Энергия ионизации и периодический закон

Введение

В 1869 году Д. И. Менделеев представил на рассмотрение Русского химического общества работу «Соотношение свойств с атомным весом элементов», в которой сформулировал открытый им закон следующим образом:

1. Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явственную периодичность.
2. Сходственные по химическим отправлениям элементы представляют или близкие атомные веса (Pt, Ir, Os), или последовательно и однообразно увеличивающиеся (подобно K, Rb, Cs).
3. Сопоставление элементов или их групп по величине атомного веса соответствует так называемой валентности их и, до некоторой степени, различию химического характера, что видно ясно в ряду Li, Be, B, C, N, O, F и повторяется в других рядах.
4. Распространеннейшие в природе простые тела имеют малый вес, а все элементы с малым атомным весом характеризуются резкостью свойств. Они суть типические элементы.
5. Величина атомного веса определяет характер элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела.
6. Должно ожидать открытия ещё многих неизвестных простых тел, например, сходных с алюминием и кремнием элементов с атомным весом 65–75.
7. Величина атомного веса элементов иногда может быть исправлена, зная его аналогии. Так, атомный вес теллура должен быть не 128, а 122–126.
8. Некоторые аналогии элементов открываются по величине атомного веса их атомов.

На первом этапе периодический закон кратко был сформулирован следующим образом: свойства химических элементов и их соединений периодически зависят от величины атомного веса.

Следует отметить, что периодичность изменения свойств элементов от величины атомного веса просматривается с трудом, тем не менее это никоим образом не ставит под сомнение саму суть периодического закона. Величайшая заслуга учёного в том, что, имея минимум информации, он сумел сделать максимум правильных выводов.

Со времени открытия периодического закона были сделаны многие открытия в области строения атома. В академической науке преобладает мнение об электронной структуре атома, в основе лежит версия, предложенная Резерфордом, а впоследствии обоснованная Н. Бором. Строгую периодичность расположения элементов в периодической системе принято объяснять последовательным характером энергетических уровней.

В настоящее время для решения вопроса о распределении электронов в атоме по возможным квантовым состояниям предложены принципы, положения и правила, основанные на представлениях об орбитальном движении электронов в атомах химических элементов. Как показало время, версия об орбитальном движении не выдерживает никакой критики, о чём открыто говорят даже представители академической науки. Тем не менее таблицы распределения электронов по уровням и подуровням имеют место быть, а данные, приведённые в таблицах, не противоречат данным экспериментов.

Поскольку версия орбитального движения электронов представляется несостоятельной, попытаемся представить таблицу, исходя из логики, отличающейся от общепринятой. Последуем рекомендациям Декарта и отстроим систему взглядов заново, отбросив все сложившиеся представления. Поскольку речь зашла о периодическом законе, то и руководствоваться будем в первую очередь таблицей Менделеева.

В процессе формирования таблицы возникнет необходимость изменять общепринятую терминологию, но делать это будем только в случае крайней необходимости, чтобы не отклониться от сути рассматриваемого вопроса.

Основным параметром, принятым к рассмотрению, будет энергия ионизации атомов и периодичность в её изменениях.

1. Таблица электронного строения атомов

Не нарушая установившуюся традицию, сформируем таблицу 1, внеся в неё достоверно известные химические элементы и оставив несколько строчек для тех элементов, достоверность существования которых вызывает сомнение. Элементы в таблице расположим в порядке возрастания номеров и атомных чисел. Общее количество элементов — 118.

Добавим столбцы, обозначающие номер периода, номер ряда и номер группы элементов. Можно сказать, что у нас получилась версия таблицы Менделеева в одномерном формате. Для каждого элемента укажем значение энергии ионизации атомов. Именно эта величина, как уже упоминалось, будет играть основную роль при последующих логических умозаключениях.

Выделим семь столбцов под электронные слои, обозначив их цифрами от 1 до 7. Количество столбцов соответствует количеству периодов. В эти столбцы мы и будем вносить данные о распределении, как принято выражаться, электронов в каждой из оболочек.

Горизонтальными линиями проведём границы между периодами и рядами. Как видим, граница между периодами служит чертой, разделяющей элементы с наибольшей энергией ионизации (инертные газы) и элементы с энергией ионизации наименьшей (щелочные металлы). Подобная тенденция, за малыми исключениями, наблюдается и на границах, пролегающих между рядами.

