Атомдардың құрылысы мен элементтер системасы

Атомдардың құрылысын түсіндіру үшін барлық элементтердің периодтық системасын қарап шығу керек. Бұл мәселе химия курсында айтылады. Біз бұл жерде тек сол системаның қазіргі замандағы түрін түсіндіретін бір жеңіл схема келтіреміз (схеманы қараңыз). Aтом ядросы оң зарядты протондардан және зарядсыз нейтрондардан тұрады дегенбіз. Ядро сыртында айналып жүретін жеңіл және теріс зарядты электрондар бар. Әрбір элементтің электрон саны оның рет нөміріне тең. Мысалы, сутегінің нөмірі 1, оның электроны да 1, уранның нөмірі 92, оның электроны да 92. Сол электрондар атом ядросының сыртында белгілі бір тәртіп бойынша орналасқан. Д.И.Менделеевтің периодтық заңы электрондардың орналасу тәртібін көрсетеді, яғни период нөмірі атом ядросының сыртындағы электрон қабығының санын көрсетеді. Элементтер системасының 7 периодтық тобы 7 қабат электрон қабығына дәл келеді. Осы қабықтарды ішінен (ядродан) сыртына қарай санағандағы белгілері мынадай: 1) К, 2) L,3) М, 4) N, 5) 0, 6) Р, 7) Q (схеманы қара). Осы 7 үлкен периодтың үшеуі екі қатардан тұрады; олар: 4, 5, 6 периодтар. Сонымен, барлық элементтер oн қатарға бөлінеді (І—X). Енді, осы он қатардағы элементтердің электрон қабықтарының қалай құрылғандығына тоқталайық . Бірінші (I) қатардағы элемент саны екеу: 1—сутегі (Н), 2— гелий (He); электрон қабығы біреу (К); ол қабықтағы электрон саны не біреу, не екеу. Демек, бұл қатардағы екі элементтің айырмасы сол, олардың нөмірлеріне сәйкес электрон сандары сутегінде біреу, гелийде екеу. Осы айтылғандар жоғарыдағы суретте қалай көрсетілген? Мұнда 1 жатық жол мен элемент нөмірлері (№№) тұрған тік жолдың кездескен жерінде сол қатарға жататын элементтердің нөмірлері көрсетілген (1—2,яғни сутек, гелий деген түсінікті береді). Тағы сол 1 жол мен К электрон қабатының тік жолы түйіскен жерде сол қабықтағы электрон саны көрсетілген (1—2). Бұл сандардың алдындағы элемент нөмірлеріне дәл келетіні бұрын айтылған. Ендігі жерде жатық жол мен тік жолдың түйіскен жерлерін оңай табу үшін, оларды былай белгілейік: 1 жатық жол мен К тік жолдық түйіскен жерін (координатасын) 1К дейік. Сонымен, 1K—1—2 деген жазудың оқылуы: I қатардағы элементтердід электрон қабығы К, ондағы электрон саны бірден екіге дейін, демек, элемент саны да екеу. Екінші ( I I ) қатардағы элемент саны сегіз, оның нөмірлері 3-тен 10-ға дейін; схеманың жоғарыда айтылған координата тәртібі бойынша мұны былай көрсетеміз: ІІ№№ = 3—10. Олар мына элементтер: 3) литий (Li), 4) бериллий (Be), 5) бор (В), 6)көміртек (С), 7) азот (N), 8)оттек (О), 9) фтор (Ғ), 10) неон(Ne).

Атомдардың құрылыс схемасы. Электрон қабықтарындағы электрон сандары цифрмен көрсетілген.

Екінші қатардың элементтерінде электрондық қабық та екеу: К, L. Оның бірінші (К) қабығындағы электрон саны 2, екінші (L) қабығындағы электрон саны бірден сегізге дейін. Мұны координата әдісі бойынша былай жазамыз: ІІК=2, IIL= 1—8. Демек, бұл қатардағы элементтердің рет нөмірі де он, онын электрон саны да он (2 + 8=10) болады. Үшінші (III) қатардағы элементтер саны тағы сегіз, рет нөмірі 11-ден 18-ге дейін, яғни ІІІ№№ = 11—18. Ол элементтер:11) натрий (Na), 12) магний (Mg), 13) алюминий (А1), 14) кремний (Si), 15) фосфор (Р), 16) күкірт (S), 1-7) хлор (С1),18) аргон (Аг). Үшінші қатарға үшінші электрон қабығы (М) қосылады. Мұны былай жазамыз: ІІІК = 2, IIIL = 8, ІІІМ= 1—8. Демек, үшінші қатардыд К қабығында 2 электрон, L қабығында 8 электрон, М қабығында 1-ден 8-ге дейін электрон болады. Осы үш қатардағы заңдылық тәртіп басқа қатарларда да бар. Сондықтан бұларға аз тоқталамыз. Ең әуелі есте болатын жағдай мынау: қай қатар болса да элементтің валенттігі сол қатардағы ең ақырғы (өзгермелі) электрон қабығына байланысты болады. Осы валенттік, яғни ақырғы электрон қабықтағы электрон санының тұрақты шегі 2 және көбінесе 8 болады. Тұрақты шек дегеніміз — электрон саны соған жеткенде элемент валентсіз-зарядсыз, химиялық қосылыспайтын инертті затқа айналады. Мысалы, бірінші К қабығыныд тұрақты шегі 2, яғни бұл қабықта электрон саны 2-ге толса, ол элемент инертті түрге келеді де, ол қабыққа басқа электрон қосылмайды. Сондықтан келесі электрондар жаңадан қабық құрайды. Екінші L қабығыныд тұрақты шегі 8, яғни бұл қабықта электрон саны 8-ге толса, ол. элемент инертті қасиетке ие болады да, келесі элементтер жададан электрон қабығын кұрайтын болады. Үшінші М қабықта тағы солай 8 электронды шекпен аяқталады. Онан әрі қарайғы тақ қатарлардың барлығында да ақырғы электрон кабығы сол сияқты 8 электронмен аяқталады, яғни VN = VIІ0 = ІХР = (1—8) =ІIL = III М.

