Таблица Менделеева ^β

Предисловие

Таблица Менделеева или периодическая таблица химических элементов - это представленный в виде таблицы свод химических элементов, которые расположены по возрастанию атомного номера. В каждой ячейке таблицы Менделеева так же есть обозначение элемента, его атомная масса, принадлежность к определенной группе обозначенная цветом, а так же иногда указывается электронная конфигурация. Структура таблицы показывает периодических характер химических свойств элементов. Она имеет 7 строк, которые называются периодами, и столбцы, которые называются группами. Именно столбцы объединяют элементы со схожими химическими свойствами. Например, щелочные металлы, щелочно-земельные металлы, галогениды, благородные газы и т.д. Так же имеется четыре прямоугольные области, которые объединяют элементы со схожим электронным строением их атомов.

На данный момент открыто 118 химических элементов, которые завершили заполнение семи строк таблицы. Первые 94 элемента были найдены в природе, хотя некоторые в очень маленьких количествах, а вот остальные синтезированы искусственно в физических лабораториях или вообще при ядерных взрывах. В настоящее время ученые-физики продолжают попытки синтезировать 119 элемент и более тяжелые, теоретически возможность этих элементов была доказана ранее - они начнут восьмой ряд периодической таблицы Менделеева. Кроме того, все элементы имеют так называемые изотопы, которые так же в большом количестве были синтезированы в лабораториях и обнаружены в природе. Наиболее известный пример - тяжелая вода, где водород с атомным весом 1 заменяет его изотоп дейтерий (вес 2) или тритий (вес 3).

Структура периодической таблицы используется для нахождения взаимосвязи между свойствами различных элементов и их соединений, а так же для прогноза этих свойств в том числе еще не открытых соединений.

Первую известную таблицу Менделеев опубликовал в 1869 году, которая демонстрировала периодический характер свойств известных на тот момент элементов. Так же Менделеев дал предсказания по свойствам не открытых на тот момент элементов и большинство его предсказания оказались близки к верным. В последующем с открытием других элементов расширялись и теоретические знания, стали появляться всё более точные теоретические математические модели для объяснения и предсказания свойств элементов.

Современная таблица Менделеева теперь широко используется для анализа химических реакций и вообще широко используется как в химии так и физике. Однако, много споров ведется относительно того на сколько оптимален тот или иной вид таблицы (их несколько десятков), а так же размещения некоторых элементов.

Введение

Каждый химический элемент в таблице Менделеева имеет свой уникальный атомный номер (Z), который равен числу протонов в его атомном ядре. У каждого атома в ядре может быть разное число нейтронов и поэтому атом одного элемента может иметь разную массу - такие «варианты» одного атома отличающиеся по массе называют изотопами. Например, самые распространенные изотопы урана U²³⁵ и U²³⁸, но на самом деле изотопов известно восемь на данный момент с атомными массам от 233 до 240. Изотопы в таблице не разделяются, в ней указывается самый распространенный природный изотоп или для атомов, которые стабильных изотопов не имеют, указывается наиболее стабильный (долгоживущий).

В общепринятой периодической таблице (см. выше) химические элементы указываются в порядке возрастания атомного номера Z. Новая строка (период) начинается тогда, когда начинает заполняться новая электронная оболочка атома.

Столбцы (группы) определяются электронной конфигурацией атома. Элементы с одинаковым чистом электронов на валентном электронном уровне попадают в одни и те же группы. Элементы находящиеся в одной группе как правило имеют схожие химические свойства.

Первые 94 элемента встречаются в природе в свободном и связанном виде либо только в виде составе соединений, остальные же синтезированы в лабораториях. Некоторые элементы, например, франций (Fr) был зафиксирован только в виде излучения (получено всего 300 тыс. атомов). Другие элементы выше 94 получены так же в очень малых количествах.

Металлы, металлоиды и неметаллы

По своим физико-химическим свойствам все элементы можно разделить на три основные категории - металлы, металлоиды и неметаллы.

Металлы - это как правило блестящие высоко теплопроводные твёрдые вещества способные плавиться при нагревании и образовывать друг с другом сплавы, а так же образовывать ионные и ковалентные соединения с неметаллами.

Неметаллы - это как правило бесцветные либо цветные твёрдые, жидкие или газообразные вещества. Неметаллые образуют соединения друг с другом при помощи ковалентных связей.

Металлоиды - это вещества, которые могут проявлять в определенных условиях как металлические свойства, так и неметаллические.

Металлы и неметаллы могут быть дополнительно классифицированы на подкатегории, которые видны в таблице в строках слева направо. Так металлы подразделяются на химически очень активные щелочные металлы, чуть менее активные щелочно-земельные, характерные  переходные металлы и химически достаточно инертные постпереходные  металлы.

