Периодический закон и периодическая система химических элементов д. и. менделеева

Атомный радиус и его роль в химических реакциях

Атомный радиус определяется расстоянием от центра ядра атома до его внешней электронной оболочки. В таблице Менделеева атомные радиусы представлены в пикометрах (пм) или ангстремах (Å), где 1 пикометр равен 0,01 ангстрема.

Атомный радиус играет важную роль в химических реакциях. Он влияет на энергию активации реакций, скорость реакций и стабильность образующихся соединений. Атомы с большим атомным радиусом могут легче совершать химические реакции, так как у них больше свободного пространства для взаимодействия с другими атомами. Следовательно, атомы с меньшим атомным радиусом обычно меньше реакционны и более инертны.

Однако, на атомный радиус также влияют такие факторы, как заряд ядра атома и количество электронов в оболочках. Например, атомы с одинаковым количеством электронов в оболочках, но с разным зарядом ядра (изотопы), имеют разный атомный радиус.

Значение атомного радиуса в таблице Менделеева

В таблице Менделеева атомные радиусы представлены для каждого элемента. Обычно атомные радиусы указываются для элементов в основном состоянии, называемом нейтральным состоянием, когда число протонов в ядре равно числу электронов в оболочках.

Атомные радиусы в таблице Менделеева позволяют сравнивать размеры атомов разных элементов. Атомы с большим радиусом расположены в левой части таблицы, а атомы с меньшим радиусом — в правой части. Например, атомный радиус увеличивается при движении вниз по группам элементов и уменьшается при движении вправо по периодам.

Изменение атомного радиуса в химических соединениях

В химических соединениях атомный радиус может изменяться за счет взаимодействия с другими атомами. Например, в ионных соединениях, атомы металлов, отдавая электроны, становятся положительно заряженными ионами (катионами), что приводит к уменьшению их атомного радиуса. Атомы неметаллов, принимая электроны, становятся отрицательно заряженными ионами (анионами), что приводит к увеличению их атомного радиуса.

Таким образом, атомный радиус является важным параметром, который позволяет определить размер атомов и их взаимодействие в химических соединениях и реакциях. Знание атомных радиусов помогает понять химические свойства элементов и предсказывать их поведение в различных условиях.

Размеры и форма орбиталей

Более подробную информацию о строении атома, учитывающую двойственный характер природы электрона и принцип неопределенности, можно получит из решения уравнения Шредингера. Для одноэлектронных систем типа атома водорода оно может быть произведено аналитически без каких-либо вспомогательных приближений. При этом атом удобно рассматривать в сферических координатах, начало которых расположено в центре тяжести ядра. Тогда каждому электрону будет соответствовать радиус-вектор с координатами $r$ (расстояние между электроном и ядром), $\theta $ (угол наклона) и $\varphi $ (угол поворота), а решение уравнения Шредингера можно будет искать в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от $r$, а другая — от углов $\theta $ и $\varphi $.

$\Psi =R\left(r\right)\Theta \left(\theta ,\varphi \right)$ (7)

Не останавливаясь подробно на всех выкладках, отметим, что решение уравнения Шредингера в полярных координатах удовлетворит краевому условию $R(\infty) = 0$, если энергия электрона соответствует формуле (5)

Рассмотрим волновые функции $\Psi $, получающиеся при $n=1$ и $n=2$.

При $n=1$ и $l=0$ $\Theta $ становится постоянным числом, не зависящим ни от $r$, ни от $\theta $, ни от $\varphi $ и $\Psi = R$. При $n=1$ решение уравнения для R имеет вид:

$R=\frac{1}{\sqrt{\pi r^3_0}}e^{-\frac{r}{r_0}}$ (8)

где $r_0$ — первый боровский радиус.

Интересно установить, на каком расстоянии от ядра вероятность нахождения электрона максимальна. Ее можно найти как максимум выражения $R^24\pi r^2$.

Расчет показывает, что наибольшей вероятности нахождения электрона соответствует расстояние от ядра, равное первому боровскому радиусу $r_0$.

