Періодична Система: класифікація хімічних елементів

У першій половині 19 століття з'явилися різні спроби систематизувати елементи і об'єднати метали в періодичній системі. Саме в цей історичний період виникає такий метод дослідження, як хімічний аналіз.

З історії відкриття періодичної системи елементів

Використовуючи подібну методику визначення специфічних хімічних властивостей, вчені того часу спробували поєднувати в групи елементи, керуючись їх кількісною характеристикою, а також атомною вагою.

Використання атомної ваги

Так, В. В. Дуберейнер в 1817 році визначив, що у стронцію атомний вага аналогічний відповідним показникам барію і кальцію. Також йому вдалося з'ясувати, що між властивостями барію, стронцію і кальцію існує досить багато спільного. На підставі цих спостережень знаменитий хімік склав так звану тріаду елементів. У подібні групи були об'єднані та інші речовини:

сірка, селен, телур;

хлор, бром, йод;

літій, натрій, калій.

Класифікація за хімічним властивостям

Л. Гмелін в 1843 році запропонував таблицю, в якої розставив подібні за хімічними властивостями елементи в строгому порядку. Азот, водень, кисень він вважав основними елементами, цей хімік помістив за межами своєї таблиці. Під киснем їм були розставлені тетради (по 4 знаки) і пентади (5 знаків) елементів. Метали в періодичній системі були поставлені по термінології Берцеліуса. За задумом Гмеліна, всі елементи були встановлені по зменшенню електронегативності властивостей усередині кожної підгрупи періодичної системи.

Об'єднання елементів по вертикалі

Олександр Еміль де Шанкуртуа в 1863 році всі елементи поставив за зростанням атомних ваг на циліндр, розділивши його на декілька вертикальних смуг. В результаті такого ділення на вертикалях розташувалися елементи, що володіють подібними фізичними і хімічними властивостями.

Закон октав

Д. Ньюлендс виявив у 1864 році досить цікаву закономірність. При розташуванні хімічних елементів за зростанням їх атомних ваг у кожного восьмого елемента виявляється схожість з першим. Подібний факт Ньюлендс назвав законом октав (восьми нот). Його періодична система була досить умовно, тому задумку наглядової вченого стали називати «октавній» версією, пов'язуючи з музикою. Саме варіант Ньюлендса був найбільш близький до сучасної структурі ПС. Але за згаданим законом октав тільки 17 елементів зберігали свої періодичні властивості, у решти ж знаків подібної закономірності не виявлялося.

Таблиці Одлинга

У. Одлинг представив відразу кілька варіантів таблиць елементів. У першій версії, створеної в 1857 році, він запропонував розділити їх на 9 груп. У 1861 році хімік вніс деякі корективи у початковий варіант таблиці, об'єднавши в групи знаки, що мають подібні хімічні властивості. Варіант таблиці Одлинга, запропонований в 1868 році, передбачав розташування елементів за зростанням 45 атомних ваг. До речі, саме ця таблиця надалі стала прототипом періодичної системи Менделєєва Д. І

Поділ за валентності

Л. Мейєр у 1864 році запропонував таблицю, яка включала 44 елемента. Вони були розміщені в 6 стовпчиках, згідно валентності за воднем. В таблиці було одразу дві частини. Основна об'єднувала шість груп, включала в себе 28 знаків за зростанням атомних ваг. В її структурі проглядалися пентади і зошити з подібних зі хімічними властивостями символів. Залишилися елементи Мейер розмістив у другу таблицю.

Внесок Д. І. Менделєєва у створення таблиці елементів

Сучасна періодична система елементів Менделєєва Д. І. з'явилася на основі таблиць Майєра, складених в 1869 році. У другій версії Майєр розставив розділові по 16 групам, помістив елементи пентадами і тетрадами, враховуючи відомі хімічні властивості. А замість валентності їм використовувалася проста нумерація для груп. Не було в ній бору, торію, водню, ніобію, урану. Будова періодичної системи в тому вигляді, який представлений у сучасних редакціях, з'явилося не відразу. Можна виділити три основні етапи, протягом яких було створено періодична система:

Перша версія таблиці була представлена на структурних блоках. Простежувався періодичний характер зв'язку між властивостями елементів і значеннями їх атомних ваг. Даний варіант класифікації знаків Менделєєв запропонував у 1868-1869 рр.

Вчений відмовляється від початкової системи, так як вона не відображала критеріїв, за якими б елементи потрапляли в певний стовпець. Він пропонує розміщувати знаки за подібністю хімічних властивостей (лютий 1869 р.)

У 1870 році Дмитром Менделєєвим була представлена науковому світу сучасна періодична система елементів.

Версія російського хіміка враховувала положення металів у періодичній системі, особливості властивостей неметалів. За ті роки, що пройшли з моменту першої редакції геніального винаходу Менделєєва, таблиця не зазнала будь-яких серйозних змін. А на тих місцях, що були пустими за часів Дмитра Івановича, з'явилися нові елементи, відкриті вже після його смерті.

Особливості таблиці Менделєєва

Чому ж вважається, що описувана система - періодична? Це пояснюється особливостями будови таблиці. Всього в ній міститься 8 груп, причому в кожній є дві підгрупи: головна (основна) і побічна. Виходить, що всього підгруп 16. Розташовуються вони вертикально, тобто зверху вниз. Крім того, в таблиці є і горизонтальні ряди, які називаються періодами. Вони також мають свій додатковий поділ на малі та великі. Характеристика періодичної системи передбачає облік розташування елемента: його групу, підгрупу і період.

