Строение атома и периодическая система элементов
Скачать 0.96 Mb.
|
Радиусы ионов Если кристалл состоит из ионов, то межъядерное расстояние рассматривается как сумма ионных радиусов. Для ионных радиусов характерны следующие закономерности: 1. Для одинаковозарядных ионов со сходным электронным строением радиус растет с увеличением числа электронных слоев. Li+ Na+ K+ Cs+ rион, Å 0.68 0.97 1.33 1.67 2. Для ионов с одинаковым числом электронов rион уменьшается с ростом заряда. S2- Cl K+ Ca2+ rион, Å 1.74 1.81 1.33 0.99 Положительный ион сильнее притягивает электроны, а в отрицательных ионах они отталкиваются. 3. Ионы с s2p6 оболочкой имеют радиусы больше, чем с d – оболочкой (d-сжатие). Перспективы развития периодической системы В связи с синтезом сверхтяжелых элементов перед теоретиками и экспериментаторами возникает вопрос: где конец периодической системы? Может ли быть завершен VII период (до Z=118), могут ли быть получены элементы VIII периода, будет ли успешным синтез новых сверхтяжелых элементов? Систему атомных ядер Сиборг и Свяжецкий аллегорически изобразили следующим образом. В море неустойчивости находится материк стабильности (совокупность атомных ядер элементов периодической системы, имеющих стабильные изотопы). На материке стабильности, а также в окружающем его море неустойчивости есть центры повышенной стабильности атомных ядер. Как правило, ядра повышенной устойчивости характеризуются "магическим" числом протонов или нейтронов. Особенно устойчивы "дважды магические элементы", у которых и число протонов, и число нейтронов в ядре магическое, т.е. выражается числами 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, 164. Удивительно, что многие элементы с числом протонов, отвечающим магическим числам, попадают в IV группу периодической системы, хотя нет прямой связи между зарядом ядра и стабильностью ядер. Не исключено, что после впадины неустойчивости, которая следует за элементами №104, №105, №106, отличающимися крайне низкой стабильностью, последует остров стабильности, на котором будут находиться ядра с так называемыми замкнутыми протонными и нейтронными оболочками (это как раз те ядра, количество протонов и нейтронов в которых соответствует магическим числам или близко к ним). В частности, Сиборг предсказывает высокую стабильность элементов с Z = 110 и № = 184 (294110Э) и элемента экасвинца №114 с Z = 114 и № =200 (314114Э). Флеров также говорит о том, что есть надежда на синтез нуклидов, расположенных вблизи ядер с замкнутыми нуклонными оболочками. В качестве примера он приводит ядра с нейтронной оболочкой, где число нейтронов равно 152. Изотопы с таким числом нейтронов особенно устойчивы для элементов №96 – №102. Именно благодаря стабилизирующему действию этой подоболочки, период полураспада некоторых изотопов элемента №102 оказался достаточно большим – порядка одной минуты. Высказывая предположение о том, что элемент №114 будет обладать свойствами экасвинца, Сиборг полагал, что VII период после завершения ряда актинидов (№90 – №103) будет заполнен трансактинидами – 6d- и 7p-элементами (от №104 – экагафния до №118 – аналога радона). Далее, в VIII периоде после аналогов щелочных и щелочноземельных элементов (№119, №120) и экаактиния (№121) будут следовать f- и g-элементы, так называемые суперактиниды (№122 – 153). За ними опять должны располагаться d- и p-элементы (№154 – 168), причем №168 – инертный газ. Следует отметить, что предсказание свойств элементов №114 (экасвинца), №113 (экагаллия) и других, находящихся вблизи острова стабильности, Сиборг основывает на закономерностях, вытекающих из периодического закона. Например, он полагает, что элемент №114 должен быть преимущественно двухвалентным в своих соединениях, так как в подгруппе германия, сверхтяжелым аналогом которого, вероятно, этот элемент является, наблюдается тенденция к понижению степени окисления от (IV) до (II) при переходе от легких аналогов к тяжелым. При этом Сиборг ссылается на термодинамические расчеты, согласно которым от Ge к Pb уменьшается прочность ковалентной связи, и более вероятным оказывается не sp3-гибридное состояние валентных электронов, а p-состояние. Перспективы синтеза сверхтяжелых элементов, проверка предположений об относительной стабильности ряда изотопов некоторых элементов требуют разработки новых методов ядерного синтеза. При получении тяжелых актинидов и трансактинидов (искусственных элементов VII периода) Сиборг и Гиорсо с сотрудниками пользовались облучением нейтронами более легких ядер, чем получаемые. При этом заряд новых ядер увеличивался на один нуклон (реакция многократного захвата нейтронов в интенсивных нейтронных потоках реакторов и ядерных взрывов). Флеров