Будова атома. Періодичний закон та періодична система хімічних елементів

Атом-Це електронейтральна система, що складається з позитивно зарядженого ядра та негативно зарядженої електронної оболонки.

Ядро (синонім – нуклід)-Це центральна позитивно заряджена частина атома, в якій зосереджена його маса. Ядро складається з протонів та нейтронів.

Електрон-Це негативно заряджена частка. Число електронів в атомі дорівнює числу протонів (дорівнює порядковому номеру в періодичній системі Д.І.Мендєлєєва).

Орбіталь-Це частина простору навколо ядра, в якій рухається електрон.

Періодичний закон-Властивості хімічних елементів, а також будова та властивості утворених ними сполук знаходяться в періодичній залежності від заряду атомного ядра.

Періодична система хімічних елементів-Це графічне зображення періодичного закону.

Період-Це горизонтальна послідовність елементів за зростанням порядкового номера від першого s-елемента (ns¹) до шостого p-елемента (ns²np⁶).

Група-Це вертикальна послідовність елементів за зростанням порядкового номера, які мають однотипну електронну будову і є хімічними аналогами.

У 1974 році в університеті штату Алабама (США) була видана книга Е.Мазурса «Графічні зображення періодичної системи протягом ста років», в якій автор описав близько 700 зображень періодичних систем і об’єднав їх в 146 типів. Серед яких є як численні прямокутні варіації, так і інші формати періодичних таблиць, наприклад: коло, куб, циліндр, спіраль, лемніската (вісімка), призма, піраміда, сфера, або трикутник.

Такі альтернативи часто розробляються для того, щоб виділити або підкреслити окремі властивості елементів, які не настільки очевидні в традиційних періодичних таблицях. Деякі таблиці розроблені з метою більш наочного уявлення структури електронної або ядерної будови атомів, наприклад, «сходовий» варіант, запропонований Ю.Томсеном (1895) і вдосконалений Н.Бором (1921).). У ній періоди розміщені вертикально, тому їх довжина збільшується зі зростанням числа елементів. Виділено групи елементів з однаковими типами електронних оболонок. Лініями показано зв’язок між головними і побічними підгрупами, які «зрівняні в правах». Однак елементи однієї підгрупи розташовуються не на одній прямій, що незручно для сприйняття. (Рис. 1)

Рис. 1. Сходові варіанти періодичної системи

Найбільш значною альтернативою традиційної періодичної системи вважається лівостороння система Жанета (1928) (Рис. 2). У ній елементи розташовано згідно заповнення атомних орбіталей електронами, тому вона часто використовується фізиками.

Рис. 2. Лівобічна система Жаннета.

Сучасна версія лівосторонньої періодичної таблиці запропонована Валерієм Циммерманом (2006), названа ADOMAH Periodic Table (Рис. 3). Її структура заснована на чотирьох квантових числах електронної конфігурації атомних орбіталей, тому ця таблиця зручна для написання електронних формул атомів.

Рис. 3. ADOMAH Periodic Table

В деяких періодичних системах — елементи розташовані за  часовою шкалою відповідно до їхнього відкриття людиною. Чималу роль у побудові геометричних конструкцій відіграє і уявлення про красу як ознаку правильності, досконалості (А. Ейнштейн, принцип внутрішньої відповідності)

Одним з таких зображень є періодична таблиця у вигляді концентричних кіл: кожне відповідає періоду, а елементи однієї підгрупи знаходяться на радіусах. Наприклад, таблиця Чарльза Джаннет 1928 рік, і кільцева схема елементів (TROPE) Александера Брауна, 2004-2009 рр. (Рис. 4)

Рис. 4. а) Система хімічних елементів Чарльза Джаннет, 1928 рік б) Кільцева схема елементів (TROPE) Александера Брауна, 2004-2009 рр.

У 1933 році Джон Друрі Кларк опублікував спіральну діаграму хімічних елементів. Цей дизайн був використаний у 1949 році журналом LIFE, який присвятив значну частину травневого випуску обговоренню властивостей атомів і їх внутрішньої структури. На обкладинці цього журналу була представлена ​​барвиста система елементів (Рис. 5), в якій використано колір з метою демонстрації відносин між елементами. Наприклад, фіолетове забарвлення осередків і штрихових ліній використано для об’єднання елементів VII-B групи  (Манган, Технецій, Реній) з елементами VII-А групи  (Флуор, Хлор, Бром, Йод, Астат).

Рис. 5. Візуалізація періодичної системи на обкладинці журналу LIFE від 16 травня 1949 р.

Ця система надихнула художника Едгара Лонгмана, чиї розписи прикрашали наукові виставки «Фестивалю Британії» влітку 1951 року. Він додав системі елементів еліптичної форми і нахилив її, щоб справити враження  динамічного ефекту (Рис. 6).

    Рис. 6. Спіраль Лонгмана

Це зображення вразило дванадцятирічного Філіпа Стюарта. Дизайн Лонгмана нагадував йому спіральну галактику. Повернувшись через багато років до цієї ідеї, в листопаді 2004 року Стюарт опублікував першу версію своєї «хімічної Галактики»,  якою він хотів висловити зв’язок між світом атомів і зірок.

«Хімічна Галактика» (Рис. 7) призначена в першу чергу для пробудження інтересу до хімії серед не-хіміків.

Рис. 7. «Хімічна Галактика» (версія ІІ)

У 1961 році радянський і американський фізик-теоретик, популяризатор науки Джорж Гамов в книзі «Атоми і їх ядра» запропонував періодичну систему у вигляді безперервної стрічки з хімічних елементів, розташованих в порядку збільшення протонного числа, яка утворює тривимірну спіраль (Рис. 8).

Рис. 8. Тривимірна спіраль Гамова (1861).

У середині 1990-х років Рой Александер запатентував 3D періодичну таблицю у вигляді низхідної спіралі, розмістивши елементи суміжно і безперервно відповідно до атомних номером, тим самим подолавши всі розриви і зміщення в порядку елементів, зберігаючи при цьому всі позитивні риси плоскої таблиці, не порушуючи будь-яку прийняту групу і взаємозв’язки знайдені раніше. Зараз ця періодична система використовується як навчальний посібник для вивчення і використання періодичної системи (Рис. 9).

Рис.9. Варіант системи Р.Александера (3D Alexander Arrangement of Elements periodic tables)

Фізична модель атома, у свою чергу, докладніше розкриває подробиці його будови. Відповідно до неї, атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів. Ядро оточене набагато більшою за розміром оболонкою з негативно заряджених електронів.

Дякую за увагу!

Джерела:https://uk.wikipedia.org/wiki/Головна_сторінка

http://sc46.pp.ua/незвичайні-хімічні-реакції/         альтернативні-періодичні-системи-хі/