Значение периодического закона и периодической системы д менделеева. Значение периодического закона менделеева. Периодическое изменение свойств химических элементов. Атомные и ионные радиусы. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность

Периодическая система элементов явилась одним из наиболее ценных обобщений в химии. Она представляет собой как бы конспект химии всех элементов, график по которому можно читать свойства элементов и их соединений. Система позволила уточнить положение, величины атомных масс, значение валентности некоторых элементов. На основе таблицы можно было предсказать существование и свойства еще неоткрытых элементов. Менделеев сформулировал периодический закон и предложил его графическое отображение, однако в то время нельзя было определить природу периодичности. Смысл периодического закона был выявлен позже, в связи с открытиями по строению атома.

1. В каком году был открыт периодический закон?

2. Что Менделеев взял за основу систематизации элементов?

3. Как гласит закон открытый Менделеевым?

4. В чем разница с современной формулировкой?

5. Что называется атомной орбиталью?

6. Как изменяются свойства в периодах?

7. Как подразделяются периоды?

8. Что называется группой?

9. Как подразделяются группы?

10. Какие виды электроновы вы знаете?

11. Как происходит заполнение энергетических уровней?

Лекция №4: Валентность и степень окисления. Периодичность изменения свойств.

Происхождение понятия валентности. Валентность химических элементов является одним из самых важных их свойств. Понятие валентности было введено в науку Э. Франкландом в 1852 г. Вначале понятие носило исключительно стехиометрический характер и вытекало из закона эквивалентов. Смысл понятия валентности вытекал из сопоставления величин атомной массы и эквивалента химических элементов.

С установлением атомно-молекулярных представлений понятие валентности приобрело определенный структурно-теоретический смысл. Под валентностью стали понимать способность одного атома данного элемента присоединять к себе то или иное число атомов другого химического элемента. За единицу валентности была принята соответствующая способность атома водорода, поскольку отношение атомной массы водорода к его эквиваленту равно единице. Таким образом валентность химического элемента определяли как способность его атома присоединять то или иное число атомов водорода. Если данный элемент не образовывал соединений с водородом, его валентность определялась как способность его атома замещать то или иное число атомов водорода в его соединениях.

Такое представление о валентности подтверждалось для простейших соединений.

На основе представления о валентности элементов возникло представление и о валентности целых групп. Так, например, группе OH, поскольку она присоединяла один атом водорода или замещала один атом водорода в других его соединениях, приписывалась валентность, равная единице. Однако представление о валентности теряло свою однозначность, когда дело касалось соединений более сложных. Так, например, в перекиси водорода H 2 O 2 валентность кислорода должна быть признана равной единице, поскольку в этом соединении на каждый атом кислорода приходится один атом водорода. Однако известно, что каждый атом кислорода в H 2 O 2 соединен с одним атомом водорода и одной одновалентной группой OH, т. е. кислород двухвалентен. Подобным образом валентность углерода в этане C 2 H 6 должна быть признана равной трем, так как в этом соединении на каждый атом углерода приходится по три атома водорода, но, поскольку каждый атом углерода соединен с тремя атомами водорода и одной одновалентной групой CH 3 , валентность углерода в C 2 H 6 равна четырем.

Следует заметить, что при формировании представлений о валентности отдельных элементов указанные осложняющие обстоятельства не принимались во внимание, а учитывался только состав простейших соединений. Но и при этом оказалось, что у многих элементов валентность в различных соединениях не одинакова. Особенно это было заметно для соединений некоторых элементов с водородом и кислородом, в которых проявлялась различная валентность. Так, в соединении с водородом валентность серы оказалась равной двум, а с кислородом – шести. Поэтому стали различать валентность по водороду и валентность по кислороду.

В дальнейшем в связи с представлением о том, что в соединениях одни атомы поляризованы положиельно, а другие отрицательно, понятие о валентности в кислородных и водородных соединениях было заменено понятием о положительной и отрицательной валентности.

Различные значения валентности у одних и тех же элементов проявлялись также в их различных соединениях с кислородом. Другими словами, одни и те же элементы оказались способны проявлять различную положительную валентность. Так появилось представление о переменной положительной валентности некоторых элементов. Что касается отрицательной валентности неметаллических элементов, то она, как правило, оказалась у одних и тех же элементов постоянной.

Элементов, проявляющих переменную положительную валентность, оказалось большинство. Однако для каждого из таких элементов характерной оказалась его максимальная валентность. Такая максимальная валентность получила название характеристичной .

В дальнейшем, в связи с возникновением и развитием электронной теории строения атома и химической связи, валентность стали связывать с числом электронов, переходящих от одного атома к другому, или с числом химических связей, возникающих между атомами в процессе образования химического соединения.

Электровалентность и ковалентность. Положительная или отрицательная валентность элемента – проще всего определить, если два элемента образовывали ионное соединение: считалось, что элемент, атом которого стал положительно заряженным ионом, проявил положительную валентность, а элемент, атом которого стал отрицательно заряженным ионом, – отрицательную. Численное значение валентности считалось равным величине заряда ионов. Поскольку ионы в соединениях образуются посредством отдачи и присоединения атомами электронов, величина заряда ионов обусловливается числом отданных (положительный) и присоединенных (отрицательный) атомами электронов. В соответствии с этим положительная валентность элемента измерялась числом отданных его атомом электронов, а отрицательная валентность – числом электронов, присоединенных данным атомом. Таким образом, поскольку валентность измерялась величиной электрического заряда атомов, она и получила название электровалентности. Ее называют также ионной валентностью.

Среди химических соединений встречаются такие, в молекулах которых атомы не поляризованы. Очевидно, для них понятие о положительной и отрицательной электровалентности неприменимо. Если же молекула составлена из атомов одного элемента (элементарные вещества), теряет смысл и обычное понятие о стехиометрической валентности. Однако, чтобы оценивать способность атомов присоединять то или иное число других атомов, стали использовать число химических связей, которые возникают между данным атомом и другими атомами при образовании химического соединения. Поскольку эти химические связи, представляющие собой электронные пары, одновременно принадлежащие обоим соединенным атомам, называются ковалентными, способность атома образовать то или иное число химических связей с другими атомами получила название ковалентности. Для установления ковалентности используются структурные формулы, в которых химические связи изображаются черточками.

