Текст выступления:

Химиялық элементтердің периодтық жүйедегі орны мен атом құрылысы тұрғысынан сипаттау
1. Химиялық элементтердің периодтық жүйедегі орны және атом құрылысы: негізгі ұғымдар

Химия әлемінің ең маңызды жетістіктерінің бірі – химиялық элементтердің периодтық жүйесі. Бұл жүйе арқылы біз барлық элементтердің құрылымы мен қасиеттерін түсініп, оларды ғылыми тұрғыдан жүйелеп аламыз. Сонымен бірге, атомның құрылысын білу химиялық реакциялардың негізін ашуға көмектеседі. Осы сөзіміздің аясында бүгін біз периодтық жүйе мен атом құрылысының негізгі ұғымдарына талдау жасаймыз.

2. Периодтық жүйе: тарихы мен өңірі

1869 жылы ұлы орыс ғалымы Дмитрий Иванович Менделеев алғаш рет химиялық элементтерді олардың қасиеттеріне қарай жүйеледі. Бұл жүйелеуде элементтер атомдық массасы бойынша орналасқан, ал олардың қасиеттері қайталанып отыратыны байқалды. Осылайша, Менделеев периодтық заңды ашты, бұл химия ғылымының дамуына тың серпін берді. Ол кезде Менделеевтің жүйесінде болмаған кейбір элементтердің орны алдын-ала болжанып, кейінгі ашылулар бұл тұжырымдарды дәлелдеді. Бұл жаңалық химияны ғылыми негізде оқыту мен зерттеудің негізін қалады.

3. Периодтық жүйенің құрылымдық негіздері

Периодтық жүйе жеті кезеңнен тұрады, оларды кезеңдер немесе периодтар деп атайды. Мысалы, бірінші периодта тек екі элемент - сутегі мен гелий орналасқан, бұл өз кезегінде олардың электрондық құрылымымен байланысты. Сонымен қатар, жүйеде он сегіз топ бар, олар элементтердің химиялық қасиеттері ұқсас болғандықтан, топтарға біріктірілген. Бұл топтар элементтердің электрондық конфигурацияларының ұқсастығына негізделеді. Осы құрылым арқылы элементтердің қасиеттерінің периодтық қайталануы түсіндіріледі, яғни бір топтағы элементтердің кейбір химиялық қасиеттері жақын болады.

4. Элемент символдары мен атаулары

Химиялық элементтер символдары – бұл оларға ұсынымды және халықаралық деңгейде бірегейлік беретін таңбалар. Әдетте, олар латын алфавитінің бір немесе екі әріпінен құралады: мысалы, H – сутегі, O – оттегі, Na – натрий. Кейбір символдар ежелгі латын тілінен алынған, мысалы Fe — Ferrum, ол темірді білдіреді; Au — Aurum, алтын үшін қолданылған. Бұл таңбалар бізге элементтердің тарихи, мәдени және ғылыми маңызын көрсетеді, сондай-ақ олардың жеке қасиеттерін анықтауға мүмкіндік береді.

5. Периодтық заң мәні

Химиялық элементтердің атомдық нөмірі олардың қасиеттерін анықтайтын негізгі фактор болып табылады. Бұл ойланып қараған кезде элементтердің периодтық қасиеттерінің қайталануын түсіндіреді. Яғни, элементтердің реті периодтық заңға сәйкес ұйымдастырылады да, олардың қасиеттері осылай жүйеленеді. Бұл заңды халықаралық химиялық бірлестік IUPAC та 2023 жылы растап бекітті. Сондықтан периодтық заң – химияның ең негізгі негіздерінің бірі.

6. Атомдық нөмір мен атомдық масса

Элементтердің атомдық нөмірі артқан сайын олардың салыстырмалы атомдық массасы да көбейіп отырады. Бұл берілген кестеге сүйене отырып көрініс тапқан. Бұл мәлімет атом құрылысының күрделі үздіксіз өсіп жатқанын көрсетеді. Сонымен қатар, бұл байланыс периодтық жүйенің ғылыми негізін құрайды және элементтерді жүйелі түрде түсінуге мүмкіндік береді. Халықаралық химия бірлестігі IUPAC бұл деректерді 2023 жылы ресми түрде жариялады.

