Строение атома. Периодическая таблица химических элементов Д.И.Менделеева

 Электронное  строение валентного слоя актиноидов  во многом напоминает электронное  строение валентного слоя лантаноидов. Все лантаноиды и актиноиды — типичные металлы.            

 Все  элементы III группы обладают очень  сильным сродством к кислороду,  и образование их оксидов сопровождается  выделением большого количества  теплоты.            

 Элементы III группы находят самое разнообразное применение.            

 Бор  был открыт Ж. Гей-Люссаком  и Л. Тенаром в 1808 г. Содержание  его в земной коре составляет 1,2·10^-3 %.            

 Соединения  бора с металлами (бориды) обладают  высокой твердостью и термостойкостью. Поэтому их используют для получения сверхтвердых и жаропрочных специальных сплавов. Большой термостойкостью обладают карбид и нитрид бора. Последний применяют в качестве высокотемпературной смазки. Кристаллогидрат тетрабората натрия Nа₂В₄O₇·10Н₂О (бура) имеет постоянный состав, его растворы применяют в аналитической химии для установления концентрации растворов кислот. Реакция буры с кислотой протекает по уравнению

Nа₂В₄O₇ + 2 НСl + 5 Н₂О = 2 NаСl + 4 Н₃ВО₃            

 Содержание  галлия в земной коре составляет 1,9·10^-3 %. Он был предсказан Д. И. Менделеевым (экаалюминий) и открыт французским химиком Р. Э. Лекок де Буабодраном в 1875 г. Свойства галлия почти полностью совпали со свойствами экаалюминия, предсказанными Д.И. Менделеевым на основе периодического закона.           

 Соединения  галлия с элементами VI группы (серой,  селеном, теллуром) являются полупроводниками. Жидким галлием наполняют высокотемпературные  термометры.            

 Индий  был открыт Т. Рихтером и  Ф. Райхом в 1863 г. Содержание его в земной хоре составляет 2,5·10^-5 %. Добавка индия к сплавам меди увеличивает устойчивость последних к действию морской воды. Присадка этого металла к серебру увеличивает блеск серебра и препятствует его тускнению на воздухе. Индиевые покрытия предохраняют металлы от коррозии. Он входит в состав некоторых сплавов, применяющихся в стоматологии, а также некоторых легкоплавких сплавов (сплав индия, висмута, свинца, олова и кадмия плавится при 47 °С). Соединения индия с различными неметаллами обладают полупроводниковыми свойствами.            

 Таллий  был открыт У. Круксом в 1861 г. Содержание его в земной  коре составляет 10^-4 %. Сплав таллия (10 %) с оловом (20 %) и свинцом (70 %) обладает очень высокой кислотоупорностью, он выдерживает действие смеси серной, соляной и азотной кислот. Таллий повышает чувствительность фотоэлементов к инфракрасному излучению, исходящему от нагретых предметов. Соединения таллия весьма ядовиты и вызывают выпадение волос.            

 Галлий, индий и таллий относятся к  рассеянным элементам. Содержание  их в рудах, как правило,  не превышает тысячных долей  процента.            

 Соединения  скандия, иттрия, лантана и лантаноидов  были известны еще в начале  Х1Х в. Чистый скандий был выделен Л. Ф. Нильсоном в 1879 г. Содержание этого элемента в земной коре составляет 10^-3 %. Иттрий был открыт Ю. Гадолином в 1794 г. Его содержание в земной коре составляет 2,9·10^-3 %. Содержание в земной коре лантана, открытого К. Г. Мосандером в 1839 г., составляет 4,9·10^-3 %. Применяются эти металлы в основном для получения специальных сплавов, обладающих специфическими электрическими и магнитными свойствами. Кроме того, лантаноиды используются для приготовления различных пирофорных составов, церий — для получения алюминиевых сплавов. Добавка церия увеличивает электропроводность алюминия и улучшает его механические свойства, облегчает прокатку вольфрама. Диоксид церия применяется при шлифовке оптического стекла.            