Степень окисления и окислительное число. При реакциях образования ионных соединений переход электронов от одних реагирующих атомов или ионов к другим сопровождается соответствующим изменением величины или знака их электровалентности. При образовании соединений ковалентной природы такого изменения электровалентного состояния атомов фактически не происходит, а только имеет место перераспределение электронных связей, причем валентность исходных реагирующих веществ не изменяется. В настоящее время для характеристики состояния элемента в соединениях введено условное понятие степени окисления . Численное выражение степени окисления называют окислительным числом .

Окислительные числа атомов могут иметь положительное, нулевое и отрицательное значения. Положительное окислительное число определяется числом электронов, оттянутых от данного атома, а отрицательное окислительное число – числом притянутых данным атомом электронов. Окислительное число может быть приписано каждому атому в любом веществе, для чего нужно руководствоваться следующими простыми правилами:

1. Окислительные числа атомов в любых элементарных веществах равны нулю.

2. Окислительные числа элементарных ионов в веществах ионной природы равны значениям электрических зарядов этих ионов.

3. Окислительные числа атомов в соединениях ковалентной природы определяются при условном расчете, что каждый отянутый от атома электрон придает ему заряд, равный +1, а каждый притянутый электрон – заряд, равный –1.

4. Алгебраическая сумма окислительных чисел всех атомов любого соединения равна нулю.

5. Атом фтора во всех его соединениях с другими элементами имеет окислительное число –1.

Определение степени окисления связано с понятием об электроотрицательности элементов. С использованием этого понятия формулируется еще одно правило.

6. В соединениях окислительное число отрицательно у атомов элементов с большей электроотрицательностью и положительно – у атомов элементов с меньшей электроотрицательностью.

Понятие степени окисления, таким образом, пришло на смену понятию электровалентности. В связи с этим представляется нецелесообразным пользоваться и понятием ковалентности. Для характеристики элементов лучше применять понятие валентности, определяя ее числом электронов, используемых данным атомом для образования электронных пар, независимо от того, притягиваются они к данному атому, или, наоборот, оттягиваются от него. Тогда валентность будет выражаться числом без знака. В отличие от валентности степень окисления определяется числом электронов, оттянутых от данного атома, – положительная, или притянутых к нему, – отрицательная. Во многих случаях арифметические значения валентности и степени окисления совпадают – это вполне естественно. В некоторых же случаях числовые значения валентности и степени окисления отличаются друг от друга. Так, например, в молекулах свободных галогенов валентность обоих атомов равна единице, а степень окисления – нулю. В молекулах кислорода и перекиси водорода валентность обоих атомов кислорода равна двум, а степень окисления их в молекуле кислорода равна нулю, а в молекуле перекиси водорода – минус единице. В молекулах азота и гидразина – N 4 H 2 – валентность обоих атомов азота равна трем, а степень окисления в молекуле элементарного азота – нулю, а в молекуле гидразина – минус двум.

Очевидно, что валентность характеризует атомы, только входящие в состав какого-либо соединения, хотя бы гомоядерного, т. е. состоящего из атомов одного элемента; о валентности же отдельных атомов говорить бессмысленно. Степень же окисления характеризует состояние атомов как входящих в какое-либо соединение, так и существующих отдельно.

Вопросы для закрепления темы:

1. Кем было введено понятие «валентность»?

2. Что называется валентностью?

3. В чем отличие валентности и степени окисления?

4. Какой бывает валентность?

5. Как определяется степень окисления?

6. Всегда ли валентность и степень окисления элемента равны?

7. По какому элементу определяется валентность элемента?

8. Что характеризует валентность элемента, а что степень окисления?

9. Может ли быть валентность элемента отрицательной?

Лекция№ 5: Скорость химической реакции.

Химические реакции могут существенно различаться по времени протекания. Смесь водорода и кислорода при комнатной температуре может долгое время оставаться практически без изменений, однако при ударе или поджигании произойдет взрыв. Железная пластина медленно ржавеет, а кусочек белого фосфора самовоспламеняется на воздухе. Важно знать, насколько быстро протекает та или иная реакция, чтобы иметь возможность контролировать ее ход.

Открытие Д.И. Менделеевым периодического закона имеет огромное значение для развития химии. Закон явился научной основой химии. Автору удалось систематизировать богатейший, но разрозненный материал, накопленный поколениями химиков по свойствам элементов и их соединений, уточнить многие понятия, например, понятия «химический элемент» и «простое вещество». Кроме того, Д.И. Менделеев предсказал существование и с потрясающей точностью описал свойства многих не известных к этому времени элементов, например, скандия (экабор), галлия (экаалюминий), германия (экасилиций). В ряде случаев, основываясь на периодическом законе, ученый изменил принятые в то время атомные массы элементов (Zn , La , I , Er , Ce , Th ,U ), которые ранее были определены на основе ошибочных представлений о валентности элементов и составе их соединений. В некоторых случаях Менделеев расположил элементы в соответствии с закономерным изменением свойств, предполагая возможную неточность значений их атомных масс (Os , Ir , Pt , Au , Te , I , Ni , Co ) и для некоторых из них в результате последующего уточнения атомные массы были исправлены.

Периодический закон и периодическая система элементов служат научной основой прогнозирования в химии. С момента опубликования периодической системы в ней появилось более 40 новых элементов. На основе периодического закона были получены искусственным путем трансурановые элементы, в том числе № 101, названный менделевием.

Периодический закон сыграл решающую роль в выяснении сложной структуры атома. Нельзя забывать, что закон был сформулирован автором в 1869 году, т.е. почти за 60 лет до того, как окончательно сложилась современная теория строения атома. И все открытия ученых, последовавшие после опубликования закона и периодической системы элементов (о них мы говорили в начале изложения материала) послужили подтверждением гениального открытия великого русского химика, его необыкновенной эрудиции и интуиции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глинка Н. А. Общая химия / Н. А. Глинка. Л.: Химия, 1984. 702 с.

2. Курс общей химии / под ред. Н. В. Коровина. М.: Высшая школа, 1990. 446 с.

3. Ахметов Н.С. общая и неорганическая химия/ Н.С. Ахметов. М.: Высшая школа, 1988. 639 с.

4. Павлов Н.Н. Неорганическая химия/ Н.Н. Павлов. М.: Высшая школа, 1986. 336 с.

5. Рэмсден Э.Н. Начала современной химии/ Э.Н. Рэмсден. Л.: Химия, 1989. 784 с.