Як змінюються властивості в головних підгрупах

Всі основні підгрупи в таблиці Менделєєва починаються елементами другого періоду. У знаків, що належать до однієї головної підгрупи, кількість зовнішніх електронів однакове, а от відстань між останніми електронами і позитивним ядром змінюється. Крім того, зверху в них відбувається і збільшення атомної ваги (відносної атомної маси елемента. Саме цей показник є визначальним фактором при виявленні закономірності зміни властивостей всередині головних підгруп. Так як радіус (відстань між позитивним ядром і зовнішніми негативними електронами) в основній підгрупі збільшується, неметалічні властивості (здатність в ході хімічних перетворень приймати електрони) знижується. Що стосується зміни металевих властивостей (віддачі електронів інших атомів), то вона буде зростати. Використовуючи періодичну систему, можна порівнювати між собою властивості різних представників однієї головної підгрупи. В той час, коли Менделєєвим створювалася система періодична, ще не було відомостей про будову речовини. Дивним є той факт, що після того як виникла теорія будови атома, що вивчається в освітніх школах та профільних хімічних ВУЗах і в даний час, вона підтвердила гіпотезу Менделєєва, а не спростувала його припущення щодо розстановки атомів всередині таблиці. Электроотрицательность в головних підгрупах до низу зменшується, тобто чим нижче в групі розташований елемент, тим його здатність приєднувати атоми буде менше.

Зміна властивостей атомів у побічних підгрупах

Так як у Менделєєва система періодична, то зміна властивостей у таких підгрупах відбувається в зворотній послідовності. В такі підгрупи входять елементи, починаючи з 4 періоду (представники d і f сімейств). До низу в цих підгрупах знижуються металеві властивості, а ось кількість зовнішніх електронів однаково у всіх представників однієї підгрупи.

Особливості будови періодів в ПС

Кожен новий період, за винятком першого, у таблиці російського хіміка починається активним лужним металом. Далі поставлені амфотерні метали, що проявляють у хімічних перетвореннях двоїсті властивості. Потім є кілька елементів з неметалічними властивостями. Завершується період інертним газом (металоїд, практичний, не виявляє хімічної активності). Враховуючи, що періодична система, в періодах відбувається зміна активності. Зліва направо буде зменшуватися відновна активність (металеві властивості), збільшуватися окислювальна активність (неметалічні властивості). Таким чином, найяскравіші метали в періоді розташовуються зліва, а неметали праворуч. У великих періодах, що складаються з двох рядів (4-7), також проявляється періодичний характер, але за наявності представників d або f родини, металевих елементів в ряду набагато більше.

Назви головних підгруп

Частина груп елементів, наявних в таблиці Менделєєва, отримала свої власні назви. Представників першої групи А підгрупи називають лужними металами. Подібного назвою метали зобов'язані своєї активності з водою, в результаті чого утворюються їдкі луги. Другу групу А підгрупу вважають лужно-земельними металами. При взаємодії з водою, такі метали утворюють оксиди, їх колись називали землями. Саме з того часу і закріпилося за представниками даної підгрупи подібне найменування. Неметали підгрупи кисню іменують халькогенами, а представників 7 групи називають галогенами. 8 А підгрупа отримала назву інертних газів з-за своєї мінімальної хімічної активності.

ПС в шкільному курсі

Для школярів зазвичай пропонується варіант таблиці Менделєєва, в якому крім груп, підгруп, періодів, також зазначаються і формули вищих летючих сполук і вищих оксидів. Подібна хитрість дозволяє формувати у студентів навички по складанню вищих оксидів. Досить підставити замість елемента знак представника підгрупи, щоб отримати готовий вищий оксид. Якщо уважно подивитися на загальний вигляд летких водневих сполук, то видно, що вони характерні тільки для неметалів. В 1-3 групах стоять прочерки, так як типовими представниками цих груп є метали. Крім того, у деяких шкільних підручниках хімії у кожного знака вказують схему розподілу електронів по енергетичних рівнях. Даної інформації не існувало в період роботи Менделєєва, подібні наукові факти з'явилися набагато пізніше. Можна побачити і формули зовнішнього електронного рівня, за якою легко здогадатися, до якого сімейства віднести даний елемент. Такі підказки неприпустимі на екзаменаційних сесіях, тому випускникам 9 та 11 класів, які вирішили продемонструвати свої хімічні знання на ОГЕ або ЄДІ, дають класичні чорно-білі варіанти періодичних таблиць, в яких відсутні відомості про будову атома, формули вищих оксидів, складі летких водневих з'єднаннях. Подібне рішення цілком логічно і зрозуміло, адже для тих школярів, що вирішили йти по стопах Менделєєва і Ломоносова, не складе труднощів скористатися класичною версією системи, їм підказки просто не потрібні. Саме періодичний закон і система Д. І. Менделєєва відіграли важливу роль у подальшому розвитку атомно-молекулярного вчення. Після створення системи вчені почали приділяти більше уваги вивченню складу елемента. Таблиця допомогла уточнити деякі відомості про простих речовинах, а також про характер та властивості тих елементів, які ними утворюються. Сам Менделєєв припускав, що незабаром будуть відкриватися нові елементи, і передбачив положення металів у періодичній системі. Саме після появи останньої, хімії почалася нова ера. Крім того, було дано серйозний старт для формування множини суміжних наук, які пов'язані з будовою атома та перетвореннями елементів.