При $n=2$ и $l=0$

$\Psi =R=N_2\left(\frac{r}{r_0}-2\right)e^{-\frac{r}{2r_0}}$ (9)

где $N_2$ — нормировочный множитель, выбираемый таким образом, чтобы соблюдалось равенство

Значение $\Psi $ здесь также не зависит от углов наклона и поворота При этом наибольшей вероятности нахождения электрона соответствует второй боровский радиус.

Очевидно, собственные функции электронов с $l=0$ ($s$-электронов) не зависят от угловых координат, а зависят только от радиуса. Следовательно, $s$-орбитали обладают шаровой симметрией (рис.1).

Рисунок 1.

При $n=2$ и $l=1$

$R=N_3re^{-\frac{r}{2r_0}}$ (10)

а для $\Theta $ возможен набор значений:

Рисунок 2.

Эти значения соответствуют значениям магнитного квантового числа $m_l = 0$ и $m_l = ±1$.

Здесь мы видим, что значения $\Theta $ и $\Psi $ не зависят от угла поворота $\varphi $, (т.к. по абсолютному значению $e^\pm i \varphi = 1$) т.е. $p$-орбитали обладают радиально-осевой симметрией. Перейдя к декартовым координатам и рассматривая линейные комбинации решений с тремя различными значениями $\Theta $, можно прийти к выводу, что орбитали с $m_l = 0$, $m_l = 1$ и $m_l = -1$ симметричны относительно осей координат $x$, $y$ и $z$. Иначе говоря, их оси симметрии вращения взаимно перпендикулярны. Соответствующие р-орбиталям электронные облака имеют вид объемных «восьмерок» или гантелей, расположенных взаимно перпендикулярно (рис.):

Рисунок 3.

Граничные поверхности $d$- орбиталей имеют форму розетки или сложной гантели с тороидом (рис.4). Таких орбиталей $5$, и каждая соответствует какому либо значению $m_l$ от $-2$ до $+2$.

Рисунок 4.

Симметрия и форма $f$-орбиталей сложны для наглядного изображения форму. При этом те и другие также отличаются друг от друга не только по форме, но и по взаимному расположению в пространстве, что соответствует различным значениям магнитного квантового числа $m_l$.

Вообще, симметрия орбитали или, в упрощенном понимании — ее геометрическая форма, является важной характеристикой орбитали, характеризующей способность взаимодействовать с орбиталями других атомов, близких по энергии и симметрии, с образованием химических связей

Время распада

Все хим. элементы имеют изотопы, от одного и выше. Они содержат в себе нестабильное ядро, подверженное радиоактивному распаду, вследствие чего происходит испускание частиц или электромагнитного излучения. Радиоактивным называют тот изотоп, у которого величина радиуса сильного взаимодействия выходит за пределы дальних точек диаметра. Если рассмотреть на примере аурума, то изотопом будет атом Au, за пределы диаметра которого во всех направлениях «вылетают» излучающиеся частицы. Изначально диаметр атома золота соответствует величине двух радиусов, каждый из которых равен 144 пк, а частицы, выходящие за пределы этого расстояния от ядра, будут считаться изотопами. Существует три типа распада: альфа-, бета- и гамма излучение.

Химический радиус и ковалентный радиус

Химический радиус, также известный как внешний радиус, определяется как расстояние от центра атома до его внешней электронной оболочки. Этот показатель обычно используется для определения размера атома в металлах и межатомных связях и измеряется в пикометрах (1 пикометр = 1 × 10^-12 метров).

Ковалентный радиус, или радиус атома в ковалентной связи, является расстоянием от центра атома до точки контакта с другим атомом в молекуле. Он обычно используется для определения размера атома в неметаллических элементах. Ковалентный радиус также измеряется в пикометрах.

Значения химического радиуса и ковалентного радиуса можно найти в таблицах Менделеева. Они могут варьироваться в зависимости от элемента и его химического состояния (например, ионного или нейтрального). Обычно для каждого элемента представлено несколько значений радиуса, которые отражают его различные химические свойства и состояния.

Важно отметить, что химический радиус и ковалентный радиус не являются абсолютными значениями, а представляют собой приближенные оценки размера атомов. Однако их использование позволяет установить общие тенденции и закономерности в размерах атомов в периодической системе элементов

Методы вычисления атомного радиуса

Атомный радиус представляет собой важную характеристику атома, определяющую его размер. Вычисление атомного радиуса может быть достаточно сложной задачей, поскольку он зависит от множества факторов, таких как валентность атома, его электронная конфигурация, физический состав и расположение в периодической таблице. Для определения атомного радиуса существуют различные методы, включая экспериментальные и теоретические подходы.

