Связь принципа Паули и периодической системы Д.И. Менделеева

Министерство образования и науки  Российской Федерации

Пензенский  государственный университет архитектуры  и строительства

Институт экономики  и менеджмента

Кафедра «Физики» 

 

по  дисциплине

«Концепции  современного естествознания»

на  тему:

 

 

 

Выполнил: ст. гр. МО-22

Лязина Е.А.

Проверил: доцент

Саранцева С.С.

 

Пенза 2010

Содержание

Введение……………………………………………………………………………...3

1. Периодическая система Д.И. Менделеева…………………………………...4
1. Дмитрий Иванович Менделеев………………………………………………4
2. Формулировка периодического закона Д.И. Менделеева………………….5
3. Связь периодического закона и периодической системы со строением атомов………………………………………………………………………….6
4. Структура периодической системы Д.И. Менделеева……………………..9
5. Применение периодической таблицы Д.И. Менделеева………………….14
2. Принцип Паули……………………………………………………………….15
1. Вольфганг Паули…………………………………………………………….15
2. Принцип запрета Паули……………………………………………………..16
3. Эффект Паули………………………………………………………………..18
4. Принцип Паули в примерах………………………………………………...19
3. Связь принципа Паули и периодической системы Д.И. Менделеева….21

Заключение………………………………………………………………………….22

Библиографический список………………………………………………………..23

 

Введение

Цель написания  данного реферата – изучение периодической  системы Менделеева и принципа Паули.

Периодическая система элементов представляет собой классификацию химических элементов в соответствии с периодическим законом, устанавливающим периодическое изменение свойств химических элементов по мере увеличения их атомной массы, связанного с увеличением заряда ядра их атомов; поэтому заряд ядра атома совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе и называется атомным номером элемента. Периодическая система элементов оформляется в виде таблицы (периодическая таблица элементов), в горизонтальных рядах которой- периодах происходит постепенное изменение свойств элементов, а при переходе от одного периода к другому периодическое повторение общих свойств; вертикальные столбцы группы объединяют элементы со сходными свойствами. Периодическая система позволяет без специальных исследований узнать о свойствах элемента только на основании известных свойств соседних по группе или периоду элементов. Физические и химические свойства (агрегатное состояние, твёрдость, цвет, валентность, ионизация, стабильность, металличность или неметалличность и т.д.) можно предсказывать для элемента на основании периодической таблицы. Заполнение электронами энергетических состояний в атоме должно происходить в соответствии с принципом Паули

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Периодическая система Д.И. Менделеева

1. Дмитрий Иванович Менделеев

Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907гг) - русский химик. Родился в Сибири, в городе Тобольске, в семье был младшим из 17 детей. Детство Менделеева было нелёгким. Его отец, школьный учитель, ослеп, и матери, чтобы содержать семью, пришлось управлять стекольным заводом. Отец умер, когда Менделееву было 13 лет, затем сгорел завод, а после этого умерла мать. Свои научные знания мальчик почерпнул у мужа сестры.

Перед смертью мать определила Дмитрия в Педагогический институт в Санкт-Петербурге. Там Менделеев получил научную степень по химии и продолжил своё обучение во Франции и Германии. В Карлсруэ он встретил итальянского химика Станислава Канниццаро (Stanislao Cannizaro, 1826–1910), чья идея о разграничении понятий атомного и молекулярного веса произвела большое впечатление на русского ученого. Вернувшись в Санкт-Петербург, Менделеев в 1864 году стал профессором химии Технологического института.

Периодическая таблица, которую Менделеев составлял с конца 1860-х годов, не сразу получила признание, но впоследствии сделала его самым известным русским учёным. В 1890 году он высказался в поддержку студентов, выступавших за социальную реформу, за что был уволен из университета. Но больше всего судьба была несправедлива к Менделееву, когда в 1906 году ему не хватило всего одного голоса для получения Нобелевской премии в области химии. Премия досталась Анри Муассану (Henri Moissan, 1852–1907), которому удалось выделить фтор — всего лишь один химический элемент, в то время как Менделеев создал классификацию всех химических элементов.

 

1.2 Формулировка периодического закона Д. И. Менделеева.

 

Открытие периодического закона и разработка периодической  системы химических элементов Д. И. Менделеевым явились вершиной развития химии в XIX веке. Обширная сумма знаний о свойствах 63 элементов, известных к тому времени, была приведена в стройный порядок.

Д. И. Менделеев  считал, что основной характеристикой  элементов являются их атомные веса, и в 1869 г. впервые сформулировал  периодический закон: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

 Весь ряд элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, Менделеев разбил на периоды, внутри которых свойства элементов изменяются последовательно, разместив периоды так, чтобы выделить сходные элементы.

Однако, несмотря на огромную значимость такого вывода, периодический закон и система  Менделеева представляли лишь гениальное обобщение фактов, а их физический смысл долгое время оставался непонятным. Лишь в результате развития физики XX века — открытия электрона, радиоактивности, разработки теории строения атома — молодой, талантливый английский физик Г. Мозле установил, что величина зарядов ядер атомов последовательно возрастает от элемента к элементу на единицу. Этим открытием Мозле подтвердил гениальную догадку Менделеева, который в трех местах периодической таблицы отошел от возрастающей последовательности атомных весов.

Так, при ее составлении  Менделеев поставил ₂₇Со перед ₂₈Ni, ₅₂Tе перед ₅₃J, ₁₈Аr перед ₁₉К, несмотря на то, что это противоречило формулировке периодического закона, то есть расположению элементов в порядке увеличения их атомных весов.

Согласно закону Мозле заряды ядер данных элементов соответствовали положению их в таблице.

В связи с  открытием закона Мозле современная  формулировка периодического закона следующая: свойство элементов, а так же формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов.

