Как найти характеристики химических элементов

Артем Оганов — кристаллограф-теоретик, создатель ряда новых материалов, а главное, методов, которые позволяют открывать новые материалы. Решил считавшуюся нерешаемой задачу предсказания кристаллической структуры вещества на основе его химического состава. Создал программу USPEX, способную предсказывать устойчивые химические соединения по набору исходных элементов. Один из самых цитируемых в мире ученых.

Я хорошо помню, как мне пришло в голову решение этой задачи. Мы с семьей садились в самолет. У меня четверо детей, и все они расположились у меня на голове и прочих частях тела и к тому же продолжали непрерывно двигаться. Опытные родители знают, что сопротивляться этому бессмысленно, а беспокоиться неразумно. Поэтому мой мозг перестал метаться, анализируя внешние сигналы, и застыл, сфокусировавшись в одной точке. Точка эта оказалась на спинке впередистоящего кресла. Там-то и начал проступать основной график будущей работы. Я вдруг увидел, что элементы таблицы Менделеева не размазаны равномерно в пространстве своих свойств, а, как звезды в Галактике, расположены более-менее на плоскости.

Эта проблема волновала меня последние 15 лет. В 1984 году британский физик Дэвид Петтифор опубликовал работу, в которой ввел понятие менделеевских чисел, — с их помощью он сгруппировал элементы в порядке изменения их химических свойств. В таблице Менделеева свойства элементов меняются скачками. Так, после самого химически активного неметалла фтора идет инертный неон, а сразу за ним — активнейший металл натрий. Можно ли найти вариант, при котором рядом бы стояли похожие по свойствам элементы?

Петтифор предложил решение — выстроил элементы в некоторой последовательности, приписав им некие числа Менделеева. Но как приписал, не объяснил. И тем более не объяснил, какой у них физический смысл. Эти числа не расчет, а произвол, хотя и основанный на наблюдениях за свойствами бинарных соединений — веществ, состоящих из двух разных атомов. Скажем, если NaCl и KCl похожи, то и натрий с калием должны стоять рядом. Все это время ученые модифицировали и улучшали менделеевские числа, но что это такое, так никто и не объяснил.

У химических элементов есть разные характеристики, которые влияют на их свойства. Прежде всего размер атома (его радиус), валентность, поляризуемость*, электроотрицательность**. Но валентность — параметр непостоянный, у разных элементов могут быть разные валентности, а мы неоднократно открывали химические соединения, которые с точки зрения привычных представлений о валентности не могли бы существовать. Но существуют. Поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью.

^{*Поляризуемость — способность атома или молекулы становиться электрически полярными во внешнем электромагнитном поле. Поляризуемость показывает, насколько легко может возникнуть заряженная частица (ион) или новая химическая связь.}

^{**Электроотрицательность — способность атома оттягивать электроны других атомов в химических соединениях. Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (F, O, N, Cl), низкая — у активных металлов (Li, Na, K).}

Получается, что для определения фундаментальных свойств атомов можно использовать только атомный радиус и электроотрицательность. И если по оси Х — радиус, а по оси Y — электроотрицательность, мы получаем плоскость, на которой сильно вытянутым облаком располагаются элементы. Внутри этого облака, воспользовавшись несложным математическим приемом, можно провести линию, вдоль которой элементы встанут в порядке максимально плавного изменения свойств.

Так мы открыли физический и химический смысл менделеевских чисел: это наилучшее представление всех химических свойств атома одним числом. Но мы предложили не только объяснение, но и улучшенную версию чисел Менделеева, в которой нет места субъективности — только расчеты на основе фундаментальных характеристик атомов. Мы назвали это «Универсальной последовательностью элементов», по-английски Universal Sequence Of Elements, сокращенно USE. И действительно, наша последовательность удобна в применении: она предсказывает свойства химических соединений лучше, чем петтифоровские менделеевские числа и их позднейшие модификации.

Если расположить элементы на осях, то на плоскости будут бинарные соединения — молекулы и кристаллы, состоящие из двух типов атомов. Мы обнаружили, что на этом поле — его можно назвать химическим пространством — возникают области соединений с близкими свойствами, например твердостью кристаллов, магнетизмом, энергией связи. Известно, например, что алмаз, состоящий только из углерода, — самый твердый из кристаллов. А как искать другие твердые вещества? По соседству с алмазом в его химическом пространстве.

Улучшенные менделеевские числа помогут находить новые соединения с полезными свойствами и смогут прояснить некоторые вопросы, связанные с привычной таблицей Менделеева. Например, уже сейчас можно ставить точку в споре, где должен находиться водород: над литием или над фтором. Согласно менделеевским числам, водород ближе к галогенам, чем к щелочным металлам.

Ссылка: Zahed Allahyari and Artem R. Oganov, Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space: J. Phys. Chem. C 2020, 124, 43, 23867-23878.