1. Экспериментальные методы

Одним из наиболее распространенных экспериментальных методов измерения атомного радиуса является рентгеноструктурный анализ. При этом методе измерения атомные радиусы определяются путем анализа рассеяния рентгеновских лучей атомами в кристаллической решетке. Чтобы измерить атомный радиус, необходимо получить данные о кристаллической структуре и расстояниях между атомами вещества.

Другим экспериментальным методом является измерение диаметра атомов путем межатомных расстояний в металлических материалах или молекулярных соединениях методами, такими как рентгеновская дифракция или методы туннелирования электронов.

2. Теоретические методы

Кроме экспериментальных методов, существуют также теоретические подходы к определению атомного радиуса. Один из таких методов основан на обработке данных о распределении зарядов электронной оболочки атома с помощью квантово-химических расчетов.

Другим теоретическим методом является использование моделей и эмпирических уравнений, основанных на результатах экспериментальных измерений. Например, существуют эмпирические регулярности, связывающие атомные радиусы с их положением в таблице Менделеева или химической принадлежностью элемента.

Таким образом, определение атомного радиуса является сложной задачей, требующей использования различных методов и подходов. Экспериментальные методы основаны на измерении физических параметров, а теоретические методы — на расчетах на основе физических моделей и эмпирических уравнений.

Особенности радиуса атома в различных блоках таблицы Менделеева

1. Стандартные металлы и блок s:

Атомы стандартных металлов и элементов блока s имеют обычно меньший радиус. Это связано с тем, что эти элементы обладают большими зарядами ядра, что приводит к сильному притяжению валентных электронов.

Пример: Литий (Li) имеет меньший радиус атома по сравнению с натрием (Na), так как у него более высокая эффективная зарядность ядра.

2. Переходные металлы и блок d:

Атомы переходных металлов и элементов блока d имеют переменные радиусы и в большинстве случаев они больше, чем у элементов блока s. Это связано с их внутренней сложной структурой электронных оболочек и частичным заполнением подуровней d.

Пример: Железо (Fe) имеет больший радиус атома по сравнению с магнием (Mg), так как у него дополнительные электроны на подуровне d.

3. Блок p:

Атомы элементов блока p имеют больший радиус в сравнении с элементами блока s, но меньший радиус, чем у элементов блока d. Это объясняется электронной конфигурацией и структурой электронных оболочек.

Пример: Кислород (O) имеет меньший радиус атома по сравнению с фосфором (P), так как у него отсутствуют электроны на уровне d.

4. Блок f:

Атомы элементов блока f, или лантаноидов и актиноидов, имеют наибольший размер атомов. Это обусловлено большой структурой электронных оболочек, включающей внутренние подуровни f.

Пример: Церий (Ce) имеет больший радиус атома по сравнению с гафнием (Hf), так как у него на подуровне f больше электронов.

Таким образом, радиус атома является важной характеристикой элементов и его величина зависит от положения элемента в таблице Менделеева и его электронной структуры

Эмпирически измеренный атомный радиус

В следующей таблице показаны эмпирически измеренные ковалентный радиусы элементов, опубликованные Дж. С. Слейтер в 1964 г. Значения указаны в пикометры (pm или 1 × 10−12 м), с точностью около 5 м. Оттенок рамки варьируется от красного до желтого по мере увеличения радиуса; серый цвет указывает на отсутствие данных.

