Переодическая система химических элементов. Генетический аспект - Горох А.В.
Скачать (прямая ссылка):
Кроме сказанного, стимулом для написания книги явился тот неподдельный интерес к затрагиваемым проблемам, какой проявляли все, с кем автору доводилось их обсуждать на различных семинарах, симпозиумах и конференциях.
Первыми, кто морально поддержал автора на трудном пути выдвижения новых представлений в столь разработанной области, как периодическая система, были профессора А.А.Боргардт и Л.Н.Овандер, за что им искренняя благодарность и признательность. Автор благодарен академикам РАН Н.А.Ватолину, представившему основополагающую статью к опубликованию в Докладах АН СССР, и В.А.Коротееву за благожелательное отношение к моим изысканиям во время работы в Институте минералогии УрО РАН.
Сердечная благодарность коллегам по работе - сотрудникам Донецкого физико-технического института им.А.А.Галкина НАН Украины за добрые советы, участие и помощь в работе над рукописью.
6
1. О ФОРМИРОВАНИИ АТОМОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Основными структурными составляющими атомов химических элементов являются, как мы знаем, атомные ядра и электроны. Возникновение атомных ядер и формирование атомов, как химических индивидов, обусловленное "обрастанием" ядер электронами - это два самостоятельных этапа на пути эволюционного преобразования высокотемпературной протоматерии в химические элементы. Образование ядер [8] шло при сверхвысоких энергиях, исчисляемых мегаэлектрон-вольтами (энергия связи ядер, приходящаяся на один нуклон, 8 МэВ), а присоединение электронов к ядрам - в диапазоне энергий от тысяч до единиц электрон-вольт (1104 - 0,4-101 эВ). Поскольку химические свойства элементов определяются, главным образом, взаимодействием электронов с ядрами, мы в дальнейшем будем рассматривать только этот аспект формирования атомов, не касаясь проблемы образования самих ядер.
1.1. О последовательности формирования электронных оболочек атомов по существующим представлениям
В литературе, начиная с классических работ Н.Бора [9], А. Зоммерфельда [1 0] и заканчивая современными учебными курсами и справочникам по атомной физике и химии [11 -1 4], а также популярными публикациями, например [1 5], формирование электронных оболочек атомов химических элементов дается в последовательности от легких элементов к тяжелым. Так в работе [ 11 ] говорится, что при переходе от элемента с атомным номером Z к следующему, более тяжелому элементу с номером Z+1 , т. е. при увеличении заряда ядра на единицу, присоединится и (Z+1 )-й электрон, занимая уровень, которому отвечает наименьшая возможная энергия. Такая схема формирования электронного окружения атомов является, по словам Зоммерфельда, "генетическим описанием построения элементов от водорода до урана" [10, стр.141]. Если переходить от элемента к элементу в порядке их нумерации, пишется в упомянутой [1 5] научно-популярной книге по периодической системе, то электронная оболочка будет расти подобно снежному кому: новый электрон каждого последующего элемента будет "напластовываться" на электронную оболочку каждого предшествующего или внедряться в нее. Отсюда следует, пишется далее, что любой последующий элемент сохраняет в себе электронную конфигурацию (структуру) любого предшествующего.
7
В справочнике [16] также говорится, что периодичность физико-химических свойств связана с существованием электронных оболочек атома, постепенно заполняющихся с возрастанием Z.
Согласно сказанному и в соответствии с представлениями о квантовании энергии общая картина формирования электронных оболочек атомов по современным представлениям выглядит следующим образом.
Электрон, присоединяясь к ядру водорода (Z = 1), располагается на первом энергетическом уровне - К (главное квантовое число n = 1 ) и занимает подуровень 1 s. Далее формируется оболочка гелия (Z = 2), путем присоединения двух электронов, которые также занимают 1 s подуровень в К-слое.
В атомах следующих восьми элементов - Li(Z=3), Be(4), B(5), C(6), N(7), O(8), F(9), Ne(10), кроме К-уровня (или К-слоя), формируется следующий слой - L, квантовое число которого n = 2. Здесь третий и четвертый электроны, считая от ядра, занимают 2s-подуровень, а 5-й - 10-й электроны располагаются в 2р-подуровне.
Аналогичным образом идет формирование электронных оболочек и у атомов следующих восьми элементов от Na(11 ) до Лг(18): 1-й - 10-й электроны образуют К и L-слои, а 11-й - 18-й электроны - М-слой с 3s- и 3p- подуровнями.
Описываемая картина формирования электронных оболочек в целом выдерживается и для атомов следующих по номеру элементов. Однако в ряде случаев отмечаются аномалии. Так, согласно идеальной схеме заполнения энергетических уровней в атомах, в третьем квантовом слое должны формироваться три подуровня - 3s, 3p, 3d с максимальным числом электронов в каждом подуровне - 2, 6, 1 0. Первым элементом в таблице Менделеева, атомы которого должны содержать три электронных подуровня, является калий (Z = 1 9). Соответственно, девятнадцатый электрон у калия должен быть 3d-электроном. У следующего элемента - кальция (Z = 20) девятнадцатый и двадцатый электроны также должны занять 3d-подуровень. Согласно же существующим представлениям эти электроны принадлежат 4s-оболочке. Считается также, что и у следующих восьми элементов, которые называются переходными -Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, при не полностью сформированном 3d-подуровне начинает формироваться 4s-подуровень четвертого квантового слоя - N.
