2.4: Таблиця Менделєєва

Відкриття стихій відбувалися протягом довгого часу. У міру зростання списку відомих елементів вчені намагалися розташувати їх виходячи з їх властивостей. Менделєєв розташував елементи в таблиці на основі атомних мас. Це призвело до того, що елементи, що мають схожі властивості, розміщені поруч один з одним в більшості випадків. У таблиці були навмисно залишені прогалини для елементів, які були передбачені на основі знань з періодичної таблиці, але ще не виявлені. Було мало винятків, де властивості елементів не узгоджувалися з групою, в яку вони були поміщені на основі їх атомних мас. Мозелі розробив метод вимірювання атомних номерів на основі рентгенівської спектроскопії. Розташування елементів на основі атомного номера замість атомних мас прибирало розбіжності в таблиці Менделєєва.

Сучасна періодична таблиця елементів

• Сучасна періодична таблиця елементів розташовує елементи за зростаючим порядком атомного номера починаючи від атомного номера 1 для Н і закінчуючи атомним номером 118 для Ог, як показано на рис.2.4.1.
• Елементи розташовані в горизонтальних рядках, які називаються періодами та вертикальними стовпцями, які називаються групами.

Періоди

Періодична таблиця має сім горизонтальних рядків, які називаються періодами. Періоди пронумеровані: 1 вгорі до 7 внизу.

1. 1-й період має всього два елементи: водень в групі 1 і гелій в групі 18, з проміжком від групи 2 до групи 17.
2. 2-й і 3-й періоди мають вісім елементів кожен, заповнюючи групи 1 і 2, а потім групи 13 до 18, залишаючи прогалину від групи 3 до групи 12.
3. Періоди 4-го і 5-го періодів мають вісімнадцять елементів, які заповнюються послідовно з групи 1 в групу 18.
4. Періоди 6-й і 7-й мають 32 елементи, кожен: перші два в групах 1 і 2, наступні чотирнадцять елементів в окремих рядках під таблицею. Ці два ряди по 14 елементів кожен називаються актинідами і лантаноїдами відповідно. Потім наступні шістнадцять елементів заповнюють групи 3 на 18.

Групи

Періодична таблиця має 18 вертикальних стовпців, які називаються групами або сімействами. Групи нумеруються, починаючи з 1 на крайньому лівому і проходячи до 18 в крайньому правому куті.

Лужні метали

1-ю групу називають лужними металами. До лужних металів відносяться літій (Li), натрій (Na), калій (K), рубідій (Rb), цезій (Cs) і францій (Fr), показаний на рис.2.4.2. Найбільш реактивними серед металів у таблиці Менделєєва є лужні метали. Вони енергійно реагують з водою, як показано на рис. 2.4.3.

Малюнок \(\PageIndex\) : Лужні метали зліва направо: літій, натрій, калій, рубідій та цезій. Джерело: Томіхандорф у німецькій Вікіпедії, Dnn87 Контактна адреса електронної пошти: [email protected] та http://images-of-elements.com/potassium.php.

Малюнок \(\PageIndex<3>\) : Калій вступає в реакцію з водою. Джерело: Озон Аврора/Філіп Еванс/CC BY-SA (https://creativecommons.org /ліцензії/by-sa/3.0)

Водень

Водень входить до групи 1, але не входить до лужноземельних металів. Водень є неметалом і має властивості, досить відмінні від лужних металів або будь-якої іншої групи елементів.

Лужноземельні метали

2-а група називається лужноземельними металами. До його складу входять берилій (Be), магній (Mg), кальцій (Ca), стронцій (Sr), барій (Ba) та радій (Ra). Вони є реактивними металами, але менш реактивними, ніж лужні метали. Лужноземельні метали надають характерний колір полум’я. Солі лужних металів використовують в рецептурі феєрверку для додання характерних кольорів феєрверку, як показано на рис.2.4.4.

