Химиялық элементтердің периодтық жүйесі

Химиялық элементтердің периодтық жүйесі (Д.И. Менделеев кестесі) – элементтердің әртүрлі қасиеттерінің атом ядросы зарядына тәуелділігін белгілейтін химиялық элементтердің жіктелу реті. ПЖ атақты орыс химигі Д.И. Менделеевтің 1869 жылы ашқан периодтық заңының графикалық түрде бейнеленуі болып табылады. Оның бастапқы нұсқасын Д.И. Менделеев 1869-1871 жылдары шығарған еді және бұл нұсқасында элементтердің қасиеттерінің олардың атомдық салмағына (қазіргіше атомдық массасына) тәуелділігін көрсеткен еді. Периодтық жүйені суреттеудің (аналитикалық қисық сызықтар, кестелер, геометриялық фигуралар және т.с.с.) барлығы бірнеше жүздеген (кітабында 400 -ден астам деп айтылады) нұсқасы ұсынылған. Жүйенің қазіргі кездегі нұсқасында элементтерді екіөлшемді кестеге жинақтау қарастырылады. Мұндағы әрбір бағана (периодтық жүйенің тобы) негізгі физика-химиялық қасиеттерді анықтаса, қатарлар периодтық жүйенің периодын құрайды және белгілі мөлшерде бір-біріне ұқсас боп келеді. Периодтық жүйенің бірнеше түрі бар. Оның ішінде жиі қолданылатыны – ұзын (32), қысқа (9) және орташа ұзын (18) түрлері. Периодтық жүйесінің ашылу тарихы Алғашқы кестеде Д.И. 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 Д.И. Менделеевтің периодты заңын дүние жүзі ғалымдарына танытты. Радиоактивтік ыдыраудың (1806), рентген сәулелерінің (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 физикалық мәнін түсіндірді. Ағылшын физигі Г. Мозли еңбектерінің нәтижесінде Д.И. 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 элементтердің периодтық жүйесін 126 химиялық элементті қамтиды, олардан трансуран элементтері (Z 93 – 110) және кейбір элементтер Z 43 (Tc), Z 61 (Pm), Z 85 (At), Z = 87 (Fr) жасанды жолмен алынған. Д.И. Менделеев ПЖ жасағаннан бері оны кеңістікте немесе жазықтықта орналастырудың графиктік әр түрлі нұсқалары ұсынылғанмен, Д.И. Менделеевтің ықшамды қысқа және ұзын периодты кесте түріндегі нұсқасы көбірек қолданылады. 1860 жылы Карлсруэдегі съезде атом-молекулалық ілім мақұлданғаннан кейін ғалымдар элементтерді жүйелеумен айналыса бастады. Алғашқы жүйелеу элементтерді металдар мен бейметалдарға бөлуден басталды. Д.И. Менделеевке дейін элементтерді жүйелеумен Деберейнер, Шанкартуа, Ньюлендс, Мейер сияқты ғалымдар айналысқан. Осы ғалымдардың еңбектерін ескере келе, олардың кемшіліктерін толықтыра отырып, Д.И. Менделеев 1869 жылы өзінің "Химиялық элементтердің периодтық заңын" ұсынды. Алғаш рет бұл заңның негізгі қағидалары 1869 жылы 18 ақпанда "Орыс химия қоғамының" отырысында жарияланды. Периодтың заңның негізгі қағидалары (1869 жыл): # Элементтерді атомдық салмақтарының өсу ретімен орналастырсақ, олардың қасиеттері периодты қайталанады. # Элементтердің қасиеттерін сипаттайтын тұрақты шама – атомдық салмақ;, қасиеттеріне сүйеніп, элементтердің атомдық салмақтарын түзетуге болады. # Жаңа элементтер бар, оларды зерттеу керек. Д.И. Менделеев 1871 жылы жасаған кестесінде 12 элементке орын қалдырып, 10 элементтің атомдық салмақтарын түзетіп, атомдық салмақтары 44, 64, 72 болатын элементтердің қасиеттерін аса дәлдікпен болжады. Периодтың заңның Д.