§6. Роль Периодического закона в выявлении фактов, необъяснимых с помощью атомно-молекулярной теории

Определения и обозначения

Периодический закон — зависимость свойств химических элементов и образуемых ими веществ от заряда атомных ядер. Он нужен, чтобы объяснить сходство и различие элементов не случайным набором фактов, а общей закономерностью.

Периодическая система химических элементов — таблица, в которой элементы расположены в соответствии с периодическим законом. По ней можно определить положение элемента, сравнить его с соседями и предсказать некоторые свойства.

Порядковый номер — число, равное заряду ядра атома и числу протонов в нём. Он показывает, какой элемент перед нами, и определяет его место в современной периодической системе.

Атомно-молекулярная теория — представление о веществах как о совокупности атомов и молекул, первоначально не учитывавшее внутреннее строение атома. Поэтому она описывала состав веществ, но не могла раскрыть причину периодического повторения свойств.

Как это устроено

Атомно-молекулярная теория не могла объяснить периодичность свойств, потому что считала атом неделимой частицей с определённой массой. Она не знала о ядре и электронах, поэтому не могла связать химическое поведение с устройством атома. Наблюдаемое сходство элементов через определённые промежутки оставалось установленным фактом без объяснения причины.

Периодический закон позволил предсказывать ещё не открытые элементы, потому что пустое место в таблице задаёт конкретное положение в группе и периоде. Соседи показывают, как меняются масса, валентность, свойства простого вещества и соединений. Так Менделеев мог описать предполагаемый элемент заранее, а последующее открытие проверяло правильность прогноза.

Закон помог обнаруживать ошибки в относительных атомных массах. Если элемент по измеренной массе попадал в группу, где его свойства явно не соответствовали соседям, возникало подозрение в неточности измерения. Исправление массы возвращало элемент на место, согласующееся с его химическими свойствами.

Аргон и калий, кобальт и никель, теллур и йод показали, что простого расположения по возрастанию атомной массы недостаточно. В отдельных парах масса элемента, стоящего раньше, немного больше массы следующего, но химические свойства требуют именно такого порядка. Значит, система должна опираться на более глубокий признак, чем масса.

После открытия сложного строения атома этим признаком признали заряд ядра, или порядковый номер. При его увеличении электроны заполняют энергетические уровни и подуровни; через определённые промежутки строение внешней оболочки становится похожим. Поэтому периодичность свойств связана не с массой как таковой, а с повторением электронного строения.

Факты, выявленные с помощью Периодического закона

Сначала прочитайте левый столбец и определите, какой исторический факт нужно объяснить. Затем сравните второй и третий столбцы: они показывают, что было непонятно и какое решение предложил закон.

Последний столбец связывает историческое открытие с современными знаниями о ядре и электронах. Такая последовательность помогает увидеть, как наблюдение превратилось в научное объяснение.

Разбор задач

Прогноз свойств элемента под кремнием

Условие. В периодической системе оставлено неизвестное место под кремнием. Нужно предсказать свойства элемента на этом месте.

1. Положение под кремнием означает ту же группу, но следующий период. Значит, элемент должен иметь четыре электрона на внешнем уровне и проявлять свойства, родственные кремнию.
2. Сравним соседей по группе: углерод и кремний — неметаллы или элементы с промежуточными свойствами, а ниже металлические свойства усиливаются. Поэтому прогнозируемый элемент будет более металлическим, чем кремний.
3. Его простое вещество, вероятно, будет твёрдым, а высшая валентность — IV. Ожидаются летучее соединение с водородом и высший оксид состава EO₂, свойства которого будут промежуточными между оксидами кремния и более тяжёлых соседей.

Ответ. На месте под кремнием должен находиться элемент четвёртой группы следующего периода, близкий по свойствам к кремнию, но более металлический. Исторически таким элементом оказался германий.

Положение аргона и калия

Условие. Объяснить, почему аргон расположен перед калием, хотя его относительная атомная масса немного больше.

1. Если ориентироваться только на массу, аргон пришлось бы поставить после калия. Но тогда нарушилась бы последовательность химических свойств элементов.
2. Аргон — инертный газ, а калий — активный щелочной металл. Их свойства соответствуют порядку увеличения зарядов ядер: сначала аргон, затем калий.
3. Порядковый номер аргона равен 18, а калия — 19. Именно этот порядок отражает увеличение числа протонов и правильное изменение электронного строения.

Ответ. Аргон расположен перед калием по порядковому номеру и химическим свойствам. Различие атомных масс не отменяет периодический закон.

Почему понадобилось строение атома

Условие. Объяснить, почему открытие Периодического закона свидетельствовало о недостаточности атомно-молекулярной теории и какие открытия устранили противоречие.

1. Закон обнаружил повторение свойств, но атомно-молекулярная теория не знала причины этого повторения. Одинаковая или близкая масса не объясняла сходство химического поведения.
2. Открытие электрона показало, что атом имеет внутреннее строение. Затем были установлены существование ядра и положительного заряда, сосредоточенного в нём.
3. Связь заряда ядра с числом электронов и заполнением электронных уровней объяснила периодичность. Сходное строение внешнего уровня приводит к сходным свойствам элементов.

Ответ. Периодический закон указал на скрытую закономерность, которую старая теория не могла обосновать. Открытия электрона, ядра, протона и электронных оболочек связали свойства элементов с порядковым номером.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что свойства строго возрастают вместе с атомной массой. Так думают из-за прежнего способа построения таблиц, но закон говорит о периодическом изменении свойств; проверяйте себя по порядковому номеру и положению элемента.

Ошибка 2. Объяснять периодичность только увеличением массы атомов. Масса не показывает устройство внешней оболочки, поэтому нужно учитывать заряд ядра и электронное строение.

Ошибка 3. Называть аргон и калий или теллур и йод ошибками системы. Эти пары демонстрируют ограниченность классификации только по массе; сравните порядковые номера и химические свойства.

Ошибка 4. Считать предсказанный элемент сразу открытым. Закон сначала указывает место и предполагаемые свойства, а экспериментальное обнаружение происходит позднее; разделяйте прогноз и подтверждение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, химическом элементе, относительной атомной массе и порядковом номере. Параграф подготавливает изучение электронной структуры атомов и периодического изменения химических свойств. Эти идеи применяются при сравнении элементов одной группы, прогнозировании их соединений и объяснении положения спорных пар в таблице.

Что запомнить

• Атомно-молекулярная теория не объясняла причину периодического повторения свойств.
• Периодический закон объединил элементы в единую систему.
• С его помощью были предсказаны неизвестные элементы и их свойства.
• Закон помог исправить некоторые относительные атомные массы.
• Порядковый номер связан с зарядом атомного ядра.
• Периодичность свойств объясняется периодическим изменением строения электронных оболочек.