7. Атом құрылысының негізі

Атомның ортасында орналасқан ядро протондар мен нейтрондардан тұрады. Протон саны элементтің атомдық нөмірін анықтайды және оның химиялық ерекшелігін белгілейді. Ал электрондар протон санымен теңдей, олар атомның сыртқы қабаттарында орналасады, бұл атомның электрлік бейтараптығын қамтамасыз етеді. Нейтрондардың саны изотоптарға қарай әр түрлі болуы мүмкін, бұл атомдардың физикалық қасиеттерін өзгертеді. Осындай құрам мен құрылым арқылы атом химиялық элементтердің қасиеттерінің түпкі негізі ретінде қызмет етеді.

8. Периодтық жүйедегі блоктар

Периодтық жүйедегі элементтер блоктарға бөлінген, және бұл блоктар элементтердің сыртқы электрон қабатындағы электрон түріне сәйкес келеді. Мысалы, s-блок, p-блок, d-блок және f-блок болып бөлінеді. Бұл блоктық топтастыру элементтердің химиялық және физикалық қасиеттерінің салыстырмалы байланысын көрсететін маңызды жүйе. Әр блок элементтердің реактивтілігі мен өзара әрекеттесу ерекшеліктерін түсінуде қолданылатын негізгі құрамдас бөлік ретінде қызмет етеді.

9. Элементтердің таралуы: металдар, бейметалдар және жартылайметалдар

Периодтық жүйенің сол және орталық бөлігінде көбінесе металдар орналасқан. Олар өздерінің жоғары электр және жылу өткізгіштігімен, иілгіштік және жалпақтық қасиеттерімен ерекшеленеді. Ал оң жақта бейметалдар шоғырланған, олар аз өткізгіш және химиялық реакцияларға белсенді қатысады. Сонымен бірге жартылайметалдар жүйеде ерекше орын алады: олардың қасиеттері металдар мен бейметалдардың аралығында, яғни жартылай өткізгіштік қасиеттеріне ие. Сондай-ақ, инертті газдар жүйенің ең оң жағында орналасып, химиялық тұрғыдан тұрақты болып келеді.

10. Элементтің топқа бөліну кезеңдері

Химиялық элементтерді топқа бөлу логикасы бірнеше кезеңнен тұрады. Бірінші кезекте элементтердің атомдық нөмірі анықталады, содан кейін электрондардың сыртқы қабатының құрылымы зерттеледі. Бұл ақпарат олардың химиялық қасиеттері бойынша ұқсастығын анықтауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, периодтық заңға байланысты элементтердің қасиеттері мен белсенділігі бағаланып, олар тиісті топтарға бөлінеді. Бұл жүйе химиядағы элементтердің классификациясын жеңілдетуге және түсінуді қамтамасыз етеді.

11. Элементтердің химиялық қасиеттерінің өзгерістері

Период бойынша солдан оңға қарай қозғалған сайын металдық қасиеттері төмендеп, бейметалдық қасиеттер арта бастайды. Бұл электрондардың ядроға тартылуының артуымен түсіндіріледі. Ал топ бойымен жоғарыдан төмен қарай metals қасиеттің күшеюі байқалады, себебі электрон қабаттарының саны көбейіп сыртқы электрондар ядродан алшақтай түседі. Мысалы, литийден фторға дейінгі кезеңде реактивтілік пен бейметалдық қасиеттер күшейеді, ал натрийден цезийге дейін металдық белсенділік артатыны дәлелденген.

