Химиялық элементтердің периодтық жүйесі

ХІХ ғасырдың екінші жартысында алпыстан астам химиялық элементтер ашылып, олардың қасиеттері және ол элементтердің қосылыстарының қасиеттері зерттелді. Көптеген ғалымдар элементтерді жүйеге келтіруге тырысты.

Бірақ бұл ғалымдар элементтердің ұқсас топтарын бір – бірінен жеке қарап, олардың арасындағы ішкі байланысты аша алмады.Сондықтан олар элементтердің топтарын сипаттайтын теориялық шолу жасай алмады.

Элементтерді жүйеге келтіру мәселесін орыстың ұлы ғалымы Д.И. Менделеев шешті. Ол 1869 жылы периодтық заңды ашып, 1871 жылы анықтамасын берді және сол заң негізінде элементтердің периодтық жүйесін жасады. Жай заттардың қасиеттері, сондай – ақ олардың қосылыстарының пішіндері мен қасиеттері элементтердің атомдық салмақтарының шамасына периодты түрде тәуелді болады.Элементтерді жүйеге келтірудің негізі етіп олардың атомдық массаларын алды.

Сол кезде белгілі химиялық элементтерді атомдық массаларының өсу ретімен бір қатарға орналастырып, олардың қасиеттері белгілі бір элеметтердің санынан кейін қайтадан қайталанып отыратынын байқады.

Д.И. Менделеев ашқан заңдылықпен танысу үшін, 20 элементтің атомдық массасының өсуіне сай қатарға орналастырайық. Әр элементтің белгісі астында жуықталған атомдық массасы және жоғары оксидінің формуласын жазайық:

Келтірілген элементтер қатарында сутегі мен гелийге көңіл аудармай, қалған элементтердің қасиеттерінің өзгеруін қарастырайық. Литий – бір валентті металл, сумен жақсы әрекеттесіп сілті түзеді. Литийден кейін бериллий – ол екі валентті металл, кәдімгі температурада сумен баяу әрекеттеседі. Бериллийден кейінгі тұрған әлсіз бейметалдық қасиеті бар үш валентті бор элементі. Қатардағы келесі элемент – төрт валентті бейметалл көміртегі элементі. Одан кейін бейметалдық қасиеті басым азот; оттегі – типті бейметалл, жетінші элемент галогендер тобына жататын активті элемент фтор.

Литийдегі басым металдық қасиеті бір элементпен екінші элементке өткенде біртіндеп кеміп, фторға қарай бейметалдық қасиеті өседі. Атомдық масса өсуіне қарай литийден бастап валенттілігі артады. Бұл заңдылықтағы ерекше жағдай – фтор элементі, оның оттегі бойынша валенттілігі бірге тең.Ол фтор атомының құрылысының ерекшелігіне тән.

Егер элементтер қасиеттерінің өзгеруі осы бағытта жүрсе, фтордан кейін бейметалдық қасиеті басым элемент орналасуы керек еді. Шындығында, фтордан кейін басқа элементтермен қосылыспайтын металдық та, бейметалдық та қасиет көрсетпейтін асыл газ неон орналасады. Неоннан кейін литийге ұқсас бір валентті металл натрий келеді. Одан кейінгі орналасқан элементтер тағы да осы қасиеттерді қайталап орналасады. Яғни, натрийден кейін бериллийге ұқсас – магний, онан кейін борға ұқсас біршама бейметалдық қасиеттері байқалған үш валентті металл алюминий элементі орналасады. Қатардағы келесі элемент көміртегімен көп ұқсастығы бар төрт валентті бейметалл элемент – кремний, бес валентті фосфор өз қасиеті жағынан азотқа ұқсас, күкірт – бейметалдық қасиеті басым элемент; хлор – галогендер тобына жататын активті бейметалл, кейінгі элемент асыл газ – аргон болып табылады. Қалған элементтердің қасиеттерінің өзгеруін байқасақ, ол да сол тәртіппен өзгереді.

