Първи период на периодичната таблица — защо има само водород и хелий
Разкрийте защо първи период съдържа само водород и хелий — квантова структура, орбитала 1s и правилото на дуета, обяснени ясно и достъпно.
Елемент от период 1 е елемент от първия период (ред) на периодичната таблица. Периодичната таблица е подредена в редове, за да покаже повтарящите се свойства на елементите. Когато атомният номер се увеличава, елементът има различни свойства. Нов ред започва, когато химичните свойства се повтарят. Това означава, че елементите в една и съща група имат сходни свойства.
Колко елемента има в първия период и защо?
Първият период има по-малко елементи, отколкото всички останали периоди в периодичната таблица. В първия период има само два елемента: водород и хелий. Причината се обяснява чрез съвременните квантово-механични представи за строежа на атома.
Квантово-механично обяснение
- Атомните електрони заемат енергетични нива (обвивки), които се означават с главно квантово число n. За n = 1 съществува само една орбитала — 1s.
- Всяка орбитала може да съдържа максимум два електрона, според принципа на Паули, защото електроните трябва да имат различни спинови квантови числа (един "въртен нагоре", друг "въртен надолу").
- Обобщено правило за максимален брой електрони в обвивка дава формулата 2n^2. За n = 1 това дава 2·1^2 = 2 електрона. Следователно първата обвивка може да приеме най-много два електрона и първият период не може да включва повече от два различни елемента.
- В енергийна последователност орбиталата 1s е най-ниска по енергия и се запълва първа (правило на Aufbau). Елементите от първи период следват и т.нар. правило на дуета: достатъчно им е да достигнат конфигурация 1s2, за да имат запълнена валентна обвивка.
Защо следващите периоди са по-дълги?
За n ≥ 2 вече има повече видове орбитали (s и p при n = 2, а при n = 3 и d орбитали и т.н.), което позволява повече електрони в същата обвивка и съответно повече елементи в периода. Например за n = 2 формулата 2n^2 дава 8 електрона (2s + 2p орбитали), затова вторият период съдържа 8 елемента.
Особености на водорода и хелия
- Водород (Z=1) има само един електрон (1s1). Поради това той е необичаен: химически може да наподобява както алкалните метали (поради един валентен електрон), така и халогените (потребността да достигне електронна конфигурация на благороден газ). Поради тази двойнственост понякога водородът се изобразява отделно или се поставя на различни места в таблицата.
- Хелий (Z=2) има конфигурация 1s2 — напълно запълнена първа обвивка, което го прави химически инертен и го поставя сред благородните газове. Въпреки че има само s-електрони, хелият се групира с благородните газове поради стабилната си конфигурация.
Допълнителни бележки
- Понятието "периодичност" в таблицата произтича от повторението на валентната електронна структура, а при n = 1 тази структура е изключително проста — една 1s орбитала.
- Макар да има възможност за възбудени състояния (например временно добавяне на енергия и преместване на електрон в по-висока орбитала), това не създава нови химични елементи; елементите се дефинират по броя на протоните в ядрото.
- Исторически Мeндeлeев и други учени подреждали елементите според химични свойства и атомни маси, но квантовата механика дава съвременното обяснение защо първият ред съдържа само два елемента.
Кратко заключение: Първият период има само водород и хелий, защото при n = 1 има само една орбитала (1s), а тази орбитала може да побере най-много два електрона. Поради това физичните закони на квантовата механика и принципът на Паули ограничават броя на възможните елементи в първия ред до два.
Периодични тенденции
Тъй като в период 1 има само два елемента, не се наблюдават забележителни периодични тенденции.
Водород
Хелий
Позиция на елементите от период 1 в периодичната таблица
Въпреки че и водородът, и хелият са в s-блока, те не се държат подобно на другите елементи от s-блока. Съществува спор за това къде трябва да бъдат поставени тези два елемента в периодичната таблица.
Водород
Положението на водорода е понякога над лития, понякога над въглерода, понякога над флуора, понякога над лития и флуора (появява се два пъти) или плава над другите елементи и не принадлежи към никоя група в периодичната таблица.
Хелий
Хелият почти винаги е над неона (който е в p-блока) в периодичната таблица, тъй като е благороден газ. Понякога обаче позицията му е над тази на берилия, тъй като те имат сходна електронна конфигурация.
Елементи в период 1
| Химически серии | ||||
| 1 | H | Неметал | 1s1 | |
| 2 | Той | 1s2 | ||
Водород
Водородът (символ:H) е химичен елемент. Атомният му номер е 1. При стандартна температура и налягане водородът няма цвят, мирис и вкус. Той принадлежи към неметалите и е силно запалим. Той е двуатомен газ с молекулна формула H2 . Атомната му маса е 1,00794 amu, което прави водорода най-лекия елемент.
Водородът е най-разпространеният от химичните елементи. Разпространението на водорода е приблизително 75 %. Звездите от главната последователност са съставени главно от водород в плазмено състояние. На Земята обаче има по-малко количество водород. Поради това водородът се произвежда промишлено от въглеводороди (напр. метан). Ние използваме елементарен водород на място в производствената площадка. Най-големите пазари се разпределят почти поравно между облагородяването на изкопаеми горива, като например хидрокрекинг, и производството на амоняк, предимно за пазара на торове. Водородът може да се произвежда от вода чрез процеса на електролиза, но този процес е значително по-скъп в търговско отношение, отколкото производството на водород от природен газ.