Неметаллы подразделяются на многоатомные неметаллы, при этом они ближе к металлоидам т.к. иногда проявляют металлические свойства, на галогениды и инертные газы. Доля неметаллов среди всех элементов небольшая - их 19 из 118 известных элементов.

На самом же деле такое подразделение даже внутри каждой категории весьма условно и на этих условных границах есть большое «перекрытие». Например, бериллий относится к щелочно-земельным элементам, но его амфотерность и склонность образовывать ковалентные соединения позволяют относить его к постпереходным металлам. Радон относится к благородным газам, но образует ряд ионных соединений характерных для металлов. Поэтому существуют и другие типы разделения элементов на группы, например, по минералогическим признакам или кристаллическим структурам соединений. 

Щелочные и щелочно-земельные металлы

Эти две категории очень похожи друг на друга, но щелочно-земельные металлы менее химически активны. Все они образуют основные оксиды. Для них характерна низкая механическая прочность, все щелочные металлы легко режутся ножом, очень высокая химическая активность (например, калий, и тем более рубидий могут воспламеняться прямо на воздухе, а с водой реагировать со «взрывом» - реакиция идет настолько быстро, что раздаётся хлопок). Магний и бериллий более твёрдые и гораздо менее реакционно способные, поэтому они используются иногда в чистом виде или в виде сплавов (магний-алюминиевый сплав очень важен в авиационной отрасли, например).

Переходные металлы

У этой группы очень широкий спектр физических и химических свойств. Например, температура плавления у ртути -38,8 ºC, а у иттрия 1795 ºC. Так же в очень широком диапазоне находится твёрдость, плотность, химическая активность (например, благородный металл золото очень химически инертен, а цинк наоборот весьма реакционно способен и по этому показателю ближе к щелочно-земельным элементам). Металлы этой группы - основа всех промышленных производств и сфер жизни. Они применяются во всех отраслях промышленности - от конструкционных материалов до микроэлектронной промышленности.

Лантаноиды

По своим свойствам они похожи так же на щелочно-земельные металлы, но менее активны. Лантаноиды и их соединения очень похожи друг на друга, поэтому трудно поддаются разделению. В природе они очень рассеяны и их добыча весьма сложна. Однако благодаря свойствам их соединений они крайне важны в современной промышленности.

Актиноиды

Почти все актиноиды мягкие, плотные и достаточно реакционно способные металлы. Металлы от актиния до плутона встречаются в природе, остальные получают только в лабораториях. 

Постпереходные металлы

Мягкие или хрупкие металлы с низкой механической прочностью и температурой плавления ниже температур плавления переходных металлов (например, ртуть -38,8 ºC, индий 156,6 ºC, олово 231,9 ºC, алюминий 660 ºC). С неметаллами образуют как правило ковалентные соединения, кислотно-основные соли, для их оксидов характерна амфотерность.

Металлоиды

Это промежуточный тип элементов между металлами и неметаллами. Кремний, например, внешне выглядит как металл (серый блестящий), но при этом совершенно непластичный (хрупкий) и является полупроводником. Химически они в основном ведут себя как неметаллы. Образуют кислотные или амфотерные оксиды.

Неметаллы (реакционные)

При нормальных условиях бор, углерод, фосфор, сера, селен - твёрдые вещества различных цветов. Каждое их них имеет различные формы кристаллической решетки (аллотропные модификации), например красный, желтый, черный, белый фосфор, которая очень сильно влияет на их химическую активность (например, графит гораздо менее активен обычного угля) и физические свойства (алмаз самое твердое вещество в природе и это прозрачный материал, а графит хрупкий, мягкий, непрозрачный).

Азот и кислород - газы. При этом азот достаточно химически инертен, кислород напротив является очень активным окислителем.

Галогениды имеют разные физические свойства (фтор, хлор - газы, бром - жидкость, иод - твердое вещество). Астат получен только в крайне малых количествах как и теннессин, их свойства изучены плохо. Химически галогениды - очень сильные окислители (фтор самый сильный в Таблице Менделеева). С металлами образуют как правило соли с ионной решеткой, а с водородом очень сильные кислоты. С неметаллами так же образуют множество многоатомных соединений как правило с ковалентными связями.

Неметаллы (инертные газы)

Крайне химически пассивные вещества. Первое соединение ксенона XePtF₆ было синтезировано в 1962 году, а соединения неона и гелия до сих пор неизвестны. Тем не менее инертные газы играют огромную роль в различных отраслях промышленности, медицине, при подводных погружениях и т.д.

P.S.: Интересно, что название "Таблица Менделеева" известна в основном только в России, а в остальном мире она называется чаще всего просто "Периодическая таблица".

P.P.S.: Статья будет дополняться и корректироваться.