Элемент периода 1
| Часть серии о |
| Периодическая таблица |
|---|
Элемент периода 1 — это один из химических элементов в первом ряду (или периоде ) периодической таблицы химических элементов . Таблица Менделеева расположена в строках, чтобы проиллюстрировать периодические (повторяющиеся) тенденции в химическом поведении элементов по мере увеличения их атомного номера: новая строка начинается, когда химическое поведение начинает повторяться, что означает, что элементы-аналоги попадают в те же вертикальные столбцы. . Первый период содержит меньше элементов, чем любая другая строка таблицы: всего два: водород и гелий . Эту ситуацию можно объяснить современными теориями строения атома . В квантовомеханическом описании атомной структуры этот период соответствует заполнению 1s-орбитали . Элементы периода 1 подчиняются правилу дуэта , согласно которому им нужны два электрона для завершения своей валентной оболочки .
Водород и гелий — древнейшие и наиболее распространенные элементы во Вселенной .
Периодические тенденции
[ редактировать ]Все остальные периоды в таблице Менделеева содержат не менее восьми элементов, и часто полезно учитывать периодические тенденции на протяжении периода. Однако период 1 содержит только два элемента, поэтому эта концепция здесь не применима. [ нужна ссылка ]
С точки зрения вертикальной тенденции вниз по группам, гелий можно рассматривать как типичный благородный газ, возглавляющий группу ИЮПАК 18 , но, как обсуждается ниже, химия водорода уникальна, и его нелегко отнести к какой-либо группе. [1]
Положение элементов периода 1 в таблице Менделеева
[ редактировать ]Первая электронная оболочка , n = 1 , состоит только из одной орбитали, и максимальное количество валентных электронов , которое может разместить элемент с периодом 1, равно двум, оба на 1s-орбитали. В валентной оболочке отсутствует «p» или какой-либо другой вид орбиталей из-за общего l < n ограничения на квантовые числа . Следовательно, период 1 имеет ровно два элемента.Хотя и водород, и гелий находятся в s-блоке , ни один из них не ведет себя так же, как другие элементы s-блока. Их поведение настолько отличается от поведения других элементов s-блока, что существуют серьезные разногласия по поводу того, где эти два элемента следует разместить в периодической таблице.
Просто следуя электронной конфигурации, водород (электронная конфигурация 1s 1 ) и гелий (1с 2 ) следует помещать в группы 1 и 2, над литием (1с 2 2 с 1 ) и бериллий (1с 2 2 с 2 ). [2] Хотя такое расположение характерно для водорода, оно редко используется для гелия вне контекста иллюстрации электронных конфигураций. Обычно водород относят к группе 1, а гелий — к группе 18: это место указано в таблице Менделеева ИЮПАК. [3] По обоим этим вопросам можно найти некоторые вариации. [4]
Как и металлы первой группы, водород имеет один электрон во внешней оболочке. [2] и обычно теряет свой единственный электрон в химических реакциях. [5] Он обладает некоторыми металлоподобными химическими свойствами и способен вытеснять некоторые металлы из их солей . [5] Но водород при стандартных условиях образует двухатомный неметаллический газ, в отличие от щелочных металлов, которые являются химически активными твердыми металлами. Это, а также образование водородом гидридов , в которых он приобретает электрон, приближает его по свойствам к галогенам , которые делают то же самое. [5] (хотя водород реже образует H − чем Ч + ). [6] Более того, два самых легких галогена ( фтор и хлор ) при стандартных условиях являются газообразными, как водород. [5] Некоторые свойства водорода не подходят ни для одной из групп: водород не является ни сильным окислителем, ни сильным восстановителем и не вступает в реакцию с водой. [6] Таким образом, водород имеет свойства, соответствующие свойствам как щелочных металлов, так и галогенов, но не соответствует идеально ни одной из групп, и поэтому его трудно определить по химическому составу. [5] Следовательно, хотя электронное расположение водорода в группе 1 преобладает, в некоторых более редких расположениях водород находится либо в группе 17, либо в группе 17. [7] дублируют водород в обеих группах 1 и 17, [8] [9] или разместите его отдельно от всех групп. [9] [10] [4] Возможность «плавающего» водорода, тем не менее, подверглась критике со стороны Эрика Шерри , который указывает, что удаление его из всех групп предполагает, что он исключается из периодического закона, когда все элементы должны подчиняться этому закону. [11] Некоторые авторы выступали за более необычное размещение водорода, например, в группу 13 или группу 14, на основании тенденций в энергии ионизации, сродстве к электрону и электроотрицательности. [6]
