Периодический закон Д. И. Менделеева и распространенность элементов в природе

3) Сравнительный  метод

Суть  метода, который Д.И. называл сравнительным, состоит в том, что элементы рассматриваются  не изолированно, не сами по себе, а  в их общей взаимной связи и  в их взаимных отношениях. Уже на первых порах его применения сравнительный  метод дал громадный выигрыш, так как позволял не только сопоставлять разные группы элементов между собой, но и проверять, насколько их сопоставление  проведено правильно, а в связи  с этим, насколько правильно составлены и сами группы.

Будучи  исходным пунктом для разработки и применения сравнительного метода, сличение атомных весов подводило  непосредственно к формулировке самого периодического закона, основанной на признании, что «величина атомного веса определяет характер элемента…».

Развитие Д.И. сравнительного подхода к изучению элементов вылилось 17 февраля 1869 г. В конкретную задачу: составить общую систему и найти в ней естественное место для каждой группы, а тем самым для каждого отдельного элемента.

С одной  стороны, периодический закон был  открыт при помощи сравнительного метода, а с другой – его открытие явилось  мощным стимулом к дальнейшему совершенствованию  этого метода.

5. Периодическая система  и строение электронных оболочек  атомов элементов.

В дальнейшем было установлено, что  не только порядковый номер элемента имеет глубокий физический смысл, но и другие понятия, ранее рассмотренные ранее также постепенно приобретали физический смысл. Например, номер группы, указывая на высшую валентность элемента, выявляет тем самым максимальное число электронов атома того или иного элемента, которое может участвовать в образовании химической связи.

Номер периода, в свою очередь, оказался связанным с числом энергетических уровней, имеющихся в электронной  оболочке атома элемента данного  периода. Таким образом, например, „координаты" олова Sn (порядковый номер 50, 5 период, главная подгруппа IV группы), означают, что электронов в атоме олова 50, распределены они на 5 энергетических уровнях, валентными являются лишь 4 электрона.

Физический смысл нахождения элементов  в подгруппах различных категорий  чрезвычайно важен. Оказывается, что  у элементов, расположенных в  подгруппах I категории, очередной (последний) электрон располагается на s-подуровне  внешнего уровня. Эти элементы относят  к электронному семейству. У атомов элементов, расположенных в подгруппах II категории, очередной электрон располагается  на р-подуровне внешнего уровня. Это, элементы электронного семейства „р". Так, очередной 50-й электрон у атомов олова располагается на р-подуровне внешнего, т. е. 5-го энергетического уровня.  
У атомов элементов подгрупп III категории очередной электрон располагается на d-подуровне, но уже пред внешнего уровня, это элементы электронного семейства «d». У атомов лантаноидов и актиноидов очередной электрон располагается на f-подуровне, пред пред внешнего уровня. Это элементы электронного семейства «f».  
Не случайно, следовательно, отмеченные выше числа подгрупп этих 4-х категорий, то есть 2-6—10—14, совпадают с максимальными числами электронов на подуровнях s-p-d-f.  Но можно, оказывается, решить вопрос о порядке заполнения электронной оболочки и вывести электронную формулу для атома любого элемента и на основе периодической системы, которая с достаточной ясностью указывает уровень и подуровень каждого очередного электрона.

Периодическая система указывает  и на размещение одного за другим элементов  по периодам, группам, подгруппам и  на распределение их электронов по уровням и подуровням, потому что  каждому элементу соответствует  свой собственный, характеризующий  его последний электрон. В качестве примера разберем составление электронной  формулы для атома элемента циркония (Zr). Периодическая система дает показатели и „координаты" этого элемента: порядковый номер 40, период 5, группа IV, побочная подгруппа. Первые выводы: а) всех электронов 40, б) эти 40 электронов распределены на пяти энергетических уровнях; в) из 40 электронов только 4 являются валентными, г) очередной 40-й электрон поступил на d-подуровень пред внешнего, т. е. четвертого энергетического уровня.

Подобные выводы можно сделать  о каждом из 39 элементов, предшествующих цирконию, только показатели и координаты будут каждый раз иными.