И. Менделеев берген тұжырымдамасы: "Элементтердің қасиеттері, сондықтан да олардан түзілетін жай және күрделі денелердің формасы мен қасиеттері олардың атомдық салмақтарына периодты түрде тәуелді". Қазіргі кезде периодтық заң келесідей оқылады: "Элементтердің қасиеттері, сондықтан да олар түзетін жай заттар мен күрделі қосылыстардың формасы және қасиеттері элементтің ядро зарядына периодты түрде тәуелді". Периодтық жүйесінің құрылымы Қазіргі кездегі периодтық жүйеде барлық элементтер рет бойынша нөмірленген. Элементтердің нөмері реттік немесе атомдық нөмір деп аталады. Ол сонымен қатар элемент атомының ядросындағы протондар санына тең. Химиялық элементтердің периодтық жүйесін құрастырудағы негізгі принцип – барлық элементтерді периодтар мен топтарға бөліп орналастыру. Периодтық жүйенің көптеген нұсқалары бар, кең қолданылатындарына қысқа нұсқа мен ұзын нұсқа жатады. Периодтық жүйенің қысқа нұсқасында әр топ өз кезегінде негізгі (а) және қосымша (б) топшаларға бөлінеді. Топшалардағы элементтер өзара химиялық қасиеттері жағынан өте ұқсас. Периодтық жүйенің ұзын нұсқасында қатарлар мен топшалар жоқ. Периодтар Период деп сілтілік металдан басталып инертті газбен аяқталатын элементтер тобын айтады. Периодтар көлденең қатарлардан тұрады. Периодтық жүйеде 7 период бар, олар рим сандарымен белгілеген. I, II және III периодтар бір қатардан тұрады және кіші периодтар деп аталады, ал IV, V, VI, VII периодтар екі қатардан тұрады, оларды үлкен периодтар деп атайды. Бірінші периодта 2 элемент, екінші және үшінші периодтарда 8-ден, төртінші мен бесіншіде 18-ден, алтыншыда 32 элемент, жетінші периодта (ол әлі аяқталмаған) 32 элемент бар. Әрбір период, біріншіден басқасы, сілтілік металдан басталып, инертті элементпен (инертті газдармен) аяқталады. Әр периодта 2, 8, 18, 32 элемент болады. * Бірінші периодтың ерекшелігі – онда екі элемент қана: Н мен Не орналасқан. Сутектің сілтілік металдарға да, галогендерге де ұқсайтын ортақ қасиетіне байланысты оны көбіне Іa кейде VІІа топшаға да орналастырады. * Екінші периодта 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 ІІ және ІІІ период элементтерін "типтік элементтер" деп атаған, себебі – олардың бәрі де табиғатта кең таралған элементтер. Алғашқы І-ІІІ периодтың элементтері негізгі топшаларға (а) ғана кіреді. Қазіргі технологиялар бойынша бұл периодтардың алғашқы екі элементі (сілтілік және сілтілік-жер металдар) Іа, ІІа топшаларды құрайтын s-элементтерден тұрады (кестеде олар қызыл түске боялған), қалған алтауы (B – Ne; Al – Ar) ІІІа, VІІІа топшаларды құрайтын р-элементтерден тұрады (кестеде олар 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 ядромен тартылысы артып, атом радиустары сығыла бастайды. Ең үлкен радиус периодтың басында орналасқан сілтілік металға тән. Период бойынша солдан оңға қарай атом радиустарының біршама кішіреюі байқалады. Осындай заңдылық олардың йондарының радиустарының 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 – йодта аздаған металдық қасиет пайда болады. * Алтыншы периодта 32 (Cs – Rn) элемент бар. Онда ауыспалы 10 элементпен (La, Hf – Hg) қатар 14f - 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 14f - 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, көлденең қатарларды ұзартсақ, периодтық түр шығады. Онда атомдардың электрондық құрылымына сай ұқсастығын анығырақ байқауға болады. Қысқа кестедегі топ нөмірі, жалпы алғанда, онда орналасқан 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: * * * * * т.с.с. Қатарлар Периодтарда араб сандарымен белгіленген 10 қатар кіреді. Үлкен периодтардың жұп қатарларында (төртінші, алтыншы, сегізінші және оныншы) тек металдар тұр және бұл қатарлардағы элементтердің қасиеттері аздап қана өзгереді. Үлкен периодтардың тақ қатарларындағы (бесінші, жетінші, тоғызыншы) элементтің қасиеттері қатардағы типтік элементтердегі сияқты солдан оңға қарай өзгереді. Д.