Химиялық элементтердің периодтық жүйесі

Элементтердің периодтық жүйесі

ЭЛЕМЕНТТЕРДІҢ ПЕРИОДТЫҚ  ЖҮЙЕСІ, химиялық элементтердің жіктелуі – Д.И. Менделеев ашқан периодтық заңның кестелік (графиктік) бейнесі (қ. Менделеевтіңпериодтық заңы). Э. п. ж-н Д.И. Менделеев жасаған (1869 – 71). Менделеев элементтерді периодтық жүйеге орналастырғанда олардың атом. салмақтарының өсуіне, сонымен қатар олардың хим. қасиеттерінің өзгеруіндегі периодты заңдылыққа сүйенді. Ол кестедегі кейбір элементтерді (Co – Nі, Te – І) атом. салмақтарының өсу бағытына сай емес, хим. ұқсастығына қарай орналастырды, бірнеше элементтердің сол кезде қабылдаған атом салмақтарын 1,5 – 2 есе өзгертті (Іn, Cl, U, т.б.). Алғашқы кестеде Менделеев әлі ашылмаған бірнеше элементтер бар екенін болжап, оларға кестеде тиісті орын қалдырып, кейбір қасиеттерін күні бұрын айтып берді. Сондай болжанған “экоалюминий” (1875 ж. француз химигі П.Лекок де Буабордан ашқан қазіргі галлий Ga), “экабор” (швед ғалымы Л.Нильсон 1879 ж. ашқан скандий Sc) және “экасилиций” (1886 ж. неміс ғалымы К.Винклир ашқан германий Ge) элементтері кейін ашылды. Сонымен қатар Менделеев марганецке (қазіргі технеций Тс және рений Re), теллурге (полоний Ро), йодқа (астат At), цезийге (франций Fr), барийге (радий Ra), танталға (протактиний Ра) ұқсас элементтердің бар екенін айтқан. Күні бұрын болжанған қасиеттер мен анықталған қасиеттердің дәл келуі Менделеевтің периодты заңын дүние жүзі ғалымдарына танытты. Радиоактивтік ыдыраудың (1806), рентгенсәулелерінің (1895) ашылуы, неміс физигі М.Планктің сәуле шығарудың кванттық теориясын (1900), ағылшын физигі Э.Резерфордтың атомның планетарлық моделін (1911) жасауы, Н.Бордың атомның құрылыс теориясын ұсынуы (1913) атомның күрделі табиғаты мен периодтық жүйе құрылымының физ. мәнін түсіндірді. Ағылшын физигі Г.Мозли еңбектерінің нәтижесінде Менделеев ұсынған әр элементтің рет нөмерінің оның ядро зарядымен тең болуы, сондай-ақ атомдағы электрондар санының анықталуы, олардың орналасуындағы периодтық заңның тұтастай ішкі сырын ашты. Бор теориясын әрі қарай неміс физигі А.Зоммерфельдтің дамытуы, кейін швейцариялық физик В.Паули принципінің шығуы электрондық әр қабықта орналасу заңдылығын анықтады. Қазіргі Э. п. ж. 110 хим. элементті қамтиды, олардан трансуран элементтері (Z – 93 – 110) және кейбір элементтер Z – 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At), 87 (Fr) жасанды жолмен алынған. Менделеев периодтық жүйені жасағаннан бері оны кеңістікте немесе жазықтықта орналастырудың графиктік әр түрлі нұсқалары ұсынылғанмен, Менделеевтің ықшамды қысқа және ұзын периодты кесте түріндегі нұсқасы көбірек қолданылады. Э. п. ж-н құрастырудағы негізгі принцип – барлық элементтердегі периодтар мен топтарға бөліп орналастыру. Әр топ өз кезегіндегі негізгі (а) және қосымша (б) топшаларға бөлінеді (периодты кестенің ұзын түрін қара). Топшалардағы элементтер өзара хим. қасиеттері жағынан өте ұқсас. Период деп сілтілік металдан басталып инертті газбен аяқталатын элементтер тобын айтады. Әр периодта 2, 8, 18, 32 элемент болады. Бірінші периодтың ерекшелігі – онда екі элемент қана Н, Не орналасқан. Сутектің сілтілік металдарға да, галогендерге де ұқсайтын