Поэтому методический прием составления  электронных формул элементов на основе периодической системы и  состоит в том, что мы последовательно  рассматриваем электронные оболочка каждого элемента по пути к заданному, выявляя по его «координатам", куда направился в оболочке его очередной электрон. 
Первые два элемента первого периода водород Н и гелий Не относятся к s-семейству. Их электроны в числе двух поступают на s-подуровень первого уровня. Записываем:   Певый период на этом заканчивается, первый энергетический уровень также. Следующие по порядку два элемента второго периода - литий Li и бериллий Be находятся в главных подгруппах I и II групп. Это также s-элементы. Их очередные электроны расположатся на s подуровне 2-го уровня. Записываем  Далее следуют подряд 6 элементов 2-го периода: бор В, углерод С, азот N, кислород О, фтор F и неон Ne. Согласно местонахождению этих элементов в главных подгруппах Ш — Vl групп их очередные электроны в числе шести будут располагаться на р-подуровне 2-го уровня. Записываем:   Инертным элементом неоном второй период заканчивается, второй энергетический уровень также закончен. Далее следуют два элемента третьего периода главных подгрупп I и II групп: натрий Na и магний Mg. Это s-элементы и их очередные электроны располагаются на s-подуровне 3-го уровня   Затем идут шесть элементов 3-го периода: алюминий Аl, кремний Si, фосфор Р, сера S, хлор С1, аргон Аr. Согласно нахождению этих элементов в главных подгруппах III — УI групп их очередные электроны в числе шести расположатся на р-подуровне 3-го уровня —  Инертным элементом аргоном 3-й период закончен, но 3-й энергетический уровень еще не закончен, пока отсутствуют электроны на его третьем возможном d-подуровне.

Далее следуют 2 элемента 4-го периода  главных подгрупп I и II групп: калий К и кальций Са. Это снова s-элементы. Их очередные электроны будут находиться на s-подуровне, но уже 4-го уровня. Этим очередным электронам энергетически выгоднее начать заполнять более удаленный от ядра 4-й уровень, нежели заполнять подуровень 3d. Записываем:   Десять следующих элементов 4-го периода от № 21 скандия Sc до № 30 цинка Zn находятся в побочных подгруппах III — V — VI — VII — VIII — I — II групп. Так как все они являются d-элементами, то их очередные электроны располагаются на d-подуровне пред внешнего уровня т. е. третьего от ядра. Записываем: 

Следующие шесть элементов 4-го периода: галлий Ga, германий Ge, мышьяк As, селен Se, бром Вr, криптон Кr — находятся в главных подгруппах III — VIIJ групп. Их очередные 6 электронов располагаются на р-подуровне внешнего, т. е. 4-го уровня:   Рассмотрены 3б элементов; четвертый период закончен инертным элементом криптоном; закончен и 3-й энергетический уровень. Однако на 4 уровне полностью заполнены лишь два подуровня: s и р (из 4-х. возможных).  
Далее следуют 2 элемента 5-го периода главных подгрупп I и II групп: № 37 рубидий Rb и № 38 стронций Sr. Это элементы s-семейства, и их очередные электроны располагаются на s-подуровне 5-го уровня:   Последние 2 элемента — № 39 иттрий YU № 40 цирконий Zr — находятся уже в побочных подгруппах, т. е. принадлежат к d-семейству. Два их очередных электрона направятся на, d-подуровень, пред внешнего, т.е. 4-го уровня   Суммируя последовательно все записи, составляем электронную формулу для атома циркония № 40   Выведенную электронную формулу для атома циркония можно несколько видоизменить, расположив подуровни в порядке нумерации их уровней:

 
 Выведенную формулу можно, разумеется, и упростить, в распределение  электронов лишь по энергетическим уровням: Zr – 2|8| 18 |8 + 2| 2 (стрелкой указано место вступления очередного электрона; подчеркнуты валентные электроны). Физический смысл категории подгрупп заключается не только в различии места вступления очередного электрона в оболочку атома, но и в том, на каких уровнях расположены валентные электроны. Из сопоставления упрощенных электронных формул, например, хлора (3-й период, главная подгруппа VII группы), циркония (5-й период, побочная подгруппа IV группы) и урана (7-й период, подгруппа лантаноидно-актиноидная):

 
№17, С1—2|8|7

№40, Zr — 2|8|18|8+ 2| 2

№92, U — 2|8|18 | 32 |18 + 3|8 + 1|2  

Видно, что  у элементов любой главной  подгруппы валентными могут быть лишь электроны внешнего уровня (s и р). У элементов побочных подгрупп валентными могут быть электроны внешнего и частично пред внешнего уровня (s и d). У лантаноидов и особенно актиноидов валентные электроны могут находиться на трех уровнях: внешнем, пред внешнем и пред пред внешнем. Как правило, общее число валентных электронов равно номеру группы.

