Единая картина мира. Системно структурным методом
Шрифт:
С появлением научного доказательства атомной теории в конце XIX века, появились мудрецы, опровергающие эту теорию. Так немецкая физическая наука, передовая наука того времени, находилась под влиянием энергетической теории, последователями которой были Джон Ринкен (1820–1872), Вильгельм Освальд (1853–1932), Эрнст Мах (1838–1916) и др., а также Макс Планк, которого позже принято считать основателем квантовой теории. Активным сторонником атомизма был Людвиг Больцман (1844–1906). Представители энергетизма отрицали существование атомов, недоступных для чувственного опыта (атом невозможно увидеть и ощутить). Спор между оппонентами был острым, как «тореро с быком». Планк в последствие писал: «Новая научная правда побеждает не потому, что удается переубедить оппонентов и заставить их прозреть, а больше потому, что оппоненты, в конце концов, умирают, уступая место новому поколению, для которых эта правда уже привычна».
Теория атомизма оказалась более убедительной в объяснении всех тепловых явлений как результат микроскопического движения атомов и молекул, из которых состоит материя. Когда рядом горячее и холодное тела, молекулы горячего тела посредством взаимного столкновения передают свою кинетическую энергию молекулам холодного тела. Эти объяснения, построенные на основании исследования излучений черного тела, сформулированы законы термодинамики, используемые до сих пор, а также Больцман открыл статистическую интерпретацию понятия энтропии. Энтропия тела S пропорциональна логарифму термодинамической вероятности определенного состояния системы W. Эту формулу можно увидеть на могиле Больцмана в Вене:
Коэффициент k = 1,3806488(13)*10– 23 Дж*K– 1 носит название постоянной Больцмана.
Некоторые варианты таблиц простых химических элементов вызваны своей необходимостью представления химических элементов в разных областях знания, например, геохимики, имеют свою таблицу по распространенности элементов в земной коре; некоторые исследования химиков-аналитиков выделяли свои группировки элементов. Своеобразно таблица периодической системы химических элементов представлена русским химиком Рыбниковым Ю. С. (1955 г. р.), основанной на истории русской науки, включая Менделеева. Его своеобразное представление формы таблицы и элементов в таблице очевидно связано в какой-то степени с энергетической теорией с единственным отступлением – признание атомов, но отрицание их составляющих – атомного ядра и последующих частиц.
Немного ранее предложен интересный вариант таблицы Менделеева академиком Болотовым Б. В. (1930 г. р.), за основу которого взят атом водорода, все остальные элементы являются производными от него, образованных в результате соединения нескольких водородных или других атомов. Это происходит с помощью преобразования энергии на более высоком уровне, чем в обычных химических реакциях и на более низшем уровне, чем в ядерных процессах. Так появилась химия второго поколения, химия первого поколения это все процессы химических преобразований: горения, взрыва, термические процессы – это процессы на уровне эВ, иногда на уровне КэВ. Болотов занимался атомными процессами в диапазоне энергии от 250 МэВ (расщепление урана) до эВ, которым наука не занималась. Это было названо химией второго поколения. В дополнение к элементам таблицы Менделеева появляются фрагменты элементов, т. е. пришлось отказаться от атомной модели Бора, т. к. она не все объясняет. Структура атома представляется в виде кристалла, образованного из электронно-позитронных пар, сближенных за счет кулоновских сил, как гантели, но не на столько, чтобы аннигилировать. Эти пары как нейтральные могут образовывать кристаллические структуры, в виде правильных геометрических фигур. Построено 9 таких тел, включая 5 платоновских конструкций и еще несколько, им даны свои названия: тетрон, кубон, ромбон и т. д. в соответствие с названием фигур. Это позволило построить таблицу, имеющую 9 рядов, в которой просматриваются физические законы и все закономерности таблицы Менделеева. Таблица построена в виде цилиндра, элементы усложняются по спиральной траектории, как по диагоналям, а также по зигзагам. На другой таблице изображены потенциалы ионизации элементов. Верхний углеродный ряд, имеющий высший потенциал ионизации, доходящий до 140 эВ. Далее идет боровский ряд, за ним бериллиевый, литиевый, гелиевый ряд, водородный и ниже ряды азота, кислорода и фтора – те же 9 рядов, что и в первой таблице. В первом ряду за углеродом следует хром с похожими свойствами, следующий элемент молибден, далее идет платина и т. д. Если к углероду, у которого 6 водородных атомов добавить еще водородный атом получится 7, можно сказать, что это азот, но он
В 90-х гг. XX в. Международный союз по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) принял единую редакцию периодической системы химических элементов удлиненной формы, однако чаще встречается, особенно в учебных заведениях, та же таблица Менделеева укороченной формы. Иногда в других странах встречается данная таблица без указания имени Менделеева.
