Урок 31. Открываем периодическую систему
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 31. Открываем периодическую систему

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Что лежит в основе периодического закона? Периодической системы?
В чем заключается физический смысл периодического закона?
Как устроена периодическая система? В чем физический смысл периодов, групп, подгрупп?
Каков характер изменения свойств элементов и их соединений в периодах и главных подгруппах?

Глоссарий по теме:

Периодический закон Д.И.Менделеева:

"Свойства элементов, а потому и образуемых ими простых и сложных тел (веществ), стоят в периодической зависимости от их атомного веса".

Современная формулировка:

"Свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов".

Периодическая система – это упорядоченное множество элементов, имеющих свой порядковый номер. Графическая форма представления периодической системы – периодическая таблица.

Период – это горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания заряда их атомных ядер и имеющих одинаковое значение главного квантового числа для внешних (валентных) электронов.

Группа – это вертикальный ряд элементов, имеющих сходную конфигурацию внешних (и предвнешних) энергетических уровней и обладающих в силу этого сходными свойствами.

Главная подгруппа (А) – это вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне, числено равное номеру группы.

Побочная подгруппа (В) – это вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое число электронов на внешнем и предвнешнем энергетических уровнях, в сумме, как правило, равное номеру группы.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Дмитриев И. С. Человек эпохи перемен. Очерки о Д. И. Менделееве и его времени. – СПб., 2004.
Дмитрий Иванович Менделеев. Биография русского гения [Электронный ресурс] // Экология и жизнь. - 2009. - №1. - Режим доступа: http://elementy.ru/lib/430731.
Евдокимов, Ю. К истории периодического закона / Ю. Евдокимов // Наука и жизнь. - 2009. - №5. - С.12-15.
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 53 -58.
Каланов В. Дмитрий Иванович Менделеев - великий учёный и патриот России [Электронный ресурс] / В. Каланов // Знание-сила. - 2010. - Режим доступа: http://znaniya-sila.narod.ru/people/011_01.htm.
Книга для чтения по неорганической химии: Книга для учащихся: в 2-х ч. / Сост. В. А. Крицман. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1993. Ч. I. С. 143 – 150.
Левченков С.И. Краткий очерк истории химии. – Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 2006.
Миттова И.Я., Самойлов А.М. История химии с древнейших времен до конца XX века: учебное пособие в 2-х томах. Т. 1. – Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2009.
Самин, Д.К., 100 великих ученых/ Д.К.Самин. – М.: Вече, 2003.
Трифонов Д. Н., Трифонов В. Д. Как были открыты химические элементы: пособие для учащихся. – М., 1980.
Философский словарь / Под ред. И. Т. Фролова. – 7-е изд. – М., 2001. С. 247.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Научной основой развития естественных наук в XIX веке становится периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева, которые являются и на сегодняшний день основой познания строения и свойств простых и сложных веществ.

Предшественники Д.И. Менделеева – французский химик Шанкартуа, немецкий химик Дёберейнер, английский ученый Ньюлендс - осуществляли попытки классифицировать элементы, но в основу их классификации были положены свойства веществ (осуществлялся подбор элементов по свойствам). Ближе всех к решению задачи систематизации подошёл в 1864г. немецкий химик Юлиус Лотар Мейер. Изучение свойств элементов, равно как свойств образуемых ими соединений, привело к накоплению богатого фактического материала. В отличии от своих предшественников, Д.И. Менделеев находит общее среди всех элементов. И основой его классификации становится атомная масса.

Расположив все известные к тому времени химические элементы в порядке возрастания их относительных атомных масс, он увидел периодичность повторения свойств элементов и их соединений. Так Д.И. Менделеев в марте 1869г. сформулировал важнейшую для химии закономерность, называемую периодическим законом.

"Свойства элементов, а потому и образуемых ими простых и сложных тел (веществ), стоят в периодической зависимости от их атомного веса".

Несмотря на важность сделанного Д.И. Менделеевым открытия, многие противоречия все же не были разрешены. И было сделано ряд исключений для расположения элементов по атомным массам. Так, была непонятна причина периодичности изменения свойств элементов. Ответы на этот и другие вопросы были найдены лишь после раскрытия внутренней структуры атома. Учение о строении атома подтвердило глубинный смысл периодического закона и скорректировало его формулировку.

Современная формулировка:

"Свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов".

Свое выражение периодический закон нашел в построенной Д.И.Менделеевым периодической системе.

Периодическая система – это упорядоченное множество элементов, имеющих свой порядковый номер. Графическая форма представления периодической системы – периодическая таблица.

Периодическая система – одна, а форм периодических таблиц – более 500. Наиболее известны длинный, полудлинный и короткий варианты периодической таблицы.