Кейінгі жұп (IV, VI, VIII, X) қатарлардың бір өзгешелігі— олардың тек ең ақырғы валенттік қабығы ғана өзгеріп қоймайды, сонымен қатар оның алдындағы қабықтары да өзгереді. Бұлардың бәрінде де ең ақырғы (сыртқы) валенттік қабықтар көп өзгере қоймайды, онда ылғи 1 немесе 2 электрон болады. Оның есесіне ең ақырғының алдындағы қабықтың электрон саны өзгереді. Ол өзгерістер суретте көрсетілген. Мысалы, IVM клеткаларында элементтердің тиісті кабықтарындағы электрондар сандары көрсетілген. IVM клетканың ең.алдында 8 екі рет келтірілген, демек, нөмірі 19 (калий) мен 20 (кальций) екеуінің де М қабығында электрогі саны 8-ден болады. Бірақ олардың айырмасы келесі валенттік N қабығында, яғни алдыңғы үстіңгі қатарда 1 (калий 1 валентті), онан кейін сол катарда 2 (кальций 2 валентті) цифрларымен көрсетілген. Дәл осыған ұқсас жағдай 24 (хром) және 25 (марганец) элементтерінде бар: бұл екеуінің де М қабығындағы электрон сандары бірдей, яғни 13-тен, бірақ хромның валент-тік қабатында 1 электрон, марганецтікінде 2 электрон болады. Бұл қатардағы басқа қалған элементтердің валенттік электрондары 2, бірақ М қабағындағы электрондары әр түрлі: 9, 10, 11, 14, 15, 16. VI қатардың N және О қабықтарында да жоғарыда айтылғанға ұқсас жағдайды көреміз. Ал VIII қатардың 0 және Р қабықтары, X қатардың Р және Q қабықтары соған ұқсас. Сонымен, М қабығынан бастап, валенттік қабық алдындағы қабықтағы тұрақты электрон санының шегі 18 екенін көреміз. Кейінгі үш қатардағы элементтердің қабықтарында және ең ақырғы қатардың 0 қабығында электрондардың тұрақты саны 32 болады. Сонымен, электрон қабықтарындағы тұрақты электрон сандары 2,8,18,32. Соның ішінде 2 мен 8 екеуі валенттік қабықта да болады, 18 бен 32 тек ішкі қабықтарда ғана болады. Осы айтылғандардан басқа кейінгі екі жұп қатардың екі топ элементінде тағы бір өзгешелігі бар. Олардын, кейінгі екі қабығы ғана емес, үшінші қабықтары да өзгермелі. Атомдарының терең (үшінші) қабықтары өзгермелі болғандықтан бұл топтардағы көп элементтер радиоактивті элементтер болып табылады. Бұл екі топтың бастапқысы лантанидтер (58-71 нөмірлі элементгер), екіншісі актинидтер (90—103 немірлі элементтер). Осы екеуі де элементтердің периодтық системасында жеке көрсетілетіні мәлім. Актинидтер — радиоактивтік элементтер. Олардың ішіндегі белгілілері — торий, радий, уран сияқты элементтер, ал қалған басым көпшілігі жасанды элементтер. Лантанидтер мен актинидтердің үшінші қабықтарындағы электрон саны жалпы алғанда 20-дан 32-ге дейін өзгереді. Тек олардың араларындағы 25 пел 32 нөмірлер екі реттен қайталанады (бұл IVM клеткадағы 13-тің екі рет қайталағаны сияқты), 26 нөмірлі электрон екеуінде де жоқ , оның үстіне актинидте 22 немір де жоқ . VIII қатардағы лантанидке дейінгі элементтердің (№ 55, 56,57) қабығында және Х қатардағы актинидке дейінгі элемент- тердің (№87,88,90) О қабығында электрон саны 18, яғни бұл тұрақты сан. Сол VIII қатардағы айтылған лантанидтерден кейінгі элементтердің (№ 72—78) сол қабықтарындағы электрон сандары 32, яғни бұл да тұрақты сан. Сонымен, барлық элементтердід атомдық құрылысын шолып өтуді аяқтадық . Енді осыған байланысты элементтердің валенттігін және катион мен анионға бөлінуін қарастырайық . Атомдардың электрон қабықтарыныд ед сыртқысы ғана валенттік болатынын білеміз. Ал ең сыртқы валенттік қабықтың тұрақты электрон санының шегі 2 және 8 болатыны да айтылды. Атомдардың ионға айналуы, яғни иондануы (зарядталуы) дегеніміз — сол сыртқы қабығындағы электрон санын өзгертуіне байланысты. Алайда сыртқы қабықтағы электрон саны өзгергенде әрдайым тұрақты сан шегіне (2 немесе 8-ге) жетуге тырысады. Әрбір атомның ішкі протондық оң заряды мен сыртқы электрондық теріс зарядының саны бірдей болады. Сондықтан атом теңгерілген, яғни зарядсыз зат. Оның сыртындағы электрон саны өзгергенде зарядтың теңдігі де өзгереді, демек, атом ионға айналады. Оң зарядты ион — катион, теріс зарядты ион — анион деп аталады. Сыртқы қабыққа электрон қосылса, ол анион болады, өйткені электрон теріс зарядты белшек. Сыртқы қабықтан бір электрон кетсе, ол атом оң зарядты катионға айналады, өйткені тең зарядты атомның теріс заряды (электроны) кетіп азайған соң, оның оң заряды көп болып шығады. Катионға айналатын атомдар металдар, анионға айналатындары металлоидтар деп аталады. Атомнан электронның кетуі (яғни атомның электрон беруі) немесе оған электронның қосылуы (яғни атомның электрон алуы) олардыд қайсысының одайлығына қарай орындалады. Электронды беру мен алудың одайлығы валенттік қабықтағы электрон санына байланысты, яғни сол санды тұрақты санға (2 немесе 8-ге) жеткізу үшін неше электрон керек болса, атом сонша электрон алады немесе береді. Тұрақты санға жеткізу үшін қажетті электрон саны атомның өзіндегі электроннан аз болса, оны алу оңай (анион), ал атомның өзіндегі қажетті электрон санынан артық электрон болса, оны беру оңай (катион) болады. Демек, алуға да, беруге де жүретін валенттік электрон саны тұрақты санның жартысынан аз болу керек. Егер атомның өзіндегі валенттік электрон саны мен тұрақты санға жеткізуге қажетті қосымша электрон саны бірдей болса, онда алу мен берудің одайлығы (мүмкіндігі) бірдей болады, яғни анион да, катион да бола береді; басқаша айтқанда бұлар металлоид та, металл да бола береді. Біздід жоғарыдағы келтірген схемамыз — атомдардың жалпы құрылысын көрсететін горизонталь бағыттағы қатарлар. Енді элементтердің периодтық системасының тік бағыттағы қатарларын қарастырайық . Элементтердің тік бағыттағы қатарларын топтар (группалар) деп атайды. Барлық элементтер жеті негізгі топқа бөлінеді (I—VII), ал қосымша VIII және О топтарды қосқанда барлығы тоғыз болады.