Гелий является нереакционноспособным благородным газом при стандартных условиях и имеет полную внешнюю оболочку: эти свойства аналогичны свойствам благородных газов группы 18, но совсем не свойственны химически активным щелочноземельным металлам группы 2. Поэтому гелий почти всегда помещается в группа 18 [3] которому его свойства лучше всего соответствуют. [4] Однако у гелия на внешней оболочке только два внешних электрона, тогда как у других благородных газов их восемь; и это элемент s-блока, тогда как все остальные благородные газы являются элементами p-блока. Кроме того, твердый гелий кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную структуру, которая соответствует бериллию и магнию из группы 2, но не другим благородным газам из группы 18. [12] В этом отношении гелий лучше соответствует щелочноземельным металлам. [2] [4] Поэтому таблицы, в которых и водород, и гелий находятся вне всех групп, встречаются редко. [10] [4]
Некоторые химики, такие как Генри Бент , выступали за то, чтобы электронное размещение в группе 2 было принято для гелия. [13] [12] [14] [15] [16] Это задание также можно найти в Чарльза Джанета таблице левого шага . Аргументы в пользу этого часто основываются на тенденции аномалий первого ряда (s >> p > d > f), которая гласит, что первый элемент каждой группы часто ведет себя совершенно иначе, чем последующие: разница наибольшая в s-блоке. (H и He), умеренная для p-блока (от B до Ne) и менее выраженная для d- и f-блоков. [13] Таким образом, гелий как первый s 2 Элемент, предшествующий щелочноземельным металлам, выделяется как аномальный в отличие от гелия, как первого благородного газа. [13] Нормализованные потенциалы ионизации и сродство к электрону демонстрируют лучшие тенденции с гелием в группе 2, чем в группе 18; Ожидается, что гелий будет немного более реакционноспособным, чем неон (что нарушает общую тенденцию реакционной способности благородных газов, где более тяжелые газы более реакционноспособны); и предсказанные соединения гелия часто даже теоретически не имеют аналогов неона, но иногда имеют аналоги бериллия. [17] [18] [19]
Элементы
[ редактировать ]| Химический элемент | Блокировать | Электронная конфигурация | ||
|---|---|---|---|---|
| 1 | ЧАС | Водород | S-блок | 1 с 1 |
| 2 | Он | Гелий | S-блок | 1 с 2 |
Водород
[ редактировать ]
Водород (H) — химический элемент с атомным номером 1. При стандартной температуре и давлении водород представляет собой бесцветный, не имеющий запаха, неметаллический , безвкусный, легковоспламеняющийся двухатомный газ с молекулярной формулой H 2 . Водород с атомной массой 1,00794 а.е.м. является самым легким элементом. [20]
Водород — самый распространенный из химических элементов, составляющий примерно 75% элементарной массы Вселенной. [21] Звезды главной последовательности в основном состоят из водорода в плазменном состоянии. Элементарный водород относительно редок на Земле и промышленно производится из углеводородов, таких как метан, после чего большая часть элементарного водорода используется «в неволе» (то есть локально на месте производства), при этом крупнейшие рынки почти поровну разделены между ископаемого топлива модернизацией , например гидрокрекинг производство и аммиака , в основном для рынка удобрений. Водород можно получить из воды с помощью процесса электролиза , но этот процесс значительно дороже с коммерческой точки зрения, чем производство водорода из природного газа. [22]
