Содержание 

Введение

      Современное понимание Вселенной существенно отличается от взгляда ученых не очень далекого прошлого прежде всего представлением о ее нестатичности, о том, что в целом она является нестационарной расширяющейся системой, а следовательно, предполагается «начало» Вселенной во времени, а также существенное качественное изменение со временем, в том числе ее состава и строения.

      Это значит, что Вселенная эволюционирует, развивается. Для нас важен этап ее химической эволюции: возникновение и развитие химической формы движения материи; возникновение ее  из физической и развитие до биологических форм.

      Важным  этапом познания  были  попытки  систематизации химических элементов. Построить стройную систему элементов удалось Д.И.Менделееву. значение того труда огромно. Эта система не только систематизировала уже известные химические элементы, но и прогнозировала открытие новых.

      Цель  данной работе - попытка рассмотреть  более подробно Периодическую систему элементов, но в связи с современными представлениями о строении химических элементов.

      Исходя  из цели задачи работы следующие.

1. дать краткий обзор первых попыток систематизации элементов.
2. Раскрыть периодический закон Д.И.Менделеева.
3. Рассмотреть структуру периодической системы элементов.
4. Дать понятие периодического изменения, атомных и ионных радиусов, энергии ионизации, электроотрицательности, степени окисления и валентности.
5. Рассмотреть строение атомных ядер, дать понятие изотопа.
6. Дать понятие радиоактивного элемента рассмотреть виды распада радиоактивных элементов.
7. Дать понятие радиоактивного ряда
8. Дать понятие искусственной радиоактивности.  

1 История создания ПСЭ

1.1. Доменделеевская  система элементов

      К середине XIX века число известных химических элементов возросло до 63, и возникла потребность в упорядочении знаний.

      Первые  попытки классификации были сделаны  еще в конце XVIII  века.

      Французский химик А. Лавуазье, а затем шведский химик Я Берцелиус разделили  элементы на два класса: металлы и неметаллы. Эти попытки интересны в историческом аспекте и они не имеют ничего сходного с периодической таблицей Менделеева. В первой половине XIX в. появились опыты систематизации элементов по атомным весам. На двух из них остановимся несколько подробнее.

1.1.1 закон триад (теория  Деберейнера)

      Первые  попытки решения этой задачи относятся  в 1 половине XIX в. Немецкий химик Иоганн Вофгальнг Дёберейне установил, что в ряду Cl-Br-I  наблюдается постепенное изменение цвета и реакционной способности, а также постепенное изменение  атомных масс. Продолжив поиски, Дёберейне установил нашел еще две группы из трех элементов (он назвал их триадами) Са-Sr-Ва и S-Sе-Те, у которых также отмечалось постепенное изменение свойств. Во всех группах атомная масса среднего элемента примерно равна среднему арифметическому атомных масс двух других элементов. Другие триады Дёберейнеру открыть не удалось.

1.2 Закон октав (теория  Ньюлендса)

      В 1865 г. английский химик Джон Александер Рейн Ньюлендс расположил известные элементы в порядке возрастания их атомных масс. Он обнаружил, что можно составить группы из семи элементов таким образом, что восьмой элемент, считая от данного, обладает свойствами, аналогичными первому в предшествующей группе. Расположив элементы вертикальными столбцами по семь элементов в каждом, Ньюлендс выяснил, что сходные элементы, как правило, попадают в одни и те же горизонтальные ряды. В соответствующих рядах можно было найти каждую из трех триад Дёберейнера. Ньюлендс назвал открытую им закономерность «законом октав». Периодическая таблица Ньюлендса, хотя и неполная, важна для истории периодической классификации. 

1.2. Теория систематизации  элементов Мейера  и Менделеева.

      Вскоре  после опубликования Д. И. Менлеевым  первого сообщения (1869 г.) об открытии периодического закона в зарубежной печати появилось несколько статей, в которых оспаривался приоритет Д. И. Менделеева. Делались попытки приписать приоритет открытия периодического закона Шанкуртуа, Ньюлендсу, Л. Мейреу и другим. И в настоящее время, несмотря на то что мировая общественность отметила специальными Менделеевскими съездами в 1969 г. 100-летие открытия Д.И.Менделеева периодического закона, а в й1984 г. – 150-летие со дня рождения Д.И.Менделеева, где еще раз был отмечен приоритет Д.И.Менделеева в открытии и периодического закона и создании периодической системы, можно найти зарубежные учебники, где периодическая система называется системой Л.Мейера (а не Д.И. Менделеева).