 К  семейству актиноидов относятся наиболее тяжелые элементы, следующие в периодической системе за актинием.            

 Из  актиноидов практическое применение  находят уран, торий и плутоний.            

 Уран  был открыт М. Г. Клапротом  в 1789. Содержание его в земной  коре составляет 2,5·10^-4 %. В природе уран встречается н виде трех изотопов: ²³⁸U — 99,285 %, ²³⁵U — 0,71 %, ²³⁴U — 0,005 %. Изотоп ²³⁵U способен самопроизвольно распадаться, Поэтому уран, используемый в реакторах в качестве ядерного горючего, обогащают с целью увеличения в нем содержания изотопа-235. Для этого изотопа существует понятие критической массы, при достижении которой начинается цепная реакция и происходит ядерный взрыв. Если масса ²³⁵U меньше критической, скорость реакции самопроизвольного распада можно регулировать. Это свойство ²³⁵U используется в ядерном реакторе. Соединения урана применяются также в качестве красителей в полиграфической и силикатной промышленности.            

 Диоксид  тория был открыт Й. Я. Берцелиусом  в 1828 г., но металлический торий  получен сравнительно недавно. Содержание тория в земной коре составляет 1,3·10^-3 %. Небольшие добавки этого металла к вольфраму увеличивают срок службы электроспиралей в лампах накаливания (торий поглощает газы, способствующие быстрому износу вольфрамовой нити). Диоксид тория применяется в медицине, а также при изготовлении некоторых катализаторов.            

 Плутоний  был открыт Г. Сиборгом, Э. Макмилланом,  Дж. Кеннеди и А. Валем в 1940 г. Содержание его в земной  коре ничтожно. Получают плутоний  из продуктов распада горючего ядерных реакторов. Используется он для тех же целей, что и уран-235. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Периодические свойства элементов

    По  мере накопления сведений о свойствах  химических элементов возникла настоятельная  необходимость их классификации. Ко времени открытия Д. И. Менделеевым периодического закона было известно уже более 60 элементов. Многие химики пытались разрабатывать систематику элементов. Этим занимались А. Э. Б. Шанкуртуа во Франции, Л. Ю. Мейер и И. В. Деберейнер в Германии, Дж. А. К. Ньюлендс в Англии и др. Так, Ньюлендс, размещая элементы в порядке возрастания их атомных масс, заметил, что химические свойства восьмого элемента подобны свойствам первого. Этой закономерности он дал название закон октав. Деберейнер составлял триады из сходных по химическим свойствам элементов и указывал, что в триадах атомная масса среднего элемента приблизительно равна среднему арифметическому атомных масс двух крайних элементов. Шанкуртуа разместил элементы в порядке возрастания их атомных масс по винтовой линии, описанной вокруг цилиндра. Сходные элементы при этом располагались друг под другом. Мейер, разместив элементы в порядке увеличения их атомных масс, получил шесть групп подобных элементов. Однако никто из названных исследователей не сумел за этими отдельными аналогиями увидеть один из основных законов химии. Задача была решена в 1869 г. великим русским учёным Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Открытый им периодический закон и созданная на его основе периодическая система элементов стали фундаментом современной химии.

    Изучая  свойства химических элементов, Д. И. Менделеев  пришёл к выводу, что многие свойства определяются атомной массой элементов. Поэтому в основу систематики  элементов он положил атомную  массу как "точное, измеримое и никакому сомнению не подлежащее" свойство. По мнению Менделеева, "масса вещества есть именно свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и атомными весами их, с другой стороны".