Самый распространенный природный изотоп водорода, известный как протий , имеет один протон и не имеет нейтронов . [23] В ионных соединениях он может принимать либо положительный заряд, становясь катионом , состоящим из голого протона, либо отрицательный заряд, становясь анионом, известным как гидрид . Водород может образовывать соединения с большинством элементов и присутствует в воде и большинстве органических соединений . [24] Особенно важную роль он играет в кислотно-основной химии , в которой многие реакции включают обмен протонами между растворимыми молекулами. [25] Поскольку атом водорода является единственным нейтральным атомом, для которого уравнение Шрёдингера может быть решено аналитически, изучение энергетики и спектра атома водорода сыграло ключевую роль в развитии квантовой механики . [26]
Взаимодействие водорода с различными металлами очень важно в металлургии , так как многие металлы могут подвергаться водородному охрупчиванию . [27] и в разработке безопасных способов его хранения для использования в качестве топлива. [28] Водород хорошо растворим во многих соединениях, состоящих из редкоземельных и переходных металлов. [29] и может растворяться как в кристаллических , так и в аморфных металлах. [30] На растворимость водорода в металлах влияют местные искажения или примеси в кристаллической решетке металла . [31]
Гелий
[ редактировать ]
Гелий (He) — бесцветный, без запаха, без вкуса, нетоксичный, инертный одноатомный химический элемент, возглавляющий ряд благородных газов в таблице Менделеева и атомный номер которого равен 2. [32] Его точки кипения и плавления самые низкие среди элементов, и он существует только в виде газа, за исключением экстремальных условий. [33]
Гелий был открыт в 1868 году французским астрономом Пьером Янсеном , который впервые обнаружил это вещество как неизвестную желтую спектральную линию в свете солнечного затмения . [34] В 1903 году большие запасы гелия были обнаружены на месторождениях природного газа США, которые на сегодняшний день являются крупнейшим поставщиком газа. [35] Вещество используется в криогенике , [36] в глубоководных дыхательных системах, [37] для охлаждения сверхпроводящих магнитов , для датирования гелием , [38] для надувания воздушных шаров , [39] для обеспечения подъемной силы дирижаблей , [40] и в качестве защитного газа для промышленного применения, например, при дуговой сварке и выращивании кремниевых пластин. [41] Вдыхание небольшого объема газа временно меняет тембр и качество человеческого голоса. [42] Поведение двух жидких фаз жидкого гелия-4, гелия I и гелия II, важно для исследователей, изучающих квантовую механику и, в частности, явление сверхтекучести . [43] и тем, кто изучает влияние температур, близких к абсолютному нулю , на материю , например, на сверхпроводимость . [44]
Гелий — второй по легкости элемент и второй по распространенности в наблюдаемой Вселенной. [45] Большая часть гелия образовалась во время Большого взрыва , но новый гелий создается в результате ядерного синтеза водорода в звездах . [46] На Земле гелий относительно редок и образуется в результате естественного распада некоторых радиоактивных элементов. [47] потому что альфа-частицы испускаемые состоят из ядер гелия . Этот радиогенный гелий улавливается природным газом в концентрациях до семи процентов по объему. [48] из которого его извлекают в промышленных масштабах с помощью процесса низкотемпературного разделения, называемого фракционной перегонкой . [49]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Майкл Лэнг (2006). «Куда поместить водород в таблице Менделеева?». Основы химии . 9 (2): 127–137. дои : 10.1007/s10698-006-9027-5 . S2CID 93781427 .
- ^ Jump up to: а б с Грей, с. 12
- ^ Jump up to: а б «Таблица Менделеева элементов» . iupac.org . ИЮПАК. 2021. Архивировано из оригинала 10 апреля 2016 года . Проверено 3 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Уотерс, Питер; Килер, Уотерс (2008). Химическая структура и реакционная способность: комплексный подход . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 259. ИСБН 978-0-19-928930-1 .
- ^ Jump up to: а б с д и Власов Л.; Трифонов, Д. (1970). 107 рассказов о химии . Перевод Соболева, Издательство «Д. Мир». стр. 23–27. ISBN 978-0-8285-5067-3 .
