Таблица Менделеева и ее порядок элементов

Узнайте, как работает таблица Менделеева и как ее эффективно использовать. Получите представление о количестве элементов, содержащихся в таблице, их уникальных свойствах и о том, как открытие периодического закона произвело революцию в области химии.

Периодическая таблица содержит все известные химические элементы, которые расположены в ячейках на основе их свойств и атомной структуры. Таблица состоит из строк, называемых периодами, и столбцов, называемых группами. Элементы расположены в порядке возрастания атомного номера, то есть числа протонов в ядре атома этого элемента. Каждый элемент представлен уникальным символом и именем, а его положение в таблице дает информацию о его физических и химических свойствах, таких как его атомная масса, электронная конфигурация и реакционная способность. Периодическая таблица является фундаментальным инструментом для понимания химии и играет важную роль в предсказании поведения и свойств вновь открытых элементов.

Периодический закон

Периодический закон возник в середине 19 века, когда ученые стремились закрепить полученные ими знания о физических и химических свойствах различных элементов и их соединений. Исследователи разных стран пытались классифицировать элементы на основе сходства состава и свойств веществ, которые они составляют, но их системы не смогли охватить все известные элементы.

Для решения этой проблемы молодой русский профессор Д. И. Менделеев собирал и систематизировал данные о свойствах элементов и их соединений, уточняя их в ходе многочисленных опытов. Используя собранные данные, он записал информацию о каждом элементе на карточках, разложил их на столе и несколько раз переставил, чтобы создать логическую систему. Обширные научные исследования Менделеева привели его к выводу, что свойства элементов и их соединений изменяются с увеличением атомной массы не монотонно, а периодически.

Таким образом было сделано открытие периодического закона, который ученый выразил так: «Характеристики элементов, а следовательно, и свойства как простых, так и сложных субстанций, которые они составляют, обнаруживают повторяющуюся закономерность, зависящую от их атомного веса».

Почти за 30 лет до того, как ученые поняли строение атома, Менделеев сделал свое открытие. Открытия в атомной физике позволили понять, что свойства элемента определяются количеством электронов, а не его атомной массой. Это привело к пересмотру формулировки закона:

Менделеев продемонстрировал этот принцип в таблице, содержащей все 63 известных химических элемента в то время.

При создании таблицы ученый предпринял несколько смелых шагов:

1. Менделеев смог с помощью серии экспериментов определить, что некоторым элементам были присвоены неправильные атомные массы, и в результате он изменил их значения в соответствии с предложенной им системой.
2. Кроме того, таблица, созданная Менделеевым, содержала пробелы, преднамеренно оставленные для включения будущих элементов, свойства которых он подробно предсказал.

Поначалу открытие, сделанное русским химиком, было встречено мировым научным сообществом скептически. Однако химические элементы, которые он предсказал, в конце концов были обнаружены, включая галлий, скандий и германий. Это развеяло любые сомнения в точности системы Менделеева, которая навсегда произвела революцию в области науки. Вместо того, чтобы проводить серию сложных и иногда невыполнимых экспериментов, достаточно было просто взглянуть на таблицу.

Теперь давайте рассмотрим структуру Периодической таблицы элементов Менделеева и способы ее использования.

Состав периодической таблицы элементов

Периодическая таблица элементов Менделеева в настоящее время включает 118 химических элементов. Каждый элемент организован в соответствии с его атомным номером, который указывает количество протонов в его ядре, а также количество электронов, вращающихся вокруг него. По мере увеличения атомного номера количество протонов в ядре каждого элемента также увеличивается на один.

Периодическая таблица состоит из семи рядов, называемых периодами. Элементы одного периода имеют одинаковое количество энергетических уровней, заполненных электронами.

Столбцы периодической таблицы называются группами. Элементы одной группы имеют одинаковое количество электронов на внешнем энергетическом уровне своих атомов. В упрощенной версии таблицы, обычно используемой в школьных учебниках, элементы разделены на восемь групп. Каждая группа далее подразделяется на основные (A) (они расположены ближе к левому краю ячейки) и побочные (B) (ближе к правому краю ячейки) подгруппы на основе схожих химических свойств, присущих элементам.