с сотрудниками для тех же целей использовали метод бомбардировки атомных ядер ускоренными ядрами неона. При такой бомбардировке заряд ядра увеличивался сразу на несколько единиц. Применяя разные методы синтеза сверхтяжелых ядер, советские и американские физики неизбежно получали разные изотопы сверхтяжелых элементов. Кроме того, они использовали неодинаковые методы идентификации полученных элементов. Это одна из причин длительных споров о приоритете в открытии новых элементов. Оба способа имеют свои достоинства и недостатки, но совершенно очевидно, что оба они непригодны для синтеза элементов, следующих за впадиной неустойчивости и расположенных на предполагаемом острове стабильности. В самом деле, для синтеза, например, элемента №114 надо было бы по методике, использовавшейся ранее, иметь для облучения легкими нуклонами (самый тяжелый из них – ядро неона) некоторое количество атомов более легких предшественников элемента №114, но эти элементы как раз попадают во впадину неустойчивости и не могут быть синтезированы. Очевидно, что получить сверхтяжелые атомные ядра можно лишь методами, исключающими необходимость предварительного получения нестабильных ядер. Такими методами, согласно Флерову, могут быть следующие: 1. Синтез элемента №114 бомбардировкой актинидов потоком тяжелых ионов (Ar и Са). Недостаток этого метода состоит в том, что при синтезе получаются нейтронодефицитные ядра с количеством нейтронов, далеким от магического числа N=184. 2. Уменьшение нейтронного дефицита достигается, например, при бомбардировке плутония ядрами цинка: 94Pu + 80Zn 124Э. Число нейтронов в ядре элемента №124, получающемся таким образом, приближается к магическому N = 184. Однако ясно, что ускорить ядра 30Zn до больших энергий – трудная задача. 3. Синтез элемента №114 (и его соседей по периодической системе) бомбардировкой нейтроноизбыточных продуктов деления ускоренными ионами ксенона. Важно, что при делении ядер актинидов образуются изотопы, сильно обогащенные нейтронами (по сравнению с естественными изотопами тех же элементов). Так, облучение урана ксеноном, как полагает Флеров, приведет к синтезу достаточно стабильных, недефицитных по нейтронам изотопов элементов с Z = 114 – 126 и № 184. Достижение центра "острова стабильности" возможно только с использованием тяжелых ядер: 23290Th + 8234Se 307123Э + p + 6n, 23892U + 8036Kr 311127Э + p + 6n. Перспективна также бомбардировка урана ураном или урана ксеноном. Последние успехи ядерного синтеза связаны с получением элементов №107 – №110. В 1984 г. в Дубне на новом мощном циклотроне V-400 с использованием ядерных реакций типа: Pb + Fe 108Э, Bi + Mn 108Э были получены три изотопа элемента №108. Они были зафиксированы по характерному для них -излучению (44 акта распада). Авторы открытия считают, что обнаруженные изотопы элемента с Z = 108 значительно более стабильны к спонтанному делению, чем элементы №104 и №106, что дает надежду на получение еще более стабильных элементов при увеличении Z. Действительно, синтез элемента №110 показал, что период полураспада, полученного бомбардировкой тория и урана ядрами Ca и Ar, изотопа элемента №110 составляет сотые доли секунды. Это говорит о значительно большей стабильности элемента №110, чем, например, элемента №108, для которого период полураспада выделенного изотопа составлял только 2 мс. Синтез элемента №110 вселил в авторов этого исследования оптимизм – они считают, что уже нащупывается "почва острова стабильности". Синтез новых сверхтяжелых элементов, достижение "острова стабильности" и, по крайней мере, экспериментальная проверка упомянутых гипотез сдерживаются сейчас отсутствием чрезвычайно мощных ускорителей тяжелых ионов. Однако существует способ проверки существующих гипотез. Он связан с поиском сверхтяжелых элементов в природе. Действительно, можно предположить, что некоторые изотопы элементов, находящихся в районе "острова стабильности", достаточно устойчивы к спонтанному распаду и поэтому могут быть обнаружены на Земле и в Космосе. Например, по расчетам Сиборга, ядро элемента №114 с дважды магическим числом нуклонов (Z = 114, N = 184) должно иметь период спонтанного полураспада, равный 1016 лет, а период полураспада, сопровождающегося -излучением, равный 1 году (-распад не предполагается). Резко повысился интерес к поискам элемента №114 в природных объектах после того, как Фаулер (США) в 1967 г. в следах космических лучей на эмульсиях обнаружил треки, которые могли оставить элементы с зарядом ядра Z = 103 – 110. С этого времени поиски сверхтяжелых элементов ведутся во всем мире. Можно предположить, что в земной коре имеется долгоживущий, спонтанно делящийся излучатель. Следы его деления