      Среди всех авторов, занимавшихся в 60-х годах  XIX в. сопоставлениями атомных весов элементов с частичным учетом их химических свойств и высказывающих в связи с этим притязания на приоритет открытия периодического закона, следует особо отметить немецкого химика Лотара Мейера. В 1864 г. Мейер в книге «Современные теории химии и их значение для химической статистики» привел таблицу из 44 элементов (было известно уже 62 элемента), расставленных в шести столбцах в соответствии с их валентностью по водороду.

      Вторая  таблица Л. Мейера (1868 г.) включала 16 групп. В ней фигурируют расширенные триады (пентады и тетрады), но отсутствовало много элементов (H, В,U, Тh, Nb и др.).

      Следующая таблица Л. Мейера  датирована декабрем 1869г., вышла в свет в 1870 г., после открытия Д. И. Меделеевым периодического закона (1 марта 1869 г.). Периодичность была чужда Л.Мейру.

      Давая общую оценку рассмотренных выше основных попыток систематизации элементов  до 1869 г., необходимо отметить, что они  не решили центральной проблемы –  открытия периодического закона и естественной системы химических элементов. Это сделано Д. И. Менделеевым в 1869 г. В отличие от своих предшественников Д.И.Менделеев не искал частных закономерностей, а создал всеобщую систему элементов, опираясь на открытый им периодический закон. 

1.3 Периодический закон  Д. И. Менделеева и его современная формулировка

      Периодический закон был открыт при поисках  классификации химических элементов. Систематикой химических элементов  Д. И. Менделеев стал заниматься с  начала 60-х гг. XIX столетия, в связи с научной и педагогической работой, а также в связи с подготовкой учебника «Основы химии».

      Менделеев избирает за основу систематики элементов двойной критерий: атомная масса и химические свойства. Атомная масса – основной решающий признак элемента, средство систематизации, давшее ему возможность превратить хаос накопленных химией фактов и понятий в стройную систему – фундамент всего грандиозного здания современной химии. Вот как это положение объяснял Д.И.Менделеев: «Учитывая, что масса вещества (атомный вес) по смыслу всех точных сведений о явлениях природы есть именно такое свойство, от которого должны зависеть все прочие свойства … свойство, остающееся постоянным при всех переменах с телом и при всех его соединениях, присущее элементу, т.е. не углю, не алмазу, не графиту, а углероду. Я написал на карточках названия всех известных элементов и их свойства и, расположив их в порядке возрастная величины атомного веса, подметил повторяемость свойств».

      Никто до Д.И.Менделеева при попытках классифицировать элементы не использовал основной диалектической закономерности – единства противоположностей, т.е. не исследовал взаимосвязи групп несходных элементов, которая приводит к раскрытию всеобщего, к естественной систематике элементов.

      Кажется, что путь, избранный Менделеевым, невозможно осуществить. Сопоставить (сличить) несходственные элементы возможно, имея перед собой непрерывный ряд элементов, расположенных по величине атомных масс. Но получить необходимый для решения поставленной задачи полный непрерывный ряд было невозможно по двум причинам: во-первых, не все элементы этого ряда были известны к началу работы (1868 г.), поэтому в ряду должны быть оставлены пустые места для них; во-вторых, атомные массы многих элементов были определены неточно, что также могло привести к неправильному расположению элементов в этом ряду. Только гений Менделеева позволил ему, руководствуясь величинами атомных масс и химическими свойствами, расположить некоторые элементы не по возрастанию их атомной массы, а по близости их химических свойств.

      Для открытия периодического закона Д. И. Менделееву предстояло изучить взаимосвязь между всеми группами элементов, т.е. раскрыть диалектику перехода от «особенного» (группа элементов) к «всеобщему» (система элементов). В первую очередь следовало сопоставить группы несходных элементов, резко отличающихся своими химическими свойствами, т.е. группы галогенов и щелочных металлов.

      Это сопоставление позволило Менделееву установить, что свойства элементов, а потому свойства образуемых ими  простых и сложных тел стоят  в периодической зависимости от их атомных масс. Это и есть формулировка периодического закона, или закона периодичности , как его называл Менделеев. Оказывается, что и формы соединений находятся в периодической зависимости от атомных масс элементов. В связи с этим Менделеев дополняет формулировку закона: свойства простых тел, а также  формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. Следовательно, исходным пунктом открытия периодического закона явилось сличение противоположностей, ранее разрозненных, а теперь приведенных к единству, причем основой для этого послужила близость (сходство) значений атомной массы элементов.

      Уже здесь обнаружилось, что единство полярных противоположностей (щелочных металлов и галогенов) связано со своеобразием проявления таких категорий, как качество и количество: в качественном (химическом) отношении названные элементы представляют собой полярные противоположности, а в количественном отношении (по величине их массы) они могут быть сближены непосредственно друг с другом (аргон, стоящий между калием и хлором, в то время был неизвестен).

      Следовательно, закон диалектики о единстве и борьбе противоположностей проявился здесь и как прямое сближение противоположностей среди самих элементов, и как установление единства противоположностей двух сторон у каждого из элементов – качественной (химизм) и количественной (массы).

      Д.И.Менделеев  раскрывает содержание периодического закона следующим образом.

1. «Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств».
2. «Величина атомного веса определяет характер элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела». «Оттого, например, соединения S и Те, Сl и Вr и т. п. При сходстве представляют и различия весьма ясные».
3. «Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел, например, сходных с Аl и Si элементов с паем 65-75».
4. «Величина атомного веса элемента иногда может быть исправлена, зная его аналоги».
5. «Некоторые аналоги элементов открываются по величине веса их атома».
6. «Распространенные в природе простые тела имеют малый атомный вес, а все элементы с малым атомным весом характеризуются разностью свойств. Они поэтому суть типические элементы».

      Эти шесть пунктов не только характеризуют  содержание закона, но раскрывают его  методологическое значение как метода познания и предвидения.

      Периодический закон и периодическая система получили свое полное подтверждение и дальнейшее развитие при установлении строения атомов элементов.

      Мозли в результате исследования рентгеновских  спектров элементов показал, что  положительный заряд атом элемента численно равен порядковому номеру в периодической системе. Следовательно, химическая природа элемента определяется не массой (атомным весом), а новой величиной – зарядом ядра или порядковым номером.

      Периодически  изменяющиеся свойства элементов стали  связывать не с величиной атомного веса, а с величиной заряда ядра или порядкового номера.

      Периодический закон претерпел некоторую эволюцию. Теперь его формулируют так: свойства элементов являются периодической  функцией положительного заряда ядра атомов элементов.

      Это позволило установить, что в первом периоде находятся всего 2 элемента: Н и Не; подтвердить правильность расположения аргона и калия, теллура и йода, кобальта и никеля, ибо расположение их Д.И. Менделеевым отвечало величинам положительных зарядов ядра; позволило установить заряды ядер лантаноидов и их количество.

      В связи с этим претерпели эволюцию и некоторые основные понятия  химии, например понятие элемента. Элемент  – это вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (или  занимающих одно и то же место в  таблице Менделеева).

2 Структура  ПСЭ. Связь ПСЭ  со строением атома.

2.1 Периоды, группы, подгруппы.

      Современная периодическая система элементов  охватывает 106 химических элементов, часть  из них получены искусственно.

      Фундаментальным принципом построения периодической системы элементов является разделение всех химических элементов на группы и периоды. Группа – это совокупность элементов, имеющих, как правило, валентность по кислороду в их высших солеобразующих оксидах, равную номеру группы. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элемента, обладающие сходными химических свойствами. Элементы а- и б-подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между собой определенное химическое сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, соответствуют номеру группы. Периодом называют совокупность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом (особый случай – первый период); каждый период содержит строго определенное число элементов.

      Периодическая система элементов состоит из 8 групп и 7 периодов (седьмой не завершен).

2.2 Семейства

      По  сравнению с менделеевским в  современном 8-групповом варианте короткой  формы таблицы имеются некоторые изменения. Так, водород помещается над галогенами. Инетрные газы в связи м с их выявленными химическими свойствами размещаются в VIII группе в качестве главной ее подгруппы. А 3 триады – желез, кобальт, никель и их аналоги – составляют побочные подгруппы VIII группы. Эта группа особая по своей констркуции. Так как каждая из остальных семи групп состоит из одной главной и одной побочной подгруппы, то общее число главных подгрупп – 8, число же побочных – 10.

      14 элементов, называемых лантаноидами, и 14, называемых актоноидами, расположение которых по группам встретило затруднения, размещают двумя рядами под основной таблицей. Тем самым образуются как бы дополнительные лантаноидно-актиноидные подгруппы. Если учесть, что главные подгруппы делятся на две неравные части: первые 2 и остальные 6, то получается не 3, а 4 типа подгрупп и число подгрупп каждого типа – 2 – 6 – 10 – 14. Эти подгруппы называются электронными семействами: s-семейство (2); р-семейство (6); d-семейство (10); f-семейство (14).

2.3 Периодическое изменение свойств элементов

      В периодической системе изменение  свойств элементов и их сравнение  прослеживают по трем направлениям: горизонтальному, вертикальному и диагональному.

      По  горизонтальному направлению (по периодам и их рядам) слева направо усиливается  окислительная способность атомов, т. е. при соединение электронов, и ослабевает восстановительная , т.е. отдача электронов. Если взять простые вещества, соответствующие элементам, то по этому направлению усиливается их неметаличность уменьшается металичнось). По вертикальному направлению., т.е. сверху вниз по подгруппам, картина изменения свойств атомов и простых веществ обратная.

      Пересечение всех трех направлений получило название «звездности»

      системы. Большинство элементов находится  в окружении восьми других элементов: четырех, расположенных по вертикали и горизонтали и четырех по диагоналям. Свойства элементов Mg и Тс будут средними из свойств их 4 главных и 4 дополнительных соседей. Используя это качество системы, Менделеев сделал изумительные по точности предсказания свойств еще неизветсных элементов.

      Рассмотрение  аналогий элементов привело к  открытию дополнительных видов периодичностей: вторичной и внутренней. Под вторичной периодичностью (ее можно назвать «вертикальной») подразумевают немонотонное изменение свойств элементов и их соединений сверху вниз по подгруппам, особенно по главным. Впервые это заметили Л.И.Бирон и С.А.Щукарев. причина заключается в сжатии атомов вследствие заполнения электронами глубинных d- f-подуровней и экранирования ими ядра атом. Это ведет к появлению лантаноидного сжатия – уменьшению радиуса атома от церия к лютенцию. Вторичная периодичность хорошо наблюдается в изменении потенциалов ионизации элементов. Так, в подгруппе углерода при переходе от углерода к кремнию суммарный потенциал ионизации их внешних электронов уменьшается, так как r_Si>r_C. При переходе от кремния к германию аналогичный суммарный потенциал незначительно уменьшается, так как r_Ge≈r_Si. Далее при переходе от германия к олову суммарный потенциал ионизации снова увеличивается: r_Ge<r_Sn и т.д.

      При движении в группах сверху вниз увеличение числа электронных уровней (увеличение размера атома) и увеличение заряда ядер воздействуют на изменение энергии  ионизации элементов в противоположных  направлениях. В главных подгруппах преобладает первый фактор, а в побочных – второй.

      Особое  значение для строения и свойств  металлов, сплавов и соединений имеют  характеристики элементов-аналогов, обусловленные  различиями подвалентных оболочек при  идентичности внешних валентных. Характерны изменения ионизационных потенциалов, обусловленные различиями предвнешних оболочек, в разной степени экранирующих заряд и вызывающих немонотонное изменение энергии связи валентных электронов элементов-аналогов в атомными остатками. Такие же немонотонные отклонения характерны для электроотрицательности и атомных радиусов элементов-аналогов при движении сверху вниз, т.е. при возрастании атомного номера.

      По  мере увеличения количества электронных  уровней радиусы атомов растут. Следует  отметить, что для нахождения закономерностей в изменении размеров атомов в связи с положением элементов в периодической системе необходимо сравнивать однотипные структуры с одинаковым характером химической связи.

      При движении сверху вниз на изменение размеров атомов влияют два противоположно направленных фактора. С увеличением количества электронных уровней размер атома, очевидно, должен увеличиваться. Увеличение же заряда ядра должно приводить к сжатию электронных оболочек, т.е. к уменьшению размера атома. Второй фактор особенно проявляется в побочных подгруппах.

      Перечисленные закономерные сдвиги приводят к ответвлению от элементов главных подгрупп подгрупп d- и f-переходных металлов, а также определяют взаимное расположение подгрупп в каждой группе периодической системы. Наконец, различия внутренних оболочек при идентичности внешних объясняют немонотонные отклонения физико-химических свойств и характеристик элементов-аналогов и их соединений при движении от легких аналогов к тяжелым, например от бора к таллию, от углерода к свинцу, от меди к золоту, от ванадия и хрома к танталу и вольфраму и т.д. Особо резкие различия наблюдаются при переходе от самых легких элементов (лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора) и к их более тяжелым аналогам (натрию, магнию, алюминию, кремнию, фосфору, сере, хлору и т.д.), а также при переходе от легких 3d-металлов (скандий - никель) к более тяжелым 4d- 5d-переходным металлам (иттрий – палладий и лантан - платина).

      Эти сдвиги объясняют диагональное сходство физико-химических характеристик элементов  и соединений соседних групп, например лития и магния, бора и кремния, бериллия и алюминия, титана и ниобия, ванадия и молибдена. Сходство внешних электронных оболочек обусловливает близость свойств элементов-аналогов в первом приближении, а различия подвалентных оболочек аналогов определяют их различия, крайне важные для установления структурных особенностей элементов и образуемых ими соединений.

      Внутренняя, или «горизонтальная», периодичность  – дополнительная периодичность  в горизонтальных рядах p-, d- и f-элементов. Она обусловлена двухэтапным заполнением электронами, p-, d- и f-орбиталей (сначала неспаренными, а затем спаренными, в соответствии с правилом Хунда). Это ведет к повторению валентностей у лантаноидов, а также к закономерным двухэтапным изменениям размеров радиусов атомов и ионов, теплот атомизации, антальпий образования  соединений, а также изменения изобарно-изотермического потенциала образования оксидов d-элементов и других свойств.  

2.4 Атомные и ионные  радиусы. Их зависимость  то электронного  строения и степени  окисления.

      Атом  измерить принципиально невозможно, у него нет границ. Например, Боровский  радиус водорода (0,53Å) отнюдь не радиус атома, а лишь расстояние до максимума  радиальной плотности вероятности  нахождения электрона. Радиус граничной  поверхности (1,40Å)определяет 90%-ную вероятность нахождения электрона в данной области пространства около ядра.

      По-видимому логичным было бы назвать радиусом атома половину расстояния между  ядрами в соответствующем простом  веществе. Снова обратимся к водороду. Расстояние между ядрами в молекуле H₂  составляет 0,74Å. Следовательно, радиус атома водорода равен 0,37Å.однако в кристаллической решетке атомарного водорода расстояние между ядрами 0,56Å, отсюда радиус 0,28Å. В металлическом водороде для радиуса атома получается значение 0,46Å. Какую же величину выбрать?

      Еще пример: железо может существовать в виде двух аллотропных модификаций, различающихся кристаллическими решетками. В одной из них (кубической гранецентрированной) половина кратчайшего расстояния между  атомами – радиус атома железа - 1,26Å, а в другой (кубической объемноцентрированной) – 1,24Å.

      Таким образом, мы видим, что радиус атома, объем пространства, занимаемый атомом, - величина переменная, зависящая от формы соединения, в состав которого входит атом данного элемента. Значит, если мы хотим найти закономерности в изменении размеров атомов  в связи с положением элементов в периодической системе, м ы должны сравнивать однотипные структуры с одинаковым типом химической связи. При выполнении этого условия наблюдаются вполне определенные закономерности.

      По  мере возрастания заряда ядра при  неизменном числе электронных уровней, т.е. при движении по периоду слева  направо, размер (радиус)атомов уменьшается. В каждой группе по мере увеличения количества электронных уровней,  т. е. при движении сверху вниз, радиусы атомов растут. В таблице 1 ниже проиллюстрировано выше сказанное на пример элементов главных подгрупп I-V групп, образующих однотипные кристаллические структуры.

      Таблица 1. Атомные радиусы некоторых элементов для кристаллической структуры с координационным числом 12

      При выполнении в общем указанных  закономерностей в конце IV и VI периодов наблюдаются аномалии, связанные с изменением типа химической связи. В целом же видна отчетливая периодичность в изменении размеров атомов с изменением зарядов их ядер.

      При движении сверху вниз на изменение  размеров атомов влияют два фактора, причем в противоположных направлениях. С увеличением количества электронных уровней размер атомов, очевидно, должен увеличиваться. Увеличение же заряда ядра должно приводить к сжатию электронных оболочек, т. е. к уменьшению размера атома. Второй фактор особенно проявляется в побочных подгруппах.

      Как невозможно определить радиус атома, так  затруднительно измерить и радиус иона. Однако под ионными радиусами  понимают характеристики размеров ионов, получаемы различными методами, например, из данных рентгеновского структурного анализа и микроволновой спектроскопии. Численные значения ионных радиусов используются для оценки межъядерных расстояний в ионных кристаллах и молекулах.