И. Менделеев II және III период элементтерін типтік деп атады. Бұл элементтердің қасиеттері типтік металдан екідайлы элементтерге одан бейметалл мен инертті газға қарай заңдылықпен өзгереді. Сонымен қатар, периодтарда элемент қосылыстарының қасиеттері және формалары да заңдылықпен өзгереді. Үлкен периодтардың элементтері тотығу дәрежелері бойынша (Д.И. Менделеевтің кезінде ол валенттілік бойынша делінді) екі қатарға бөлінген. Мысалы IV периодтағы элементтердің тотығу дәрежелері жұп қатарда K-ден Mn-ке қарай (+1) - ден (+7) - ге дейін артады, оған жалғасып сегізінші топта Fe, Co, Ni триадасы келеді, содан соң қайтадан тотығу дәрежелерінің артуы тақ қатардағы Cu - тан Br - ға дейінгі элементтерде байқалады. Қалған үлкен периодтарда да дәл осылай болады. VI периодта лантаннан кейін реттік нөмерлері 58 - 71 - ге тең 14 элементті лантаноидтар деп атайды (лантанға ұқсастар). Лантаноидтар кестенің төменгі жағында жеке орналастырылған, олардың жүйеде орналастыру кезектестігі ұяшықта былайша көрсетілген La - Lu. Лантаноидтардың химиялық қасиеттері бір-біріне өте ұқсас. VII периодта реттік нөмерлері 90 - 103 - ке дейін 14 элементті актоноидтар деп атайды. Оларды лантаниодтардың төменгі жағынан жеке орналастырады, ал сәйкес ұяшықта олардың жүйеде орналасу кезектестігі көрсетілген: Ac - Lr. Көптеген актонидтар – радиоактивті. Топтар Тігінен орналасқан элементтердің қатарын топтар деп атайды. Периодтық жүйеде сегіз топ бар, олардың нөмері рим сандарымен белгіленген. Топ нөмері элементтің ең жоғарғы тотығу дәрежесіне сәйкес келеді. Фтордың тотығу дәрежесі әрқашан (-1) - ге тең, мыс, күміс, алтынның тотығу дәрежелері (+1), (+2), (+3) - ке тең, ал VIII топ элементтерінен (+8) тотығу дәрежесі тек осмий, рутений, ксенонға тән. Әрбір топ негізгі (A) және қосымша (Б) деп екі топшаға бөлінеді. Негізгі топшаны табиғи ұялас элементтер құрайды; оған типтік элементтер (II және III период элементтері) және химиялық қасиеттері соларға ұқсас үлкен периодтардың элементтері кіреді. Қосымша топшаны үлкен периодтың элементтері – металдар ғана құрайды. VIII топ қалған топтардан ерекшеленеді. Инертті газдардың негізгі топшасынан басқа, онда үш қосымша топша бар: темір топшасы, кобальт топшасы, никель топшасы; олардыа көлденіңінен алғанда триада деп атайды, мәселен, темір триадасы: Fe, Co, Ni. Негізгі және қосымша топша элементтері химиялық қасиеттерімен ерекшеленеді. Мысалы, VII топтың негізгі топшасын бейметалл галогендер: F, Cl, Br, I, At; ал қосымша топшасын металдар: Mn, Tc, Re құрайды. Топшалар өзара ұқсас элементтерді біріктіреді. Бір топта орналасқан элементтер ұқсас отттекті қосылыстар түзеді. Периодтық жүйеде әрбір топтың астында элементтердің жоғарғы оксидтерінің жалпы формуласы берілген: R 2 O, RO, R 2 O 3 , RO 2 , R 2 O 5 , RO 3 , R 2 O 7 , RO 4 мұндағы R – сол топтың элементі. Жоғарғы оксидтерінің формулалары топтың барлық элементтеріне қатысты, тек қана элемент топтың нөмеріне тең тотығу дәрежесін көрсетпейтін кезде ғана бұл формула сәйкес келмейді. Блоктар Түзу көлденең және тік сызықтар кестеде периодтар мен топтарды бөліп тұрады. Паули принципіне сай әрбір электрон қабығының сыйымдылығы 2N 2 , ал ондағы орбитальдардың сыйымдылығы 2(2l+1). Бұдан әрбір периодтың сыйымдылығы 2, 8, 8, 18, 32, 32... Әр периодтың басы жаңа мәніне сай келетін s - элементтен басталады (Іа -, ІІа - топшалар), соңы р - элементтермен аяқталады (ІІІа - 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 s 2 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 болып келеді. Элементтердің ПЖ-нің жоғары шегі анықталмаған. Рет нөмірі 101 - ден асқан элементтердің бар болу уақыты тым қысқа. Теориялық 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 периодтан 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 артып, керісінше бейметалдық қасиеттері кемиді . Қосымша топшалардағы элементтерде жоғарыдан төмен қарай металдық қасиет аз ғана артады, немесе аса көп өзгіріске ұшырамайды. Атомдардың электрондық құрылымына тәуелді периодты өзгеретін қасиеттер мен сипаттамалар көп, олардың негізгілері: атом радиусы, йон радиусы, йондану потенциялы, электрон тартқыштық, электр терістілік, валенттілік, оптикалық және магниттік қасиеттері т.