ABSTRACT

Is offered the table of periodic system of the elements, based on immanent of their electronic structure inherent in atoms with observable properties; as a measure of properties atoms energy of bond of valent electrons with nucleus (a core atom) acts. The table is natural classification of chemical elements. The empirical law of periodicity of chemical is discussed.

Ключевые слова: атом; теория; элемент; периодическая система

Внимание!

Если вам нужна помощь с академической работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

Keywords: atom; theory; element; periodic system

Таблица Д.И. Менделеева — это величайшее завоевание человечества. Открытие Менделеевым периодического закона элементов стало важнейшим шагом в становлении атомистического учения и фактически положило начало новому этапу в развитии химии и в целом всего естествознания. Периодическая таблица раскрыла внутренне присущие элементам связи и выстроила элементы в одну логическую линию развития от водорода до урана, продемонстрировала их единство и причинную обусловленность внутренним строением атомов. Периодическая таблица Менделеева позволила окончательно утвердиться с реальным существованием атомов, а атомистические взгляды прочно вошли в науку и стали мощным стимулом для ее дальнейшего развития [1—3, 5—7, 9].

Очевидно, что наблюдаемая периодичность строения таблицы Менделеева является следствием периодичности электронного строения составляющих ее атомов. Сегодня стало возможным устано­вить электронное строение атомов и тем самым объяснить строение таблицы Менделеева. Этой проблеме и посвящена настоящая работа.

Весь имеющийся фактологический материал со всей очевидностью свидетельствует о высокой структурной организации атомов. Основной вывод, вынесенный из предшествующего рассмотрения [6, 7], сводится к тому, что строение таблицы Менделеева обусловлено электронным строением составляющих ее элементов. При этом дискретность заряда  ядра задает непрерывную последовательность элементов, порядковый номер  которых определяется зарядом ядра . А свойства элементов и их энергетическое состояние находятся в периодической зависимости от порядкового номера  элемента в каждом из периодов, определяе­мых оболочечным строением атомов. Количественной мерой свойства атома выступает его поляризуемость  [4, 8] или энергия связи (или потенциал ионизации ) [8]. Как показывает анализ, наиболее приемлемым для установления факта периодичности элементов пара­метром на сегодняшний день является потенциал ионизации, скорректированный по данным наиболее достоверных величин энергии связи. В свою очередь, потенциал ионизации является непос­редственной функцией электронной конфигурации внешних оболочек.

Исходным пунктом для последующего рассмотрения может служить всесторонне апробированная модель атома водорода, согласно которой атом водорода представляет собой ядро, в центральном поле которого удерживается вращающийся электрон. Стационарное состояние атома определяется энергией связи электрона с ядром и является количественной мерой устойчивости атома. Механизм образования атома водорода предельно прост и связан с захватом свободного электрона на устойчивую орбиту ядра.

Аналогичный механизм имеют атомы I группы таблицы Менделеева. Согласно теореме Гаусса щелочные металлы (атомы I группы) представляют собой связанную систему из остова атома и электрона на внешней оболочке. В приближении недеформируемого остова такая система представляет квазиточечный единичный заряд , в поле которого удерживается вращающийся электрон. В таком представлении щелочные атомы структурно подобны атому водорода. В этой связи можно предположить, что и механизм образования электронных оболочек щелочных атомов должен быть таким же, как у атома водорода. Т. е. «кинетический» барьер, определяемый кинетической энергией центробежного отталкивания электрона, препятствует его проникновению на оболочку остова и он сам (остов) становится центром образования новой орбиты (новой оболочки). Для образования новой оболочки необходимо, чтобы энергия ее образования была не меньше приращения энергии связи, вызванного предполагаемым захватом электрона нижележащей оболочкой. При этом его остов играет роль притягивающего центра, имеющего единичный положительный заряд . В результате третий электрон захватывается этим зарядом орбитой, подобной боровской орбите атома водорода. Эта орбита, по сути, представляет новую оболочку атома лития: устойчивость такого атома (Li) как и в случае с атома водорода достигается за счет баланса сил притяжения электрона к квазиточечному остову и сил центробежного отталкивания. С одной стороны, энергия связи электрона атома лития обеспечивает ему устойчивость, а с другой стороны, она служит фактором, ограничивающим возможность переноса электрона на оболочку и тем самым затрудняющим образование гипотетического атома с 3-х электронной оболочкой. Этим объясняется тот факт, что в естественных условиях для образования атома лития реализуется не 3-х электронная оболочка, а водородоподобная структура с новой оболочкой. Таким образом формируются все атомы I группы таблицы Менделеева с характерной для них одноэлектронной оболочкой.

Атом гелия также как и атом водорода выступает в качестве структурообразующего элемента. Это означает, что все элементы с 2-х электронными оболочками в приближении недеформируемых остовов являются гелийподобными. Механизм формирования 2-х электронных оболочек сводится к захвату на орбиту остова с зарядом  второго электрона и образованию устойчивой конфигурации в виде зеркально симметричной относительно ядра электронной эллиптической орбиты. Например, атом бериллия  образуется в результате присоединения четвертого электрона к оболочке, повторяя тем самым гелийподобную структуру, в которой в роли аттрактора выступает квазиточечный остов с зарядом . Характерным признаком для атомов II группы является двухэлектронная конфигурация их внешних оболочек.

Логично принять число электронов на внешней оболочке в качестве классификационного признака при построении таблицы периодичности элементов «по горизонтали». Атомы с тремя электронами на внешней оболочке формируют III группу, атомы с четырьмя электронами — IV группу и т. д. вплоть до VIII группы. В этом ряду специфическую особенность имеют атомы III группы. Она заключается в том, что круговые орбиты элементов преобразуются в эллиптические орбиты элементов. Примером может служить атом бора . Образование третьей оболочки по образу атома лития ограничено тем, что заряд остова такого гипотетического атома относительно невелик и не может обеспечить условий для образования новой оболочки. С другой стороны, отталкивательный эффект, характерный для 2-х электронных оболочек затрудняет образование 2-х электронной оболочки как в случае атома лития. В результате своеобразного компромисса образуется оболочка из 3-х независимых эллиптических орбит. Эти атомы имеют тригональную конфигурацию, т. е. конфигурацию в виде равностороннего треугольника, в вершинах которого расположены электроны [6, 7]. При этом все три электрона находятся в центральном поле ядра, и их энергии связи равны между собой, т. е. все три электрона принадлежат одной оболочке. Это принципиально новый результат; он отличается от общепринятых в настоящее время представлений о делении оболочек на  и подоболочки [1, 2, 5, 10—12]. Данное обстоятельство коренным образом меняет отношение к сложившейся системе взглядов на построение таблицы Менделеева.

Заполнение клеточек каждого из периодов таблицы Менделеева осуществляется единообразным образом в соответствии с числом электронов  на внешней оболочке. При этом атомам с четырьмя электронами на их внешних оболочках соответствует высокосимметричная тетраэдрическая конфигурация, атомам с 5-ю электронами близкую к тригонально-бипирамидальной, атомам с 6-ю электронами — октаэдрическая, атомам с 7-ю электронами — близкую к пентагонально-бипирамидальной, атомам с 8-ю электронами — гексаэдрическая (кубическая) [6, 7]. Характерным для всех этих конфигураций является то, что согласно принципу минимума потенциальной энергии электроны находятся на одинаковых друг от друга расстояниях. Одновременно в силу сферической симметрии они должны находятся на одинаковом расстоянии от ядра (остова). Отсюда следует важный вывод. Электроны каждой из оболочек (независимо от их числа; в пределах от 1 до 8) энергетически вырождены, т. е. являются неразличимыми и равноправными. В этом отношении для идентификации атомов достаточно располагать знанием числа  электронов на выделенной оболочке и порядкового номера  самой оболочки. Параметры  и  однозначно характеризуют положение атома в таблице Менделеева и его начальное энергетическое состояние. Сама энергия связи атомов изменяется закономерным образом в соответствии с порядковым номером : ; в приближении водородоподобных атомов энергии связи  атомов I группы одинаковы, т. е. вырождены, а текущее значение энергии  зависит только от величины .

Оболочки, имеющие емкости до 18 или 32 электронов, можно представить в виде конфигураций из 9 и 16 пар зеркально симметричных электронов относительно ядра (остова) соответственно. Электроны на этих оболочках также неразличимы и равноправны [7].

Построение периодической системы элементов «по горизонтали» осуществляется путем последовательного заполнения электронами соответствующей  оболочки. Первый период образован из двух элементов. Второй период образован из двух  и шести элементов; он завершается устойчивой высокосимметричной конфигурацией оболочки атома неона. Энергия связи неона достигает максимальной в этом периоде величины. Емкость оболочки равна .

У следующего атома натрия  энергетически более выгодной оказывается структура с образованием новой оболочки. Это можно объяснить тем, что 9-и электронная гипотетическая оболочка с ее низкосимметричной конфигурацией не может обеспечить должную устойчивость атома в целом. Ее образованию также препятствует отрицательная энергия сродства к электрону. С другой стороны, электрический потенциал остова достигает уровня, при котором становится возможным образование устойчивой оболочки по типу водородоподобного атома (см. выше). В результате у атома натрия формируется водородоподобная структура, у которой в качестве притягивающего центра выступает квазиточечный остов, имеющий единичный заряд . Атомом натрия начинается формирование следующей оболочки. Ее первые 8 электронов точно повторяют строение оболочки, представляя 3-й период таблицы Менделеева. Однако на этом построение оболочки не завершается, но изменяется последовательность ее заполнения. Вначале образуется двухэлектронная  оболочка; последующие 10 электронов, попадая на оболочку, не удерживаются на ней и транзитом переносятся на внутреннюю оболочку. Это может означать, что энергия ионизации гипотетических элементов оказывается меньше энергии связи электронов атомов оболочки. Наблюдаемое явление можно объяснить тем, что энергия связи электронов на внутренних оболочках растет с увеличением заряда  быстрее, чем на внешних оболочках.

Всего на оболочке умещается 18 электронов; ее емкость также подчиняется правилу . В результате заполнения оболочки потенциал остова атомов 4-го периода увеличивается до уровня, достаточного для образования электронов последующих шести элементов на данной оболочке. Таким образом формируется внешняя оболочка 4-го периода. Заполнение оболочки возобновляется после образования оболочки из двух электронов. Сначала оболочка пополняется десятью электронами в результате их переноса с внешней оболочки по рассмотренному выше механизму. Затем после завершения внешней оболочки и формирования элементов оболочки начинается заполнение оболочки электронами. Емкость оболочки равна 32 электронам, что удовлетворяет отмеченной выше закономерности .

После завершения оболочки начинается заполнение оболочки электронами до , после чего возобновляется заполнение внешней оболочки электронами. Радоном  завершается 6-й период. Емкость оболочки также как и у оболочки равна 32 электронам. Начиная с этой оболочки, порядок заполнения оболочек нарушается. На оболочке находится 18 электронов, а на оболочке — всего 2. Нарушение в порядке заполнения оболочек, надо полагать, связано с изменением соотношения между составляющими внутриатомными вкладами энергии в результирующую энергию связи . В результате этого число электронов на последних  и оболочках резко падает, свидетельствуя тем самым о падении движущего потенциала эволюции химических элементов. Другими словами, присущая атомам способность к самоорганизации и самоусложнению начинает быстро спадать при достижении системы некоторого критического уровня.

Здесь также следует отметить, что с увеличением номера элемента в таблице Менделеева максимальная емкость оболочек не остается неизменной и соответствует выявленной ранее закономерности , где  — номер оболочки. Емкость оболочек последовательно возрастает вплоть до , сохраняет свое значение на максимальном уровне при , и затем спадает до 18 элементов при  и до 8 электронов при . Резко спадающий характер зависимости  в области  отвечает на вопрос о естественной границе таблицы Менделеева. Эта граница соответствует двум элементам (119 и 120) 8-го гипотетического периода.

Т. о., сложившаяся система химических элементов — это результат их химической эволюции в процессе отбора электронных конфигураций, обеспечивающих саму возможность организации молекулярного и вещественного уровней; при этом процесс повышения «разнообразия» элементов идет не только по пути увеличения числа оболочек атома, но и за счет увеличения емкости самих оболочек.

Выполненный выше анализ позволяет по-новому подойти к проблеме систематизации элементов. При этом будем руководствоваться следующими положениями: 1) Движущий потенциал химической эволюции, каковым является заряд ядра , обеспечивает формирование непрерывного ряда элементов, соответствующего ряду натуральных чисел . В этом ряду можно выделить подряды (периоды) в соответствии с оболочечным строением атома; 2) Образование каждого нового элемента достигается в результате захвата электрона ядром (в случае атомов водорода и гелия) или остовом атома (для всех остальных элементов). Атомы представляют сложную структуру из  вложенных оболочек. Каждая из оболочек представляет одну из правильных геометрических фигур с числом электронов до 2, 8, 18, 32 ; наибольшую устойчивость имеют атомы с числом электронов на внешней оболочке до ; 3) Количественной мерой устойчивости служит энергия связи  валентных электронов с остовом атома. Она закономерно возрастает в каждом периоде по мере возрастания заряда на остове  (где  — порядковый номер элемента в  периоде, равного числу электронов на оболочке); 4) Электронные конфигурации оболочек с заданным числом электронов периодически повторяются. Соответственно (периодически) изменяется энергия связи  элементов, обусловливая периодичность всех физико-химических свойств элементов; 5) В соответствии с принятым делением элементы таблицы Менделеева можно подразделить на следующие классы: элементы (непереходные элементы), элементы (переходные металлы), элементы (внутренние переходные металлы). Основанием для такого деления служит признак образования атома за счет заполнения электронами внешней оболочки (элементы) и внутренних оболочек ( и элементы); 6) Энергия связи  является результатом баланса сил притяжения электронов к остову и сил взаимного отталкивания электронов внешней оболочки. Следовательно, величина  причинно обусловлена структурой внешних оболочек. Электроны внутренних оболочек оказывают влияние на энергию  опосредованно как результат возмущения энергетического состояния атома. Отсюда следует важный вывод: элементы таблицы Менделеева образуют три типа периодичности: периодичность, определяемая элементами А класса (элементами, которые образованы в результате заполнения внешних оболочек), периодичность, определяемая элементами Б и В классов (элементами, которые образованы в результате заполнения внутренних оболочек). Фактически это означает, что периодичность свойств элементов, как ее принято трактовать, возможна и допустима только в ряду элементов А класса (см. п.5). Элементы  и оболочек образуют независимые ряды — ряды вторичной периодичности; 7) Элементы А класса (элементы, образуемые за счет формирования внешних оболочек) можно представить функцией , которая обладает свойством периодичности величины  в зависимости от порядкового номера элемента в периоде  [7]. В построении зависимости приняты только  и элементы. В таком виде зависимость  полностью отвечает понятию периодичности, когда свойства атомов периодически повторяются (в данном случае с периодом, равным ). Что касается  и элементов, то их следует рассматривать в свете вторичной периодичности, когда, по сути, речь идет о зависимости потенциала ионизации  выделенного  (или ) элемента от числа электронов на его внутренних  и оболочках. Зависимость Научная статья на тему «Естественно-научная классификация и эмпирический закон периодичности элементов» обновлено: 26 декабря, 2020 автором: Научные Статьи.Ру