Как показали достижения физики в области квантовой механики строения атома, периодичность свойств элементов обусловлена периодической повторяемостью расположения валентных электронов на уровнях и подуровнях по мере роста заряда ядра атома. Закономерности периодической системы элементов широко используются современными интегрированными науками: геохимией, космохимией, физхимией, биохимией, при подборе катализаторов и т.д.

После открытия строения атома главной характеристикой атома становится заряд ядра. Он численно равен количеству протонов в ядре и определяет число электронов в электронной оболочке атома, ее строение, а значит свойства элемента и его положение в периодической системе.

В периодах и группах периодической системы химические элементы располагаются в порядке возрастания заряда их атомных ядер, т.е. порядкового номера элемента. Последовательное увеличение заряда ядра определяет периодичность повторения структуры внешнего энергетического уровня атома, а значит и периодичность повторения свойств элементов и их соединений. В этом – физический смысл периодического закона.

Прямую связь со строением атома имеют также номер периода и группы. Всего в периодической системе семь периодов и восемь групп (короткая форма таблицы).

Вспомните и дайте толкование: что такое период? Какие периоды бывают? Что такое группа? Какие бывают подгруппы?
Что показывает номер периода? Номер группы? В чем их физический смысл?

Говоря о физическом смысле номера группы, важно помнить, что каждая из них делится на главную и побочную подгруппы.

Главная подгруппа (А) – это вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне, числено равное номеру группы.

В главных подгруппах располагаются s- и p-элементы. Число внешних электронов для этих элементов определяется суммой s- и p-электронов последнего уровня и равно номеру группы.

Побочная подгруппа (В) – это вертикальный ряд элементов, имеющих одинаковое число электронов на внешнем и предвнешнем энергетических уровнях, в сумме, как правило, равное номеру группы.

В побочных подгруппах располагаются d- и f-элементы. В их атомах последними заполняются электронами d- и f-подуровни предвнешних энергетических уровней. Число внешних электронов для этих элементов не совпадает с номером группы. При этом валентными у элементов побочных подгрупп являются электроны как внешних, так и предвнешних энергетических уровней.

Характер изменения свойств элементов и их соединений в периодах и главных подгруппах

Изменение электронных структур атомов определяет горизонтальные (в периоде) и вертикальные (в подгруппе) закономерности изменения свойств химических элементов, обобщаемые периодическим законом (табл.). Поэтому, свойства элементов определяются на пересечении его горизонтальных и вертикальных отношений с соседями по периоду и подгруппе.

Установите взаимосвязь между характером изменения металлических и неметаллических свойств элементов в периодах и главных подгруппах и другими свойствами элементов, используя интерактивную периодическую систему и следующие данные таблицы.

Таблица . Изменение свойств элементов в периодической системе и их соединений

Свойство

Период

(слева на право)

Главная подгруппа

(сверху вниз)

Заряд ядра атома

Возрастает

Радиус атома

Уменьшается

Увеличивается

Валентность по отношению к кислороду

Возрастает от I до VII

Не изменяется

Валентность по отношению к водороду

I−II−III−IV−III−II−I

Относительная электроотрицательность

Возрастает

Уменьшается

Металлические свойства

Ослабевают

Усиливаются

Основные свойства соединений

Неметаллические свойства

Усиливаются

Ослабевают

Кислотные свойства соединений

Выводы и обобщения:

Научная классификация отражает закономерные взаимосвязи между классами объектов с целью определения места объектов в системе, которое указывает на его свойства. Именно так устроена Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.
На основании этой Системы были предсказаны свойства еще не открытых (неизвестных) элементов и эти прогнозы блестяще подтвердились.
Многие свойства атомов, простых и сложных веществ изменяются периодически и зависят от местоположения соответствующего элемента в Периодической системе.
Периодический закон имеет философское значение, как общий закон природы и носит прогностический характер, позволяет предсказывать новые элементы и их свойства.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Формула высшего оксида, соответствующая элементам III группы, ...

а)	R203;

б)	R205;

в)	R03;

г)	RO.

Ответ: а.

Решение. Высшая степень окисления элемента определяется номером группы. Если группа III, то степень окисления равна +3, следовательно, формула высшего оксида

+3 -2

R2O3, что соответствует варианту а.

В варианте б приведена формула высшего оксида, соответствующая элементам V группы; в варианте в — элементам VI группы; в варианте г — элементам II группы.

Задание 2. Расставьте элементы в порядке убывания металлических свойств в каждом ряду элементов...

а)	С, Si, Ge;

б)	В, Be, Li;

в)	Na, Mg, Al;

Ответы: а) Ge; Si; С

б) Li; Be; В

в) Na; Mg; Al

Подсказка. Сравните радиусы атомов химических элементов в зависимости от расположения в периодической системе. Чем больше радиус атома, тем больше металлические свойства элемента.

Решение. С увеличением порядкового номера в периоде металлические свойства элементов убывают слева направо, а с увеличением порядкового номера в главной подгруппе металлические свойства элементов возрастают сверху вниз.