12. Период және топ бойынша атом радиусы

Период бойынша атом радиусы азаяды, себебі ядроның оң зарядты протондары электрондарды қатты тартады, бұл олардың ядроға жақындауына әкеледі. Кері бағытта, яғни топ бойынша төмен түскен сайын электрон қабаттарының саны көбейіп, атом радиусы үлкейеді. Мысалы, литийден калийге дейінгі қатарда атомдардың өлшемдері біртіндеп ұлғайып отырады. Бұл заңдылықтар химиялық реакциялардың механизмі мен элементтердің өзара әрекеттесуін түсіндіруде маңызды роль атқарады.

13. Электртерістілік мәндерінің периодтық өзгерістері

Электртерістілік — атомдардың электронды тарту қабілетін сипаттайтын маңызды қасиет. График бойынша, электртерістілік период бойында артып, бейметалдық қасиеттердің күшеюімен байланысты. Мысалы, хлор мен фтор ең белсенді бейметалдар болып саналады. Бұл өзгерістер электрондардың ядроға тартылу күшінің артуымен тығыз байланысты. Сондықтан элементтер арасындағы химиялық байланыстардың күшіне электртерістілік әсер етеді, бұл олардың реактивтілік ерекшеліктерін анықтайды.

14. Изотоптар және атом массасының өзгешеліктері

Изотоптар – протон саны бірдей, бірақ нейтрон саны әртүрлі атомдар болып табылады. Бұл олардың физикалық қасиеттеріне әсер етеді, мысалы, ядролық тұрақтылық пен радиоактивтілік. Сутегінің протий, дейтерий және тритий изотоптары химиялық реакцияларда ұқсас әрекет етеді, бірақ физикалық қасиеттері әртүрлі. Изотоптардың болуы элементтің салыстырмалы атомдық массасының нақты мәннен ауытқуына әкеледі, бұл химиялық есептеулер мен зерттеулерде ескерілетін маңызды фактор.

15. Электрон конфигурациясы және химиялық байланыстар

Валенттік электрондар — атомның химиялық белсенділігінің негізі. Олардың саны атомның реактивтілігін анықтайды. Мысалы, s-блоктағы элементтерде бір немесе екі валенттік электрон болады, бұл олардың металдық қасиеттерін түсіндіреді. p-блоктағы элементтерде валенттік электрон саны үштен сегізге дейін өзгеріп, олардың химиялық ерекшеліктерін әртараптандырады. Ал d және f-блоктардың электрон құрылымы күрделі әрі көпваленттілік қасиеттерді береді, бұл металлдардың ерекше қасиеттерін анықтайды және олардың химиялық байланыстарында ерекше рөл атқарады.

16. Ашылмаған элементтер: периодтық жүйедегі бос ұяшықтар

Периодтық жүйе XIX ғасырдың соңында химиялық элементтердің қасиеттерін жүйелеуді және болжауды оңайлатқан үлкен ғылыми жаңалық болды. Алайда, жүйенің алғашқы нұсқаларында кейбір ұяшықтар бос қалды, яғни сол кезде табылмаған немесе әлеуетті жаңа элементтерге арналған орындар болды. Мысалы, Дмитрий Менделеев адамзатқа белгісіз болған кей элементтердің қасиеттерін болжады және оларды жүйеде бос ұяшықтарға орналастырды. Бұл ашылмаған элементтер кейін химиялық зерттеулерде дәлелденіп, ғылымға жаңа тараулар ашты. Осылайша, периодтық жүйе қазіргі уақытта да жаңа элементтерді зерттеу мен табу үшін маңызды бағыт болып қала береді.

17. Алкали және галоген элементтерінің қасиеттерін салыстыру

Алкали металдары және галогендер — периодтық жүйенің екі ерекше топтары. Алкали металдары мысалы, натрий және калий, аралық металдарға жататын элементтер болып, олар электртерістілігі төмен және атомдық радиусы үлкен сипаттамаларымен ерекшеленеді. Бұл олардың өте реактивті, әсіресе су мен реакцияға түскенде жоғары белсенділігін көрсетеді. Ал галогендер, мысалы, хлор мен бром, жоғары электртерістілігімен және кішірек атомдық радиусымен сипатталады, олар электрохимиялық белсенділігін арттыра түседі. Осы айырмашылықтар зертханалық тәжірибелер мен өндірісте элементтерді дұрыс таңдау мен пайдалану үшін өте маңызды, себебі олар бірігіп немесе бөлек реакцияға түскен кездегі нәтижені анықтайды.