Ілюстрація \(\PageIndex<4>\) : Новорічні пожежні роботи на набережній Аль-Маджаз, Шарджа, ОАЕ. Солі металів, включаючи лужні метали, використовуються для надання характерних кольорів у феєрверках. Джерело: Фаріз Сафарулла/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

перехідні метали

Групи 3 по 12 називаються перехідними металами. Вони включають дорогоцінні метали, такі як золото, срібло, платина та будівельні метали, такі як залізо. Деякі виробляють каталізатори і містяться в ферментах та інших біомолекулах, таких як гемоглобін та хлорофіл.

Група 13 до 16

Група 13 до групи 16 не має унікальної назви. Вони включають неметали вгорі та метали внизу кожної групи, які називаються пост-перехідними металами. Важливі неметали включають вуглець, азот, кисень, фосфор та сірку.

галогени

Елементи 17 групи називаються галогенами. До галогенів належать фтор (F), хлор (Cl), бром, йод (I) та астатін (At). Галогени є високореактивними неметалами. Хлор – газ, бром – рідкий, а йод твердий при кімнатній температурі, як показано на рис.2.4.5.

Малюнок \(\PageIndex<5>\) : Зліва направо: хлор, бром і йод. Джерело: В. Олен/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

благородні гази

Група 18 називається благородними газами. До них відносяться гелій (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) і радон (Rn). Вони є найменш реактивними з усіх елементів. Благородні гази використовуються для створення інертної атмосфери для хімічних реакцій. Благородні гази також використовуються в системі освітлення через їх хімічно інертної природи, як показано на рис. 2.4.6.

Малюнок \(\PageIndex<6>\) : Сяючі благородні гази в скляних флаконі з низьким тиском всередині. Живлення: 5 кВ, 20 мА, 25 кГц. Джерело: Нова робота Алхімік-HP (розмова) www.pse-mendelejew.de); оригінальні одиночні зображення: Jurii, http://images-of-elements.com./CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Метали, металоїди та неметали

Метали

Елементи в правому нижньому куті таблиці Менделєєва є металами, крім водню, який є неметалом. Метали мають загальні характеристики, серед яких:

1. вони блискучі,
2. тверда речовина при кімнатній температурі (крім ртуті, яка є рідкою),
3. ковкий (можна забивати в листи) і пластичний (можна втягувати в дроти),
4. хороші провідники тепла і електрики, а також
5. схильні втрачати електрони і утворювати іонні сполуки, коли вони реагують з неметалами.

Метали групи 1 називаються лужними металами; 2 групи називаються лужноземельними металами, групи 3 до групи 13 називаються перехідними металами, дворядні нижче перехідні метали в таблиці Менделєєва називаються лантаноїдами, а актиніди або внутрішні перехідні метали, і метали з групи 13 до 16 групи називаються пост-перехідними металами. Елементи, відмінні від перехідних або внутрішньо-перехідних металів, тобто елементи груп 1 і 2 і груп 13 – 18, в сукупності називаються основними груповими елементами або представницькими елементами.

Металоїди

Розподільна лінія між металами і неметалами являє собою лінію сходів, що починається від \(\ce\) і закінчується на \(\ce\) . Елементи на сходовій лінії являють собою металоїди крім алюмінію і полонію, які вважаються металами. Металоїди мають властивості між металами та неметалами; наприклад, вони мають помірну тепло- та електропровідність.

Неметали

Елементи у верхньому правому куті таблиці Менделєєва і водню називаються неметалами.

1. Неметали зазвичай мають властивості, протилежні металам, наприклад, вони, як правило, не блискучі, крихкі, якщо тверді, і погані провідники тепла і електроенергії.
2. Неметали, як правило, утворюють іонні сполуки, приймаючи електрони з металів і роблячи молекулярні сполуки, реагуючи один з одним.

Дві групи в неметалах також мають унікальні назви, тобто група 17 називається галогенами, а група 18 називається благородними газами.

Найбільш реактивні і нереактивні елементи

Як правило, лужні метали є найбільш реактивними, за ними йдуть лужноземельні метали, а галогени – найбільш реактивні неметали. Благородні гази – найменш реактивні неметали, також звані інертними газами.

На рис. 2.4.7 наведені приклади металу, металоїда і неметалу.