Бірден жетіге дейінгі негізгі топтардың нөмірі сол топтардағы элементтердің ең сыртқы электрон қабықтарындағы валенттік электрон санын керсетеді. Қосымша VIII топты (темір, кобальт, никель, платина т. б.) көбінесе II, кейде III—IV топқа жатқызуға болады, ал О топ инертті газдар, яғни валенттік қабықтары тұрақты санға жеткен элементтер (гелий, неон, аргон, криптон,ксенон, радон). Бірінші топқа жататын элементтер: сутек (Н), литий (Li), натрий (Na), калий (К), мыс (Си), рубидий (Rb), күміс (Ag), цезий (Cs), алтын (Аu), франций (Fr). Бұлардың барлығыныңда сыртқы электрон қабығында жалғыз электрон болады, оны атом оп-оңай бере алады. Сондықтан бұлардың бәрі бір валентті катиондар — металдар — болып табылады, яғни:

Н¹⁺ , L i ¹⁺ , Na¹⁺ , К¹⁺ , Cu¹⁺ , Rb¹⁺ ,Ag¹⁺ , Cs¹⁺ , Au¹⁺ , F r ₁₊^{Superscript text} .

Бірінші топтағы тәртіп бойынша алғанда екінші топтың элементтері екі валентті металдар (катиондар) болады: яғни:

Ве²⁺ , Mg²⁺ , Са²⁺ , Zn²⁺ , Sr ²⁺ , Cd ²⁺ , Hg ²⁺ , Ra²⁺ , Ва²⁺. Тағы сол тұрғыдан қарағанда үшінші топтың элементтері үш валентті металдар (катиондар) болмақ , яғни: В³⁺ , Al³⁺ Sc³⁺, Ga³⁺ , Ү³⁺ , In³⁺ , La³⁺ , Т1³⁺ , Ас³⁺ .