Строение атома

Методические указания

по курсу «Общая химия»

Составили: СТАНКЕВИЧ Маргарита Ефимовна

Ефанова Вера Васильевна

Михайлова Антонина Михайловна

Рецензент Е.В.Третьяченко

Редактор О.А.Панина

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бум. офсет. Усл.-печ. л. Уч.-изд.л.

Тираж экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периодического закона для развития науки

Билеты по химии за курс 10 класса.

Билет №1

Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периодического закона для развития науки.

В 1869 г. Д. И. Менделеев на основе анализа свойств простых веществ и соединений сформулировал Периодический закон:

Свойства простых тел... и соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов.

На основе периодического закона была составлена периодическая система элементов. В ней элементы со сходными свойствами оказались объединены в вертикальные столбцы - группы. В некоторых случаях при размещении элементов в Периодической системе приходилось нарушать последовательность возрастания атомных масс, чтобы соблюдалась периодичность повторения свойств. Например, пришлось "поменять местами" теллур и йод, а также аргон и калий.

Причина состоит в том, что Менделеев предложил периодической закон в то время, когда не было ничего известно о строении атома.

После того, как в XX веке была предложена планетарная модель атома, периодический закон формулируется следующим образом:

Свойства химических элементов и соединений находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.

Заряд ядра равен номеру элемента в периодической системе и числу электронов в электронной оболочке атома.

Эта формулировка объяснила "нарушения" Периодического закона.

В Периодической системе номер периода равен числу электронных уровней в атоме, номер группы для элементов главных подгрупп равен числу электронов на внешнем уровне.

Причиной периодического изменения свойств химических элементов является периодическое заполнение электронных оболочек. После заполнения очередной оболочки начинается новый период. Периодическое изменение элементов ярко видно на изменении состава и свойств и свойств оксидов.

Научное значение периодического закона. Периодический закон позволил систематизировать свойства химических элементов и их соединений. При составлении периодической системы Менделеев предсказал существование многих еще не открытых элементов, оставив для них свободные ячейки, и предсказал многие свойства неоткрытых элементов, что облегчило их открытие.

6. ???

7. Периодический закон и периодическая система д.И. Менделеева Структура периодической системы (период, группа, подгруппа). Значение периодического закона и периодической системы.

Периодический закон Д. И. Менделеева Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от. величины атомных весов элементов

Периодическая система элементов. Ряды элементов, в пределах которых свойства изменяются последовательно, как, например, ряд из восьми элементов от лития до неона или от натрия до аргона, Менделеев назвал периодами. Если напишем эти два периода один под другим так, чтобы под литием находился натрий, а под неоном - аргон, то получим следующее расположение элементов:

При таком расположении в вертикальные столбцы попадают элементы, сходные по своим свойствам и обладающие одинаковой валентностью, например, литий и натрий, бериллий и магний и т. д.

Разделив все элементы на периоды и располагая один период под другим так, чтобы Сходные по свойствам и типу образуемых соединений элементы приходились друг под другом, Менделеев составил таблицу, названную им периодической системой элементов по группам и рядам.

Значение периодической системы. Периодическая система элементов оказала большое влияние на последующее развитие химии. Она не только была первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они образуют стройную систему и находятся в тесной связи друг с другом, но и явилась могучим орудием для дальнейших исследований.

8. Периодическое изменение свойств химических элементов. Атомные и ионные радиусы. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность.

Зависимость атомных радиусов от заряда ядра атома Zимеет периодический характер. В пределах одного периода с увеличениемZпроявляется тенденция к уменьшению размеров атома, что особенно четко наблюдается в коротких периодах

С началом застройки нового электронного слоя, более удаленного от ядра, т. е. при переходе к следующему периоду, атомные радиусы возрастают (сравните, например, радиусы атомов фтора и натрия). В результате в пределах подгруппы с возрастанием заряда ядра размеры атомов увеличиваются.

Потеря атомов электронов приводит к уменьшению его эффективных размеров^ а присоединение избыточных электронов - к увеличению. Поэтому радиус положительно заряженного иона (катиона) всегда меньше, а радиус отрицательно заряженного нона (аниона) всегда больше радиуса соответствующего электронейтрального атома.

В пределах одной подгруппы радиусы ионов одинакового заряда возрастают с увеличением заряда ядра Такая закономерность объясняется увеличением числа электронных слоев и растущим удалением внешних электронов от ядра.

Наиболее характерным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, а неметаллы, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов. Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, называемую энергией ионизации.

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах.

При затрате достаточной энергии можно оторвать от атома два, три и более электронов. Поэтому говорят о первом потенциале ионизации (энергия отрыва от атома первого электрона) .втором потенциале ионизации (энергия отрыва второго электрона)

Как отмечалось выше, атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону. Сродство к электрону, как и энергия ионизации, обычно выражается в электронвольтах. Так, сродство к электрону атома водорода равно 0,75 эВ, кислорода-1,47 эВ, фтора -3,52 эВ.

Сродство к электрону атомов металлов, как правило, близко к нулю или отрицательно; из этого следует, что для атомов большинства металлов присоединение электронов энергетически невыгодно. Сродство же к электрону атомов неметаллов всегда положительно и тем больше, чем ближе к благородному газу расположен неметалл в периодической системе; это свидетельствует об усилении неметаллических свойств по мере приближения к концу периода.

(?)9. Химическая связь. Основные типы и характеристики химической связи. Условия и механизм ее образования. Метод валентных связей. Валентность. Понятие о методе молекулярных орбиталей

При взаимодействии атомов между ними может возникать химическая связь, приводящая к образованию устойчивой многоатомной системы - молекулы, молекулярного нона, кристалла. условием образования химической связи является, уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.

Теория химического строения. Основу теории, разработанной А. М. Бутлеровым, составляют следующие положения:

Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.

Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их «химического строения», т. е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.

Представления о механизме образования химической связи, развитые Гейтлером и Лондоном на примере молекулы водорода, были распространены и на более сложные молекулы. Разработанная на этой основе теория химической связи получила название метода валентных связей (метод ВС). Метод ВС дал теоретическое объяснение важнейших свойств ковалентиой связи, позволил понять строение большого числа молекул. Хотя, как мы увидим ниже, этот метод не оказался универсальным и в ряде случаев не в состоянии правильно описать структуру и свойства молекул, все же он сыграл большую роль в разработке квантово-механической теории химической связи и не потерял своего значения до настоящего времени. Валентность - сложное понятие. Поэтому существует несколько определений валентности, выражающих различные стороны этого понятия. Наиболее общим можно считать следующее определение: валентность элемента - это способность его атомов соединяться с другими атомами в определённых соотношениях.