Как известно, в пределах каждого периода наблюдается увеличение энергии ионизации атомов по мере увеличения атомного номера. Но от этого правила существуют отклонения. Если рассмотреть элементы второго и третьего периода, то это имеет место на границах Be/B; N/O; Mg/Al; P/S. Подобную картину можно наблюдать и у элементов последующих периодов. Обозначим границы между элементами в случаях, когда увеличению порядкового номера элемента сопутствует снижение энергии ионизации.

Предварительный анализ показывает, что периодичность в изменении энергии ионизации атомов имеет место, но никакой закономерности не наблюдается в изменениях энергии ионизации у так называемых триад — металлов, отнесённых к восьмой группе (Fe–Co–Ni; Ru–Rh–Pd; Os–Ir–Pt). То же самое имеет место у элементов, отнесённых к ряду лантаноидов и актиноидов.

Принято считать, что элементы, с которых начинается период или ряд, на внешней оболочке имеют один электрон. Построение каждого нового слоя и нового ряда следует начинать с единицы. Логично предположить, что вышеупомянутое уменьшение энергии ионизации при увеличении порядкового номера элемента свидетельствует о том, что в пределах слоя, как правило, начинается формирование очередной электронной оболочки. Руководствуясь вышесказанным, заполняем таблицу вплоть до элемента под номером 26 — железа Fe. Поскольку сомнения о возможности орбитального движения электронов были уже высказаны, не будем руководствоваться никакими правилами запретов, а будем исходить из предположения, что со вторых элементов вышеназванных триад начинается формирование очередных оболочек. Подобный подход используем при определении электронного строения лантаноидов и актиноидов.

Дальнейшее заполнение таблицы не вызывает затруднений вплоть до пятьдесят второго элемента — теллура Te. Ожидаемого снижения энергии ионизации не произошло, тем не менее, имея данные об электронном строении элементов четвёртого периода — селена Se и двух последующих за ним элементов, условимся считать, что именно с теллура начинается формирование последней электронной оболочки в слое 5.

Анализируя исходные данные для элементов шестой и восьмой группы, отмечаем неожиданные уменьшения энергии ионизации на границах иттербий Yb / лютеций Lu; нобелий No / лоуренсий Lr; радий Ra / актиний Ac. Именно эти экспериментальные данные позволяют утверждать, что:

• ряд лантаноидов начинается с лантана и заканчивается на иттербии. Всего в ряду 14 элементов. В случае, если за основу брать существующую классификацию, то лютеций Lu — элемент шестого периода, восьмого ряда, третьей группы. В число лантаноидов лютеций был включён ошибочно;
• ряд актиноидов начинается с актиния и заканчивается на нобелии. В ряду 14 элементов. Соответственно лоуренсий Lr — элемент седьмого периода, десятого ряда, третьей группы. К актиноидам лоуренсий причислять не следует.

Как уже было отмечено, не существует ярко выраженных закономерностей в изменении энергии ионизации у элементов этих двух рядов. По этой причине заполнение таблицы для этих элементов продолжим, приняв к сведению чётко выраженное снижение энергии ионизации у шестьдесят пятого элемента — тербия Tb, допуская предположение, что в дальнейшем могут быть внесены изменения.

Далее представляется возможность завершить заполнение таблицы вплоть до резерфордия Rf. Отсутствие достоверной информации об энергии ионизации последующих элементов не позволяет продолжить дальнейшее заполнение таблицы, руководствуясь вышеозначенной логикой, но вполне закономерен иной подход: шестой и седьмой периоды содержат по 32 элемента. Есть все основания последние строчки заполнить по аналогии, копируя те значения, которые имеют место в слое 6.

Таблица 1. Таблица электронных оболочек атомов химических элементов

Столбец «Слой» — номер электронного слоя, в котором идёт заполнение; «Оболочки в слое» — распределение по оболочкам этого слоя. Значения даны так, как они приведены в исходной работе.

2. Периодическая система элементов (предлагаемая редакция)

Поскольку в процессе исследования мы пришли к выводу, что в таблице неверно определено положение лантаноидов, актиноидов, лютеция Lu и лоуренсия Lr, есть повод предложить вариант, имеющий существенные различия. Представим это в виде Таблицы 2. Эти различия заключаются в том, что, подобно тому как за пределы существующей таблицы вынесены ряды лантаноидов и актиноидов, за пределы таблицы вынесем ещё несколько дополнительных подгрупп.

К элементам главной подгруппы отнесём как те элементы, которые Менделеев назвал типическими, так и элементы последующих периодов, вплоть до седьмого.