- ^ Jump up to: а б с Рейнер-Кэнхэм, Джеффри (2020). Таблица Менделеева: прошлое, настоящее, будущее . Всемирная научная. стр. 71–84. ISBN 9789811218507 .
- ^ Клейден, Джонатан ; Гривз, Ник; Уоррен, Стюарт ; Уотерс, Питер (2001). Органическая химия (1-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850346-0 .
- ^ Сиборг, Г. (1945). «Химические и радиоактивные свойства тяжелых элементов». Новости химии и техники . 23 (23): 2190–93. doi : 10.1021/cen-v023n023.p2190 .
- ^ Jump up to: а б Каес, Херб; Аткинс, Питер (2009). «Центральное положение водорода в таблице Менделеева» . Химия Интернэшнл . 25 (6): 14. doi : 10.1515/ci.2003.25.6.14 .
- ^ Jump up to: а б Гринвуд и Эрншоу на протяжении всей книги
- ^ Шерри, Эрик (2004). «Размещение водорода в таблице Менделеева» . Химия Интернэшнл . 26 (3): 21–22. дои : 10.1515/ci.2004.26.3.21 . Проверено 11 ноября 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Курушкин, Михаил (2020). «Размещение гелия в периодической таблице с точки зрения кристаллической структуры» . МСКРЖ . 7 (4): 577–578. Бибкод : 2020IUCrJ...7..577K . дои : 10.1107/S2052252520007769 . ПМК 7340260 . ПМИД 32695406 . Архивировано из оригинала 19 октября 2021 года . Проверено 19 июня 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с Эрик Шерри . 2020, Периодическая таблица, ее история и значение , 2-е издание, Oxford University Press, Нью-Йорк, ISBN 978-0190914363 . стр. 392–401, 407–420.
- ^ Грочала, Войцех (1 ноября 2017 г.). «О месте гелия и неона в Периодической таблице элементов» . Основы химии . 20 (2018): 191–207. дои : 10.1007/s10698-017-9302-7 .
- ^ Бент Вебер, Либби (18 января 2019 г.). « Таблица Менделеева» . Новости химии и техники . 97 (3). Архивировано из оригинала 1 февраля 2020 года . Проверено 27 марта 2020 г.
- ^ Грандинетти, Феличе (23 апреля 2013 г.). «Неон за вывесками» . Природная химия . 5 (2013): 438. Бибкод : 2013НатЧ...5..438Г . дои : 10.1038/nchem.1631 . ПМИД 23609097 .
- ^ Грочала, Войцех (1 ноября 2017 г.). «О месте гелия и неона в Периодической таблице элементов» . Основы химии . 20 (2018): 191–207. дои : 10.1007/s10698-017-9302-7 .
- ^ Бент Вебер, Либби (18 января 2019 г.). « Таблица Менделеева» . Новости химии и техники . 97 (3) . Проверено 27 марта 2020 г.
- ^ Грандинетти, Феличе (23 апреля 2013 г.). «Неон за вывесками» . Природная химия . 5 (2013): 438. Бибкод : 2013НатЧ...5..438Г . дои : 10.1038/nchem.1631 . ПМИД 23609097 .
- ^ «Водород – Энергия» . Управление энергетической информации . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ Палмер, Дэвид (13 ноября 1997 г.). «Водород во Вселенной» . НАСА . Проверено 5 февраля 2008 г.
- ^ Персонал (2007). «Основы водорода — Производство» . Центр солнечной энергии Флориды . Проверено 5 февраля 2008 г.
- ^ Салливан, Уолтер (11 марта 1971 г.). «Термоядерная энергия все еще сталкивается с огромными трудностями». Нью-Йорк Таймс .
- ^ «водород». Британская энциклопедия . 2008.
- ^ Юстис, С.Н.; Радишич, Д.; Боуэн, К.Х.; Бахорц, РА; Гаранчик, М.; Шентер, ГК; Гутовски, М. (15 февраля 2008 г.). «Электронно-управляемая кислотно-основная химия: перенос протона от хлористого водорода к аммиаку». Наука . 319 (5865): 936–939. Бибкод : 2008Sci...319..936E . дои : 10.1126/science.1151614 . ПМИД 18276886 . S2CID 29493053 .
