Методы научного познания

Теория электромагнитного взаимодействия в макромире называется классической  электродинамикой.  В ее разработке принимали участие многие ученые XVIII – XIX вв., однако решающий  вклад в ее создание внес выдающийся английский физик Джеймс Кларк Максвелл  (1831 - 1879).   Именно он объединил электричество, магнетизм и свет в рамках единой концепции электромагнитного поля.

И все же механизм электромагнитных процессов стал понятен лишь с возникновением квантовой электродинамики – теории, объясняющей эти процессы  на уровне микромира.  За ее разработку японский физик – теоретик Синъитиро Томонага (1906 - 1979), а также американские ученные Юлиан Сеймор Швингер (1918 - 1994) и Ричард Филипс Фейнман в 1965 г. были награждены Нобелевской премией.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля – фотоны.  Это не имеющие массы частицы со спином 1 ,  которые движутся со скоростью света c. В результате обмена этими частицами и возникает электромагнитное взаимодействие между заряженными телами.

    3. Периодическая  система химических элементов  Д.И.Менделеева

Периодическая система элементов является графическим (табличным) изображением периодического закона.

Прообразом периодической системы был «Опыт системы элементов, основанный на их «атомном весе и химическом сродстве», составленный Д. И. Менделеевым 1 марта 1869 г.  Это так называемый вариант длинной формы системы элементов, в нем периоды располагались одной строкой.

Короткая форма периодической системы была опубликована Д. И. Менделеевым в декабре 1870 г. В  этом варианте периоды разбиваются на ряды, а группы – на подгруппы (главные и побочные).

Основным недостатком короткой формы было сочетание в одной группе несходных элементов. Недостатком длинной формы – растянутость, некомпактность.

Короткий вариант периодической системы подразделяется на семь периодов – горизонтальных последовательностей элементов, расположенных по возрастанию порядкового номера, и восемь групп – вертикальных последовательностей элементов обладающих однотипной электронной конфигурацией атомов и сходными химическими свойствами.

Первые три периода называются малыми, остальные – большими. Первый период включает два элемента, второй и третий периоды – по восемь, четвертый и пятый – по восемнадцать, шестой – тридцать два, седьмой (незавершенный) – двадцать один элемент.

Каждый период (исключая первый) начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом.

Элементы 2 и 3 периодов называются типическими.

Малые периоды состоят из одного ряда, большие – из двух рядов : четного (верхнего) и нечетного (нижнего).  В четных рядах больших периодов расположены металлы и свойства элементов слева направо изменяются слабо. В нечетных рядах больших периодов свойства элементов изменяются слева направо, как у элементов 2 и 3 периодов.

В периодической системе любой формы для каждого элемента указывается его символ и порядковый номер, название элемента и значение относительной атомной массы.  Координатами положения элемента в системе является номер периода и номер группы.

Элементы с порядковыми номерами 58 – 71, именуемые лантаноидами, и элементы с номерами 90 – 103 – актиноиды – помещаются отдельно внизу таблицы.

Группы элементов, обозначаемые римскими цифрами, делятся на главные и побочные подгруппы. Главные подгруппы содержат 5 элементов (или более). В побочные подгруппы входят элементы периодов, начиная с четвертого.

VIII группа кроме подгруппы гелия содержит «триады» элементов, составляющих семейства железа (Fe – Co - Ni) и платиновых металлов (Ru – Rh – Pd,Os – Ir - Pt). В триадах элементов наблюдается горизонтальная аналогия.

В некоторых вариантах таблицы под каждой группой расположены формулы высших оксидов элементов, они относятся к элементам главных и побочных подгрупп (исключая элементы, не проявляющие степень окисления, равную номеру группы; гелий, неон, аргон не образуют кислородных соединений). Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют водородные соединения.

Дальнейшее развитие науки показало, что химические свойства элементов обусловлены строением их атома, а точнее, строением электронной оболочки атомов.

Периодический закон Д. И. Менделеева формулируется в настоящее время так:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядер атомов этих элементов.

Сопоставление строения электронных оболочек с положением элементов в периодической системе позволяет установить ряд важных закономерностей.

Номер периода равен общему числу энергетических уровней, заполняемых электронами, у атомов данного элемента.

В малых периодах и нечетных рядах больших периодов с ростом положительного заряда ядер возрастает число электронов на внешнем энергетическом уровне (с 1 до 2 в первом периоде и с 1 до 8 в последующих). С этим связано ослабление металлических и усиление неметаллических свойств элементов слева направо по периодам.

В четных рядах больших периодов с ростом заряда ядер происходит заполнение электронами предвнешнего уровня при постоянном числе электронов на внешнем уровне (2 или 1), чем и объясняется медленное изменение свойств этих элементов.

Строение внешнего электронного уровня атомов элементов, относящихся к одной подгруппе, однотипно.  Номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей (валентных электронов). У атомов элементов главных подгрупп это электроны внешнего электронного уровня. У атомов элементов побочных подгрупп валентными являются электроны не только внешнего, но и предпоследнего уровня.

В подгруппах с ростом положительного заряда ядер атомов элементов усиливаются их металлические и ослабляются неметаллические свойства.