Элементы первой дополнительной группы будут представлены двумя рядами. Первый дополнительный ряд составят элементы, начиная от скандия (Sc, Z = 21) до цинка (Zn, Z = 30) включительно. Второй ряд начнётся иттрием (Y, Z = 39) и завершится кадмием (Cd, Z = 48). В каждом ряду — по десять элементов.

Элементы второй дополнительной группы также представлены двумя рядами, как и в предыдущем случае — по десять элементов в ряду. Первый ряд — от лютеция (Lu, Z = 71) до ртути (Hg, Z = 80); второй ряд — от лоуренсия (Lr, Z = 103) до элемента под номером 112.

Лантаноиды и актиноиды целесообразно расположить в два ряда, как это и видно в представленной таблице. Соответствующие названия — «Элементы подгруппы лантаноидов» и «Элементы подгруппы актиноидов».

Для наглядности проставим звёздочки * возле символов тех элементов, после которых начинается формирование новых подгрупп.

Внося данные в графы таблицы, укажем (слева направо и сверху вниз): символ элемента; заряд ядра Z; энергию ионизации Ei; количество нуклонов A; формулу электронного строения. Начиная от лития и до последнего элемента целесообразно использовать буквенное обозначение остова.

Таблица 2. Периодическая система элементов (предлагаемая редакция)

Элементы главной подгруппы

Элементы первой дополнительной подгруппы

Элементы второй дополнительной подгруппы

Элементы подгруппы лантаноидов

Элементы подгруппы актиноидов

Заключение

Предприняв попытку определить электронное строение атомов, мы пришли к выводам, которые многим покажутся парадоксальными. На самом деле никаких парадоксов в этом нет. Нет расхождений в представленных данных и данных эксперимента. Говоря о данных экспериментов, мы в первую очередь подразумеваем, по словам Менделеева, «так называемую валентность». Следует только ясно представлять, что в химических связях принимают участие те электроны, которые имеются на крайних, внешних оболочках.

В современной формулировке периодический закон гласит: свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительных зарядов ядер их атомов.

В Таблице 2 представлены как величины зарядов атомов, так и количество нуклонов в каждом из ядер. В известном приближении атомный вес можно считать прямо пропорциональным количеству нуклонов в ядрах элементов. Вид таблицы указывает на то, что между свойствами химических элементов и величиной зарядов никакой периодической зависимости не существует. Невнятность формулировки закона вполне компенсируется тем обстоятельством, что все, в принципе, понимают, о чём он гласит.

Попытаемся исправить этот казус, предложив формулировку закона хотя бы в такой предварительной редакции: свойства элементов периодически зависят от конфигурации внешних электронных оболочек и, как следствие, — от изменения величины энергии ионизации. В данном случае нет оснований упоминать о соединениях, поскольку свойства соединений в данной работе не рассматривались. Такая формулировка не лишена недостатков, но следует понимать, что она обладает большей конкретикой, по крайней мере — с учётом тех данных, которые содержатся в каждой из подгрупп.

Формулируя периодический закон, Менделеев указывал: «Величина атомного веса элементов иногда может быть исправлена, зная его аналогии».

Есть основания поступить подобным образом: «Величина энергии ионизации элементов иногда может быть исправлена, зная его положение в таблице». В первую очередь это имеет отношение к энергии ионизации атомов лоуренсия. Сложно предсказывать истинное значение, но сомнений не оставляет тот факт, что энергия ионизации лоуренсия должна быть меньше энергии ионизации лютеция. Значения энергии ионизации элементов подгруппы лантаноидов и актиноидов также следует уточнить, после чего, если потребуется, внести соответствующие изменения в таблицу 2.

В представленной работе речь шла об электронах, электронных слоях и электронных оболочках. Следует сказать, что в настоящее время нет единого мнения о том, что такое электрон. Никто и никогда не наблюдал его как частицу; массу электрона никогда не удавалось определить методами непосредственных измерений, а только лишь на основании трактовки тех или иных экспериментов. Не следует упускать из виду, что трактовка экспериментов может быть ошибочной и даже предвзятой. Дифракция электронов свидетельствует в пользу того, что это скорее волна, чем частица. Понятие «дуализм» не вносит никакой ясности в рассмотренный вопрос. Именно по этой причине к представленным результатам следует отнестись взвешенно, допуская вероятность того, что представленные суждения со временем придётся пересмотреть самым радикальным образом.

Литература

1. Р. Спроул. Современная физика. — М.: Наука, 1974.
2. И. В. Ефимов. Квантовый иллюзион Нильса Бора. — LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. ISBN-13: 978-3-65936-500-3.