ортақ қасиетіне байланысты оны көбіне Іa кейде VІҚа топшаға да орналастырады. Екінші периодтта 8 элемент ( Lі – Ne) бар. Ол сілтілік металл литийден Lі басталады, одан кейінгі ІІ валентті Ве металл, ал ІІІ валентті В элементтінің металдық қасиеті кеміп, ІV валентті көміртектен бейметалдар басталады, олардың (N, О, F) тотығу дәрежелері теріс. Период инертті газ – неонмен (Ne) аяқталады. Үшінші периодта да 8 элемент орналасқан (Na – Ar). Олардың қасиеттерінің өзгеру сипаты екінші период элементтеріне ұқсас, дегенмен Mg-мен Al-дің Ве-мен В-ға қарағанда металдық қасиеті басымдау, сондай-ақ бейметалдар – P, S, Cl-дың екінші периодтағы “ұқсастардан” айырмашылығы олар өздеріне тән ең жоғары оң валенттіктерін көрсете алады. Менделеев 2 және 3-период элементтерін типтік элементтер деп атаған, себебі олардың бәрі де табиғатта кең таралған. Алғашқы 3 периодтың элементтері негізгі топшаларға (а) ғана кіреді. Қазіргі технологиялар бойынша бұл периодтардың алғашқы екі элементі (сілтілік және сілтілік-жер металдар) Қа-, ІҚа- топшаларды құрайтын s-элементтерден тұрады (кестеден қызыл түске боялған), қалған алтауы (B – Ne, Al – Ar) ІІҚа, VІІҚа-топшаларды құрайтын р-элементтерден тұрады (кестеде сары түсті). Кіші периодтар деп аталған бұл үш период элементтерінің рет нөмірі артқан сайын атом радиустары кішірейіп, кейінгі атомның сыртқы қабығындағы электрондар саны көбейгенде, олардың өзара ығысуының күшеюінен атом радиустары ұлғая бастайды. Ең үлкен радиус периодтың басында орналасқан сілтілік металға тән. Осындай заңдылық иондар радиусының өзгеруінен де байқалады. Төртінші периодта 18 элемент бар ( К – Кr), ол – үлкен периодтардың алғашқысы. Мұнда сілтілік және сілтілік-жер металдардан кейін ауыспалы деп аталатын 10 элемент (Sc – Zn) орналасады. Бұларды d – элементтер деп атайды (кестеде көк түсті), олар да қосымша топшаларға кіреді. Ауыспалы элементтер түгелдей металдар, Fe – Co – Nі триадасынан басқасы өздеріне тән ең жоғары валенттіктерін көрсетеді. Соңғы алты p-элементтер (Ga – Kr) негізгі топшаға (a) кіреді, қасиеттерінің өзгеруі бұрын айтқан ІІ және ІІІ период элементтеріне ұқсас. Бесінші периодта 18 элемент (Rb – Xe) бар, құрылысы төртінші периодқа ұқсас. Одан айырмашылығы ауыспалы элементтер де, ксенон да (Xe) өзіне тән ең жоғары оң валенттіктерін көрсете алады. Соңғы галоген – иодта аздаған металдық қасиет пайда болады. Алтыншы периодта 32 (Cs – Rn) элемент бар. Онда ауыспалы 10 элементпен (La, Hf – Hg) қатар 14 f – элементтер, лантаноидтар (кестеде жасыл түсті) орналасқан. Жетінші периодта да францийден (Fr) басталатын 32 элемент болуға тиісті, бірақ ол әлі аяқталмаған (12 элемент әлі табылған жоқ). Мұнда да алтыншы периодтағыдай 89-элементтен кейін 14 f – элементтер – актиноидтар орналасқан (Th – Lr). Олардың тотығу дәрежесі лантаноидтардан де жоғары болады (ІІІ – VІІ). Лантаноидтар мен актиноидтар кестенің түрі ықшамды болу үшін төменірек жеке екі қатар етіп орналастырылған. Оларды кестедегі өздерінің заңды орнына қойып горизонталь периодтарды ұзартсақ периодтық түр шығады. Онда атомдардың электрондық құрылымына сай ұқсастығын анығырақ байқауға болады. Қысқа кестедегі топ нөмірі, жалпы алғанда, ондағы элементтердің валенттігі электрондар санына сай келеді. Бір топшадағы элементтердің ұқсастығы олардың валенттік қабаттарының электрондық конфигурациясының периодты түрде қайталанып келіп отырғандығымен түсіндіріледі. Элементтер қасиеттерінің периодты түрде қайталануы олардың электрондық құрылымының периодты қайталануымен сай келетіні де осыдан. Атомдардағы электрондық конфигурацияның қалыптасуын жалпы былай көрсетуге болады:

Тік сызықтар кестеде периодтарды  бөліп тұрады. Паули принципіне сай  әрбір электрон қабығының сыйымд. 2п2, ал ондағы орбиталдар сыйымд. 2(2l+1). Бұдан әрбір периодтың сыйымд. 2, 8, 8, 18, 32, 32... Әр периодтың басы жаңа мәніне сай келетін s – элементтен басталады ( Қа-, ІҚа-топшалар), соңы р  – элементтермен аяқталады (ІІҚа-VІІІa-топшалар). Үлкен периодтарда (ІV – VІІ) олардың  арасына 10 d – элементтер (Іб-VІІІб-топшалар) кіреді. Ауыспалы элементтердің соңғы  электрондары ішкері жатқан п-1 қабаттың d – орбиталарын толтырады, ал сыртқы қабатында s2 электрондар сақталады. Сондықтан олар металдық қасиет көрсетеді. Лантаноидтар мен актиноидтардың соңғы электрондары ішкеріден де ішкерірек жатқан п-2 қабаттың f – орбиталарына толады. f – элементтер де түгелдей металдар. Э. п. ж-ның жоғары шегі анықталмаған. Рет нөмірі 101-ден асқан элементтердің өмірі тым қысқа. Теор. болжамдар 114, 126, 164, 184 элементтер атомдарының ядролары біршама берік болуға тиіс деп санайды. Сондықтан оларды қолдан синтездеу мүмкіндігі бар. Периодтағы элементтердің қасиеттері былайша өзгереді: әр период (І-ден басқасы) күшті сілтілік s – металмен басталады, әрі қарай металдық қасиет кеміп, амфотерлі қасиеті бар элементтер басталады, одан бейметалдарға ауысып, бейметалдық қасиет артып, олардың ең күштілері галогендерде байқалады да, инертті элементпен бітеді. Үлкен периодтарда металдық қасиет өте баяу кемиді, өйткені оларда s-тен соң d және f – металдар орналасады, тек соңында ғана бейметалл p-элементтер орналасқан. Негізгі топшалардағы элементтердің металдық қасиеті жоғарыдан төмен қарай атом радиустары ұлғайған сайын кеміп, керісінше бейметалдық қасиет артады. Қосымша топшалардағы элементтерде жоғарыдан төмен қарай металдық қасиет аз ғана артып, немесе аса көп өзгіріске ұшырамайды. Атомдардың электрондық құрылымына тәуелді периодты өзгеретін қасиеттер мен сипаттамалар көп, олардың бастылары: атом радиустары, ион радиустары, иондалу потенциялы, электрон тартқыштық, теріс электрлік, валенттілік, оптик. және магн. қасиеттері, т.б. Элементтерді жай зат ретінде қарасақ, периодты қайталанатын қасиеттердің саны артады, жай заттардың соғылғыштығы, қаттылығы, ұлғаю және сыну коэфф-тері, тығыздығы, стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалдары, т.б. периодты өзгеретін қасиеттер элементтер қосылыстарында да кең таралған. Э. п. ж. – периодтық заңның графиктік бейнесі, олар өзара тығыз байланысты, бірін-бірі толықтыра түседі. Екеуі де хим. элементтерді материя дамуының бір сатысы деп қарап, олардың арасындағы табиғи байланысты ашады. Периодты заң химия ғылымына ғана жатпайды, ол бүкіл жаратылыстану және табиғи ғылымдардың ортақ заңы, сондықтан ғылыммен бірге дамып, оны байыта түседі (қ. 6-т., 46-беттегі түрлі-түсті кесте).