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента можно при этом выразить числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента.

Мы уже знаем, что состояние электродов в атоме описывается квантовой механикой как совокупность атомных электронных орбиталей (атомных электронных облаков); каждая такая орбиталь характеризуется определенным набором атомных квантовых чисел. Метод МО исходит из предположения, что состояние электронов в молекуле также может быть описано как совокупность молекулярных электронных орбиталей (молекулярных электронных облаков), причем каждой молекулярной орбитали (МО) соответствует определенный набор молекулярных квантовых чисел. Как и в любой другой многоэлектронной системе, в молекуле сохраняет свою справедливость принцип Паули (см. § 32), так что на каждой МО может находиться не более двух электронов, которые должны обладать противоположно направленными спинами.

Значение периодического закона для развития науки

На основе Периодического закона Менделеев составил классификацию хмических элементов -- периодическую систему. Она состоит из 7 периодов и 8 групп.
Периодический закон положил начало современному этапу развития химии. С его открытием появилась возможность предсказывать новые элементы и описывать их свойства.
С помощью Периодического закона были исправлены атомные массы и уточнены валентности некоторых элементов; закон отражает взаимосвязь элементов и взаимообусловленность их свойств. Периодический закон подтвердил наиболее общие законы развития природы, открыл путь к познанию строения атома.

С открытием Менделеева изменилась вся мировая наука. Значение периодического закона химических элементов стало важно не только для химии, но и физики, космологии, геохимии.

Открытие Менделеева

Периодический закон был открыт Дмитрием Менделеевым в 1871 году. Разные учёные XIX века пытались найти закономерность и упорядочить все известные элементы. Менделеев установил, что химические свойства элементов меняются и повторяются с возрастанием относительной атомной массы.

Рис. 1. Менделеев.

На основе этого он расставил 63 известных элемента по шести периодам и восьми группам. Каждый период начинался металлом и заканчивался неметаллом. Менделеев оставил пробелы в таблице для неоткрытых элементов и сделал перерасчёт относительной атомной массы некоторых элементов.

Например, считалось, что атомная масса бериллия - 13,5, а не 9, как это известно сейчас. По логике Менделеева металл необходимо было поместить между углеродом с атомной массой 12 и азотом с атомной массой 14. Однако это нарушало бы принцип периодического закона: металл оказался бы между двумя неметаллами. Поэтому Менделеев предположил, что место бериллия между литием (7) и бором (9), т.е. атомная масса бериллия должна быть примерно 9, а валентность - II или III.

Математическая точность Менделеева впоследствии подтвердилась экспериментально, пропущенные учёным клетки постепенно стали заполняться. При этом Менделеев не знал о существовании элементов, их ещё предстояло открыть, но уже смог определить их порядковый номер, атомную массу, валентность, свойства.

В этом заключается главное значение открытия периодического закона Менделеева. Несмотря на новые знания, нахождение новых элементов и расширение таблицы, принцип периодического закона сохраняется и подтверждается до сих пор.

Рис. 2. Современная таблица Менделеева.

Наиболее подробно Менделеев описал три фантомных элемента - экабор, экаалюминий, экасилиций. Они были открыты в 70-80-х годах XIX века и названы соответственно скандием, галлием, германием.

Современность

Открытие, сделанное Менделеевым, повлияло на развитие науки. Если раньше новые элементы находились случайно, то с периодической таблицей химики целенаправленно, ориентируясь на пустые клетки, стали искать элементы. Так были открыты многие редко встречающиеся элементы, например, рений.

Рис. 3. Рений.

Таблица также дополнилась:

инертными газами;
радиоактивными элементами.

Кроме того, в конце XIX века благодаря теории строения атома стало известно, что свойства элементов находятся в зависимости не от относительной массы атомов, как это вывел Менделеев, а от заряда ядер. При этом порядковый номер элементов совпал с показателем заряда атома. Это позволило связать химию и физику и продолжить изучение внутриатомной энергии.

Таблица Менделеева охватывает всю неорганическую химию и даёт чёткое представление о химических, физических свойствах элементов и их месте во Вселенной.

Что мы узнали?

Периодический закон Менделеева повлиял на развитие химии и других смежных наук. Менделееву удалось предсказать многие элементы, которые были открыты позже. Он рассчитал для них атомную массу, определил их свойства. Значения подтверждались с нахождением элементов. Периодическая таблица задала направление химии: учёные стали искать элементы, ориентируясь на её пробелы.

Введение

Периодический закон Д. И. Менделеева имеет исключительно большое значение. Он положил начало современной химии, сделал ее единой, целостной наукой. Элементы стали рассматриваться во взаимосвязи, в зависимости от того, какое место они занимают в периодической системе. Как указывал Н. Д. Зелинский, периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».

Химия перестала быть описательной наукой. С открытием периодического закона в ней стало возможным научное предвидение. Появилась возможность предсказывать и описывать новые элементы и их соединения... Блестящий пример тому - предсказание Д. И. Менделеевым существования еще не открытых в его время элементов, из которых для трех - Ga, Sc и Ge - он дал точное описание их свойств.

Периодическая система и ее значение для понимания научной картины мира

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева, естественная классификация химических элементов, являющаяся табличным (или др. графическим) выражением периодического закона Менделеева . П. с. э. разработана Д. И. Менделеевым в 1869-1871.

История П. с. э. Попытки систематизации химических элементов предпринимались различными учёными в Германии, Франции, Англии, США с 30-х годов 19 в. Предшественники Менделеева - И. Дёберейнер , Ж. Дюма , французский химик А. Шанкуртуа, англ. химики У. Одлинг, Дж. Ньюлендс и др. установили существование групп элементов, сходных по химическим свойствам, так называемых "естественных групп" (например, "триады" Дёберейнера). Однако эти учёные не шли дальше установления частных закономерностей внутри групп. В 1864 Л. Мейер на основании данных об атомных весах предложил таблицу, показывающую соотношение атомных весов для нескольких характерных групп элементов. Теоретических сообщений из своей таблицы Мейер не сделал.

Прообразом научной П. с. э. явилась таблица "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве", составленная Менделеевым 1 марта 1869. На протяжении последующих двух лет автор совершенствовал эту таблицу, ввёл представления о группах, рядах и периодах элементов; сделал попытку оценить ёмкость малых и больших периодов, содержащих, по его мнению, соответственно по 7 и 17 элементов. В 1870 он назвал свою систему естественной, а в 1871 - периодической. Уже тогда структура П. с. э. приобрела во многом современные очертания.