Каждый химический элемент идентифицируется уникальной комбинацией одной или двух латинских букв. В верхнем левом углу ячейки элемента обычно отображается его атомный номер, который соответствует количеству протонов, присутствующих в его ядре. Кроме того, относительная атомная масса элемента указана в его ячейке, представляя объединенную массу его протонов и нейтронов. Поскольку это среднее значение, часто дробное число отражает изотопное содержание элемента в природе.

Итак, каждая ячейка периодической таблицы представляет уникальный химический элемент и содержит информацию о свойствах этого элемента. В частности, каждая ячейка содержит следующую информацию:

• Символ элемента: это однобуквенная или двухбуквенная аббревиатура, представляющая имя элемента. Например, «H» — это символ водорода, «He» — гелия, «O» — кислорода и «Na» — натрия.
• Атомный номер: это количество протонов в ядре атома этого элемента. Он представлен символом «Z» и определяет положение элемента в периодической таблице.
• Название элемента — часто полученное от его первооткрывателя, места открытия или характерного свойства. Например, «S» означает серу, «Ca» — кальций, а «Ar» — аргон.
• Атомная масса: это масса атома элемента, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Это сумма количества протонов и нейтронов в ядре атома.
• Электронная конфигурация: описывает расположение электронов на различных энергетических уровнях или орбиталях вокруг ядра атомов элемента. Его часто представляют серией цифр и букв, которые указывают количество электронов на каждой орбитали.
• Химические свойства: это характерные свойства элемента, такие как его реакционная способность, температуры плавления и кипения, электроотрицательность и другие физические и химические характеристики, определяющие поведение элемента в химических реакциях.

Но иногда бывает и сокращенный вариант записи, когда пишется только символ, порядковый номер, атомная масса и название элемента.

Чтобы определить количество нейтронов, присутствующих в ядре элемента, необходимо вычесть атомный номер (порядковый номер) из массового числа (относительной атомной массы).

Характеристики периодической таблицы элементов

Расположение химических элементов в периодической таблице позволяет сравнивать как их атомные массы, так и химические свойства.

Металлические и неметаллические свойства

Элементы в левой части периодической таблицы обычно представляют собой металлы, а элементы в правой части — неметаллы. Металлические свойства элементов обычно увеличиваются справа налево по периоду и сверху вниз внутри группы, тогда как неметаллические свойства увеличиваются в противоположном направлении. Это означает, что металлы обычно имеют блеск, пластичны, хорошо проводят тепло и электричество, в то время как неметаллы обычно хрупкие и плохо проводят тепло и электричество.

Электропроводность

Электропроводность элементов связана с их металлическими свойствами. Металлы являются хорошими проводниками электричества, а неметаллы — нет. По мере продвижения по периоду слева направо электропроводность элементов обычно уменьшается. Внутри группы электропроводность обычно увеличивается сверху вниз.

Атомный радиус

Атомный радиус элементов — это расстояние между ядром атома и его самым внешним электроном. Когда мы движемся по периоду слева направо, атомный радиус обычно уменьшается. Это связано с тем, что количество протонов в ядре увеличивается, что приводит к более сильному притяжению между ядром и электронами в самой внешней оболочке. Внутри группы радиус атома обычно увеличивается сверху вниз за счет добавления новых электронных оболочек.

Энергия ионизации

Энергия ионизации — это количество энергии, необходимое для удаления электрона из атома или иона. При движении по периоду слева направо энергия ионизации обычно увеличивается. Электроны крепче удерживаются ядром, что затрудняет их удаление. Внутри группы энергия ионизации обычно уменьшается сверху вниз, потому что самые внешние электроны находятся дальше от ядра и испытывают более слабое притяжение.

Элементы периодической таблицы Менделеева

По расположению элемента в периоде можно определить, является ли он металлом или неметаллом. Металлы расположены в нижнем левом углу таблицы, а неметаллы — в верхнем правом углу. Между этими двумя группами находятся полуметаллы. Каждый период, кроме первого, начинается с щелочного металла и завершается инертным газом.

Щелочные металлы

В группу 1 периодической таблицы входят щелочные металлы. Эти элементы, отличающиеся своим серебристым внешним видом (за исключением цезия, имеющего золотистый оттенок) и мягкой текстурой, можно резать обычным ножом. Из-за того, что в их самом внешнем электронном слое есть только один электрон, они очень реактивны.