Группа(столбец)

Период(ряд)

ЧАС25

Он

Ли145

Быть105

B85

C70

N65

О60

F50

Na180

Mg150

Al125

Si110

п100

S100

Cl100

K220

Ca180

Sc160

Ti140

V135

Cr140

Mn140

Fe140

Co135

Ni135

Cu135

Zn135

Ga130

Ge125

Так как115

Se115

Br115

Руб.235

Sr200

Y180

Zr155

Nb145

Пн145

Tc135

RU130

Rh135

Pd140

Ag160

Компакт диск155

В155

Sn145

Sb145

Te140

я140

CS260

Ба215

Hf155

Та145

W135

Re135

Операционные системы130

Ir135

Pt135

Au135

Hg150

Tl190

Pb180

Би160

По190

Пт

Ра215

Лантаноиды

Ла195

Ce185

Pr185

Nd185

Вечера185

См185

ЕС185

Б-г180

Tb175

Dy175

Хо175

Э175

Тм175

Yb175

Лу175

Актиниды

Ac195

Чт180

Па180

U175

Np175

Пу175

Am175

См

Мкр

Нет

Методика определения радиуса атома по таблице Менделеева

Радиус атома – это характеристика, описывающая размер атома элемента. Определение радиуса атома может быть полезным при изучении химической связи, реакций и свойств вещества. Существует несколько способов определения радиуса атома, один из которых основан на использовании таблицы Менделеева.

Как правило, радиус атома измеряется в пикометрах (1 пикометр = 1*10-12 метра) или ангстремах (1 ангстрем = 1*10-10 метра) и указывается в научных статьях и учебниках. Для определения радиуса атома по таблице Менделеева необходимо учитывать следующие особенности:

Радиус атома увеличивается по группе (вертикально в таблице) вниз
Радиус атома уменьшается по периоду (горизонтально в таблице) слева направо
Радиус атома изменяется в зависимости от степени окисления элемента

В таблице Менделеева можно найти информацию о радиусе атома для большинства элементов. Обычно, радиус атома указывается в таблице в пикометрах или ангстремах и может иметь различные значения для разных степеней окисления элемента.

Для определения радиуса атома по таблице Менделеева можно выбрать нужный элемент, указать его ряд и столбец в таблице и найти значение радиуса атома. Также, можно сравнивать радиусы атомов разных элементов в одной группе или периоде и делать выводы о их относительных размерах.

Определение радиуса атома по таблице Менделеева является приближенным методом, так как радиус атома зависит от различных факторов и может изменяться в разных условиях. Однако, использование таблицы Менделеева позволяет получить достаточно точные значения для большинства элементов.

Практические аспекты и основные принципы

Использование таблицы Менделеева для определения радиуса атома

Для определения радиуса атома по таблице Менделеева можно использовать различные методы и свойства химических элементов:
- Учитывать положение элемента в периоде таблицы Менделеева. Чем дальше элемент от ядра, тем больше его атомный радиус. Например, в первом периоде радиус элементов увеличивается от лития до неона.
- Сравнивать радиусы элементов в одной группе. Радиусы элементов в одной группе обычно увеличиваются сверху вниз. Например, радиусы щелочных металлов (натрия, калия, рубидия) увеличиваются по мере движения вниз по группе.
- Брать в расчет заряд ядра элемента. Чем больше заряд ядра, тем меньше радиус атома. Например, радиус катионов уменьшается по мере увеличения заряда ядра.
- Учитывать атомные свойства, связанные с электронной оболочкой элемента. Например, величина радиуса атома может изменяться в зависимости от наличия свободных или связанных электронов.
Использование сведений о веществе для определения радиуса атома

Na основе свойств конкретного химического вещества можно сделать предположения о его атомном радиусе:
- Атомы разных элементов объединяются в молекулу с учетом своего радиуса. Например, водород и кислород объединяются в молекулу воды, где атомы кислорода имеют больший радиус, чем атомы водорода.
- Атомный радиус может варьировать в зависимости от окружающей среды. Например, при изменении температуры или давления может изменяться величина радиуса атомов.
- Изменение связей между атомами может влиять на радиус атома вещества. Например, образование и разрывание химических связей может привести к изменению радиуса атома.
Использование экспериментальных данных и методов для определения радиуса атома

Существуют различные экспериментальные методы и приборы, позволяющие определить радиус атома:
- Рентгеноструктурный анализ позволяет определить расстояние между атомами в кристаллической решетке и вычислить средний радиус атома.
- Методы спектроскопии позволяют определить радиус атома на основе его взаимодействия с электромагнитным излучением.
- Методы электронной микроскопии позволяют получить изображение атомов и молекул с высоким разрешением и определить их размеры.
- Другие методы, такие как дифракция и дифузия, также могут быть использованы для определения радиуса атома.