Универсальная последовательность элементов (USE)

Как вычисляются числа Менделеева

Зная формулировка периодического закона и используя периодическую систему элементов Д. И. Менделеева, можно дать характеристику любому химическому элементу и его соединениям. Такую характеристику химического элемента удобно складывать по плану.

I. Символ химического элемента и его название.

II. Положение химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева:

1. порядковый номер;
2. номер периода;
3. номер группы;
4. подгруппа (главная или побочная).

III. Строение атома химического элемента:

1. заряд ядра атома;
2. относительная атомная масса химического элемента;
3. число протонов;
4. число электронов;
5. число нейтронов;
6. число электронных уровней в атоме.

IV. Электронная и электронно-графическая формулы атома, его валентные электроны.

V. Тип химического элемента (металл или неметалл, s-, p-, d-или f-элемент).

VI. Формулы высшего оксида и гидроксида химического элемента, характеристика их свойств (основные, кислотные или амфотерные).

VII. Сравнение металлических или неметаллических свойств химического элемента со свойствами элементов-соседей по периоду и подгруппой.

VIII. Максимальная и минимальная степень окисления атома.

Например, предоставим характеристику химического элемента с порядковым номером 15 и его соединениям по положению в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и строению атома.

I. Находим в таблице Д. И. Менделеева клетку с номером химического элемента, записываем его символ и название.

Химический элемент номер 15 — Фосфор. Его символ Р.

II. Охарактеризуем положение элемента в таблице Д. И. Менделеева (номер периода, группы, тип подгруппы).

Фосфор находится в главной подгруппе V группы, в 3-м периоде.

III. Предоставим общую характеристику состава атома химического элемента (заряд ядра, атомная масса, число протонов, нейтронов, электронов и электронных уровней).

Заряд ядра атома фосфора равен +15. Относительная атомная масса фосфора равна 31. Ядро атома содержит 15 протонов и 16 нейтронов (31 — 15 = 16). Атом фосфора имеет три энергетических уровня, на которых находятся 15 электронов.

IV. Составляем электронной и электронно-графическую формулы атома, отмечаем его валентные электроны.

Электронная формула атома фосфора: ₁₅P 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.

Электронно-графическая формула внешнего уровня атома фосфора: на третьем энергетическом уровне на 3s-подуровня находятся два электрона (в одной клетке записываются две стрелки, имеющие противоположное направление), на три р-подуровне находятся три электрона (в каждой из трех клеток записываются по одной стрелке, имеющие одинаковое направление).

Валентными электронами являются электроны внешнего уровня, т.е. 3s2 3p3 электроны.

V. Определяем тип химического элемента (металл или неметалл, s-, p-, d-или f-элемент).

Фосфор — неметалл. Поскольку в последнее подуровнем в атоме фосфора, который заполняется электронами, является p-подуровень, Фосфор относится к семейству p-элементов.

VI. Составляем формулы высшего оксида и гидроксида фосфора и характеризуем их свойства (основные, кислотные или амфотерные).

Высший оксид фосфора P₂O₅, проявляет свойства кислотного оксида. Гидроксид, соответствующий высшему оксиду, H₃PO₄, проявляет свойства кислоты. Подтвердим указанные свойства уравнениями видповиних химических реакций:

P₂O₅ + 3 Na₂O = 2Na₃PO₄

H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O

VII. Сравним неметаллические свойства фосфора со свойствами элементов-соседей по периоду и подгруппой.

Соседом фосфора по подгруппе являются азот. Соседями фосфора за периодом является кремний и Сера. Неметаллические свойства атомов химических элементов главных подгрупп с ростом порядкового номера растут в периодах и снижаются в группах. Поэтому неметаллические свойства фосфора более выражены, чем у кремния и менее выражены, чем у азота и серы.

VIII. Определяем максимальную и минимальную степень окисления атома фосфора.

Максимальный положительный степень окисления для химических элементов главных подгрупп равен номеру группы. Фосфор находится в главной подгруппе пятой группы, поэтому максимальная степень окисления фосфора +5.

Минимальная степень окисления для неметаллов в большинстве случаев равен разнице между номером группы и числом восемь. Так, минимальная степень окисления фосфора -3.

Элементы и атомы,

В менделеевский взятые круг,

Сделали химию самой богатой

И самой творческой из наук.

Г. Санников

Можно предположить, что химические элементы в периодической системе — это герои, и им, как и любым героям, можно давать определённые характеристики. За основу характеристики химических элементов мы будем брать Периодическую систему химических элементов (ПСХЭ) Д. И. Менделеева.