- ^ «Зависящее от времени уравнение Шрёдингера». Британская энциклопедия . 2008.
- ^ Роджерс, ХК (1999). «Водородное охрупчивание металлов». Наука . 159 (3819): 1057–1064. Бибкод : 1968Sci...159.1057R . дои : 10.1126/science.159.3819.1057 . ПМИД 17775040 .
- ^ Кристенсен, Швейцария; Норсков, Дж. К.; Йоханнессен, Т. (9 июля 2005 г.). «Сделать общество независимым от ископаемого топлива — датские исследователи раскрывают новую технологию» . Технический университет Дании. Архивировано из оригинала 7 января 2010 года . Проверено 28 марта 2008 г.
- ^ Такешита, Т.; Уоллес, МЫ; Крейг, Р.С. (1974). «Растворимость водорода в соединениях иттрия или тория и никеля или кобальта 1:5». Неорганическая химия . 13 (9): 2282–2283. дои : 10.1021/ic50139a050 .
- ^ Кирххайм, Р.; Мучеле, Т.; Кинингер, В. (1988). «Водород в аморфных и нанокристаллических металлах». Материаловедение и инженерия . 99 (1–2): 457–462. дои : 10.1016/0025-5416(88)90377-1 .
- ^ Кирххайм, Р. (1988). «Растворимость и диффузия водорода в дефектных и аморфных металлах». Прогресс в материаловедении . 32 (4): 262–325. дои : 10.1016/0079-6425(88)90010-2 .
- ^ «Гелий: самое необходимое» . ВебЭлементы . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ «Гелий: физические свойства» . ВебЭлементы . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ «Пьер Янссен» . MSN Энкарта. Архивировано из оригинала 29 октября 2009 г. Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ Тайсс, Лесли (18 января 2007 г.). «Куда делся весь гелий?» . Бюро землеустройства. Архивировано из оригинала 25 июля 2008 г. Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ Тиммерхаус, Клаус Д. (06 октября 2006 г.). Криогенная техника: пятьдесят лет прогресса . Спрингер. ISBN 0-387-33324-Х .
- ^ Копель, М. (сентябрь 1966 г.). «Гелиевая расшифровка голоса». Аудио и электроакустика . 14 (3): 122–126. дои : 10.1109/ТАУ.1966.1161862 .
- ^ «гелиевые свидания». Британская энциклопедия . 2008.
- ^ Брэйн, Маршалл (апрель 2000 г.). «Как работают гелиевые шары» . Как все работает . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ Дживатрам, Джая (10 июля 2008 г.). «Возвращение дирижабля» . Популярная наука . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ «Когда хорошие дуги GTAW смещаются; сквозняки вредны для сварщиков и их дуг GTAW». Сварочное проектирование и изготовление . 01.02.2005.
- ^ Монтгомери, Крейг (4 сентября 2006 г.). «Почему при вдыхании гелия голос звучит странно?» . Научный американец . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ «Вероятное открытие новой сверхтвёрдой фазы материи» . Наука Дейли. 3 сентября 2004 г. Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ Браун, Малкольм В. (21 августа 1979 г.). «Ученые видят опасность в трате гелия; ученые видят опасность в трате гелия». Нью-Йорк Таймс .
- ^ «Гелий: геологическая информация» . ВебЭлементы . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ Кокс, Тони (3 февраля 1990 г.). «Происхождение химических элементов» . Новый учёный . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ «Запасы гелия упали: из-за дефицита производства некоторые отрасли промышленности и любители вечеринок вынуждены скрываться». Хьюстонские хроники. 05.11.2006.
- ^ Браун, Дэвид (2 февраля 2008 г.). «Гелий — новая мишень в Нью-Мексико» . Американская ассоциация геологов-нефтяников . Проверено 15 июля 2008 г.
- ^ Вот, Грег (1 декабря 2006 г.). «Откуда мы берем гелий, который используем?». Учитель естественных наук.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Блох, Д.Р. (2006). Органическая химия демистифицирована . МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 0-07-145920-0 .