Чрезвычайно важным для эволюции П. с. э. оказалось введённое Менделеевым представление о месте элемента в системе; положение элемента определяется номерами периода и группы. Опираясь на это представление, Менделеев пришёл к выводу о необходимости изменения принятых тогда атомных весов некоторых элементов (U, In, Ce и его аналогов), в чём состояло первое практическое применение П. с. э., а также впервые предсказал существование и основные свойства нескольких неизвестных элементов, которым соответствовали незаполненные клетки П. с. э. Классическим примером является предсказание "экаалюминия" (будущего Ga, открытого П. Лекоком де Буабодраном в 1875), "экабора" (Sc, открытого шведским учёным Л. Нильсоном в 1879) и "экасилиция" (Ge, открытого немецким учёным К. Винклером в 1886). Кроме того, Менделеев предсказал существование аналогов марганца (будущие Тс и Re), теллура (Po), иода (At), цезия (Fr), бария (Ra), тантала (Pa).

П. с. э. не сразу завоевала признание как фундаментальное научное обобщение; положение существенно изменилось лишь после открытия Ga, Sc, Ge и установления двухвалентности Be (он долгое время считался трёхвалентным). Тем не менее П. с. э. во многом представляла эмпирическое обобщение фактов, поскольку был неясен физический смысл периодического закона и отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных весов. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории П. с. э. многие факты не удавалось объяснить. Так, неожиданным явилось открытие в конце 19 в. инертных газов, которые, казалось, не находили места в П. с. э.; эта трудность была устранена благодаря включению в П. с. э. самостоятельной нулевой группы (впоследствии VIIIa -подгруппы). Открытие многих "радиоэлементов" в начале 20 в. привело к противоречию между необходимостью их размещения в П. с. э. и её структурой (для более чем 30 таких элементов было 7 "вакантных" мест в шестом и седьмом периодах). Это противоречие было преодолено в результате открытия изотопов . Наконец, величина атомного веса (атомной массы) как параметра, определяющего свойства элементов, постепенно утрачивала своё значение.

Одна из главных причин невозможности объяснения физического смысла периодического закона и П. с. э. состояла в отсутствии теории строения атома. Поэтому важнейшей вехой на пути развития П. с. э. явилась планетарная модель атома, предложенная Э. Резерфордом (1911). На её основе голландский учёный А. ван ден Брук высказал предположение (1913), что порядковый номер элемента в П. с. э. (атомный номер Z) численно равен заряду ядра атома (в единицах элементарного заряда). Это было экспериментально подтверждено Г. Мозли (1913-14, см. Мозли закон ). Так удалось установить, что периодичность изменения свойств элементов зависит от атомного номера, а не от атомного веса. В результате на научной основе была определена нижняя граница П. с. э. (водород как элемент с минимальным Z = 1); точно оценено число элементов между водородом и ураном; установлено, что "пробелы" в П. с. э. соответствуют неизвестным элементам с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87.

Оставался, однако, неясным вопрос о точном числе редкоземельных элементов, и (что особенно важно) не были вскрыты причины периодического изменения свойств элементов в зависимости от Z. Эти причины были найдены в ходе дальнейшей разработки теории П. с. э. на основе квантовых представлений о строении атома (см. далее). Физическое обоснование периодического закона и открытие явления изотонии позволили научно определить понятие "атомная масса" ("атомный вес"). Прилагаемая периодическая система содержит современные значения атомных масс элементов по углеродной шкале в соответствии с Международной таблицей 1973. В квадратных скобках приведены массовые числа наиболее долгоживущих изотопов радиоактивных элементов. Вместо массовых чисел наиболее устойчивых изотопов 99 Tc, 226 Ra, 231 Pa и 237 Np указаны атомные массы этих изотопов, принятые (1969) Международной комиссией по атомным весам.

Структура П. с. э. Современная (1975) П. с. э. охватывает 106 химических элементов; из них все трансурановые (Z = 93-106), а также элементы с Z = 43 (Tc), 61 (Pm), 85 (At) и 87 (Fr) получены искусственно. За всю историю П. с. э. было предложено большое количество (нескольких сотен) вариантов её графического изображения, преимущественно в виде таблиц; известны изображения и в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (например, спирали) и т.д. Наибольшее распространение получили три формы П. с. э.: короткая, предложенная Менделеевым и получившая всеобщее признание; длинная лестничная. Длинную форму также разрабатывал Менделеев, а в усовершенствованном виде она была предложена в 1905 А. Вернером . Лестничная форма предложена английским учёным Т. Бейли (1882), датским учёным Ю. Томсеном (1895) и усовершенствована Н. Бором (1921). Каждая из трёх форм имеет достоинства и недостатки. Фундаментальным принципом построения П. с. э. является разделение всех химических элементов на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами. Элементы а - и б -подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между собой определённое химическое сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, соответствуют номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, начинающаяся щелочным металлом и заканчивающаяся инертным газом (особый случай - первый период); каждый период содержит строго определённое число элементов. П. с. э. состоит из 8 групп и 7 периодов (седьмой пока не завершен).

Специфика первого периода в том, что он содержит всего 2 элемента: H и He. Место H в системе неоднозначно: поскольку он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами, его помещают либо в Ia -, либо (предпочтительнее) в VIIa -подгруппу. Гелий - первый представитель VIIa -подгруппы (однако долгое время Не и все инертные газы объединяли в самостоятельную нулевую группу).

Второй период (Li - Ne) содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом Li, единственная степень окисления которого равна I. Затем идёт Be - металл, степень окисления II. Металлический характер следующего элемента В выражен слабо (степень окисления III). Идущий за ним C - типичный неметалл, может быть как положительно, так и отрицательно четырёхвалентным. Последующие N, O, F и Ne - неметаллы, причём только у N высшая степень окисления V соответствует номеру группы; кислород лишь в редких случаях проявляет положительную валентность, а для F известна степень окисления VI. Завершает период инертный газ Ne.

