Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРИОДИЧЕСКОМ ЗАКОНЕ И ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Данный раздел посвящен двум сторонам Периодического закона и Периодической системы: проблеме размещения некоторых элементов в системе и основным типам функциональных связей «свойство-заряд ядра» в различных сечениях системы (эволюция свойств в группах, периодах, диагональное и обратнодиагональное сходство, элементы-близнецы, типы аналогий и.т. д.).
В настоящее время известно более 500 вариантов Периодической системы, и их число продолжает увеличиваться. Такое многообразие является отражением богатства содержания Периодического закона, неисчерпаемости его первоосновы. Каждый вариант системы имеет свои преимущества и недостатки. Критический анализ этих вариантов, их сопоставление помогают глубже вникнуть в сущность Периодического закона.
До настоящего времени остается спорным вопрос размещения некоторых элементов в Периодической системе. Это касается, в первую очередь, водорода, элементов триад, лантаноидов и актиноидов. В некоторых из предлагаемых в данном разделе вопросах и задачах обращено внимание на правомерность общепринятого в настоящее время положения этих элементов в системе, а также на альтернативные варианты.
В вопросах и задачах, касающихся основных типов функциональных связей «свойство - заряд ядра» речь идет преимущественно о фундаментальных свойствах изолированных атомов: орбитальных радиусах, ионизационных потенциалах и энергии сродства к электрону. Под орбитальным радиусом атома или иона понимается расстояние между ядром и главным максимумом радиальной плотности орбиталей электронов внешнего энергетического уровня. Следует особо подчеркнуть, что орбитальный радиус не определяет границ распространения электронов рассматриваемой орбитали, а лишь максимум их электронной плотности. Значения орбитальных радиусов атомов и ионов вычислены Т. Вебером и Д. Кромером в 1965 г.
Что касается сродства к электрону, то под ним подразумевают не энергию, выделяющуюся при присоединении избыточного электрона (или электронов) к нейтральному атому, а энергию, затрачиваемую на отрыв электрона (или электронов) от отрицательного иона, способного к самостоятельному существований в определенных условиях. Иными словами, сродство к электрону можно рассматривать как «энергию ионизации» отрицательно заряженного иона.
На графиках зависимости фундаментальных свойств атомов от порядкового номера элемента проявляются различные типы периодичности, каждый из которых зависит от особенностей электронного строения атомов. Обычно различают следующие типы периодичности:
1. Главная периодичность - общая тенденция изменения той или иной характеристики атома в зависимости от порядкового номера элемента в пределах рассматриваемой подгруппы. Например, главная периодичность выражается в общем увеличении орбитальных радиусов атомов в подгруппах сверху вниз.
2. Вторичная периодичность, открытая русским физико-химиком Е.В. Бироном в 1915 г., лучше всего может быть определена словами самого Бирона, который в своей статье «Явление вторичной периодичности» писал: «В подгруппах Периодической системы элементов многие свойства элементе и их соединений изменяются при последовательном увеличении атомного веса элемента не последовательно тоже, а Периодически. Эту своеобразную периодичность, как бы накладывающуюся на основную периодичность Д.И. Менделеева, я предлагаю называть вторичной периодичностью».
Однозначного ответа на вопрос о причине вторичной периодичности до настоящего времени нет, но сейчас общепризнанно, что одной из важнейших причин является кайносимметрия, т. е. первое проявление орбиталей новой симметрии (откуда и термин «кайносимметрия», т. е. «новая симметрия» от греческого «кайнос» - новый). Кайносимметриками являются водород и гелий, где впервые появляется орбиталь s, элементы от бора до неона (первое появление орбитали р), элементы первого переходного ряда от скандия до цинка (появление орбитали d), а также лантаноиды (появление орбитали f). Как известно, элементы, являющиеся кайносимметриками, во многих отношениях имеют физико-химические свойства, отличные от свойств других элементов, принадлежащих к той же самой подгруппе.
3. Внутренняя периодичность проявляется как наличие характерных и, как правило, повторяющихся особенностей зависимости различных свойств элементов от порядкового номера в пределах периода. Так, общеизвестно, что на графиках большинства физико-химических свойств d-элементов одного и того же периода имеются два экстремума (максимума или минимума), вследствие чего эти зависимости часто называют чашевидными или двугорбыми (С.А. Щукарев).
Следует отметить, что термины «главная периодичность», «вторичная периодичность» и «внутренняя периодичность» не являются общепринятыми и в некоторых изданиях имеют смысл, отличный от того, который принят в данном задачнике.
Наряду с функциональными зависимостями, имеющими место в вертикальных и горизонтальных сечениях Периодической системы (т. е. по группам, подгруппам и периодам), в данном разделе обращено внимание и на диагональные сечения, где обнаруживаются диагональное и обратнодиагональное сходство элементов. Под прямыми диагоналями подразумеваются диагональные направления, объединяющие элементы, расположенные слева (вниз) направо, а под обратными - в противоположном направлении-справа (вниз) налево.
Проявления прямого диагонального сходства элементов весьма многочисленны и объясняются тем, что оно является своеобразным равнодействующим результатом изменения фундаментальных характеристик атомов в горизонтальных рядах системы и в вертикальных столбцах.
Обратнодиагональное сходство проявляется значительно реже, и его природа до сих пор неясна.
Предлагаемые в данном разделе вопросы и задачи способствуют более глубокому пониманию закона периодичности, эволюции его содержания в хронологическом аспекте, выявляют связанные с этим законом проблемы, до сих пор не имеющие однозначного решения.