    Менделеев разместил все известные в  то время элементы в порядке возрастания  их атомных масс и обнаружил, что  в полученном ряду наблюдается периодичность  изменения свойств элементов. Например, в ряду от Li к F по мере увеличения атомной массы наблюдалось закономерное изменение химических свойств элементов и их соединений. Литий является типичным металлом, у следующего за ним элемента – бериллия – металлические свойства выражены уже значительно слабее. По величине атомной массы за бериллием идёт бор – элемент с неметаллическими свойствами. В ряду элементов от углерода до фтора происходит усиление неметаллических свойств, и фтор уже выступает как типичный неметалл. Следующий за фтором элемент – натрий – резко отличается по свойствам от фтора, но проявляет большое сходство с литием. При переходе от натрия к хлору вновь наблюдается постепенное ослабление металлических и нарастание неметаллических свойств. Периодически повторяются не только химические свойства элементов, но и формулы их соединений. Например, литий образует с кислородом соединение состава Li₂O; аналогичную формулу имеет соединение натрия с кислородом – Na₂O. Д. И. Менделеев сформулировал открытый им закон так: свойства простых тел, а также формулы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов.

    Первый  вариант периодической системы  элементов Менделеев опубликовал  в 1869 г. Все элементы он разместил  в порядке увеличения их атомных масс, однако с таким расчётом, чтобы подобные по свойствам элементы оказались друг над другом. Сходные элементы, вошедшие в один вертикальны ряд, Менделеев объединил в группы. Последовательность элементов, в пределах которой закономерно изменяются свойства элементов от типичного металла до типичного неметалла, была названа периодом.

    При составлении периодической системы  Менделеев, беря за основу атомные массы  элементов, не оставлял без внимания и их химические свойства. Так, в  некоторых случаях в таблице нарушен принцип расположения элементов по возрастанию их атомных масс. Например, теллур, атомная масса которого больше атомной массы йода, стоит перед йодом. В противном случае иод находился бы в одной группе с серой, а не с хлором, с которым он проявляет большое сходство. Так же поступил учёный с парой элементов калий – аргон. Атомная масса калия меньше атомной массы аргона, однако в таблице калий был помещён после аргона и оказался в одной группе с другими щелочными металлами.

    При составлении периодической системы Д. И. Менделееву пришлось преодолеть немало трудностей, связанных с тем, что одни элементы в то время ещё не были открыты, свойства других были мало изучены, атомные массы третьих были определены неправильно. Учёный глубоко верил в правильность открытого им закона, был твёрдо убеждён в том, что периодический закон отражает объективную реальность. На основании периодической системы он исправил атомные массы ряда элементов, предсказал существование в природе нескольких ещё не открытых элементов и даже описал свойства этих элементов и их соединений. Эти элементы были открыты в течение последующих пятнадцати лет: в 1875 г. П. Э. Лекок де Буабодран открыл элемент номер 31, назвав его галлием; в 1879 г. Л. Ф. Нильсон открыл элемент номер 21 и назвал его скандием; в 1886 году К. А. Винклер открыл элемент 32, который был назван германием.

    Менделеев предсказал физические и химические свойства этих трёх элементов на основании  свойств окружающих их в таблице  элементов. Например, атомную массу  и плотность элемента номер 21 он рассчитал как среднее арифметическое атомных масс и плотностей бора, иттрия, кальция и титана.

    Ниже  в качестве примера приведены  свойства элемента с порядковым номером 32 — германия, которые были предсказаны  Менделеевым и впоследствии экспериментально подтверждены Винклером.  

    Свойства  элемента № 32,                            Свойства германия, предсказанные Менделеевым в 1871 г            установленные опытным

                           путём в 1886 г.: 

    атомная масса — 72;                                    атомная масса — 72,6;

    серый тугоплавкий металл;                          серый тугоплавкий металл;

    плотность — 5,5 г/см³;                                  плотность — 5,35 г/см³;

    формула оксида — ЭО₂;                                формула оксида — GeO₂;

    плотность оксида — 4,7 г/см³;                      плотность оксида — 4,7 г/см³;

    хлорид  ЭCl₄ — жидкость;                             хлорид GeCl₄ — жидкость;

    плотность ЭCl₄ — 1,9 г/см³;                        плотность GeCl₄ — 1,887 г/см³;