Знакомство с атомом

Атом – составная частица веществ, имеющая микроскопические размер и массу. Это наименьшая часть элементов химической природы с невероятно малыми размерами и массой.

Атомы строятся из двух основных структурных элементов, а именно из электронов и атомного ядра, которое, в свою очередь, образуется протонами и нейтронами. Число протонов может отличаться от количества нейтронов. Как в химии, так и в физике атомы, в которых величина протонов соизмерима с количеством электронов, называют электрически нейтральными. Если число электронов выше или ниже числа протонов, то атом, приобретая положительный или отрицательный заряд, становится ионом.

Исторические данные

Благодаря достижениям науки в области физики и химии было совершено множество открытий относительно природы атома, его строения и возможностей. Были произведены многочисленные опыты и расчеты, в ходе которых человек смог ответить на такие вопросы: каков диаметр атома, его размер, и многое другое.

Впервые понятие атома было открыто и сформулировано философами древней Греции и Рима. В XVII–XVIII веках химики смогли при помощи экспериментов доказать идею об атоме как наименьшей частице вещества. Они показали, что множество веществ можно расщеплять многократно при помощи химических методов. Однако в дальнейшем открытые физиками субатомные частицы показали, что даже атом можно разделить, а строится он из субатомных компонентов.

Международный съезд ученых по химии в Карлсруэ, расположенном на территории Германии, в 1860 г. принял решение относительно понятия об атомах и молекулах, где атом рассматривается как самая маленькая часть химических элементов. Следовательно, он также входит в состав веществ простого и сложного типа.

Диаметр атома водорода был изучен одним из самых первых. Однако его расчеты были произведены множество раз и последние из них, опубликованные в 2010 г., показали, что он на 4 % меньше, чем предполагалось ранее (10 -8). Показатель общего значения величины атомного ядра соответствует числу 10 -13 -10 -12 , а порядок величины всего диаметра равен 10 -8 . Это вызвало множество противоречий и проблем, поскольку сам водород по праву относится к основным составным частям всей обозримой Вселенной, а подобная несостыковка вынуждает совершать множество перерасчетов по отношению к фундаментальным утверждениям.

Что он из себя представляет?

Вопрос о том, как представить модель атома, уже давно занимает ученых. Сегодня принята та из них, которую предложил Э. Резерфорд и доработал Н. Бор. По ней атом разделяется на две части: ядро и электронное облако.

Большая часть массы атома сосредоточена в его центре. Ядро состоит из нейтронов и протонов. А электроны в атоме расположены на достаточно большом удалении от центра. Получается нечто похожее на Солнечную систему. В центре, как Солнце, ядро, и вокруг него вращаются электроны по своим орбиталям, как планеты. Именно поэтому модель часто называют планетарной.

Интересно, что ядро и электроны занимают очень малое пространство по сравнению с общими размерами атома. Получается, что в центре маленькое ядро. Потом пустота. Очень большая пустота. И потом узкая полоска маленьких электронов.

К такой модели атомов ученые пришли не сразу. До этого было выдвинуто множество предположений, которые были опровергнуты опытами.

Одной из таких идей было представление атома в виде сплошного тела, которое имеет положительный заряд. А электроны в атоме предлагалось разместить по всему этому телу. Такую идею выдвигал Дж. Томсон. Его модель атома еще называлась «Пудинг с изюмом». Уж очень модель напоминала это блюдо.

Но она была несостоятельна, потому что не могла объяснить некоторых свойств атома. Поэтому ее отвергли.

Японский ученый Х. Нагаока на вопрос, что такое атом, предлагал такую модель. По его мнению, эта частица имеет отдаленное сходство с планетой Сатурн. В центре ядро, а электроны вращаются вокруг него по орбитам, связанным в кольцо. Несмотря на то, что модель не была принята, некоторые ее положения были использованы в планетарной схеме.

Объяснение общих тенденций

График сравнения атомных радиусов элементов с атомными номерами 1–100. Точность ± 5 м.

