп в системе равно 8. Каждая группа подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. Распределение по главным и побочным подгруппам определяется спецификой электронных конфигураций их атомов.

 В зависимости от того, заполнение какой именно подоболочки происходит в атомах элементов по мере увеличения заряда ядра Z, все элементы подразделяются на s-, p-, d- и f-элементы. В главные подгруппы входят только s- и p- элементы, а в побочные – d-элементы. Что касается f-элементов (лантаноиды и актиноиды), то принято помещать их в клетки, соответственно, лантана (Z = 57) и актиния (Z = 89), a расшифровка их совокупностей дается внизу таблицы. Первый период содержит только 1s-элементы, второй и третий, 2s - и 2р-элементы и 3s- и 3p-элементы, соответственно. В шестой и седьмой периоды помимо d-элементов входят также f-элементы.

 Как известно, емкость электронных оболочек в атомах равна 2 (К-оболочка), 8 (L-оболочка), 18 (М-оболочка), 32 (N-оболочка) и т. д. Таким образом, только в атомах элементов первого и второго периодов наблюдается заполнение соответствующих электронных оболочек до полной емкости. Во всех последующих периодах дело обстоит иначе. В них включаются элементы, электронные оболочки атомов которых ранее оставались недостроенными. Например, в четвертом периоде после 4s-элементов появляются 3d-элементы. Подобное ступенчатое заполнение подоболочек является еще одной структурной особенностью системы.

 Характер изменения химических свойств элементов в периодах по мере возрастания Z всецело определяется особенностями строения их атомов. Все s-, d- и f-элементы являются металлами, тогда как среди p-элементов значительную часть составляют неметаллы. В рядах s- и p-элементов их свойства при переходе от предыдущего к последующему изменяются достаточно резко. Это объясняется тем, что здесь имеет место заполнение внешних электронных оболочек. У d-элементов застраиваются предшествующие оболочки, и потому изменение свойств происходит более плавно. Что касается f-элементов, то в данном случае происходит построение третьих снаружи оболочек, обусловливающее их большое химическое сходство. Особенно это проявляется у лантаноидов (4f-элементы), которые чрезвычайно похожи друг на друга, особенно в преобладающем у них трехвалентном состоянии. Однако актиноиды (5f-элементы) характеризуются гораздо более широкой гаммой валентных состояний (от II до VII), и поэтому их химия гораздо богаче, чем у лантаноидов. Вообще говоря, у элементов седьмого периода появляются отчетливые аномалии в характере периодического изменения свойств по мере увеличения Z. Это связано с некоторым нарушением закономерной последовательности построения отдельных электронных подоболочек.

 Номер группы в периодической системе соответствует значению высшей валентности, проявляемой входящими в нее элементами. Изменение свойств элементов в главных и побочных подгруппах по мере роста Z происходит достаточно закономерно, хотя и здесь наблюдаются свои особенности. Побочные подгруппы в системе появляются, начиная с четвертого периода. Свойства элементов а- и b-подгрупп в каждой группе заметно отличаются.

 Современные варианты графического изображения периодической системы, разумеется, не безупречны. Так, водород оказывается единственным элементом, не имеющим определенного места в периодической системе (его помещают и в Iа- и в VIIa-подргуппах, хотя «сходство» этого элемента со щелочными металлами или галогенами чисто формальное). Спорно размещение инертных газов в VIII группе вместе с элементами семейства железа и платиновыми металлами. До середины 1960-х гг., когда удалось синтезировать фториды ксенона, все инертные газы помещались в нулевой группе. И до сих пор только для ксенона и криптона получены более или менее устойчивые химические соединения, а для гелия и неона они едва ли могут быть получены, так что их размещение в нулевой группе было закономерным. Далее, существуют различные точки зрения относительно размещения в периодической системе элементов с Z > 89, т.е. тория, протактиния, урана и трансурановых элементов. Уподобление ряда актиноидов ряду лантаноидов (они расположены внизу таблицы друг под другом) с точки зрения современных достижений химии трансурановых элементов выглядит не очень убедительным. Можно сказать, свойства химических элементов настолько многообразны, что все особенности их периодического изменения невозможно непротиворечиво отразить в каком-либо универсальном варианте периодической системы.

 В настоящее время неизвестно конечное число элементов, охватываемых периодической системой. Пока удалось синтезировать лишь единичные атомы с Z = 116, которые «живут» сотые доли секунды. Столь же короткой продолжительностью жизни характеризуются и атомы с Z = 110 – 114. Поэтому даже не делалось попыток оценить их свойства. За этими элементами пока еще не закреплены определенные названия, и символы их в таблице отсутствуют. Предел синтеза новых тяжелых элементов неизвестен.