План характеристики элементов по ПСХЭ

1. Порядковый номер элемента, относительная атомная масса (Ar), химический знак.
2. Строение атома (заряд ядра (Z), количество протонов, нейтронов, электронов).
3. Положение элемента в ПС (период, группа, подгруппа), семейство элемента (s, p, d, f).
4. Распределение электронов по энергетическим уровням, электронная формула атома.
5. Характер элемента (металл, неметалл).
6. Характеристика химической связи, физические свойства.
7. Сравнение со свойствами соседних элементов (по группе, по периоду).
8. Формула высшего оксида, название, его характер.
9. Формула гидроксида (основания или кислоты), название, его характер.
10. Состав летучего водородного соединения (для неметаллов главных подгрупп), название, характер.

Характеристика металла и его соединений

Охарактеризуем металл калий К

3. Калий расположен в ПС в I группе, главной (A) подгруппе, 4 большом периоде, относится к элементам s-семейства.

4. Так как калий находится в 4-ом периоде, значит, у него будет 4 энергетических уровня, на которых будут располагаться все его электроны. На первом уровне 2 электрона (это максимально), на втором — 8, на третьем — 8, на четвёртом, 

значит, — 1 электрон.

Электронная формула атома калия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹.

5. Т. к. у калия 1 электрон на внешнем уровне, то этот элемент относится к металлам. В реакциях он будет отдавать 1 электрон, проявляя восстановительные свойства, и получать степень окисления +1.

8. Калий — металл I A группы, его высшая валентность I (определяется номером группы). Металлу соответствует оксид калия K2O, значит, это основный оксид, он проявляет все свойства, характерные для этих оксидов: реагирует с кислотами и кислотными оксидами, с водой с образованием щёлочи. Это подтверждается уравнениями реакции:

К2О + 2HCl → 2KCl + H2O

K2O + SO3 → K2SO4

K2O + H2O → 2KOH

9. Гидроксид калия (едкое кали) — это KOH, он является щёлочью — растворимым в воде основанием. Для него будут характерны следующие свойства: реакции с кислотами и кислотными оксидами, реакции с солями. Это подтверждается уравнениями реакции:

КОH + HNO3 → KNO3 + H2O

2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O

2KOH + CaCl2 → 2KCl + Ca(OH)2

10. Если калий — металл, то он не образует летучих водородных соединений.

Характеристика неметалла и его соединений

Охарактеризуем неметалл сера S

3. Сера расположена в ПС в VI группе, главной (A) подгруппе, 3 малом периоде, относится к элементам p-семейства.

4. Сера находится в третьем периоде, значит, у неё три энергетических уровня: на первом 2 электрона, на втором — 8, а на третьем — 6.

Электронная формула атома серы: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.

5. Сера — это неметалл, значит, она может быть как окислителем, так и восстановителем. Как окислитель она может присоединить 2 электрона до завершения внешнего уровня, получая при этом степень окисления -2 

(S0 + 2e- → S-2), а как восстановитель она может отдать 4 или 6 электронов и получить степень окисления +4 или +6 (S0 — 4e- → S+4, S0 — 6e- → S+6).

6. Сера — неметалл. Для неё характерно явление
аллотропии
, т. е. она может образовывать несколько простых веществ, отличающихся своими свойствами.

Наиболее устойчивая модификация серы — ромбическая сера S8, это хрупкое вещество жёлтого цвета. Моноклинная сера, в которой атомы соединены в циклы в виде «короны», представляет собой твёрдое вещество, состоящее из тёмно-жёлтых игл, устойчивое при температуре более 96 °C, а при обычной температуре превращающееся в ромбическую серу. Пластическая сера — длинные полимерные цепи пластической коричневой массы, нерастворимой в воде.

7. Сравнение свойств элемента серы со свойствами её соседей по группе: неметаллические свойства серы выражены сильнее, чем у селена, но слабее, чем у кислорода, так как радиус у кислорода меньше, чем у серы. По сравнению с соседями по периоду свойства серы выражены сильнее, чем у фосфора, но слабее, чем у хлора.

8. Сера имеет высшую валентность 6 и низшую валентность 2 (определяется по формуле: 8-N, где N — номер группы). Высший оксид серы (VI) — SO3. Это кислотный оксид, который проявляет свойства, характерные для этих оксидов: он реагирует с основными оксидами, основаниями и водой с образованием соответствующей кислоты. Это подтверждается уравнениями реакции:

SO3 + BaO → BaSO4

SО3 + 2NaOH → Na2SO4 + H2O

SO3 + H2O → H2SO4

9. Высший гидроксид серы — это серная кислота H2SO4, она проявляет свойства, характерные для всех кислот: реагирует с металлами, основаниями и основными оксидами, с солями. Это подтверждается уравнениями реакции:

H2SО4 + Mg → MgSO4 + H2

H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + 2H2O

H2SO4 + CaO → CaSO4 + H2O

H2SO4 + Na2SiO3 → H2SiO3 + Na2SO4

10. Сера — неметалл, поэтому имеет летучее водородное соединение H2S — сероводород.

Скачать:

Предварительный просмотр: