Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 7. Периодический закон

Глава 7. Периодический закон

Менделеев систематизировал химические элементы, сгруппировав их по химическим и физическим свойствам. Периодический закон, сформулированный Менделеевым в 1869 г., выглядел следующим образом: свойства химических элементов не произвольны, а находятся в периодической зависимости от их атомной массы. В рамках научных представлений тех лет предложенная систематизация выглядела совершенно парадоксально.  

После открытия строения атома и выяснения того факта, что атомная масса сосредоточена в ядре атома, парадоксальность Периодического закона еще больше возросла. Исследования потенциалов ионизации элементов  показали, что ядра атомов окружены слоями электронов и, что электростатические взаимодействия между электронами и ядрами в 10⁴⁰ раз превышают массовые. В результате работ Мозли Периодический  закон принял  окончательную формулировку: «заряд ядра является важнейшим свойством элемента, определяющим его химические свойства» (см. Р.Дикерсон, Г.Грей, Дж.Хейт, Основные законы химии Т.1 стр.312). 

После открытия Периодического закона и принятия научным сообществом правил Льюиса, первоочередной задачей стало выяснение физического смысла открытых законов и правил и соответственно, получение ответов на вопросы:

Почему заряд определяет химические свойства элементов, а также сложных веществ, образующихся из этих элементов?

Почему свойства элементов меняются периодически, когда его важнейшее свойство заряд ядра линейно возрастает?

Каков механизм влияния заряда ядра на химические и физические свойства элементов?

Почему периодичность изменения физических и химических свойств для II и III периода - 8 элементов, а основное химическое свойство элементов - валентность - имеет периодичность 4 элемента.

Однако, вместо поиска ответов на эти вопросы, основные силы научного сообщества после открытия Мозли были направлены на подтверждение существования Периодического закона. В ходе этих работ было доказано, что с ростом заряда ядра периодически изменяется количество электронов во внешнем слое атома, радиус атома, валентность элемента по водороду, первая энергия ионизации атома,  и практически все другие физические и химические свойства, не только самих элементов, но даже, например, их соединений с водородом и кислородом. Как известно, знаменитых ученых: Л. Нильсона, П. Лекок де Буободрана и К. Винклера, открывших, соответственно, скандий, галлий и германий, предсказанные Менделеевым на основании открытого им Периодического закона, Дмитрий Иванович называл «укрепителями» Периодического закона.

Традиции, сложившиеся в химии после открытия Периодического закона,  философские споры о редукционизме и, самое главное, парадоксальность этого закона,  являются одним из возможных объяснений причин увлечения научным сообществом «укреплением» Периодического закона, а не выяснением его физической сущности - физического смысла. C другой стороны, в период «квантово-механической эйфории»  Декарт объявил, «... что физический смысл, всех химических законов выяснен в рамках квантовой механики и  трудность заключается лишь в том, что строгое применение этих законов приводит к уравнениям настолько сложным, что их невозможно решить». Т.е., возвращение к вопросу о физическом смысле Периодического закона стало возможным только, когда наступил период «квантово-механического разочарования» - 80-ые годы прошлого столетия.

Для выяснения физического смысла Периодического закона нами были использованы те же самые экспериментальные данные, что «укрепляли» Периодический закон. Из перечисленных выше экспериментальных данных нами были отобраны три свойства атомов, изменяющиеся периодически с ростом заряда ядра. Этими свойствами являлись: первый потенциал ионизации, данные по сродству электронов и количество электронов во внешнем слое атомов. Периодичность изменения этих свойств атомов совпадала с периодичностью изменения химических и физических свойств элементов (например, для 2 и 3- го периода 8), что позволяло сделать вывод, что именно эти три свойства атомов определяют химические и физические свойства элементов и веществ из них образуемых. Мы искали ответы  на следующие вопросы:

1)почему эти три свойства атомов меняются периодически?

2) и как  влияют эти три параметра (каков механизм) на химические свойства элементарных веществ и  сложных веществ, из них полученных?   