 

 

 

1.3Связь периодического закона и периодической системы со строением атомов

 Итак, главной  характеристикой атома является  не атомная масса, а величина  положительного заряда ядра. Это  более общая точная характеристика  атома, а значит, и элемента. От  величины положительного заряда ядра атома зависят все свойства элемента и его положение в периодической системе. Таким образом, порядковый номер химического элемента численно совпадает с зарядом ядра его атома. Периодическая система элементов является графическим изображением периодического закона и отражает строение атомов элементов.

Теория строения атома объясняет периодическое  изменение свойств элементов. Возрастание  положительного заряда атомных ядер от 1 до 110 приводит к периодическому повторению у атомов элементов строения внешнего энергетического уровня. А поскольку от числа электронов на внешнем уровне в основном зависят свойства элементов; то и они периодически повторяются. В этом физический смысл периодического закона.                                        

В качестве примера можно рассмотреть изменение свойств у первых и последних элементов периодов. Каждый период в периодической системе начинается элементами, которые на внешнем уровне имеют один s-электрон (незавершенные внешние уровни) и потому проявляют сходные свойства — легко отдают валентные электроны, что обуславливает их металлический характер. Это щелочные металлы — Li, Na, К, Rb, Cs.

Заканчивается период элементами, атомы которых  на внешнем уровне содержат 2 (s²) электрона (в первом периоде) или 8 (s¹p⁶) электронов (во всех последующих), то есть имеют завершенный внешний уровень. Это благородные газы Не, Ne, Ar, Kr, Xe, имеющие инертные свойства.

Именно вследствие сходства строения внешнего энергетического  уровня похожи их физические и химические свойства.

 В каждом периоде с возрастанием порядкового номера элементов металлические свойства постепенно ослабевают и возрастают неметаллические, заканчивается период инертным газом.

В свете учения о строении атома становится понятным разделение всех элементов на семь периодов, сделанное Д. И. Менделеевым. Номер периода соответствует числу энергетических уровней атома, то есть положение элементов в периодической системе обусловлено строением их атомов. В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами, все элементы делят на четыре типа:

1.   s-элементы. Заполняется s-подуровень внешнего уровня (s¹ — s²). Сюда относятся первые два элемента каждого периода.

2.  р-элементы. Заполняется р-подуровень внешнего уровня (р¹ - p⁶)- Сюда относятся последние шесть элементов каждого периода, начиная со второго.

3.  d-элементы. Заполняется d-подуровень последнего уровня (d1 — d¹⁰), а на последнем (внешнем) уровне остается 1 или 2 электрона. К ним относятся элементы вставных декад (10) больших периодов, начиная с 4-го, расположенные между s- и p-элементами (их также называют переходными элементами).

4.  f-элементы. Заполняется f-подуровень глубинного (треть его снаружи) уровня (f¹ —f¹⁴), а строение внешнего электронного уровня остается неизменным. Это лантаноиды и актиноиды, находящиеся в шестом и седьмом периодах.

Таким образом, число элементов в периодах (2-8-18-32) соответствует максимально возможному числу электронов на соответствующих  энергетических уровнях: на первом —  два, на втором — восемь, на третьем  — восемнадцать, а на четвертом — тридцать два электрона. Деление групп на подгруппы (главную и побочную) основано на различии в заполнении электронами энергетических уровней. Главную подгруппу составляют s- и p-элементы, а побочную подгруппу — d-элементы. В каждой группе объединены элементы, атомы которых имеют сходное строение внешнего энергетического уровня. При этом атомы элементов главных подгрупп содержат на внешних (последних) уровнях число электронов, равное номеру группы. Это так называемые валентные электроны.                                                                                

У элементов  побочных подгрупп валентными являются электроны не только внешних, но и  предпоследних (вторых снаружи) уровней, в чем и состоит основное различие в свойствах элементов главных и побочных подгрупп.

Отсюда следует, что номер группы, как правило, указывает число электронов, которые  могут участвовать в образовании  химических связей. В этом заключается физический смысл номера групп.

 С позиций  теории строения атома легко объясняется возрастание металлических свойств элементов в каждой группе с ростом заряда ядра атома. Сравнивая, например, распределение электронов по уровням в атомах ₉F (1s² 2s² 2р⁵) и ₅₃J (1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 3d¹⁰ 4s² 4р⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁵) можно отметить, что у них по 6 электронов на внешнем уровне, что указывает на сходство свойств. Однако внешние электроны в атоме йода находятся дальше от ядра и поэтому слабее удерживаются. По этой причине атомы йода могут отдавать электроны или, иными словами, проявлять металлические свойства, что нехарактерно для фтора.

Итак, строение атомов обуславливает две закономерности:

а)  изменение  свойств элементов по горизонтали  — в периоде слева направо  ослабляются металлические и  усиливаются неметаллические свойства;

б)  изменение свойств элементов по вертикали — в группе с ростом порядкового номера усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические.

Таким образом: по мере возрастания заряда ядра атомов химических элементов периодически изменяется строение их электронных оболочек, что является причиной периодического изменения их свойств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Структура периодической системы Д. И. Менделеева.

Рис. 1 Периодическая таблица Менделеева

Периодическая система  Д. И. Менделеева подразделяется на семь периодов – горизонтальных последовательностей элементов, расположенных по возрастанию порядкового номера, и восемь групп – последовательностей элементов обладающих однотипной электронной конфигурацией атомов и сходными химическими свойствами.

 Первые три  периода называются малыми, остальные – большими. Первый период включает два элемента, второй и третий периоды – по восемь, четвёртый и пятый – по восемнадцать, шестой – тридцать два, седьмой (незавершённый) – двадцать один элемент.

Каждый период (исключая первый) начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом. Элементы 2 и 3 периодов называются типическими.