Щелочные металлы менее плотны, чем вода, и легко реагируют с ней, образуя щелочь и водород. Реакция настолько интенсивна, что может даже вызвать воспламенение или взрыв водорода. Металлы также очень реагируют с кислородом воздуха и должны храниться под слоем керосина (или вазелина в случае лития), чтобы предотвратить дальнейшие реакции.

Щелочноземельные металлы

Щелочноземельные металлы, которые относятся ко второй группе и главной подгруппе (IIA), имеют два электрона на внешнем энергетическом уровне атома. Несмотря на сходство с другими щелочноземельными металлами, бериллий и магний часто исключаются из этой категории.

Как и металлы первой группы главной подгруппы, щелочноземельные металлы также обладают серебристым оттенком и обладают способностью взаимодействовать с другими элементами, хотя и не так легко.

Щелочноземельные металлы имеют более высокую температуру плавления, чем щелочные металлы.

Жесткость воды определяется наличием ионов магния и кальция, которые являются щелочноземельными металлами.

Лантаноиды и актиноиды

Несколько металлов, структурно сходных по своим крайним энергетическим уровням и химическим свойствам, находятся в третьей группе боковой подгруппы IIIB шестого и седьмого периодов. Эти элементы имеют электроны, которые начинают заполнять третий уровень с самого внешнего электронного слоя, и их обычно называют лантаноидами и актиноидами. Для облегчения их изучения эти элементы размещены ниже основной таблицы.

Лантаноиды

Элементы, известные как лантаноиды, иногда называют «редкоземельными» из-за их обнаружения в редких количествах в необычных минералах и их неспособности образовывать независимые руды.

Лантаноиды — это группа химических элементов, которые расположены в первой строке  дополнительного блока периодической таблицы. Эта группа включает пятнадцать элементов, начиная с атомного номера 57 (лантан) и заканчивая 71 (лютеций). Эти элементы схожи по электронной конфигурации, физическим и химическим свойствам. Они также похожи в том, как они реагируют с другими элементами.

Одной из основных характеристик лантаноидов является их способность образовывать стабильные комплексы с другими соединениями. Это делает их полезными в катализе, химическом синтезе и других промышленных процессах. Кроме того, они используются в производстве магнитов, аккумуляторов и других электронных компонентов. Лантаноиды также необходимы в производстве люминофоров, которые используются в флуоресцентном освещении и компьютерных экранах.

Несмотря на свое название, лантаноиды на самом деле не редкость, а скорее встречаются в небольших количествах в различных минералах. Их часто трудно извлечь из-за их химических свойств и сложных процессов, связанных с их очисткой.

Актиноиды

Радиоактивность является основной характеристикой актинидов. За исключением урана, почти все актиноиды не встречаются в природе и создаются искусственно.

Актиниды представляют собой группу химических элементов, принадлежащих к ряду актинидов, который является частью более крупной группы элементов, известных как редкоземельные металлы. К актиноидам относятся элементы с атомными номерами от 89 до 103, начиная с актиния и заканчивая лоуренсием. Эти элементы также называют «актиноидами» или «актинидами».

Все актиниды радиоактивны, и многие из них имеют относительно короткий период полураспада, а это означает, что они быстро распадаются на другие элементы. Это делает их важными в ядерной физике и ядерной технике.

Многие актиниды также известны своими уникальными химическими свойствами. Например, большинство актинидов обладают способностью образовывать комплексы с другими элементами, что может иметь важное значение в таких областях, как катализ, органическая химия и биохимия.

Наиболее известным актинидом является уран, который обычно используется в ядерных реакторах в качестве топлива для производства электроэнергии. Другие важные актиниды — это плутоний, америций и кюрий, которые использовались в ядерной технике и в качестве источника энергии для космических зондов и других космических аппаратов.

Переходные металлы

Переходные металлы относятся к элементам вторичных подгрупп, за исключением лантаноидов и актиноидов.
Они соответствуют общепринятому восприятию металлов как твердых (за исключением жидкой ртути), обладающих высокой плотностью, обладающих характерным блеском и хорошо проводящих тепло и электричество. Эти металлы обладают валентными электронами, расположенными на их внешнем и предпоследнем энергетических уровнях.