Төртінші топтың элементтері металл мен металлоидқа ортақ болады, өйткені тұрақты 8 электрон санына жету үшін олардың өзіндегі 4 электронды беруіне де және сырттан қосып алуына да болады. Бірақ бұл арада мынадай бір жағдайды ескеру қажет. Біздің жоғарыдағы айтып келген алу, беру деген тәртіптеріміз алыс-беріс жасаушы катион мен анионның иондану күші бірдей шамада болғанда ғана дәл орындалады. Егер әлсіз ионды элемент күшті катионға тап келсе, ол анионға айналмақ , ал күшті анионга кез келіп қалса, ол катионға айналмақ . Иондардың күші валенттігіне байланысты, яғни валенттігі азайған сайын иондану күшейе түседі; кеп валентті иондар әлсіз болады, бұлар ретіне қарай кейде анионға, кейде катионға айналады. Мысалы, бір валентті және валентті металдар (I—II топ) күшті катиондар, VII және VI топтардың элементтері (металлоидтары) күшті аниондар болып табылады. VII топ элементтері бір валентті өте кушті аниондар (8 — 7 = 1 ) : фтор (Ғ^1- ) , хлор(С1^1- ) , бром (Вг^1- ) , иод (J^1- ) . Сол сияқты VI топ элементтері екі валентті күшті аниондар (8 — 6 = 2): оттек (0^2- ) , күкірт ( S^2- ) т. б. Күшті аниондарға кездескенде IV топ элементтері катионға айналады. Кейінгі элементтердің ішіндегі ең көбі оттек дегенбіз, оныд кларк саны 49,13%, сондықтан геохимия жағдайында өте көп кездесетін оттегімен қосылған тотықтарда төртінші топ элементтері (көміртек, кремний, титан, германий, цирконий, қалайы, гафний, қорғасын, торий) төрт валентті катионға айналады. Мысалы:

С⁴⁺ + 20^2- = С0₂ , Si⁴⁺ + 20^2- = Si0₂ , Ті⁴⁺ + 20^2- = Ті0₂ , Zr⁴⁺ + 20^2- = Zr0₂ , Sn⁴⁺ + 20^2- = Sn0₂ , Hf⁴⁺ + 20^2- = HfO₂ , Pb⁴⁺ + 20^2- = Pb0₃ , Th⁴⁺ + 20^2- = Th0₂ .

Осы тотықтар көбінесе жеке минералдар түрінде немесе олардыд 􀀃оспалары түрінде кездеседі. Мысалы, кремний тотығы Si0₂ аса жиі кездесетін кварц минералдары тобын құрайды, сонымен қатар көптеген минералдардың құрамына кіреді. Көміртек тотығы (С02 )—дүниеде аса көп тараған газ; қалайы тотығы (Sn0₂ )— касситерит атты белгілі минерал (қалайы кен тасы) т. с. с. Енді V топқа келейік. Бұған жататын элементтер: азот (N), фосфор (Р), ванадий (V), мышьяк (As), ниобий (Nb), сурьма (Sb), тантал (Та), висмут (Ві), протактиний (Ра). Бұлар да көбінесе катион мен анионға ортақ элементтер. Бірақ табиғатта күшті аниондар көп болғандықтан, бұлар да катион түрінде көбірек кездеседі. Мысалы, азот 5 валентті катион (N⁵⁺ ) немесе 3 валентті анион болады (N3 - ) . Өйткені 5 + 3 = 8, бұл тұрақты сан. Демек, V топ элементтері көбінесе не 5, не 3 валентті болады. Сайып келгенде атомдардың құрылысы жөніндегі және олардың минерал заттар құраудағы заңдылығы туралы жалпы түсінікті осымен аяқтаймыз. Мұнда берілген түсініктер, әрине, тек минералдардың жаратылысын тануда және олардың химиялық формулаларын жазуда есте болатын дәлел ретіндегі схема. Мұнан гөрі толығырақ талданған мәліметтерді оқушыларға арнаулы химия немесе геохимия кітаптарынан оқуын ұсынамыз. Атомдардың құрылысымен қатар минералогия ғылымына қажетті елшеулердің бірі — олардың иондық радиустары. Кристалдардың құралу энергиясы атомдар құрылысымен және иондардың өлшемдерімен (көлемімен) анықталады. Енді осы мәселеге қысқаша тоқтайық .