Изменение радиуса атома с увеличением атомный номер можно объяснить расположением электронов в оболочках фиксированной емкости. Оболочки обычно заполняются в порядке увеличения радиуса, так как отрицательно заряжен электроны притягиваются положительно заряженными протоны в ядре. По мере увеличения атомного номера вдоль каждой строки периодической таблицы дополнительные электроны переходят в ту же самую внешнюю оболочку; радиус которого постепенно сужается из-за увеличения заряда ядра. В благородном газе самая внешняя оболочка полностью заполнена; следовательно, дополнительный электрон следующего щелочного металла перейдет в следующую внешнюю оболочку, учитывая внезапное увеличение атомного радиуса.

Увеличивающийся заряд ядра частично уравновешивается увеличением количества электронов, явление, известное как защита; что объясняет, почему размер атомов обычно увеличивается в каждом столбце. Однако есть одно заметное исключение, известное как сокращение лантаноидов: блок элементов 5d намного меньше, чем можно было бы ожидать, из-за слабого экранирования 4f-электронов.

По сути, атомный радиус уменьшается через периоды из-за увеличения количества протонов. Следовательно, существует большее притяжение между протонами и электронами, потому что противоположные заряды притягиваются, и большее количество протонов создает более сильный заряд. Более сильное притяжение притягивает электроны ближе к протонам, уменьшая размер частицы. Следовательно, атомный радиус уменьшается. Вниз по группам атомный радиус увеличивается. Это потому, что существует больше уровней энергии и, следовательно, большее расстояние между протонами и электронами. Кроме того, защита электронов снижает притяжение, поэтому оставшиеся электроны могут уходить дальше от положительно заряженного ядра. Следовательно, размер (атомный радиус) увеличивается.

В следующей таблице приведены основные явления, влияющие на атомный радиус элемента:

фактор	принцип	увеличиваться с …	как правило	влияние на радиус
электронные оболочки	квантовая механика	главные и азимутальные квантовые числа	увеличивать каждый столбец	увеличивает атомный радиус
ядерный заряд	сила притяжения, действующая на электроны протонами в ядре	атомный номер	увеличиваются с каждым периодом (слева направо)	уменьшает атомный радиус
защита	сила отталкивания, действующая на электроны внешней оболочки внутренними электронами	количество электронов во внутренних оболочках	уменьшить влияние 2-го фактора	увеличивает атомный радиус

Сокращение лантаноидов

Электроны в 4f-подоболочка, который постепенно заполняется от церий (Z = 58) в лютеций (Z = 71), не особенно эффективны при защите возрастающего ядерного заряда от более удаленных суб-оболочек. Элементы, следующие сразу за лантаноиды имеют атомные радиусы, которые меньше, чем можно было бы ожидать, и которые почти идентичны атомным радиусам элементов непосредственно над ними. Следовательно гафний имеет практически такой же атомный радиус (и химический состав), что и цирконий, и тантал имеет атомный радиус, подобный ниобий, и так далее. Эффект сокращения лантаноидов заметен до платина (Z = 78), после чего маскируется релятивистский эффект известный как эффект инертной пары.

Из-за сокращения лантаноидов можно сделать 5 следующих наблюдений:

Размер Ln3+ ионы регулярно убывают с атомным номером. Согласно с Правила фаянов, уменьшение размера Ln3+ ионов увеличивает ковалентный характер и снижает основной характер между Ln3+ и ОН− ионы в Ln (OH)₃, до такой степени, что Yb (OH)₃ и Лу (ОН)₃ может с трудом растворяться в горячем концентрированном NaOH. Следовательно, порядок размера Ln3+ дано: Ла3+ > Ce3+ > …, …> Лу3+.
Наблюдается закономерное уменьшение их ионных радиусов.
Их тенденция действовать как восстановитель с увеличением атомного номера закономерно уменьшается.
Второй и третий ряды переходных элементов d-блока довольно близки по свойствам.
Следовательно, эти элементы встречаются вместе в природных минералах и их трудно разделить.

сокращение d-блока

Сокращение d-блока менее выражено, чем сокращение лантаноида, но возникает по той же причине. В этом случае именно плохая экранирующая способность 3d-электронов влияет на атомные радиусы и химический состав элементов, следующих сразу за первой строкой переходные металлы, от галлий (Z = 31) в бром (Z = 35).