Третий период (Na - Ar) также содержит 8 элементов, характер изменения свойств которых во многом аналогичен наблюдающемуся во втором периоде. Однако Mg, в отличие от Be, более металличен, равно как и Al по сравнению с В, хотя Al присуща амфотерность. Si, Р, S, Cl, Ar - типичные неметаллы, но все они (кроме Ar) проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы. Таким образом, в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается ослабление металлического и усиление неметаллического характера элементов. Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (малых, по его терминологии) типическими. Существенно, что они принадлежат к числу наиболее распространённых в природе, а С, N и O являются наряду с H основными элементами органической материи (органогенами). Все элементы первых трёх периодов входят в подгруппы а .

По современной терминологии (см. далее), элементы этих периодов относятся к s -элементам (щелочные и щёлочноземельные металлы), составляющим Ia - и IIa -подгруппы (выделены на цветной таблице красным цветом), и р -элементам (В - Ne, At - Ar), входящим в IIIa - VIIIa -подгруппы (их символы выделены оранжевым цветом). Для элементов малых периодов с возрастанием порядковых номеров сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов , а затем, когда число электронов в наружной оболочке атома уже значительно возрастает, их взаимное отталкивание приводит к увеличению атомных радиусов. Очередной максимум достигается в начале следующего периода на щелочном элементе. Примерно такая же закономерность характерна для ионных радиусов.

Четвёртый период (K - Kr) содержит 18 элементов (первый большой период, по Менделееву). После щелочного металла K и щёлочноземельного Ca (s-элементы) следует ряд из десяти так называемых переходных элементов (Sc - Zn), или d- элементов (символы даны синим цветом), которые входят в подгруппы б соответствующих групп П. с. э. Большинство переходных элементов (все они металлы) проявляет высшие степени окисления, равные номеру группы. Исключение - триада Fe - Co - Ni, где два последних элемента максимально положительно трёхвалентны, а железо в определённых условиях известно в степени окисления VI. Элементы, начиная с Ga и кончая Kr (р -элементы), принадлежат к подгруппам а , и характер изменения их свойств такой же, как и в соответствующих интервалах Z у элементов второго и третьего периодов. Установлено, что Kr способен образовывать химические соединения (главным образом с F), но степень окисления VIII для него неизвестна.

Пятый период (Rb - Xe) построен аналогично четвёртому; в нём также имеется вставка из 10 переходных элементов (Y - Cd), d -элементов. Специфические особенности периода: 1) в триаде Ru - Rh - Pd только рутений проявляет степень окисления VIII; 2) все элементы подгрупп а проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы, включая и Xe; 3) у I отмечаются слабые металлические свойства. Таким образом, характер изменения свойств по мере увеличения Z у элементов четвёртого и пятого периодов более сложен, поскольку металлические свойства сохраняются в большом интервале порядковых номеров.

Шестой период (Cs - Rn) включает 32 элемента. В нём помимо 10 d -элементов (La, Hf - Hg) содержится совокупность из 14 f -элементов, лантаноидов , от Ce до Lu (символы чёрного цвета). Элементы от La до Lu химически весьма сходны. В короткой форме П. с. э. лантаноиды включаются в клетку La (поскольку их преобладающая степень окисления III) и записываются отдельной строкой внизу таблицы. Этот приём несколько неудобен, поскольку 14 элементов оказываются как бы вне таблицы. Подобного недостатка лишены длинная и лестничная формы П. с. э., хорошо отражающие специфику лантаноидов на фоне целостной структуры П. с. э. Особенности периода: 1) в триаде Os - Ir - Pt только осмий проявляет степень окисления VIII; 2) At имеет более выраженный (по сравнению с 1) металлический характер; 3) Rn, по-видимому (его химия мало изучена), должен быть наиболее реакционноспособным из инертных газов.

Седьмой период, начинающийся с Fr (Z = 87), также должен содержать 32 элемента, из которых пока известно 20 (до элемента с Z = 106). Fr и Ra - элементы соответственно Ia - и IIa -подгрупп (s-элементы), Ac - аналог элементов IIIб -подгруппы (d -элемент). Следующие 14 элементов, f -элементы (с Z от 90 до 103), составляют семейство актиноидов . В короткой форме П. с. э. они занимают клетку Ac и записываются отдельной строкой внизу таблицы, подобно лантаноидам, в отличие от которых характеризуются значительным разнообразием степеней окисления. В связи с этим в химическом отношении ряды лантаноидов и актиноидов обнаруживают заметные различия. Изучение химической природы элементов с Z = 104 и Z = 105 показало, что эти элементы являются аналогами гафния и тантала соответственно, то есть d -элементами, и должны размещаться в IVб - и Vб -подгруппах. Членами б -подгрупп должны быть и последующие элементы до Z = 112, а далее (Z = 113-118) появятся р -элементы (IIIa - VIlla -подгруппы).

Теория П. с. э. В основе теории П. с. э. лежит представление о специфических закономерностях построения электронных оболочек (слоев, уровней) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах по мере роста Z. Это представление было развито Бором в 1913-21 с учётом характера изменения свойств химических элементов в П. с. э. и результатов изучения их атомных спектров. Бор выявил три существенные особенности формирования электронных конфигураций атомов: 1) заполнение электронных оболочек (кроме оболочек, отвечающих значениям главного квантового числа n = 1 и 2) происходит не монотонно до полной их ёмкости, а прерывается появлением совокупностей электронов, относящихся к оболочкам с большими значениями n ; 2) сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются; 3) границы периодов П. с. э. (за исключением первого и второго) не совпадают с границами последовательных электронных оболочек.

Значение П. с. э. П. с. э. сыграла и продолжает играть огромную роль в развитии естествознания. Она явилась важнейшим достижением атомно-молекулярного учения, позволила дать современное определение понятия "химический элемент" и уточнить понятия о простых веществах и соединениях. Закономерности, вскрытые П. с. э., оказали существенное влияние на разработку теории строения атомов, способствовали объяснению явления изотонии. С П. с. э. связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в химии, что проявилось как в предсказании существования неизвестных элементов и их свойств, так и в предсказании новых особенностей химического поведения уже открытых элементов. П. с. э.- фундамент химии, в первую очередь неорганической; она существенно помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специфических катализаторов для различных химических процессов и т.д. П. с. э.- также научная основа преподавания химии.

Вывод

Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Прогнозирующая роль периодической системы, показанная ещё самим Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.

Появление периодической системы открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук - взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях появилась стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.