Малюнок \(\PageIndex<7>\) : Золотий самородок — метал, чистий кремній — металоїд, а сірка — неметал (зліва направо). Джерело: Золото: Роб Лавінський, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), Кремній: Енрікорос в англійській Вікіпедії/Громадське надбання, Сірка: Benjah-BMM27/Громадське надбання

Елементи, необхідні для життя

Елементи, які є основними складовими людини та інших живих організмів, є кисень, вуглець, водень, азот, сірка. Фосфор присутній в кістках, зубах та ДНК. Кальцій і магній є основними складовими кісток і зубів і виконують деякі інші функції організму. Катіони натрію і калію є основними електролітами в рідинях організму, а хлорид-аніон врівноважує заряд. Залізо присутній в гемоглобіні, який переносить кисень до клітин. Ці елементи необхідні для життя, і вони є макроелементами. Крім них, кілька інших елементів потрібні в невеликій кількості. Вони необхідні для життя і називаються мікроелементами. На рис. 2.4.8 показані макроелементи рожевого кольору і мікроелементи синього кольору в таблиці Менделєєва.

Малюнок \(\PageIndex\) : Таблиця елементів, важливих для життя людини. Рожеві елементи є важливими, які є макроелементами; сині елементи важливі, які є мікроелементами. Джерело: Tosaka/Громадське надбання

Фізико-хімічні стани елементів

Елементи в стані газів в умовах навколишнього середовища

Термін молекула зазвичай використовується для електрично нейтральної групи з двох або більше атомів, утримуваних разом хімічними зв’язками. У кінетичної молекулярної теорії газів молекула – це найменша частинка елемента або з’єднання зі стабільним і незалежним існуванням. Атоми благородних газів існують як самостійні види в газовій фазі при кімнатній температурі, тобто як моноатомні молекули типу He, Ne, Ar, Kr, Xe та Rn. Інші елементи, які є газами кімнатної температури або двоатомними молекулами, тобто H _{2, N 2}, O ₂, F ₂ і Cl ₂, називаються відповідно дигідрогеном, азотом, диоксигеном і дихлором. Зверніть увагу, що зазвичай префікс di не використовується для назви елемента, тобто їх зазвичай називають водень, азот, кисень, фтор і хлор відповідно. Одноатомні види цих елементів, тобто H, N, O, F і Cl, існують, але вони є дуже реактивними формами, званими вільними радикалами, і вони довго не виживають.

Елементи в рідкому стані в умовах навколишнього середовища

Два елементи існують у вигляді рідин при кімнатній температурі, тобто ртуть (Hg), метал та бром (Br ₂), не є металом, який існує як двоатомні молекули. Чотири елементи, францій, цезій, галій та рубідій, є твердими металами при 25 o С, але стають рідкими, коли температура трохи тепліша.

Елементи в твердотільному стані в умовах навколишнього середовища

Всі елементи, не згадані в попередніх двох розділах, тверді при кімнатній температурі. Вони можуть бути двоатомними або багатоатомними молекулами, наприклад, I ₂, O ₃, P ₄, S ₈, дійодом, озоном, тетрафосфором і октасіркою, з двома або трьома, чотирма і вісьмома атомами відповідно в молекулі.

Аллотропи

Різні форми одного і того ж елемента в одному фізичному стані називаються аллотропами.

Алотропи – це різні структурні модифікації елемента. Наприклад, вуглець існує в декількох аллотропних формах; дві з них показані на рис.2.4.9. Інший приклад – O _2, а O ₃ – газоподібні форми кисню.

Малюнок \(\PageIndex\) : Алмаз і графіт – це два аллотропа вуглецю: чисті форми одного і того ж елемента, що відрізняються за структурою. Джерело: Diamond_and_graphite.jpg: Користувач: Itub похідні роботи: Матеріалознавця/CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Елементи, які існують як гігантські молекули

Деякі елементи існують як гігантські молекули, тобто сукупність багатьох атомів, пов’язаних між собою за допомогою 3D-мережі зв’язків. Наприклад, вуглець – гігантська молекула в декількох аллотропних формах, включаючи алмаз, графіт, вуглецеві нанотрубки та фулерени. На рис. 2.4.9 показано склеювання в аллотропах алмазу і графіту. Весь шматок алмазу – це одна молекула з атомами вуглецю, з’єднаними між собою в тривимірну мережу зв’язків.