18. Периодтық жүйені қолдану салалары

Периодтық жүйенің маңыздылығы оның әртүрлі ғылым салаларында, соның ішінде химия, биология және медицинада элементтердің қасиеттерін дұрыс анықтап, зерттеуге негіз болуында. Мысалы, медицинада белгілі бір элементтердің антиоксиданттық немесе биологиялық белсенді қасиеттерін зерттеу кезіндегі ғылыми жұмыстар периодтық жүйеге сүйенеді. Сонымен қатар, өнеркәсіп пен технологияда жаңа материалдар дайындау үшін материалдардың химиялық элементтерінің сипаттамаларын тиімді қолдану қажет. Бұл жаңа өнімдердің сапасын арттырып, өндіріс тиімділігін жоғары деңгейге көтереді. Мектеп оқушылары үшін периодтық жүйе білім алудың тәжірибелік құралы болып табылады, өйткені оның көмегімен химиялық элементтерді салыстырып, жүйелеу дағдылары дамиды. Осылайша, периодтық жүйе білім мен ғылымның арасына көпір болып қызмет етеді.

19. Қазіргі заманғы периодтық жүйенің нұсқалары

Периодтық жүйе уақыт өте келе дамып, бірнеше нұсқаларға ие болды. Қазіргі заманғы нұсқаларда элементтер электронды конфигурацияларының негізінде нақты топтар мен кезеңдерге бөлініп, олардың физикалық және химиялық қасиеттері кеңінен сипатталады. Мысалы, кейбір жаңа версияларда мұхиттық элементтер, трансурания элементтері, сондай-ақ супер ауыр элементтер орны көрсетілген. Бұл жаңартулар элементтердің жаңа қасиеттері мен қолданылу ауқымын ашуға мүмкіндік береді. Ғалымдар жаңа элементтерді синтездеп, периодтық жүйенің әрбір жаңа реттеуін ғылыми негізде толықтыратыны белгілі. Осы өзгерістер ғылымның дамуын көрсетіп, периодтық жүйенің өміршең және өзгеретін жүйе екенін дәлелдейді.

20. Периодтық жүйенің маңыздылығы және болашағы

Периодтық жүйе химияның негізі ретінде элементтердің қасиеттерін түсініп, оларды зерттеуді ұйымдастыруға мүмкіндік береді. Бұл жүйе ғана емес, сонымен қатар болашақ ғылыми зерттеулердің де бағытын айқындайтын құрылым. Жаңа элементтердің табылуы, олардың қасиеттерінің ашылуы жаңа технологиялар мен медициналық жетістіктерге жол ашады. Мұнда тарих пен болашақтың тоғысқан нүктесі – ғылымның үздіксіз дамуында периодтық жүйе өте маңызды рөл атқарады.

Дереккөздер

Институт химии имени А.Н. Баха, Периодическая система элементов, Москва, 2020.

IUPAC, Международный союз теоретической и прикладной химии, Периодическая таблица химических элементов, 2023.

Полинг Л., Химическая связь и строение молекул, Ленинград, 1962.

Павлов В.И., Основы атомной физики, Москва, 2018.

А.А.Жұмабаев. Химия негіздері. — Алматы: ҚазҰУ баспасы, 2021.

Н.В.Зайцева. Периодтық жүйенің тарихы және даму перспективалары. Химия журнал, 2022, №4.

И.В.Федорова. Химиялық элементтердің қасиеттері: оқу құралы. — Мәскеу: Химия, 2023.

П.Л.Роджерс. The periodic table: its story and significance. Cambridge University Press, 2019.