Разработанная в XIX в. в рамках науки химии, периодическая таблица явилась готовой систематизацией типов атомов для новых разделов физики, получивших развитие в начале XX в. - физики атома и физики ядра. В ходе исследований атома методами физики было установлено, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева (атомный номер) является мерой электрического заряда атомного ядра этого элемента, номер горизонтального ряда (периода) в таблице определяет число электронных оболочек атома, а номер вертикального ряда - квантовую структуру верхней оболочки, чему элементы этого ряда и обязаны сходством химических свойств.

Периодический закон - фундаментальный закон природы, открытый Д. И. Менделеевым в 1869 году при сопоставлении свойств известных в то время химических элементов и величин их атомных масс. Определения

Периодический закон был сформулирован Д. И. Менделеевым в следующем виде (1871): «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса» .

С развитием атомной физики и квантовой химии Периодический закон получил строгое теоретическое обоснование. Благодаря классическим работам Й. Ридберга (1897), А. Ван-ден-Брука (1911), Г. Мозли (1913) был раскрыт физический смысл порядкового (атомного) номера элемента. Позднее была создана квантово-механическая модель периодического изменения электронного строения атомов химических элементов по мере возрастания зарядов их ядер (Н. Бор, В. Паули, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг и др.).

В настоящее время Периодический закон Д. И. Менделеева имеет следующую формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов» .

Особенность Периодического закона среди других фундаментальных законов заключается в том, что он не имеет выражения в виде математического уравнения. Графическим (табличным) выражением закона является разработанная Менделеевым Периодическая система элементов.

Периодический закон универсален для Вселенной: как образно заметил известный русский химик Н. Д. Зелинский, Периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании»

В многоэлектронных атомах, как и в атоме водорода, состояние каждого электрона можно характеризовать квантовыми числами. Межэлектронное отталкивание приводит к тому, что энергия электронов, имеющих одно и то же значение n, но разные значения l, становится различной. Последовательность заполнения е подуровней определяется принципом наименьшей энергии, принципом Паули и правилом Хунда.
Принцип наименьшей энергии : заполнение электронами АО происходит в порядке возрастания их энергии. Установлена энергетическая диаграмма для различных АО в много-е нейтральных атомов, находящихся в основном состоянии(с наименьшей энергией). Правило Клечковского : энергия АО возрастает в соотв. с увеличением n+l. При одинаковом значении суммы энергия меньше у АО с меньшим значением n.
Принцип Паули : в атоме не м.б. 2 е с одинаковым значением 4х квантовых чисел. Этот набор значений полностью определяет энергетическое состояние е. 2 е, находящихся на одной АО называются спаренными. Общее число орбиталей на эн. уроне со зн. n = n*2. Следовательно, max электронная емкость = 2n*2.
Правило Хунда определяет последовательность заполнения АО е в пределах одного подуровня и гласит: При данном значении l (в пределах 1 подуровня) в основном состоянии электроны располагаются т.о., что значение суммарного спина атома max(на подуровне должно быть max число неспаренных e).
Распределение е по разл. АО называют е конфигурацией атома.Эл. конфигурация с наименьшей энергией соответствует основному состоянию атома, остальные конфигурации относятся к возбужденным состояниям. ЭК атома изображают 2мя способами: в виде е формул и е-графических диаграмм. При написании е формул используют n и l. Подуровень обозначают с помощью n и l(буквой). Число е на подуровне характеризует верхний индекс. Например, для основного состояния атома водорода: В случае е-графических диаграмм распределение е по подуровням представляют в виде квантовых ячеек. Орбиталь принято изображать квадратом, около кот. проставлено обозн. подуровня. Подуровни на каждом уровне д.б. немного смещены по высоте (энергия различна). Электроны изображаются против. стрелками в завис. от значения спина.С учетом структуры ЭК атомов все известные Эл. в соответствии со значением орбитального квантового числа последнего заполняемого подуровня можно разбить на 4 группы: s, p, d и f-элементы.
Отклонения от правила n+l наблюдаются у нек. элементов – это связано с тем, что с увеличением главного квантового числа различия между энергиями подуровней уменьшаются.

15. нуклоны, строение ядра, ядерные силы, их особенности.

А́томное ядро́ - центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомные ядра изучает ядерная физика.

Атомное ядро состоит из нуклонов - положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным [сн 1] и связанным с ним магнитным моментом.

Ядеpные силы - это силы пpитяжения для любой паpы нуклонов.

 Ядеpное взаимодействие относится к категоpии сильного взаимодейст-вия. Вследствие чего ядеpная энеpгия, обусловленная таким взаимодействием, весьма велика и пpевосходит электpическую энеpгию, скажем, в атомах в миллионы pаз.

 Ядеpные силы являются коpоткодействующими, тогда как электpические и магнитные силы между элементаpными частицами относятся к числу дальнодействующих. Что это значит? Это значит, что ядеpные силы имеют огpаниченный pадиус действия и этот pадиус очень мал (поpядка см; напомним, что pазмеp атома поpядка см). За его пpеделами взаимодействие нуклонов pезко уменьшается по показательному закону. Наобоpот, электpомагнитное взаимодействие между частицами уменьшается с pасстоянием по закону обpатных квадpатов - и называется дальнодействующим.

 Ядеpные силы обладают заpядовой независимостью, то есть силы между пpотонами, между нейтpонами и между пpотоном и нейтpоном одинаковы.

 Ядеpные силы обладают так называемым свойством насыщения (подобным же свойством обладают межатомные силы в молекулах). Суть этого свойства состоит в том, что каждый нуклон в ядpе может иметь огpаниченное число соседей. Когда это число доходит до пpедела, дpугие нуклоны как бы вытесняются из области действия ядеpного пpитяжения данного нуклона. Вследствие этого свойства и коpоткого действия ядеpных сил объем ядpа pастет пpопоpционально числу нуклонов в нем. Это очень важное обстоятельство, и оно может быть использовано пpи констpуиpовании модели ядpа.

 Всякое взаимодействие между частицами в физике обусловлено некотоpым полем. Напpимеp, электpомагнитное взаимодействие обусловлено электpомагнитным полем, и этому полю в квантовой теоpии соответствуют частицы - фотоны. С точки зpения фотонов взаимодействие между заpяженными частицами (напpимеp, между электpонами) pассматpивается как виpтуальный (возможный) обмен фотонами: один электpон как бы испускает фотон, а дpугой, соседний, его поглощает, и наобоpот. Такой обмен фотонами называется виpтуальным, а не pеальным, поскольку ему мешает осуществляться в действительности закон сохpанения энеpгии. Понятие обмена частицами вводят из чисто фоpмальных сообpажений: квантово-механические соотношения, хаpактеpизующие взаимодействия, стpоятся так, как будто бы между частицами пpоисходит обмен фотонами.