В зависимости от строения электронных оболочек атомов все элементы периодической системы Д. И. Менделеева  делят на четыре семейства : s -,p -, d-, и f – элементы.

К семейству s– элементов относятся химические элементы, в атомах которых происходит заполнение электронами s– подуровня внешнего уровня. К ним относятся первые два элемента каждого периода.

Элементы, у которых происходит заполнение электронами p– подуровня внешнего уровня, принадлежат к p– элементам.  К ним относятся последние 6 элементов каждого периода. Семейство d– элементов включает переходные элементы, у которых электронами заполняется d– подуровень второго снаружи уровня. К ним относятся элементы больших периодов, расположенные между s – и p– элементами.

У семейства f – элементов происходит заполнение f – подуровня третьего снаружи уровня. К ним относятся лантаноиды и актиноиды.

                      Периодический закон химических элементов

К середине ХIХ в. число известных элементов возросло до 63, и  возникла потребность в упорядочении знаний.

Первые попытки  классификации элементов были сделаны еще в конце ХVIII в.

Французкий химик А.Лавуазье,а затем шведский химик Я.Берцелиус разделили элементы на два класса: металлы и неметаллы. В первой   половине ХIХ в. появились первые попытки систематизации элементов по атомным весам. Немецкий химик  И.Доберейнер сгруппировал сходные по свойствам элементы в триады:1) калий, рубий и цезий;2)кальций, стронций и барий; 3)сера, селен и теллур;4)хлор, бром и иод, и установил, что атомная масса промежуточного по химическим свойствам  члена каждой триады является  средним  арифметическим из атомных масс крайних ее членов.

В 1864г. Немецкий химик Мейер опубликовал таблицу 27 элементов, расположенных в порядке возрастания их атомных масс и сгруппированных по их валентности. Остальные известные элементы Мейер не смог включить в эту таблицу по той причине, что для этих элементов не были установлены либо точные значения их относительных масс, либо точные значения валентности.

В том же 1864г. англичанин У. Одлинг поместил в своем учебнике химии таблицу, где известные тогда элементы были расположены с учетом атомных масс; сходные по свойствам элементы помещались в горизонтальных строках, вертикальные столбцы были близки к рядам.Английский химик Дж. Ньюленде также располагал элементы в порядке увеличения  атомных масс и отмечал, что свойства каждого восьмого элемента повторяют свойства первого.

Однако предшественники Д.И.Менделеева не решились предсказать на основе подмеченной закономерности новые химические элементы. Для     них периодичность была лишь удобным способом классификации элементов.

В 1869г. великий русский ученый Д.И.Менделеев составил таблицу, включавшую большинство  известных элементов. В основу классификации элементов Менделеев  положил массу атомов, однако учет химических свойств элементов оказался  решающим при выборе места данного элемента в таблице.

В своей книге «Основы химии» Д.И.Менделеев писал:

«Масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны

находиться в зависимости все остальные свойства…Поэтому ближе и

естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами

элементов, с  одной стороны, и атомными их весами (массами) с другой».

(Менделеев Д.И. Основы химии .13-еизд.(пятое посмертное). М.-Л.,

Государственное научно-техническое издательство химической литературы.

1947 Т.П, с. 80(курсив Д.И.Менделеева).

Менделеев расположил в порядке возрастания значений атомной массы известные в то время элементы и установил, что сходные в химическом отношении элементы встречаются через правильные  интервалы, т.е. многие их свойства периодически повторяются. Формы соединений также повторяются.

Эти закономерности получили свое выражение в периодическом законе, который Д.И. Менделеев формулировал следующим образом:

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

Весь ряд элементов, расположенных в порядке возрастания атомных масс, Д.И. Менделеев разбивает на периоды, внутри которых свойства элементов  изменяются последовательно (например, от щелочного металла до галогена). Размещая периоды так, чтобы выделить сходные элементы, Д.И.Менделеев создал периодическую систему химических элементов. При этом у ряда элементов были исправлены атомные массы, а  для 29 еще не открытых элементов оставлены пустые места.

Периодический закон химических элементов  был  открыт 1 марта                    (17 февраля по ст. стилю) 1869г.

  На основе периодического закона у некоторых  элементов были исправлены атомные  массы. Дмитрий Иванович Менделеев предсказал существование новых, не открытых еще в то время элементов, свойства трех из них: экаалюминия (галлия), экабора (скандия) и экасилиция (германия) ученый подробно описал.

Галлий открыл Лекок де Буабодран в 1875г. во  Франции, скандий —

Л.Нильсон в 1879г. (Швеция) и германий _-_Кл. Винклер в 1886г. В Германии.                              

                                               Литература

1.ФИЛОСОФИЯ, рационализм и материализм XXI века/ А.С. Карамзин, Г.Г.Бернацкий учебник для вузов, Москва-Минск 2006г.   558 стр.

2. Новейший справочник , составитель:  Г.П. Шалаева, Москва : Филол.о-во СЛОВО , Изд-во Эксмо, 2005г.-784 стр.

3.Энциклопедия Физика. Глав. ред. В.А. Володин.- Москва: Аванта, 2000г.-448 стр.

4. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ 1997. – 520с.

16