б. Элементтерді жай зат ретінде қарасақ, периодты қайталанатын қасиеттердің саны артады, жай заттардың соғылғыштығы, қаттылығы, ұлғаю және сыну коэффициенттері, тығыздығы, стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалдары т.б. периодты өзгеретін қасиеттер элементтер қосылыстарында да кең таралған. Элементтердің ПЖ – периодтық заңның графиктік бейнесі, олар өзара тығыз байланысты, бірін-бірі толықтыра түседі. Екеуі де химиялық элементтерді материя дамуының бір сатысы деп қарап, олардың арасындағы табиғи байланысты ашады. Периодтық заң химия ғылымына ғана жатпайды, ол бүкіл жаратылыстану және табиғи ғылымдардың ортақ заңы, сондықтан ғылыммен бірге дамып, оны байыта түседі. Химиялық элементтердің периодтық жүйесі маңызы Химиялық элементтердің периодтық жүйесі – 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. Химиялық элементтердің периодтық жүйесі ашылған кезде көптеген элементтер белгісіз еді. Д.И. Менделеев аса үлкен болжампаздықпен олардың кейбіреулерінің қасиеттерін сипаттаған болатын (скандий - Л. Нильсон, галлий - Лекок де Буабодран, германий - К. Винклер). Ғалымның көзінің тірісінде ол болжаған элементтер ашылып, периодтық заңның дұрыстығының айғағы болды. Галлий Ga 1875 ж., скандий Sc 1879 ж., германий (Ge) 1885 ж. ашылды. Д.И. Менделеев есептеу жолымен анықтаған сипаттамалары олардың тәжірибе жүзінде анықталған шамаларына сәйкес келеді. Периодтық заң ашылған кезде белгісіз бекзат газдар да қасиеттеріне қарай галогендер мен сілтілік металдар арасынан орын алды. Заңның ашылған кезінде кейбір элементтердің валенттіліктері мен атомдық массалары дұрыс анықталмаған еді. Элементтердің қасиеттерінің өзгеру заңдылықтары сақталатындай етіп, Д.И. Менделеев бериллийдін, (Be), торийдің (Тһ), церийдің (Се), индийдің (In) т.б. кейбір элементтердің атомдық массаларын түзетті. Периодтық заң табиғаттың дамуы мен бірлігін көрсететін жалпы заңдарға жатады. Бұл заңның құрылымдық кескіні болып табылатын периодтық жүйеде периодтар бойынша элементтердің сыртқы қабаттарында электрондар санының біртіндеп өсуінен (1 - 8) металдық қасиет екідайлылық арқылы бейметалдыққа ауысады. Бұл заңдылық – табиғаттың санның сапаға ауысу заңының бір көрінісі. Табиғаттың тағы бір жалпы заңы – терісті терістеу – бір периодтан екіншісіне өткенде байқалады. Әрбір келесі периодтың элементі өзіне ұқсас алдыңғы периодтың (III—>ІІ) элементінің (К—>Na, CI—>Ғ) қасиетін қайталағанымен, оның касиеті алдыңғы элементтікінен аздап өзгешеленеді, яғни олардың белсенділігі жоғарырақ екенін көреміз. Қарама-қарсылықтың күресі мен бірлігі - периодтың басынан аяғына жеткенде байқалады (Na – CI; К – Вг). Периодтық заңға сүйеніп, радиобелсенді элементтер ашылды, бұл еңбектер әлі де жалғасуда. Осы айтылғандардың барлығы Менделеевтің периодтық заңды ашуы сәті түскен іс емес, терең ғылыми танымдық маңызы бар табиғаттың іргелі заңдарының бірі екенін дәлелдейді. Тағы қараңыз * Химиялық элементтер тізімі Сыртқы сілтемелер * [http://www.iupac.org/reports/periodic_table Менделеев кестесі] (IUPAC сайтында) Дереккөздер