В помощь учителю химии
Д.И. Менделеев, 190-летие которого мы будем отмечать 8 февраля 2024 года, неоднократно говорил, что периодический закон химических элементов послужит основой для величайших научных открытий, да и сама таблица Менделеева будет со временем изменена…
Это время пришло. Улучшенная версия таблицы Менделеева связана с именем Артёма Ромаевича Оганова, кристаллографа, минералога, химика, педагога, профессора РАН… Только перечисление сфер его интересов, открытий, статей, научных и учебных заведений, с которыми он сотрудничает, составит не одну страницу. Прошу моих читателей сделать это самостоятельно. Скажу лишь только, что А. Оганова неоднократно, по различным версиям, признавали одним из самых цитируемых авторов в научном мире.
Я же в меру своих сил и способностей с помощью доступных мне материалов хочу рассказать о том, какой представил себе таблицу Менделеева Артем Оганов. А в реализации идеи педагога-наставника участвовал аспирант Сколковского института науки и технологий Захед Аллахьяри. Идея состояла в расположении известных науке химических элементов в порядке постепенного изменения их химических свойств.
Такая последовательность удобнее, чем таблица Менделеева, для предсказания твёрдости, стабильности, намагничивания и других свойств элементов и их соединений…
Как известно, Менделееву таблица расположения химических элементов по атомному весу приснилась. Оганову решение пришло при посадке в самолёт и попытках успокоить детей во время их усаживания в кресла. На каком-то этапе он оставил свои намерения, предоставив детям самим решить этот вопрос. А сам просто смотрел на спинку впереди стоящего кресла. И вдруг он увидел плоскость, на которой более или менее равномерно расположились элементы таблицы Менделеева в соответствии со своими свойствами.
Свою усовершенствованную «таблицу» А. Оганов увидел спустя 15 лет после того, как он начал задумываться над этим вопросом. Дело в том, что в 1984 году британский физик Дэвид Петтифор опубликовал работу, в которой ввёл понятие менделеевских чисел, – с их помощью он сгруппировал элементы в порядке изменения их химических свойств.
В таблице Менделеева свойства элементов меняются скачками: после самого активного неметалла фтора идёт инертный неон, а сразу за ним – активнейший металл натрий. Учёные понимали, что лучшим решением был бы вариант расположения элементов с похожими свойствами в непосредственной близости друг от друга.
Д. Петтифор выстроил элементы в некоторой последовательности, приписав им некие числа Менделеева. Но тайной для учёного мира остались и сами числа, и основания для пользования этими числами, а также их физический смысл. Было понятно, что операции с числами – это не точный расчёт, а предположение, основанное на наблюдениях за свойствами веществ, состоящих из двух атомов. Если NaCl и KCl похожи, то и располагаться должны рядом.
Статья Д. Петтифора заставила А. Оганова обратить внимание на самые различные характеристики химических элементов, влияющие на их свойства. Прежде всего это размер атома (радиус), валентность, поляризуемость, электроотрицательность. Валентность – параметр непостоянный, у элементов валентности могут быть разными. 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. Поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью. Электроотрицательность – способность атома оттягивать электроны других атомов в химических соединениях. Самая высокая степень электроотрицательности – у галогенов и сильных окислителей (F, O, N, Cl). Самая низкая – у активных металлов (Li, Na, K).
Учёные пришли к выводу, что для определения фундаментальных свойств атомов можно использовать только атомный радиус и электроотрицательность. И если по оси Х – радиус, а по оси Y – электроотрицательность, то получается плоскость, на которой элементы располагаются сильно вытянутым облаком. Внутри этого облака, воспользовавшись несложным математическим приёмом, можно провести линию, вдоль которой элементы встанут в порядке максимально плавного изменения свойств.
Так был открыт физический и химический смысл менделеевских чисел: это наилучшее представление всех химических свойств одним числом. Оганов и Аллахьяри предложили не только объяснение, но и улучшенную версию чисел Менделеева на основе фундаментальных характеристик атомов. Открытие получило название – «Универсальная последовательность элементов», по-английски Universal Sequence Of Elements, сокращенно USE.
Артем Оганов в беседе с корреспондентом журнала «Кот Шрёдингера» #3(44) декабрь 2020-январь 2021 так охарактеризовал открытие – «… 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, твёрдостью кристаллов, магнетизмом, энергией связи. Известно, что алмаз, состоящий только из углерода – самый твёрдый из кристаллов. А как искать самые твёрдые 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».
Прошу читателей написать в комментариях, насколько интересной и полезной была эта статья. А я постараюсь облачную таблицу представить на плоскости. Это позволит мне точнее определить области ваших интересов. В настоящее время я пишу о том, что интересно мне и, по моим ощущениям, может быть интересно моим читателям. Я собираю архив материалов по самым различным направлениям. Наверное, могу и выполнить ваши просьбы. На самом деле, написать статью и выложить её на канале, это только часть работы. Надо выбрать наиболее важные и интересные темы из огромного числа прочитанных книг, журналов, статей и сообщений на просторах интернета.