Соған сәйкес, химиялық элементтердің қасиеттерінің өзгеруі атомдық массаларының өсуіне байланысты үздіксіз бір бағытта жүрмейді, ол периодтылық сипатта өтеді.

Элементтердің периодтық жүйесі.

Табиғат құбылыстарын көрсететін заңдардың әртүрлі теңдеулер түрінде математикалық өрнегі болатындай Д.И.Менделеевтің периодтық заңының математикалық өрнегі – периодтық жүйе. Элементтердің периодтық жүйесі сонымен қатар, периодтық заңның графикалық көрінісі.

Элементтер қатарында қасиеттерінің белгілі тәртіп бойынша өзгеру ретімен орналасқан элементтер жиынтығын период дейді.Егер осы элементтер қатарын период ретінде бірінің астына бірін келтірсек, келесі элементтер орналасуы шығады:

Li Be B С N О F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

Бұлай орналасу барысында тік қатарда қасиеттері ұқсас, валенттілігі бір элементтер орналасады. Мысалы, литий және натрий, берилий және магний және т.б. Барлық элементтерді периодқа бөліп, қасиеттері және түзетін қосылыс типтері ұқсас элементтерді периодта бірінен соң бірі келетіндей орналастырып, Д.И. Менделеев топтар мен қатар бойынша элементтердің периодтық жүйесі атты кесте құрастырады. Ол он көлденең қатардан, сегіз тік бағанадан немесе топтан тұрады. Көлденең қатардағы элементтер орналасуын қарастырайық. Бірінші қатарда тек екі элемент – сутегі мен гелий орналасқан. Бұлар бірінші период элементтері. Екінші және үшінші қатарда жоғарыда қарастырылған сегіз элементтен тұратын элементтер қатары екінші және үшінші периодты түзеді. Екі периодта сілтілік металдан басталып, асыл газбен аяқталады. Бұл үш период кіші периодтар деп аталады.

Төртінші қатар сілтілік металл – калийден басталады. Мұнда жетінші орында галоген орнына Mn₂O₇ жоғары оксиді бар негіздік те, қышқылдық та оксид түзетін металл марганец орналасады. Марганецтен кейін бір – біріне өте ұқсас үш металл – темір, кобальт және никель келеді. Тек бесінші қатар мыстан басталып, асыл газ криптонмен аяқталады.

Алтыншы қатар рубидий – сілтілік металдан басталады. Аргоннан кейінгі элементтерде қасиеттерінің қайталануы бұрынғыдай сегіз элементтен кейін емес, он сегіз элементтен кейін өзгереді. Бұл он сегіз элемент төртінші периодты түзеді, ол екі қатардан тұрады.

Бесінші үлкен период алтыншы және жетінші қатарды түзеді.

Бұл период сілтілік металл рубидийдан басталып, асыл газ ксенонмен аяқталады. Сегізінші қатарда лантаннан соң химиялық қасиеттері бір – біріне ұқсас он төрт элемент – лантаноидтар орналасқан. Атомдар құрылысының ерекшеліктеріне сай оларды кесте соңына бөлек орналастырады. Ксеноннан кейінгі асыл газ – радон тоғызыншы қатар соңында орналасқандықтан, сегізінші және тоғызыншы қатарлар алтыншы үлкен период түзеді, онда отыз екі элемент бар.

Үлкен периодтарда екінші және үшінші периодтардағыдай элементтер қасиеттері жүйелі түрде өзгермейді. Мұнда периодтар ішінде қасиеттері өзгеруінің периодтылығы байқалады. Оттегі бойынша валенттілік бір элементтен екінші элементке өткенде өсіп, период ортасында екіге кемиді, кейін период соңында жетіге дейін артады. Осыған сәйкес периодтар екі бөліктен тұрады. Оныншы қатар көпшілігі жасанды жолмен алынған жиырма үш элементтен тұрады. Ол аяқталмаған жетінші период болып табылады. Актинийден кейін орналасқан он төрт элемент қасиеті жағынан бір – біріне ұқсас, оларды актиноидтар деп атап, кесте соңында орналастырады. Тік бағанада немесе топтарда бір – біріне қасиеттері ұқсас элементтер жатады. Кестеде сегіз топ бар, топ нөмірлері рим санымен жоғарыда көрсетілген. Бірінші топқа кіретін элементтер Э₂О, екінші топ ЭО, үшінші Э₂О₃ жалпы формуласымен берілген оксидтер түзеді. Элементтердің жоғары валенттіліктері оттегі бойынша топ нөміріне сәйкес келеді.