Метали також існують як сукупність багатьох атомів, пов’язаних між собою металевими зв’язками. Атоми металу існують у вигляді іонів +, розташованих у чітко визначеному тривимірному розташуванні, званому кристалічною решіткою, з деякими з найвіддаленіших електронів, що бродять навколо цілого шматка металу, утворюючи море електронів навколо атомів металу, як показано на рис. 2.4.10.

Елементи в гігантських молекулах і металах представлені символами елементів без будь-якого індексу, наприклад, C – вуглець, Fe – залізо, Au – золото тощо.

Малюнок \(\PageIndex\) : Іони металів у морі електронів. Джерело: Стівен Легг (Sjlegg) /Громадське надбання

Cкільки елементів в таблиці Менделєєва?

Ви коли-небудь замислювалися, скільки елементів в таблиці Менделєєва? Приготуйтеся здивуватися, коли ми вирушимо в подорож, щоб розкрити таємниці періодичної таблиці і відкрити неймовірну кількість елементів, з яких складається наш світ.

Від знайомих нам водню та гелію до маловідомих важких металів – періодична таблиця є скарбницею наукових знань, яка чекає на своє дослідження. У цій статті ми заглибимося в історію періодичної таблиці, розглянемо її структуру та дізнаємося скільки елементів в таблиці Менделєєва, відкритих на сьогоднішній день.

На сьогоднішній день у періодичній таблиці налічується 118 підтверджених елементів.

Історія та розвиток Періодичної таблиці

Історія періодичної таблиці бере свій початок у 19 столітті, коли вчені почали розпізнавати закономірності у властивостях елементів. Одну з перших спроб упорядкувати елементи зробив Йоганн Вольфганг Дьоберейнер, який згрупував елементи зі схожими властивостями в тріади.

Однак саме Дмитру Менделєєву належить заслуга створення сучасної періодичної таблиці, яку ми знаємо сьогодні.

Періодична таблиця Менделєєва, опублікована в 1869 році, організувала елементи на основі їхньої атомної маси та властивостей. Він залишив прогалини для невідкритих елементів і точно передбачив їхні властивості. Ця новаторська праця заклала основу для подальшого прогресу в розумінні періодичної системи елементів.

На початку 20 століття експерименти Генрі Мозлі привели до усвідомлення того, що атомний номер, а не атомна маса, має бути основою для впорядкування елементів. Цей прорив призвів до розробки сучасної періодичної таблиці, в якій елементи розташовані в порядку зростання атомного номера.

Розуміння елементів та будови атома

Перш ніж ми зануримося в кількість елементів, давайте спочатку зрозуміємо, що таке елементи і як вони влаштовані. Елементи є будівельними блоками матерії і не можуть бути розкладені на простіші речовини хімічним шляхом. Кожен елемент унікально характеризується своїм атомним номером, який відображає кількість протонів у його ядрі.

Атоми, фундаментальні одиниці елементів, складаються з ядра, що містить протони і нейтрони, оточені електронами на енергетичних рівнях або оболонках. Розташування електронів визначає хімічні властивості елемента. Залежно від конфігурації електронів елементи поділяють на групи та періоди.

Cкільки елементів в таблиці Менделєєва?

На сьогоднішній день у періодичній таблиці налічується 118 підтверджених елементів. Ці елементи варіюються від водню, найлегшого елемента з одним протоном, до оганесону, найважчого елемента з 118 протонами. Кожен елемент має свої особливі властивості, такі як атомна маса, атомний радіус та електронегативність, які є ключовими факторами для розуміння його поведінки в хімічних реакціях.

Відкриття нових елементів – це безперервний процес, і вчені постійно розширюють межі того, що ми знаємо. Елементи за межами атомного номера 118 ще не мають офіційних назв і позначаються тимчасовими систематичними назвами. Пошук нових елементів триває, дослідники прагнуть розширити періодичну таблицю і вивчити властивості надважких елементів.

Відкриття нових елементів

Відкриття нових елементів – це складний і відповідальний процес, який вимагає співпраці вчених з усього світу. Елементи з атомним номером понад 92, відомі як трансуранові елементи, не зустрічаються в природі на Землі і синтезуються в лабораторіях за допомогою ядерних реакцій.

Вчені використовують прискорювачі частинок і ядерні реактори для створення цих важких елементів, бомбардуючи атоми-мішені частинками високої енергії. В результаті ядерних реакцій утворюються нові елементи, які можна виявити і охарактеризувати за допомогою різних аналітичних методів. Відкриття і підтвердження нових елементів вимагають ретельних експериментальних і теоретичних досліджень для забезпечення їхньої достовірності.

Організація та властивості Періодичної таблиці

Періодична система поділяється на періоди, які представляють кількість електронних оболонок, і групи або родини, які мають схожі електронні конфігурації і проявляють схожі властивості. Елементи в межах однієї групи часто мають подібну хімічну поведінку, тоді як елементи в одному періоді демонструють тенденції до зміни розміру атома, енергії іонізації та електронегативності.

Структура періодичної таблиці дозволяє нам легко зрозуміти взаємозв’язки між елементами і передбачити їхні властивості. Елементи в лівій частині періодичної таблиці – це метали, а в правій – неметали. Металоїди, які проявляють властивості як металів, так і неметалів, розташовані вздовж “сходової” лінії.

Cкільки елементів в таблиці Менделєєва? /Photo: https://www.allthescience.org/

Значення Періодичної системи в хімії

Періодична таблиця є фундаментальним інструментом хімії, що забезпечує систематичну основу для розуміння поведінки елементів та їхніх сполук. Вона дозволяє хімікам передбачити, як елементи будуть взаємодіяти, утворювати сполуки та вступати в хімічні реакції. Періодична таблиця також слугує орієнтиром при проектуванні та розробці нових матеріалів з певними властивостями.

Хімічні реакції та реакції за участю елементів мають вирішальне значення в різних галузях промисловості, зокрема у фармацевтиці, матеріалознавстві та екологічних дослідженнях. Розуміння періодичної таблиці допомагає вченим оптимізувати процеси, розробляти нові технології та вирішувати глобальні проблеми.

Рідкісні та синтетичні елементи

У той час як деякі елементи поширені в природі в надлишку, інші неймовірно рідкісні. Рідкісні елементи, такі як платина і паладій, мають унікальні властивості, які роблять їх дуже цінними і затребуваними. Ці елементи використовуються в різних галузях промисловості, включаючи ювелірну справу, каталіз та електроніку.

Синтетичні елементи, які часто називають трансурановими, штучно створені в лабораторіях і мають атомний номер вище, ніж уран. Ці елементи не зустрічаються в природі на Землі і мають короткий період напіврозпаду, що робить їх дуже нестабільними. Незважаючи на свою нестабільність, синтетичні елементи дали неоціненне розуміння ядерної фізики та меж періодичної таблиці.

Висновок

Періодична таблиця є свідченням неймовірної різноманітності та складності елементів, з яких складається наш світ. Від перших спроб упорядкувати елементи до сучасної періодичної таблиці, якою ми користуємося сьогодні, вчені досягли значних успіхів у розумінні та розкритті таємниць елементів.

Маючи 118 підтверджених елементів і продовжуючи пошук нових, періодична таблиця продовжує надихати наукову допитливість і стимулювати інновації. Її організація та властивості надають дорожню карту для розуміння поведінки елементів та їхніх сполук, що призводить до прогресу в різних галузях.

Тож наступного разу, коли ви подивитеся на періодичну таблицю, знайдіть хвилинку, щоб оцінити обшир знань, які вона представляє, і чудеса елементів, які нас оточують. Періодична таблиця є свідченням людської винахідливості і сили наукових досліджень, нагадуючи нам про красу і складність Всесвіту, в якому ми живемо.