Классификация элементов и периодичность в свойствах

В химии мощный способ понять огромное разнообразие элементов — это классифицировать их в разные группы с похожими свойствами. Эта классификация помогает понять сложности элементов в простой форме, используя периодическую таблицу. Давайте углубимся в этот интересный мир классификации элементов и периодичности.

Историческая перспектива

В начале XIX века ученые начали распознавать закономерности в свойствах элементов. Именно Дмитрий Менделеев расположил эти элементы в таблицу на основе их атомных масс, что позволило предсказать существование и свойства элементов, которые еще не были открыты. Это было предшественником современной периодической системы.

Современная периодическая таблица

Современная периодическая таблица — это расположение элементов, в котором элементы упорядочиваются по возрастанию атомного номера. Таблица структурирована в строки и столбцы, известные как периоды и группы соответственно.

Период

Каждая горизонтальная строка в периодической таблице называется периодом. Всего существует 7 периодов. Элементы в одном периоде имеют одинаковое количество электронных оболочек. Например, второй период включает такие элементы, как литий (Li), бериллий (Be) и бор (B), все из которых имеют две электронные оболочки.

Группа

Столбцы в периодической таблице называются группами. Элементы в одной группе имеют сходные химические свойства, поскольку у них одинаковое количество электронов на внешней оболочке. Например, элементы в 1 группе, известной как щелочные металлы, включают литий (Li), натрий (Na) и калий (K), все из которых имеют один электрон на внешней оболочке.

Блоки периодической таблицы

Периодическая таблица делится на блоки на основе электронных конфигураций атомов. Эти блоки представляют заполненные внешние электронные подуровни.

S-блок элементов

Сюда входят элементы групп 1 и 2, известные как щелочные и щелочноземельные металлы соответственно. Их внешние электроны входят в s-подуровень.

P-блок элементов

Эти элементы включают элементы с 13 по 18 группы, у которых внешние электроны входят в p-подуровень. Этот блок включает металлы, неметаллы и металлоида, такие как бор (B), углерод (C), азот (N) и т.д.

D-блок элементов

Также известные как переходные металлы, эти элементы имеют свои последние электроны, входящие в d-подуровень. Это включает элементы, такие как железо (Fe), медь (Cu) и цинк (Zn).

F-блок элементов

Эти элементы, известные как внутренняя переходная серия, включают лантаноиды и актиноиды, у которых электроны заполняют f-подуровни. Примеры включают уран (U) и торий (Th).

Периодичность в свойствах

Термин периодичность относится к повторяющимся тенденциям, наблюдаемым в свойствах элементов. Эти свойства непосредственно связаны с электронной конфигурацией атомов. Давайте рассмотрим некоторые из основных периодических тенденций:

Атомный радиус

Атомный радиус — это расстояние от ядра атома до его внешней электронной оболочки. Слева направо по периоду, атомный радиус уменьшается из-за увеличения ядерного заряда, который притягивает электроны ближе. Однако по группе вниз атомный радиус увеличивается, так как добавляются новые электронные оболочки.

Слева направо размер атома уменьшается, что показано в визуальной иллюстрации выше.

Энергия ионизации

Энергия ионизации — это энергия, необходимая для удаления электрона из атома в газообразном состоянии. Эта энергия увеличивается по периоду из-за большего ядерного заряда, который делает более сложным удаление электрона. Энергия ионизации уменьшается, так как мы идем по группе вниз, поскольку электроны находятся дальше от ядра.

Электронное сродство

Это изменение энергии, которое происходит, когда электрон добавляется к нейтральному атому. По периоду электронное сродство, как правило, увеличивается, тогда как по группе вниз оно уменьшается.

Электроотрицательность

Электроотрицательность — это мера способности атома привлекать электроны и образовывать связи с ними. Она увеличивается по периоду и уменьшается по группе. Элементы, такие как фтор (F), имеют высокую электроотрицательность.

Примеры периодических тенденций

Пример 1: Сравнение атомных размеров

Рассмотрим элементы кислород (O) и сера (S). Кислород находится в той же группе, что и сера, и в более высоком периоде. Поэтому сера имеет больший атомный размер, чем элемент ниже в группе.

Пример 2: Энергия ионизации

Сравнивая энергии ионизации натрия (Na) и неона (Ne), неон имеет более высокую энергию ионизации из-за своей полной валентной электронной оболочки, что делает его более стабильным, чем натрий, и менее склонным к потере электронов.

Пример 3: Электроотрицательность

Сравнивая хлор (Cl) и йод (I), хлор более электроотрицателен, чем йод, потому что он находится выше в группе и справа в том же периоде.

Правило триад

Концепция триады была введена Иоганном Вольфгангом Дёберейнером в 1829 году. Он заметил, что в некоторых триадах, или группах из трех элементов, свойства среднего элемента являются средним от тех, которые имеют другие два элемента. Например, в триаде хлор (Cl), бром (Br) и йод (I) свойства брома были промежуточными между хлором и йодом.

Закон октав Ньюлендса

Джон Ньюлендс расположил элементы в порядке возрастания атомного веса и обнаружил, что у каждого восьмого элемента похожие свойства. Этот паттерн был назван "Законом октав". Однако это правило не работало хорошо для элементов после кальция.

 Li | Na | K | Rb | Cs | Fr
Be | Mg | Ca | Sr | Ba | Ra
 | Fe | Co | Ni | | Cu

Периодический закон Менделеева

Дмитрий Менделеев сформулировал периодический закон и создал периодическую таблицу, основанную на атомной массе. Он оставлял место для неоткрытых элементов и правильно предсказал их свойства. Позднее открытие галлия и германия подтвердило предсказания Менделеева.

Переходные металлы и внутренние переходные металлы

Переходные металлы, найденные в d-блоке, известны своей способностью образовывать цветные соединения и имеющими несколько степеней окисления. Внутренние переходные металлы, которые являются элементами f-блока, делятся на лантаноиды и актиноиды, которые показывают заполнение f-орбиталей. Эти элементы имеют уникальные магнитные, каталитические и люминесцентные свойства.

Аномалии в периодических тенденциях

Хотя периодические тенденции предоставляют надежную структуру для понимания поведения элементов, все еще существуют аномалии. Например, некоторые переходные металлы не строго следуют общим тенденциям в энергии ионизации из-за сложностей электронных конфигураций.

Заключение

Классификация элементов и понимание периодичности являются основой химии. Они предоставляют систематический подход к прогнозированию и объяснению химического поведения элементов. Анализируя эти периодические тенденции, химики могут делать выводы о химических реакциях, связях и других фундаментальных аспектах молекулярной науки. Периодическая таблица остается основным инструментом для любой, кто углубляется в область химии, связывая между собой различные темы предмета.

Комментарии