Феноменологическим ответом на первый вопрос являлись экспериментальные данные по энергии ионизации, которые показывали, что внутренние электронные слои всех элементов содержат одинаковое количество электронов (два в слое ближайшем к ядру и в остальных внутренних слоях восемь). Соответственно, с увеличением количества электронов в атомах, происходящее при увеличении заряда ядер, (количество электронов в атомах равно количеству протонов в ядре) приводит к тому, что количество электронов в верхнем слое атомов при линейном росте заряда ядер меняется периодически.  Увеличение заряда ядра атома на единицу протона с одновременным присоединением к нему электрона во внешний электронный слой происходит с выигрышем энергии. Приближение нового электрона к ядру атома дает выигрыш в энергии, но одновременно энергия расходуется на приближение этого электрона к электронам, находящимся в атоме, прежде всего к электронам внешнего слоя. Наибольший выигрыш в энергии происходит при вхождении нового электрона в существующий внешний слой атома. Бор показал, что модель, предполагающая, что электроны, окружающие ядро, вращаются вокруг него по концентрическим окружностям, лежащим в одной плоскости, и имеет аналитическое решение.  Эта модель рассмотрена в  книге  "Как образуется химическая связь и протекают химические реакции" (стр.28). Согласно модели, к атому водорода электрон может присоединиться в существующий верхний слой, а к атому гелия электрон не присоединяется, что и наблюдается в эксперименте: сродство атома гелия к электрону имеет отрицательное значение.

Расчет модели Бора, сделанный нами, показал, что к атому, имеющему заряд ядра 3 ед. протона   электрон присоединяется, но не в существующий верхний слой, а начинает образовывать новый верхний электронный слой, что также наблюдается в эксперименте. В расчетах предполагалось, что электроны и ядра являются частицами, между которыми действуют силы Кулона. Количественное совпадение расчета с экспериментом являлось принципиальным объяснением физической природы слоистого строения атома и, соответственно, физической природы периодического изменения количества электронов во внешнем слое атомов, а также периодического изменения потенциалов ионизации и энергии сродства атомов к электрону (см. глава 4. Химическая связь).

После выяснения физической природы периодического изменения количества электронов во внешнем слое настала очередь для ответа на вопрос, почему валентность элементов второго и третьего периода меняется с периодом в четыре элемента, в то время как количество электронов в верхнем слое и зависящие от него свойства: первый потенциал ионизации и энергия сродства менялись с периодом в  8  элементов. Ответить на последний вопрос нам  удалось в ходе выяснения  физической природы образования ковалентной химической связи (глава «G - теория химической связи»).

Физический смысл правил валентности

Нами было установлено, что валентность определяется с одной стороны количеством электронов во внешнем слое элемента и с другой стороны количеством электронов, которое может принять данный атом в уже существующие электронные оболочки  с выигрышем энергии. Согласно G-теории химической связи:

1. Лишь электроны, расположенные на внешней электронной оболочке связываемых атомов, принимают участие в образовании химических связей.
2. Только один электрон внешней оболочки имеет возможность сформировать одну связь.
3. Два электрона - по одному от каждого атома - принимают участие в образовании химической связи между двумя атомами. Эти два электрона являются связывающими электронами.
4. После образования связи, оба связывающих электрона оказываются на внешних оболочках связываемых атомов. Поэтому, в ходе образования связи количество электронов на уже существующей внешней оболочке связываемых атомов увеличивается на один.
5. Количество химических связей, которые может образовать атом, снизу ограничивается количеством электронов на внешней оболочке данного атома. Для атомов второго и третьего периодов это ограничение относиться к атомам, имеющим менее 5 электронов на внешней оболочке, т.е., к атомам Li, Na, Be, Mg, B, Al, C и Si.
6. Количество связей, которые может образовать атом второго и третьего периодов, сверху ограничивается количеством электронов, находящихся на внешних оболочках этих атомов. Согласно данным ПЭИ, максимальное количество электронов, которые могут находиться на внешних оболочках атомов второго и третьего периодов равно 8. Это ограничение относится к атомам, имеющим более четырех электронов на внешней оболочке, т.е., к атомам N, P; O, S; F, Cl; Ne, Ar  и описывается величиной  8.

Физический смысл Периодического закона

Физический смысл - это причинно-следственные связи между явлениями. Парадоксальность Периодического закона заключалось в том, что представлялось невозможным даже предположить в виде безумной гипотезы какую-либо причинно - следственную связь для объяснения периодической зависимости физических и химических свойств элементов и веществ из них образуемых от зарядов их ядер окруженных роем электронов.

Почему же химические и физические свойства меняются периодически?

Физические свойства вещества определяются связями между молекулами, химические -реакционной способностью молекул. В рамках Теории Элементарных Взаимодействий установлено, что химические свойства веществ, их реакционная способность определяются разницей в энергиях связи разрываемой и связи образуемой в ходе реакции. После выяснения физической природы химической связи было выяснено, что энергия химической связи определяется первым потенциалом ионизации атома. Т.к. ПЭИ меняется периодически, то и химические   и физические свойства веществ также меняются периодически (см. главу «Химические реакции»).

Знание  природы образования химической связи (G-теория химической связи), природы валентности и  Теория Элементарных Взаимодействий привели к пониманию физического смысла Периодического закона.