Математические аспекты в химии. (Расчет новых химических элементов, метод триад и др)

Групповые названия элементам дают в соответствии с названиями орбиталей. Элементы, у которых происходит заполнение электронами s-орбиталей, называют s-элементами, если заполняются р-орбитали, то это р-элементы, и так далее. Все это хорошо видно на таблице, где для каждого типа элементов дана соответствующая окраска фона. Таким образом, в каждом периоде таблицы присутствует по два s-элемента, по шесть p-элементов и по десять d-элементов. Проверьте эту простую закономерность по таблице (d-элементы появляются впервые только в 4-м периоде).
Вероятно, вы заметили, что количество возможных орбиталей при переходе от s- к p- и d-орбиталям имеет простую закономерность. Это ряд нечетных чисел: 1, 3, 5. Как, по-вашему, сколько существует возможных f-орбиталей? Логика подсказывает, что семь. Так оно и есть, и на них может разместиться максимально 14 электронов. Значит, f-элементов в одном периоде может быть только 14. Именно таково число лантаноидов в таблице. Актиноиды тоже f-элементы, и их тоже 14. Теперь основной вопрос: сколько может быть g-орбиталей? Продлим мысленно ряд чисел: 1, 3, 5, 7. Стало быть, g-орбиталей – девять, а число возможных g-элементов – 18.
Итак, мы ответили на поставленный выше вопрос. Экспериментально все это может быть подтверждено только в отдаленном будущем. Какой же будет номер у самого первого g-элемента? Однозначно ответить пока невозможно, поскольку порядок заполнения электронных уровней может быть совсем не тот, что в верхней части таблицы. По аналогии с тем, в какой момент появляются f-элементы, можем предположить, что это будет элемент № 122.
Попробуем решить другой вопрос. Сколько же всего будет элементов в 8-м периоде? Поскольку прибавление каждого электрона соответствует появлению нового элемента, то просто надо сложить максимальное число электронов на всех орбиталях от s до g: 2 + 6 + 10 + 14 + 18 = 50. Долгое время так и предполагали, однако компьютерные расчеты показывают, что в 8-м периоде будет не 50, а 46 элементов.
Итак, 8-й период, который, как мы полагаем, начнет заполняться в XXI в., будет простираться от элемента № 119 до № 164. Впрочем, открытие нового элемента – вещь ожидаемая, но не всегда предсказуемая, и потому надо быть готовым к тому, что элемент № 119 будет получен еще до того, как эта статья попадет в руки читателю, что придаст еще большую торжественность моменту наступления нового века.
Внимательное рассмотрение периодической системы позволяет отметить еще одну простую закономерность. р-Элементы впервые появляются во 2-м периоде, d-элементы – в 4-м, f-элементы – в 6-м. Получился ряд четных чисел: 2, 4, 6. Эта закономерность определяется правилами заполнения электронных оболочек. Теперь вам должно быть понятно, почему g-элементы появятся, как уже было сказано выше, в 8-м периоде. Простое продолжение ряда четных чисел! Существуют и более дальние прогнозы, но они основаны на достаточно сложных расчетах. Например, показано, что в 9-м периоде будет всего 8 элементов, как во 2-м и 3-м, что несколько неожиданно.
Очень интересно, существует ли теоретически последний элемент периодической системы? Современные расчеты ответить на этот вопрос пока не могут, так что он наукой еще не решен.
Мы достаточно далеко зашли в наших прогнозах, может быть, даже в XXII в., что, впрочем, вполне объяснимо. Попытаться бросить взгляд в отдаленное будущее – вполне естественное желание для каждого человека, особенно в тот момент, когда происходит смена не только столетия, но и тысячелетия.









