Предыдущая статья:
Первая статья:
Как и обещал, этот урок будет посвящен таблице Менделеева. Эта таблица представляет собой некую матрицу из клеток, в которых находится информация о химических элементах. Что такое химический элемент, вы знаете из урока:
В настоящий момент известно 118 химических элементов. Давайте посмотрим, как они представлены в таблице Менделеева:
Обратите внимание на эту картинку:
Это расшифровка ячейки таблицы. И так, в ней содержится обозначение элемента, его номер, относительная атомная масса. Номер элемента совпадает с зарядом атомного ядра, или с количеством протонов в ядре. Именно количество протонов и определяет свойства данного химического элемента (как физические, так и химические). Относительная атомная масса примерно равно количеству протонов и нейтронов в ядре. Например, ядро атома водорода состоит из одного протона и его атомная масса примерно равна 1. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов (итого 4) и его атомная масса примерно 4. Фактически мы видим в таблице чуть-чуть другие числа:
Почему? Потому что в состав атома входят еще и электроны, они тоже кое-что весят. Так же на массу атомов влияют и другие факторы, но это уже из области ядерной физики и выходит за рамки данных уроков.
Но у относительной массы есть и более точное, научное определение: это отношение массы атома к 1/12 массе тома углерода. Почему так? Просто взяли такой эталон. Надо же что-то взять за эталон? Вот и взяли 1/12 атома углерода-12.
Если вы внимание читатель, то возможно, обратили внимание на то, что атомная масса углерода не ровно 12, а 12 «с копейками». Для того, чтобы ответить на этот вопрос, познакомимся с таким понятием, как изотоп. Как я уже сказал, свойства химического элемента определят количество протонов в ядре. Но дело в том, что количество нейтронов в ядрах одинаковых элементов бывает разным. Они тоже влияют на свойства вещества, но в основном на физические. На химические свойства они влияют незначительно. Так вот, такие вещества, которые состоят из атомов одного элемента, но с различным количеством нейтронов в ядрах, называются изотопы. Изотопы есть и у углерода. Львиную долю, конечно, занимает углерод-12, но есть и углерод-13, его примерно 1.1%. А в таблице Менделеева взято среднее значение, с учетом изотопного состава.
Теперь о том, как химические свойства элементов зависят от количества протонов в ядре (порядкового номера элементов). Эта зависимость периодическая. То есть, свойства повторяются через определенные количества элементов. От того и название таблицы периодическая.
Конечно, повторяются свойства не 1 в 1, но в целом повторяются. Поэтому в каждом столбце таблицы элементы со сходными свойствами. Исключение – водород, он находиться в той же колонке, что и щелочноземельные металлы, но является газом в виду особого строения атомов.
Свойства элементов в таблице меняются слева направо и сверху вниз. Слева направо меняется валентность (способность создавать химические связи). Он возрастает от 1 до 4 потом уменьшается до 0. Например, литий, натрий калий одновалентны, бериллий, магний, кальций – двух, бор, алюминий – трех и так далее. Нулевую валентность имеют инертные газы, такие как гелий, неон, аргон. Считается, что они не способны образовывать химические связи и ни с чем не реагируют, хотя… есть некоторые исключения. При желании, можно, например заставить прореагировать с фтором гелий и неон, для этого газы нужно сначала ионизировать.
Также слева направо у элемента уменьшаются металлические свойства. Например, литий, бериллий – металлы, а вот углерод, азот и далее – уже неметаллы. Бор где-то посередине, он может проявлять себя как металл и как неметалл. Так же зачастую элементы, которые правее, являться газами, например, азот, кислород, втор, неон. В следующей строке газами являются хлор и аргон.
Сверху вниз, как правило, металлические свойства увеличиваются. Так же увеличивается и химическая активность. В частности, из щелочных металлов I-ой группы наименее активный литий, затем идет натрий, еще более активный калий, а затем рубидий. Самыми активными считаются цезий и франций.
Под активностью подразумевается способность вступать в химическую реакцию. Под металлическими свойствами, с точки зрения химии, подразумевается способность атомов отдавать электроны. В физическом понимании это выражается в таких физических свойствах, как электропроводность, теплопроводность, характерный металлический блеск, ковкость. Под теплопроводностью подразумевается способность проводить тепло. Например, у металлов теплопроводность высокая (особенно у железа), поэтому железные предметы кажутся холодными, и именно поэтому нельзя лизать железные качели на морозе: язык примерзнет. А вот у меха теплопроводность низкая, то есть, он является теплоизолятором. Поэтому в шубе на меху зимой тепло.
Идем дальше. Обратите внимание, что в таблице Менделеева есть ряды, а есть периоды, и начиная с третьего периода, в периоде два ряда. В четвертом периоде, под калием идет медь, но они имеют совершенно разные свойства. Калий – активный щелочной металл, медь – металл, но не такой активный, как калий. А вот первый элемент пятого периода (рубидий), опять же, повторяет свойства калия, который под ним, а следующий ниже, серебро, уже нет. Почему так? Дело в том, что начиная с четвертого периода, его длительность не 8, а 18 элементов. А начиная с шестого периода, периодичность равна уже 32 элемента. Для того, чтобы этот период уместился в строку, часть из этих элементов вынесены в отдельные строки, и они называются лантаноиды и актиноиды:
Почему так? Дело в том, что в физике есть такой закон, как принцип запрета Паули. По-научному он сформулирован так: «два электрона (или два любых других фермиона) не могут иметь одинаковое квантово-механическое состояние в одном атоме или одной молекуле». Под квантово-механическим состоянием имеется в виду некоторое свойство электрона, которое так же называется квантовое число. Не будем пока заморачивается, что это за такие свойства, иначе мы от химии уйдем в квантовую механику. Скажу только, что этих чисел четыре:
· квантовое главное число;
· орбитальное квантовое число;
· магнитное квантовое число;
· спин.
Орбитальное квантовое число определят формы орбитали, главное – энергетический уровень, магнитное квантовое число определят ориентацию орбитали, а спин – вращательным момент электрона. Совокупность всех этих чисел и создает вот такие вот периоды в таблице элементов.
Про таблицу Менделеева, конечно, можно сказать довольно много, но на сегодня пока закончим, хотя, мы еще не раз будем к ней возвращаться.
Следующая статья: