Изменение в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы, Строение электронных оболочек атомов - Периодическая система элементов Д. И. Менделеева
Формулировка закона, данная Д. И. Менделеевым, не могла быть точной и полной с современной точки зрения так как она соответствовала состоянию науки на тот период времени, когда не было известно строение атома. Поэтому новые научные открытия вступили с ней в противоречие. Так были открыты изотопы.
Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа. Сумму чисел протонов и нейтронов в ядре атома называют массовым числом обозначают буквой А. Следовательно, химический элемент - это вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом ядра, то есть содержащих одинаковое число протонов.
Строение электронных оболочек атомов
Заполнение атомных орбиталей электронами определяется правилом минимума энергии, принципом Паули и правилом Хунда.
Электроны заполняют атомные орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией. В этом состоит правило минимума энергии. Последовательность в нарастании энергии подуровней акова: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ? 3d < 4p < 5s и так далее ...
Согласно расчетам, электрон движется не по какой-то определенной траектории, а может находиться в любой части околоядерного пространства-т. е. можно говорить лишь о вероятности (возможности) его нахождения на определенном расстоянии от ядра.
Электроны в атоме занимают самые энергетически выгодные атомные орбитали (орбитали с минимальной энергией), образуя электронные облака определенной формы.
В случае s-орбитали электронное облако сферическое:
В случае p-орбиталей форма электронного облака гантелеобразная
Внутри атомных орбиталей вероятность нахождения электронов велика; иными словами, имеется высокая электронная плотность. Пространство вне объема орбиталей соответствует малой электронной плотности.
В каждой атомной орбитали может размещаться максимально два электрона (принцип Паули).
При наличии орбиталей с одинаковой энергией (например, трех р-орбиталей одного подуровня) каждая орбиталь заполняется вначале наполовину (и поэтому на р-подуровне не может быть более трех неспаренных электронов), а затем уже полностью, с образованием электронных пар (правило Хунда).
Для изображения электронной конфигурации атома нужно распределить его электроны по подуровням так, чтобы каждой атомной орбитали соответствовала одна квантовая ячейка, и в соответствии с тремя указанными правилами заселения
Электронные конфигурации атомов
Электронные конфигурации атомов записываются в виде полных и сокращенных электронных формул:
Из рассмотрения электронных конфигураций атомов видно, что элементы VIIIА-группы (He, Ne, Ar и другие) имеют завершенные s - и p - подуровни (s2p6). Такие конфигурации обладают повышенной устойчивостью и обеспечивают химическую пассивность благородных газов.
В атомах остальных элементов внешние s - и p - подуровни - незавершенные, например у хлора: 17Cl = [10Ne] 3s2 3p5. Незавершенные подуровни и электроны на них называются также валентными, поскольку именно они могут участвовать в образовании химических связей между атомами.
F-Элементы. Открытие новых элементов. Ядерные реакции.
Итак, с увеличением атомного номера неизбежно наступает момент, когда у элементов начинают заполняться f-орбитали. Это происходит после заполнения 6s-орбиталей - сразу после элемента 56Ba с валентной оболочкой...6s2.
Поскольку при заполнении семи f-орбиталей образуется целых 14 элементов, то как в форме Периодической таблицы f-элементы вынесены отдельными строчками внизу. В нижней части любой таблицы одна строчка из f-элементов "лантаноидов" (по имени элемента лантана La, открывающего ряд f-элементов) и строчка из f-элементов "актиноидов" (по имени элемента актиния Ac). У лантаноидов постепенно заполняются 4f-орбитали, у актиноидов - 5f-орбитали.
Клеточки с f-элементами в Периодической таблице обычно окрашены в зеленый цвет. Для удобства не только в короткой, но даже в длинной форме Периодической таблицы f-элементы вынесены за ее пределы - иначе вся таблица еще сильнее "вытянулась" бы в ширину.
Итак, f-элементами являются 14 лантаноидов и 14 актиноидов.
У лантаноидов заполняются "глубинные" 4f-орбитали третьего снаружи уровня. На внешнем 6s-подуровне все они имеют по 2 электрона (...6s2) и обладают очень похожими химическими свойствами. Лантаноиды - активные металлы, все они реагируют с водой с образованием элементарного водорода и гидроксида металла. Их преимущественная степень окисления +3.
Из-за похожести химических свойств многие лантаноиды долго не удавалось выделить в чистом виде. Кроме того, в природных минералах они встречаются редко и в небольших количествах. Отсюда еще одно общее название лантаноидов - редкоземельные элементы.
Актиноиды меньше похожи друг на друга по своим химическим свойствам. Их исследование очень затруднено из-за неустойчивости (радиоактивности) атомов этих элементов. Кстати, у первого члена ряда актиноидов - элемента актиния (89Ac) наблюдается аналогичный "проскок" 5f1-электрона на 6d1! Это, как мы уже знаем, связано с требованием минимизации энергии атома данного элемента (хотя, повторим, здесь не все еще понятно), но никак не меняет общих закономерностей Периодической таблицы.
Заполнение 5f-оболочек у актиноидов заканчивается на элементе 103 (Lr, лоуренсий). Здесь в Периодической таблице расположены элементы с уже очень "тяжелыми" и поэтому неустойчивыми ядрами.
Последний из "тяжелых" элементов, еще существующих в природе - это уран (92U). Уран радиоактивен, то есть постепенно распадается с образованием ядер других элементов. Однако скорость этого распада все же не так велика, чтобы весь уран на Земле успел исчезнуть. Все элементы с более тяжелыми ядрами давно распались и сегодня в минералах их найти невозможно. Такие элементы получают только искусственным путем - синтезом их атомов из ядер более легких элементов с помощью ядерных реакций.
Сначала атомы одного из исходных элементов превращают в ионы - чтобы они приобрели заряд и могли быть разогнаны до высоких скоростей на специальных сложных приборах - ускорителях. Затем разогнанными на ускорителе ядрами бомбардируют мишень из атомов другого элемента. При высоких энергиях ионных пучков на таких ионных ускорителях удается добиться слияния двух ядер в новое ядро с зарядом, равным сумме зарядов двух ядер.
Существуют три признанных во всем мире исследовательских центра по синтезу тяжелых элементов: в Дубне (Россия), в Беркли (США) и в Дармштадте (Германия). Все элементы, начиная с 93-го (нептуний) и до 109-го (майтнерий) были получены именно в этих лабораториях.
Открытие новых элементов сегодня - чрезвычайно сложный и долгий процесс. Атомы искусственных элементов живут очень недолго - порядка секунд для элементов с Z = 101-103, а при дальнейшем "утяжелении" ядер время жизни атомов катастрофически уменьшается. Из миллиардов образующихся ядер нового элемента удается зафиксировать и распознать лишь одно. периодический закон элемент менделеев
В качестве примера рассмотрим сравнительно недавние работы по синтезу 110-го элемента (еще не имеющего названия). Для синтеза ядер этого элемента в лаборатории Дармштадта на мощном ионном ускорителе мишень из свинца-208 (изотопа свинца 82Pb с массовым числом A = (Z + N) = 208) облучалась ядрами никеля-62 (изотопа никеля 28Ni с массовым числом 62). Это приводило к образованию ядер 110-го элемента с числом протонов (82 + 28) = 110 и с числом нейтронов - 159. Схематично ядерную реакцию, использованную в Дармштадте, можно записать так:
82Pb + 28Ni 110Элемент (изотоп с массовым числом 269).
В Дубне для синтеза 110-го элемента использовали мишень из плутония-244, которая облучалась ядрами серы-34. Этот эксперимент проводился на ускорителе в Дубне совместно с Ливерморской лабораторией (США), которая изготовила для эксперимента плутониевую мишень высокого качества. Было зарегистрировано несколько атомов 110-го элемента с числом нейтронов 163. Ядерная реакция в этом случае выглядит так:
94Pu + 16S 110Элемент (изотоп с массовым числом 273).
Новый элемент не считается открытым до тех пор, пока одна группа исследователей не получит надежных результатов по исследованию его атомов и пока другая (независимая) группа ученых не подтвердит эти результаты. Поэтому дальние клеточки Периодической таблицы заполняются очень медленно.
Есть и другая проблема - как называть вновь открытые элементы? По традиции исследователи, впервые получившие новый элемент, могут предлагать его название. Поэтому каждая группа физиков давала свои названия вновь открытым химическим элементам. По этому поводу было много споров.
Дело в том, что Периодический закон и Периодическая таблица Д. И. Менделеева являются общемировым достоянием и названия новых элементов, остающиеся в них навечно, могут закрепиться лишь при единодушном согласии ученых всего мира. В тех случаях, когда открытие нового элемента еще не подтверждено, либо название не утвердилось окончательно, используются "временные" названия, связанные с атомным номером элемента. Например, элемент 104 был получен советскими физиками в 1964 году и получил название "курчатовий" (Ku) в честь русского физика И. В. Курчатова. В 1969 году этот же элемент воспроизвели в своих опытах американские исследователи и предложили для него название "резерфордий" (Rf) в честь английского физика Э. Резерфорда. До тех пор, пока вопрос о названии 104-го элемента не был решен окончательно, во многих изданиях Периодической таблицы он назывался "унилквандий" и обозначался символом Unq. Здесь "ун" означает 1, "нил" - 0 и "квад" - 4. Точно так же элемент 105 назывался "унилпентий" (Unp), элемент 106 - "унилгексий" (Unh) и так далее.
В 1987 году Международные союзы чистой и прикладной химии (IUPAC) и физики (IUPAP) создали совместную международную комиссию, которая рассмотрела вопрос о приоритете в открытии новых элементов и сделала предложения относительно их наименований. А в январе 1997 г. специальный комитет IUPAC обнародовал решение по названиям элементов № 104-109. Вероятно, эти названия утвердятся уже окончательно:
- - элемент 104 назван резерфордием (Rf) - в честь английского физика Эрнста Резерфорда, внесшего огромный вклад в установление строения атома; - элемент 105 назван дубнием (Db) - в честь города в России, где был открыт этот и многие другие новые элементы. - элемент 106 назван сиборгием (Sg) - в честь американского физика и радиохимика Гленна Сиборга, участвовавшего в выделении и синтезе многих новых элементов - плутония, нептуния, кюрия, америция, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделевия; сделавшего множество других важнейших работ по физике и химии тяжелых элементов; - элемент 107 назван борием (Bh) - в честь знаменитого датского физика Нильса Бора. Кстати, неправы те, кто думает, что в честь Нильса Бора уже назван элемент бор. Этот элемент был открыт и назван химиками Гей-Люссаком и Тенаром еще в 1808 году; - элемент 108 назван хассием (Hs) - в честь земли Гессен в Германии, где находится крупнейший научно-исследовательский центр по синтезу и изучению новых элементов; - элемент 109 назван майтнерием (Mt) - в честь австрийской исследовательницы (физика и радиохимика) Лизе Майтнер, которая вместе с О. Ганом открыла элемент протактиний и сделала много других важнейших работ, способствовавших установлению строения атома.
Элементы 110-112 пока не считаются официально открытыми, хотя ждать этого, видимо, осталось недолго. Уже полным ходом идут работы по синтезу более тяжелых элементов, вплоть до 114-го, который, по некоторым данным, может оказаться гораздо стабильнее, чем его более "легкие" предшественники. Если это необычное свойство 114-го элемента подтвердится в опыте, физики и химики откроют новую страницу в изучении сверхтяжелых элементов.
Похожие статьи
-
Основные сведения строения атомов В конце XIX - начале XX века физики доказали, что атом является сложной частицей и состоит из более простых...
-
Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - основа современной химии. Они относятся к таким научным...
-
Периодический закон химических элементов: свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической...
-
Периодическое изменение свойств атомов химических элементов - Систематика химических элементов
Химические свойства атомов элементов проявляются при их взаимодействии. Типы конфигураций внешних энергетических уровней атомов определяют основные...
-
Теория Периодической Системы была преимущественно создана Н. Бором (1913-21) на базе предложенной им квантовой модели атома. Учитывая специфику изменения...
-
Св-ва хим. эл-тов, а так же формы и св-ва соединений эл-тов нах-ся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. Возрастание + зарядов атомных...
-
Неметаллических элементов по сравнению к металлическими элементами относительно немного. Их размещение в периодической системе химических элементов Д. И....
-
Сам атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электронного облака. В целом атом электронейтрален. Размер атома полностью...
-
Строение атома, Квантовые числа. Атомные орбитали - Систематика химических элементов
Квантовые числа. Атомные орбитали Состояние электрона в атоме любого химического элемента характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным,...
-
Периодическая система химических элементов 1 марта 1869 года признан днем открытия Периодического закона, который представляет собой один из наиболее...
-
Превращение нейтральных атомов в положительно заряженные ионы определяется значением Энергии ионизации внешних валентных электронов. Чем меньше энергия...
-
Атом (от греч. atomos -- неделимый) - это частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического...
-
Если атом находится в основном (т. е. в невозбужденном) состоянии, то его электроны занимают самые низкие по энергиям орбитали. Однако в многоэлектронном...
-
Периодическая система и закон Д. И. Менделеева и его значение - Роль химии в повседневной жизни
Имя и труды Менделеева пользуются мировой славой. Периодический закон, открытый Менделеевым, сопутствует каждому химику любой страны на всем протяжении...
-
Структура Периодической системы - Периодическая система элементов Д. И. Менделеева
На основе Периодического закона Д. И. Менделеев создал Периодическую систему химических элементов, которая состояла из 7 периодов и 8 групп...
-
Электроотрицательность элементов и типы химических связей - Типы связей в органической химии
Элемктроотрицамтельность (ч) (относительная электроотрицательность) -- фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика...
-
Энергия и длина связи. Обменный механизм образования ковалентной связи. Свойства ковалентной связи. Валентность. Донорно-акцепторный механизм образования...
-
Во внешнем слое атомов кремния содержится 4 электрона - столько, сколько не хватает до завершения этого слоя. Углерод и кремний относятся к неметаллам....
-
Электронное строение элементов главной подгруппы III группы - Третья группа периодической системы
Ат. номер Название и символ Электроннаяконфигурация 5 Бор В [Не]2s22р1 13 Алюминий Аl [Nе]3s2Зр1 31 Галлий Gа [Аr]3d104s24р1 49 Индий In [Кr]4d105s25р1...
-
Химическая связь - Квантовые концепции в химии
Химия изучает процессы превращения молекул при воздействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного...
-
История открытия - Хром. Элемент периодической системы химических элементов
Хром(Cromium) в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева занимает 24 место, являясь элементом VI группы, побочной подгруппы,...
-
Атом сост. из массивн. "+" заряж. ядра и нах-ся в его поле "-"электронов. В ядрах нах-ся практич. вся масса атома. В состав ядра входят элемент. частицы:...
-
Химическая связь и строение молекул вещества. - Роль химии в повседневной жизни
Атомистические воззрения возникли первоначально на Древнем Востоке, в античных Греции и Риме. Первоначально атомное учение предполагало существование...
-
Представления Дмитрия Ивановича Менделеева - Становление понятий о химическом элементе
Пребывание в Германии позволило Менделееву участвовать в уже ранее упоминавшемся конгрессе химиков в Карлструэ. На него, как и на Лотара Мейера, большое...
-
Рассмотрим теперь, какое влияние на свойства веществ оказывает порядок соединения атомов в молекуле. Обратимся сначала к историческим фактам. Изучая...
-
Способ решения основной проблемы химии - проблемы происхождения свойств веществ - стал выражаться посредством схемы: СОСТАВ > СВОЙСТВА Этот способ...
-
Нестандартный метод сильной связи (НМСС) - Метод Монте Карло в химическом моделировании
Предложенный в работе [4-5] вариант МСС, который назовем нестандартным МСС (НМСС), в отличие от стандартных МСС основан на другом выражении для...
-
Химическая связь и валентность, Валентность - Квантовые концепции в химии
Валентность Валентность - это способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической...
-
Открытие периодического закона и его роль - Жизнь и деятельность Д. И. Менделеева
Конечно, начиная рассказывать об открытиях гениального ученого, нельзя не осветить главное открытие Д. И. Менделеева - Периодический закон. Ко времени...
-
В зависимости от направления перекрывания атомных орбиталей различают два вида ковалентной связи: -связь возникает при перекрывании атомных орбиталей...
-
СТРОЕНИЕ АТОМА - Неограническая химия
Задание 1.1. Для приведенных в варианте (табл. I.1) 4-х химических элементов определить: 1.1.1. Группу и период, в которых находится данный элемент в...
-
Современные представления о строении ядра - Основные опыты Резерфорда
1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные...
-
Химические элементы - Химия в строительстве
В природе существует 92 химических элемента. Из этих элементов в различных пропорциях и состоят все вещества на нашей планете. Семнадцать элементов из...
-
Содержание мышьяка в организме В организме взрослого человека содержится всего около 15-20 миллиграммов мышьяка. Основная его часть концентрируется в...
-
Разработав теорию и подтвердив правильность ее синтезом новых соединений, А. М. Вутлеров не считал теорию абсолютной и неизменной. Он утверждено, что она...
-
Термодинамика. Химическая термодинамика. Термодинамические системы. Энергия. Внутренняя энергия Термодинамика изучает взаимное превращение теплоты,...
-
Периодическая система элементов - Химия в строительстве
Ученые давно обратили внимание на тот факт, что если исследовать свойства элементов в порядке их атомных зарядов, то окажется, что почти одинаковые...
-
ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ. - Строение и превращение веществ
Для получения разнообразных веществ применяются как физические, так и химические методы. К первым относятся, например, растворение в воде, фильтрование и...
-
В этом методе сравнивают степени окисления атомов в исходных веществах и в продуктах реакции, при этом руководствуемся правилом: число электронов,...
-
Введение Нильс Бор принадлежит к числу самых известных исследователей современности. Среди значительных ученых, работавших в области точного...
Изменение в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы, Строение электронных оболочек атомов - Периодическая система элементов Д. И. Менделеева