наблюдались в некоторых образцах свинцовых стекол. Следы деления нельзя приписать обычному свинцу, но они могут принадлежать его тяжелому аналогу. Если период полураспада экасвинца больше, чем 108 лет, то содержание его в образцах достаточно для обнаружения. Для этих целей используется чрезвычайно чувствительная аппаратура – так называемые пропорциональные счетчики, в которых фон, определяемый космическим излучением, сведен к минимуму – 1 импульс за 30 суток. В таких условиях фиксируемые акты распада предполагаемого экасвинца составляют 85 – 90% от общей фиксируемой активности. Надо отметить, однако, что не все исследователи согласны с тем, что обнаруженный спонтанный распад принадлежит экасвинцу. С их точки зрения период полураспада обнаруженного элемента слишком мал для того, чтобы данный изотоп до нашего времени мог сохраниться. Не исключено, что ошибка состоит как раз не в самом факте обнаружения, а в определении периода полураспада. Так или иначе поиски сверхтяжелых элементов в природе (космическая пыль в снегах Арктики, свинцовые руды, метеориты и т.д.) продолжаются. Контрольные вопросы
Задачи 1. Вычислите электроотрицательность водорода, исходя из того, что ЭО фтора равна 3,98. Необходимые энергии связей найдите в справочнике. 2. Вычислите электроотрицательность атома хлора, учитывая, что ЭО атома водорода равна 2,20. Необходимые данные найдите в справочнике. 3. При нормальных условиях только 11 элементов периодической системы в свободном состоянии являются газами и 2 элемента в свободном состоянии – жидкости. Укажите символы и названия этих элементов. Верно ли утверждение, что в тех же условиях существует 11 газообразных простых веществ? Может ли их быть больше? Для какого простого вещества жидкое агрегатное состояние является необычным? Почему? 4. Предположим, что в какой-то другой Вселенной обнаружено вещество, состоящее из атомов, "электроны" которых подчиняются следующим ограничениям на квантовые числа: n > 0 l = 0,1,2....(n-1) m = +1 или -1 S = +1/2 Какие порядковые номера имеют в такой Вселенной первые два инертных газа, учитывая, что к этим атомам применимы обычные правила заполнения электронных орбиталей? 5. В основном состоянии атом хрома имеет электронную конфигурацию 1s22s22p63s23p63d54s1. Предскажите электронную конфигурацию первого возбужденного состояния атома хрома. Дополнительная литература 1. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Строение вещества. М.: Высш. школа, 1978. С. 5-78. 2. Угай Я.А. Общая химия. М.: Высш. школа, 1977. С. 30-70. 3. Новиков Г.И. Основы общей химии. М.: Высш. школа, 1988. С. 158-233. 4. Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии. Т. 1. М.: Мир. 1982. С. 302-414. 5. Мартыненко Л.И., Спицын В.И. Методические аспекты неорганической химии. М.: Изд-во МГУ, 1983. С. 4-18. 6. Мартыненко Л.И., Спицын В.И. Неорганическая химия. Ч. 1. М.: Изд-во МГУ, 1991. С. 338-377. 7. Дмитриев И.С. Электрон глазами химика. Л.: Химия. 1986. С. 5-103. 8. Павлов Н.Н. Теоретические основы общей химии. М.: Высш. школа. 1973. С. 22-49. 9. Новиков Г.И. Основы общей химии. М.: Высшая школа. 1988. С. 188-233. 10. Корольков Д.В. Электронная структура и свойства соединений непереходных элементов. СПб.: Химия. 1992. 10. Кораблева Т.Б., Корольков Д.В. Теория периодической системы. СПб.: Изд. С. Петербургского ун-та. 2005. 174 с. |
Похожие:
 | Максимальное число электронов в каждой из оболочек, в соответствии со следствием из принципа Паули, равно 2n2, например, сформированная... | | Цели модуля: Обобщить и систематизировать знания о строении атома, знать периодический закон и изменения свойств элементов и соединений... |
 | Периодический закон и периодическая система д. И. Менделеева в свете современных представлений о строении атома | | Методические рекомендации лекционного занятия для студентов по теме: Периодический закон и периодическая система элементов |
| Химия – наука, изучающая вещества, их строение, свойства и превращения. Превращения одних веществ в другие вещества называются химическими... | | Аристотеля. Аристотель и Платон (384322 гг до н э.) полагали, что природа состоит из четырех начал (элементов): огня, земли, воздуха... |
| Электроны различаются своей энергией, чем дальше от ядра расположены электроны тем большим запасом энергии они обладают. Всегда в... | | При химических реакциях ядра атомов остаются без изменений, изменяется лишь строение электронных оболочек вследствие перераспределения... |
| Методические указания утверждены на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин от 17. 10. 2011 (протокол №2) | | Энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия кванта e = hν, где h = 6,62·10-34 Дж·с... |