Най-често срещаният в природата изотоп на водорода, известен като протий, има един протон и няма неутрони. В йонните съединения той може да придобие или положителен заряд, превръщайки се в катион, съставен от гол протон, или отрицателен заряд, превръщайки се в йон, известен като хидрид. Водородът може да образува съединения с повечето елементи и се съдържа във водата и повечето органични съединения. Той играе особено важна роля в киселинно-основната химия, в която много реакции включват обмен на протони между разтворими молекули. Като единственият неутрален атом, за който уравнението на Шрьодингер може да бъде решено аналитично, изучаването на енергетиката и спектъра на водородния атом е изиграло ключова роля в развитието на квантовата механика.
Взаимодействието на водорода с различни метали е много важно за металургията, тъй като много метали могат да бъдат подложени на водородна крехкост, както и за разработването на безопасни начини за съхраняването му за използване като гориво. Водородът е силно разтворим в много съединения, съставени от редкоземни и преходни метали, и може да се разтвори както в кристални, така и в аморфни метали. Разтворимостта на водорода в металите се влияе от локални изкривявания или примеси в кристалната решетка на метала.
Хелий
Хелият (He) е безцветен, без мирис, без вкус, нетоксичен, инертен моноатомен химичен елемент, който оглавява серията благородни газове в периодичната таблица и чийто атомен номер е 2. Неговите температури на кипене и топене са най-ниските сред елементите и той съществува само като газ, освен при екстремни условия.
Хелият е открит през 1868 г. от френския астроном Пиер Янсен, който за първи път открива веществото като непозната жълта спектрална линия в светлината от слънчево затъмнение. През 1903 г. са открити големи запаси от хелий в находищата на природен газ в Съединените щати, които са най-големият доставчик на този газ. Веществото се използва в криогениката, в системите за дълбоководно дишане, за охлаждане на свръхпроводящи магнити, при хелиеви запознанства, за надуване на балони, за осигуряване на подемна сила на дирижаблите и като защитен газ за промишлени цели, като дъгово заваряване и отглеждане на силициеви пластини. Вдишването на малко количество от газа временно променя тембъра и качеството на човешкия глас. Поведението на двете флуидни фази на течния хелий-4, хелий I и хелий II, е важно за изследователите, които изучават квантовата механика и по-специално явлението свръхтечност, както и за тези, които разглеждат ефектите, които температурите, близки до абсолютната нула, оказват върху материята, например при свръхпроводимостта.
Хелият е вторият най-лек елемент и е вторият най-разпространен в наблюдаваната Вселена. По-голямата част от хелия се е образувала по време на Големия взрив, но нов хелий се създава в резултат на ядрения синтез на водорода в звездите. На Земята хелият се среща сравнително рядко и се създава при естествения разпад на някои радиоактивни елементи, тъй като алфа-частиците, които се излъчват, се състоят от хелиеви ядра. Този радиогенен хелий е задържан в природния газ в концентрации до седем обемни процента, от който се извлича с търговска цел чрез нискотемпературен процес на разделяне, наречен фракционна дестилация.
Хелиева тръба за разреждане
Деутериева разрядна тръба
Тръба за изхвърляне на водород
Въпроси и отговори
В: Какво представлява елементът от период 1?
О: Елемент от период 1 е елемент от първия ред на периодичната таблица.
В: Как са подредени елементите в периодичната таблица?
О: Елементите в периодичната таблица са подредени в редове, за да покажат повтарящите се свойства на елементите. С увеличаване на атомния номер се появяват различни свойства. Нов ред започва, когато химичните свойства се повтарят и елементите в дадена група имат сходни свойства.
Въпрос: Колко елемента има в период 1?
О: В период 1 има само два елемента - водород и хелий.
В: Защо в период 1 има по-малко елементи в сравнение с други периоди?
О: Това може да се обясни със съвременните теории за строежа на атома, според които този период запълва орбитата 1s и следва правилото на дуета, което означава, че се нуждае само от два електрона, за да завърши валентната си обвивка, така че може да притежава само два електрона и двата в орбитата 1s. Следователно той може да има само два елемента.
Въпрос: Какво обяснява квантовата физика за период 1?
О: Квантовата физика обяснява защо в период 1 има по-малко елементи в сравнение с другите периоди - това е така, защото той запълва орбитата 1s и следва правилото на дуета, което означава, че се нуждае само от два електрона, за да завърши валентната си обвивка, така че може да държи само два електрона и двата в орбитата 1s.
Въпрос: Какво означава "дуетно правило"?
О: "Правилото на дуета" означава, че елемент от първи период се нуждае само от два електрона, за да завърши валентната си обвивка, така че може да държи само два електрона и двата в орбитала 1s.
В: Какво се случва, когато химичните свойства се повтарят? О: Когато химичните свойства се повтарят, започва нов ред в периодичната таблица, тъй като с нарастването на атомния номер се появяват различни свойства.
обискирам