Структура атома, составными частями которого, согласно официально принятой теории, являются ядро, положительно заряженное, и электроны, имеющие отрицательный заряд, в свою очередь ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, объединенных в единое целое ядерными и электромагнитными связями. Количество электронов равно количеству протонов. Подробнее о составных частях атома, как переходном, промежуточном звене с более низшем уровне структурной организации материи – уровне элементарных частиц, приведены в своем разделе, хотя некоторые их части, по мере необходимости, могут использоваться здесь.
В свою очередь каждый химический элемент, имеющий свои физические и химические свойства, является уровнем структурной организации материи внутри атомного уровня (их можно называть подуровнями атомного уровня), что расширяет картину мира, углубляясь в атомный уровень. Первым химическим элементом таблицы является водород, имеющий один протон и электрон. Каждому последующему химическому элементу добавлены пара протона с нейтроном и электрон. Так создается иерархическая лестница уровней структурной организации атомов Здесь в явном виде демонстрируется закон диалектики – переход количественных изменений в качественные, являющиеся квантами материи на каждом уровне структурной организации. Каждая ячейка таблицы Менделеева содержит: символ элемента, заряд ядра, который является порядковым номером элемента, название элемента, относительная атомная масса.
Сегодня таблица Менделеева содержит 118 или (можно считать) 126 элементов. В природе было обнаружено только 94 химических элемента, 24 открыты в лабораториях, а еще 8 являются гипотетическими вариантами. Общее количество простых химических элементов более 400, включая изотопы и аллотропные модификации. Изотопы остаются в атомном уровне, как уровень (подуровень) соответствующего химического элемента. Для наглядности таблицу Менделеева можно представить не плоской, как сейчас, а объемной, трехмерной: за каждым элементом, у которого есть изотопы, находится квадратики с параметрами изотопов. Аллотропные модификации, состоящие из двух и более атомов, относятся к другому более высшему – молекулярному уровню структурной организации материи.
Все элементы таблицы упорядочены не только по атомному весу (массе), но и по заряду ядра и электронной конфигурации, характеризующих химические и физические свойства атомов, а также свойства и формы, образуемых ими соединений. Следовательно, среди простых химических элементов, составляющих таблицу Менделеева, выделяются группировки, обладающие определенными качествами. Конструкция таблицы состоит из горизонтальных рядов, которые называются периодами и вертикальных рядов, называемых группами. В таблице 18 групп (согласно широкой формы таблицы) и 8 периодов. Номер периода показывает число энергетических уровней в атоме, а номер группы показывает число электронов на внешнем валентном слое.
Первый, второй и третий периоды называются малыми, с четвертого по восьмой называются большими периодами, которые состоят из двух рядов, четный и нечетный. Кроме того имеются еще два ряда, находящиеся за таблицей – лантаноиды и актиноиды. Любая группа состоит из двух подгрупп – главной и побочной. В главной подгруппе находятся элементы больших и малых периодов, в побочной группе находятся только элементы больших периодов. Каждую из перечисленных группировок следует рассматривать как свои цепочки уровней (подуровней) структурной организации атомов, т. к. они выделены по определенным качественным характеристикам.
В периоде увеличивается заряд ядра, увеличивается число электронов на внешнем энергетическом уровне, уменьшается радиус атома, т. к. с увеличением заряда атома, сила сжатия атома увеличивается и уменьшается способность атома отдавать электроны, т. е. металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. В периоде увеличивается атомная электроотрицательность, т. е. способность атома притягивать к себе электроны от атомов других элементов. В группе увеличивается заряд ядра, увеличивается радиус атома, увеличивается способность атома отдавать электроны.