6. Распространение  химических элементов в природе

Из всех химических элементов в  природе найдено 88; такие элементы, как технеций Tc (порядковый номер 43), прометий Pm (61), астат At (85) и франций Fr (87), а также все элементы, следующие за ураном U (порядковый номер 92), впервые получены искусственно. Некоторые из них в исчезающе малых количествах обнаружены в природе.

Из химических элементов наиболее распространены в земной коре кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий,  железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99 % массы земной оболочки, так что на остальные элементы приходится менее 1 %. В морской воде, помимо кислорода и водорода — составных частей самой воды, высокое содержание имеют такие элементы, как хлор,  натрий,  магний,  сера, калий, бром и углерод. Массовое содержание элемента в земной коре называется кварковым числом или кварком элемента.

Содержание элементов в коре Земли отличается от содержания элементов в Земле, взятой как целое, поскольку химический состав коры, мантии и ядра Земли различны. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним идёт гелий. Исследование относительных распространённостей химических элементов и их изотопов в космосе является важным источником информации о процессах нуклеосинтеза и об эволюции Солнечной системы и небесных тел.

Заключение

В отличие  от своих предшественников, Менделеев  не только составил таблицу и указал на наличие несомненных закономерностей  в численных величинах атомных  весов, но и решился назвать эти  закономерности общим законом природы. Он взял на себя смелость на основании  предположения, что атомная масса  предопределяет свойства элемента, изменить принятые атомные веса некоторых  элементов и подробно описать  свойства неоткрытых ещё элементов.

Д.И. Менделеев на протяжении многих лет боролся за признание Периодического закона; его идеи получили признание только после того, как были открыты предсказанные Менделеевым элементы: галлий (П. Лекок де Буабодран, 1875), скандий (Л. Нильсен, 1879) и германий (К. Винклер1886) – соответственно экаалюминий, экабор и экасилиций. С середины 1880-х годов Периодический закон был окончательно признан в качестве одной из теоретических основ химии.

Хотя  классификация Менделеева и имела  значительные достоинства, которые  способствовали ее быстрому распространению  и превращению в руководящий  критерий для исследований в области  неорганической химии, она не была полностью  лишена недостатков. Первый недостаток таблицы заключался в том, что  водород, как одновалентный элемент  был помещен в начале I группы. Помещение элементов меди, серебра  и золота в I группе вместе со щелочными  металлами и в VIII группе вместе с  металлами группы железа и группы платины явно непоследовательно. Другие отклонения замечаются в VI, VII, и VIII группах.

Для того, чтобы периодическая система приобрела еще большую предсказательную силу и могла быть усовершенствована, имели значение работы по неорганической химии, проведенные в последние десятилетия XIX века. Толчком к пересмотру классификации послужили исследования редких земель, которые привели к выделению многих элементов, не поддававшихся обычному способу классификации, и к открытию благородных газов Рамзаем и Рэлеем

В начале XX века Периодическая система элементов  неоднократно видоизменялась для приведения в соответствие с новейшими научными данными. Д.И. Менделеев и У. Рамзай пришли к выводу о необходимости образования в таблице нулевой группы элементов, в которую вошли инертные газы. Инертные газы явились, таким образом, элементами, переходными между галогенами и щелочными металлами. Б. Браунер нашёл решение проблемы размещения в таблице редкоземельных элементов, предложив в 1902 г. помещать все РЗЭ в одну ячейку; в предложенном им длинном варианте таблицы шестой период таблицы был длиннее, чем четвёртый и пятый, которые в свою очередь длиннее, чем второй и третий периоды.