Бесінші қатарда (төртінші периодта) элементтерді салыстырғанда, әр элементтің үстінде немесе астында орналасқан элементпен ұқсастығы байқалмайды. Керісінше, бір тор кейін орналасқан элементпен ұқсас екендігі көрінеді. Мысалы, жетінші топта бром, хлор мен иодпен қабыспай, марганецпен хлордан алшақтаған. Бұл төртінші қатардан бастап бірінен соң бірі келетін екі қатардан тұратын үлкен периодтар болуымен түсіндіріледі. Сондықтан, төртінші периодтан бастап әр топты екі топшаға бөлуге болады: біріншісі жоғарғы қатар элементтерінен тұратын «жұп», екіншісі төменгі қатар элементтерінен құралған «тақ» топтар.Кішіпериодтардағы элементтерді Д. И. Менделеев типті элементтер деп атады. Себебі, бірінші және екінші топта бұл элементтер өздерінің қасиеттері жағынан «жұп» қатардағы элементтерге жақындап, солға жылжыған, ал басқа элементтер тақ қатар элементтеріне жақындап, оңға жылжыған. Олай болса, жұп және тақ қатар элементтерімен біріктіріп типтік элементтерді негізгі топша, ал басқа топшаны қосымша топша элементтері деп атайды.

Д.И. Менделеев периодтық жүйені құрастыруда элементтердің атомдық массаларының өсуін негізге алды. Бірақ кестеде үш жағдай бұл принципке сәйкес келмейді. Аргон (атомдық массасы 39,948) калийге (39,098) дейін, ал кобальт (58,9332) никельге (58,70) дейін, теллур (127,60) иодқа (126,9045) дейін орналасқан. Сондықтан ол атомдық массаны ғана ескермей,элеметтердің барлық қасиеттері жиынтығына көңіл аударды.

Периодтық жүйенің маңызы. Элементердің периодтық жүйесінің химияның дамуында маңызы аса зор. Периодтық жүйе болашақтағы зерттеулердің басты құралы. Д.И. Менделеев периодтық заң негізінде кесте құрастырғанда көптеген элементтер белгісіз болды. Белгісіз элементтерге бос тор тасталып, кейін олардың қасиеттерін алдын – ала болжай алды. 15 жыл бойы Д.И. Менделеевтің айтқан болжамдары орындалды.

Периодтық жүйенің кейбір элементтердің валенттілігі мен атомдық массаларының айқындалуында маңызы зор болды. Мысалы, бериллий элементі көп уақыт алюминийге ұқсас деп саналып, оған Ве₂О₃ оксиді формуласы сәйкес келеді деп есептелді. Бериллий оксидінің пайыздық құрамын есептей келе, бериллийдің атомдық массасы 13,5 тең екендігі анықталды. Ал периодтық жүйеде бериллийдің бір ғана орны бар – магний үстінде орналасады, соған сәйкес бериллий оксиді формуласы ВеО, ал атомдық массасы 10 – ға тең. Кейіннен бериллийдің атомдық массасы оның хлоридінің бу тығыздығы бойынша дәлелденді.

Периодтық заң негізінде периодтық жүйеде ураннан кейін орналасқан трансуран элементтері жасанды жолмен алынды. Периодтық заңның ашылуы және периодтық жүйенің жасалуы біздің дүние тануымызға да зор әсерін тигізді. Периодтық заң химиялық элементтердің өзара байланысын, тәуелділігін, олардың ядро зарядтарының өсуіне байланысты қасиеттерінің өзгеріп отыратынын, яғни санның сапаға ауысатынын көрсетіп берді.