Неметаллы

Перед инертными газами в правом верхнем углу периодической таблицы можно найти неметаллы. Известно, что неметаллы являются неадекватными проводниками тепла и электричества, и они способны существовать в трех различных состояниях материи — твердом (например, углерод или кремний), жидком (например, бром) и газообразном (например, кислород и азот).

Водород, с другой стороны, обладает способностью проявлять как неметаллические, так и металлические свойства, поэтому он классифицируется как в первой, так и в седьмой группах периодической таблицы.

Подгруппа углерода

Углеродная подгруппа, также известная как главная подгруппа (IVA), включает в себя четвертую группу элементов. Неметаллы углерод и кремний обладают схожими свойствами, тогда как германий и олово имеют промежуточные характеристики, а свинец признан преимущественно металлическим. Углерод имеет разнообразные аллотропные формы, представляющие собой разновидности чистых веществ, различающихся по своему строению, таких как графит, алмаз, фуллерит и другие.

В большинстве элементов подгруппы углерода преобладают полупроводники, то есть они проводят электричество через примеси, но их характеристики слабее, чем у металлов. Полупроводниковые компоненты, в том числе транзисторы, диоды, процессоры и другие, создаются с использованием графита, германия и кремния.

Подгруппа азота

Пятая группа элементов, известная как подгруппа азота или пниктогены, относится к основной подгруппе VA. Во время химических реакций эти элементы обладают способностью отдавать и принимать электроны для достижения стабильного внешнего энергетического уровня.

Физические свойства элементов подгруппы азота различаются. Азот существует в виде бесцветного газа. Фосфор — это мягкий материал, который может принимать различные формы, такие как белый, красный и черный фосфор. Мышьяк — полуметаллический элемент, обладающий способностью проводить электричество. Висмут — блестящий металл с блестящей переливающейся поверхностью.

Азот – самый распространенный газ в атмосфере Земли. Хотя некоторые элементы подгруппы азота, такие как фосфор, мышьяк и висмут, могут быть токсичными для человека, они также являются важными питательными веществами для роста растений и содержатся в большинстве удобрений. Азот и фосфор играют жизненно важную роль в формировании белков и нуклеиновых кислот, которые являются строительными блоками живых организмов.

Подгруппа кислорода

Халькогены, также известные как кислородная подгруппа, являются элементами шестой группы главной подгруппы (VIA). Этим элементам требуется всего два электрона для завершения их внешнего электронного уровня, в результате чего они проявляют сильные окислительные (неметаллические) свойства. Однако по мере перехода от кислорода к полонию эти свойства постепенно ослабевают.

Кислород принадлежит к группе элементов, имеющих две аллотропные формы — кислород и озон. Озон — это газ, образующий в атмосфере планеты защитный слой, ограждающий живые организмы от жесткого космического излучения.

Кислород и сера могут легко образовывать прочные соединения с металлами, такими как оксиды и сульфиды. Эти соединения металлов часто встречаются в составе руд.

Галогены

Группа VIIA, также известная как седьмая группа и основная подгруппа, включает галогены, группу неметаллических элементов, которые имеют семь электронов на внешней оболочке. Галогены являются очень реакционноспособными и сильными окислителями, и они названы в честь их склонности к образованию солей при взаимодействии с металлами. Хлор, например, входит в состав поваренной соли.

Из всех галогенов фтор наиболее реакционноспособен. Он настолько силен, что может расщеплять даже молекулы воды, чем и объясняется его устрашающее название (слово «фтор» в переводе на русский язык означает «разрушающий»). Йод, близкий родственник фтора, используется в медицине в виде спиртового раствора для обработки ран.

Инертные газы

Элементы последней группы главной подгруппы (VIIIA) называются инертными газами. Они имеют полностью заполненную внешнюю электронную оболочку и не склонны к участию в реакциях. На самом деле их иногда называют «благородными» газами, намекая на представителей высшего общества, которые избегают контактов с другими.

Инертные газы обладают уникальным свойством: они излучают свет при воздействии электромагнитного излучения. В результате они обычно используются в производстве ламп. Например, неон используется для создания светящихся вывесок и рекламы, а ксенон используется в автомобильных фарах и фонариках.

Несмотря на свой крошечный размер, гелий имеет массу, которая всего в два раза больше массы молекулы водорода. Однако, в отличие от водорода, он не взрывоопасен и может использоваться для надувания воздушных шаров.