16. Энергия связи, полуэмпирическая формула для связи.

Энергия связи (для данного состояния системы) - разность между полной энергией связанного состояния системы тел или частиц и энергией состояния, в котором эти тела или частицы бесконечно удалены друг от друга и находятся в состоянии покоя:

где - энергия связи компонентов в системе из i компонент (частиц), - полная энергия i-го компонента в несвязанном состоянии (бесконечно удалённой покоящейся частицы) и - полная энергия связанной системы.

Для системы, состоящей из бесконечно удалённых покоящихся частиц энергию связи принято считать равной нулю, т.е. при образовании связанного состояния энергия выделяется. Энергия связи равна минимальной работе, которую необходимо затратить, чтобы разложить систему на составляющие её частицы и характеризует стабильность системы: чем выше энергия связи, тем система стабильнее.

Для валентных электронов (электронов внешних электронных оболочек) нейтральных атомов в основном состоянии энергия связи совпадает с энергией ионизации, для отрицательных ионов - со сродством к электрону.

Энергии химической связи двухатомной молекулы соответствует энергия её термической диссоциации составляет порядка сотен кДж/моль.

Энергия связи адронов атомного ядра определяется сильным взаимодействием. Для легких ядер она составляет ~0.8 МЭв на нуклон.

В капельной модели ядро рассматривается как сферическая капля несжимаемой заряженной ядерной жидкости радиуса R = r 0 A 1/3 . То есть в энергии связи ядра учитываются объемная, поверхностная и кулоновская энергии. Дополнительно учитываются выходящие за рамки чисто капельных представлений энергия симметрии и энергия спаривания. В рамках этой модели можно получить полуэмпирическую формулу Вайцзеккера для энергии связи ядра.

E св (A,Z) = a 1 A - a 2 A 2/3 - a 3 Z 2 /A 1/3 - a 4 (A/2 - Z) 2 /A + a 5 A -3/4 .

Первое слагаемое в энергии связи ядра, подобного жидкой капле, пропорционально массовому числу A и описывает примерное постоянство удельной энергии связи ядер.
Второе слагаемое - поверхностная энергия ядра уменьшает полную энергию связи, так как нуклоны, находящиеся на поверхности имеют меньше связей, чем частицы внутри ядра. Это аналог поверхностного натяжения.
Третье слагаемое в энергии связи обусловлено кулоновским взаимодействием протонов. В капельной модели предполагается, что электрический заряд протонов равномерно распределен внутри сферы радиуса R = r 0 A 1/3 .
Четвертое слагаемое - энергия симметрии ядра отражает тенденцию к стабильности ядер с N = Z.
Пятое слагаемое - энергия спаривания учитывает повышенную стабильность основных состояний ядер с четным числом протонов и/или нейтронов.
Входящие в формулу коэффициенты a 1 , a 2 , a 3 , a 4 и a 5 оцениваются из экспериментальных данных по знергиям связи ядер, что дает

a 1 = 15.75 МэВ; a 2 = 17.8 МэВ; a 3 = 0.71 МэВ; a 4 = 94.8 МэВ;

17. Альфа- и бета-распады, закон радиоактивного распада.

Бе́та-распа́д - тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус» (), а в случае испускания позитрона - «бета-плюс-распадом» (). Кроме и -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронное нейтрино ( -распад, электронный захват) или антинейтрино ( -распад).

Механизм распада

В -распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино:

На фундаментальном уровне (показанном на Фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием W-бозона.

В -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

Таким образом, в отличие от -распада , -распад не может происходить в отсутствие внешней энергии, поскольку масса самого

нейтрона больше массы протона. -распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц.

Во всех случаях, когда β + -распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь конкурирующим процессом позитронного распада; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии.

Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, эти процессы распада превращают один химический элемент в другой. Например:

( распад),

(электронный захват).

Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A , но меняет только его заряд Z . Таким образом может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A ; эти изобарные нуклиды могут превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы излишка массы: если такое ядро имеет (A , Z ) числа, соседние ядра (A , Z −1) и (A ,Z +1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в (A , Z ), но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду, например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада, что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с момента нуклеосинтеза. Например, 40 K, который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1.277·10 9 лет.

Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантовомеханическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми.

А́льфа-распа́д , вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание альфа-частицы. При этом массовое число уменьшается на 4, а атомный номер - на 2. Альфа-распад наблюдается только у тяжёлых ядер (Атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше 200). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Неттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы 9400(Nd-144)-23700(Po-212m) км/с. В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

Пример альфа-распада для изотопа 238 U:

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

18. Ядерные реакции, реакции деления ядер.

Я́дерная реа́кция - процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

§ реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).

§ прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время , необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульсачастицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием .

Деле́ние ядра́ - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Ядерная реакция деления - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны игамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

19. Цепная реакция, её особенности.

Цепная реакция - химическая и ядерная реакция, в которой появление активной частицы (свободного радикала или атома в химическом, нейтрона в ядерном процессе) вызывает большое число (цепь) последовательных превращений неактивных молекул или ядер. Свободные радикалы и многие атомы, в отличие от молекул, обладают свободными ненасыщенными валентностями (непарным электроном), что приводит к их взаимодействию с исходными молекулами. При столкновении свободного радикала (R ) с молекулой происходит разрыв одной из валентных связей последней и, таким образом, в результате реакции образуется новый свободный радикал, который, в свою очередь, реагирует с другой молекулой - происходит цепная реакция.

К цепным реакциям в химии относятся процессы окисления (горение, взрыв), крекинга, полимеризации и другие, широко применяющиеся в химической и нефтяной промышленности.

В ядерной цепной реакции (которая была так названа по аналогии с химической) активными частицами являются нейтроны, которые инициируют один из видов ядерной реакции - деление ядер. Цепная ядерная реакция является основой для ядерной энергетики и ядерного оружия.

20. Термоядерная реакция.

Термоядерная реакция - слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра, за счет кинетической энергии их теплового движения.

Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание так как одноименно положительно заряжены.

Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество можно достичь ядерной реакции синтеза.

Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звездах.

Реакции синтеза между ядрами легких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде:

+ энергия (17,6 МэВ) .

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица . Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза .

Термоядерная реакция также используется в термоядерном оружии.

Похожая информация.