Выводы

Из выше сказанного следует, что математические аспекты в химии в работах:
Дёберейнера по систематизации элементов вначале не привлекли к себе внимания. В 1840 г. Л. Гмелин, расширил список элементов, показал, что характер их классификации по свойствам гораздо сложнее, чем разделение на триады. Тем не менее закон триад Дёберейнера подготовил почву для систематизации элементов.
Ньюлэндса, который пытался расположить элементы в порядке возрастания их относительно атомных масс и обнаружил поразительное сходство между каждым 8-м элементом (так называемые октавы Ньюлэндса). Однако ему не удалось удовлетворительно объяснить найденную закономерность, более того, в его таблице не нашлось места новым элементам, а в некоторые вертикальные столбцы попали элементы, различающиеся по своим свойствам.
Бегье де Шанкуртуа удалось несколько продвинуться вперед. Он в своей работе «Земная спираль» предложил располагать элементы по спирали или образующей цилиндра в порядке возрастания их атомных масс и указал, что в этом случае можно обнаружить некоторое сходство элементов в физико-химических свойствах, если они попадают на одну и ту же вертикальную линию цилиндра, располагаясь один под другим. Так впервые появилась мысль о периодичности свойств элементов, но на нее не обратили внимания и вскоре она оказалась забытой.
У. Олдинга чисто арифметическое расположение элементов в порядке возрастания атомного веса согласуется со сходством их химических свойств. Замечательно сходство его таблицей с таблицей, предложенной Д.И. Менделеевым в 1869 г. Тем не менее Одлинг не сумел сделать выводов из своей таблицы, вследствие чего не получил признания как участник в развитии периодической системы элементов.
Ю.Л. Мейер открыл, что свойства элементов могут быть выражены как периодическая функция от их атомных весов, и сделали возможной периодическую классификацию, которая мало изменилась в течение последующих лет. И ему принадлежит основная заслуга в развитии периодической системы.
Итак, на сегодня периодическая система завершается 118-м элементом. Эксперименты по синтезу новых элементов необычайно трудоемки и достаточно длительны. Дело в том, что, проходя через электронные оболочки атомов, ядра-снаряды тормозятся и теряют энергию. Кроме того, ядро, образовавшееся при слиянии, чаще всего распадается на два более легких ядра. Лишь в редких случаях оно испускает несколько нейтронов и образует нужное тяжелое ядро. Несмотря на трудности, эксперименты, направленные на синтез новых элементов, продолжаются.
Возможности химических элементов исчерпаны далеко не полностью. Интересно, какие из них окажутся самыми значимыми в ХХI в.? Вряд ли такое возможно предугадать. Предоставим решать этот вопрос и подводить итоги тем, кто будет встречать 2101 г.





Список литературы:

Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 187 с.
Биографии великих химиков. Перевод с нем. / Под ред. Г.В. Быкова. - М.: Мир, 1981. – 320 с.
Волков В. А. и др. Выдающиеся химики мира: Биогр. справ. / Под ред. В.И. Кузнецова. - М.: Высшая школа, 1991. – 685 с.
Зайцев О.С. Неорганическая химия: Теоретич. основы: Углубл. курс. – М.: Просвещение, 1997. – 320 с.
Левицкий М.М. Химические элементы: достижения и перспективы // Химия. – 2000. - №22. – С. 13-22.
Ошибки и заблуждения в истории химии // Химия. – 1999. - № 8.
Химические элементы в повседневной жизни // Химия. – 1998. - № 42.
Энциклопедический словарь юного химика / Состав. В.А. Крицман, В.В. Станцо. – М.: Педагогика, 1982. – 368 с.
Биографии великих химиков. Перевод с нем. / Под ред. Г.В. Быкова. - М.: Мир, 1981. – 320 с.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 187 с.
Волков В. А. и др. Выдающиеся химики мира: Биогр. справ. / Под ред. В.И. Кузнецова. - М.: Высшая школа, 1991. – 685 с.
Автор не всегда объективен в оценке вклада в развитие науки иных, нежели английские, ученых.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 187 с.
Энциклопедический словарь юного химика / Состав. В.А. Крицман, В.В. Станцо. – М.: Педагогика, 1982. – 368 с.
Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 187 с.
Химические элементы в повседневной жизни // Химия. – 1998. - № 42.
Ошибки и заблуждения в истории химии // Химия. – 1999. - № 8.
Левицкий М.М. Химические элементы: достижения и перспективы // Химия. – 2000. - №22. – С. 13-22.









20