Patterns of the block approach for structure analysis of chemical elements and issues in materials science

Автор: Gusev B.V., Speransky A.A.

Журнал: Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal @nanobuild-en

Рубрика: Structuring of chemicals elements

Статья в выпуске: 1 Vol.11, 2019 года.

Бесплатный доступ

The authors developed a notion of the three-dimensional matrix of chemical elements, which made it possible to eliminate the main disadvantages of tabular forms of the structure of chemical elements developed by D.I. Mendeleev and the international community of IUPAC chemists. The three-dimensional structure is represented as an expanding conic matrix. At the same time, all known chemical elements up to number 118 are combined into four blocks. The block-structure made it possible to substantiate an electron-level formula, even for the proposed new chemical elements of the 5th block E with numbers 119 through 218. This allows for the development of a digital model for calculating interactions of chemical elements and obtaining new types of compounds and materials.

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/142227525

IDR: 142227525

Текст научной статьи Patterns of the block approach for structure analysis of chemical elements and issues in materials science

В январе 2019 года Мировое сообщество отметило 150-летие величайшего открытия в области фундаментальных научных знаний – опубликования периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – и представляется актуальным высказать некоторые соображения, связанные с современными задачами научно-технического развития.

В конструкционном материаловедении главной задачей является получение вещества с высокими эксплуатационными характеристиками, и неизбежно приходится обращаться к научной основе естествознания, периодическому закону Д.И. Менделеева. Сам автор выдающегося закона неоднократно возвращался к вопросам его «незавершенности и практических неясностей, в том числе к причинам закона кратных отношений, различия элементов и изменения их атомности, и в то же время нужно понять, что такое масса и тяготение» [1]. И если первая часть задачи наукой о веществе практически решена, то понимание второй её части актуально до сих пор.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Важный перечень вопросов в плане совершенствования знаний о периодичности озвучил лауреат Нобелевской премии академик Н.Н.Семёнов в постановочной лекции 1951 года перед студентами Физтеха: «Цель ясна – после устранения недостатков обнаружатся новые свойства и взаимосвязи элементов, что позволит проводить большинство научных исследований на новом, более высоком уровне и решать стоящие инженерные задачи не только вам – инженерам-физикам, а всем ученым, инженерам и практикам. Устранить эти очевидные недостатки пока никому в мире не удалось! А это необходимо для продвижения науки, технологий, техники и инженерии вперед». Озвучены главные недостатки периодической таблицы:

1. Ряды (так называемые полупериоды) в обозначенных периодах имеют разную длину. При этом число свободных мест – клеток 37.
2. В первом ряду элементов всего два; к тому же водород не занимает постоянного места, а эти два элемента составляют целый период.
3. Лантаноиды и Актиноиды оказались за пределами таблицы.
4. Добавилась открытая впоследствии учеными группа инертных газов.
5. Введенная позже длиннопериодная таблица положения в целом не спасает, таблица продолжает оставаться асимметричной. Периодов 7, а рядов 10, то есть полупериод и ряд – разные несовпадающие понятия [2].

К разрешению провозглашенной проблемы приложили усилия многие ученые и практики из разных стран мира, от известных химиков до настойчивых практиков. Из многочисленных безуспешных попыток усовершенствовать периодическую таблицу следует гениальность Д.И. Менделеева и чрезвычайная сложность поставленной академиком Н.Н. Семёновым задачи, актуальность которой никто не ставит под сомнение. Вместе с тем, наблюдаемое в мировой экономике всеобщее стремление к научно-техническому лидерству в освоении VI-го технологического уклада свидетельствует о том, что информационная модернизация системы химических элементов является предметом большой значимость [3].

В настоящей статье представлена объемная матрица химических элементов в качестве идентификационно – аналитического инструмента, который позволяет изучать большое многообразие физикохимических свойств уже известных и еще не открытых элементов через построение динамических энергетических моделей электронных оболочек собственно элементов и их соединений. Универсальность объемной матрицы состоит в том, что помимо обязательного порядкового номера и строгой координатной привязки химических элементов (либо их кластерных образований) к группам имеются широкие возможности структурного анализа физико-химических свойств элементов, законов и закономерностей их взаимодействий с использованием орбитальных структур периодичности [3].

При изучении проблем периодичности в качестве идеи были сформулированы достаточно очевидные положения. Мир многомерен и, как правило, рассматривается в пространственных измерениях, а таблица – двухмерная. Далее была сформулирована более убедительная идея рассмотрения химических элементов с позиции их происхождения в качестве материалов Вселенной (атомы – это звездная материя). При образовании и развитии Вселенной на первом этапе существовали только водород и гелий, и они должны быть во главе таблицы или, что более образно, объемной матрицы. Затем возникли легкие элементы, и только звезды с их высокими температурами и давлениями могли синтезировать тяжелые ядра. В качестве следующего предположения было принято, что создание элементов так же происходило по спирали, как развивается Вселенная [4].

На объемно-каркасной матрице представлены номера химических элементов в виде непрерывного ряда натуральных чисел от 1 до 118 и далее, равномерно распределенных по спирали сверху вниз (рис. 1). Порядковый номер элемента совпадает с величиной заряда ядра и таким же суммарным количеством энергетически уравновешивающих электронов на орбиталях оболочек. Подход универсален как по

STRUCTURING OF CHEMICALS ELEMENTS • СТРУКТУРИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

1. Атомный номер, п (1^118...),
2. Групповые свойства group 1-rVIII), ра диус-вектор элемента

=Нгг

период 1 (элементы 1-2)

период 2 (элементы

f БЛОКА

^ первый Орбитальный s-уровень

з, 4, 5-10}

д\ (0/2п) 9 II (П/4) дШ(п/2) д IV (3/4л)

gV(n)

д VI (5/4п)

д VII (3/2л)

д VIII (7/4п)

3 Электронный энергетический потенциал (ЗО-модель), Е_п

период 3 (элементы 11,12,13-18)

"Th^

БЛОК В второй Орбитальный s-p-уровень

4 Электронная уровневая формула элемента

период 4 (элементы 19, 20,2136)

f БЛОКС

I третий

I Орбитальный

I s-d-р-уровень

семейство металлов-1

Mo,

'"Zt?) период 5

(элементы 37, 38, 39-54)

семейство металлов-2

период 6

(элементы 55, 56,57-85)

БЛОК D четвертый Орбитальный s-f-d-р-уровень

семейство металлов-3

се Met мета.

юв-4

Д2дШ

п/4

Лантаноидов

период 7

(элементы 87, 88, 89-118)

семейство Актиноидов

5/4пП

t БЛОКD

I пятый

I Орбитальный

I s-g-f-d-р-уровень

Рис.1. Объемная периодическая матрица химических элементов

STRUCTURING OF CHEMICALS ELEMENTS • СТРУКТУРИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ отношению к короткопериодной таблице Д.И. Менделеева, так и длиннопериодной таблице IUPAK.

3D-спирально пространственная расходящаяся система каркаса матрицы химических элементов имеет 4 блока периодичности [3]:

– в первом блоке A представлены первые элементы народившейся Вселенной, водород и гелий;

– второй блок B образуют два одинаковых периода из восьми элементов от лития до аргона;

– в блоке C появились два дополнительных кластерных образования: железо, кобальт, никель и рутений, родий, палладий;

– в блоке D дополнительно включились семейства лантаноидов и актиноидов, а также два кластера: осмий, иридий, платина и хассий майтнерий, дармштадтий.

Пространственная форма объемной периодической матрицы позволила структурировать аномальные семейства III-й (лантаноиды и актиноиды) и VIII-й (металлоиды) групп третьего C и четвертого D уровней блочной периодичности, а уровневые формулы электронных оболочек облегчают формирование модели изучения системных закономерностей периодичности, включая механизмы насыщения и межуровневого перехода валентности через распределение электронов по разным энергетическим уровням (орбитали, состояния) электронных

оболочек. Системность периодичности актуальна при изучении тонких механизмов межуровневых переходов и устойчивых сбоев процесса синтеза электронных орбиталей.

В связи с международным юбилеем опубликования фундаментального открытия Д.И. Менделеева уместно рассматривать четыре уровня познания периодического закона.

Первый уровень соответствует обобщению фактов изменения химических свойств в зависимости от структуры ядра и возрастания атомных масс.

Второму уровню познания отвечает введение понятия о периодичности структуры электронной оболочки ядра атома, энергетически уравновешивающей заряд ядра и демонстрирующей повторение сходных типов электронных конфигураций атомов по мере увеличения атомного номера (порядкового номера элемента).

Третий уровень познания связан с разработкой периодической структуры электронно-уровневых орбиталей оболочек в системе энергетических уровней атома, реализующих в виде модели атомно-энергетического (валентного) взаимодействия.

Четвертый уровень позволит сформировать методы и условия формирования моделей веществ с учетом энергетических взаимодействий химических элементов, участвующих в этом процессе.

Таблица 1

Энергетические уровни электронных оболочек атомов химических элементов

| $ • элементы | р - элементы [ d - элементы ] f - элементы

№, химический знак, название элемента			краткая электронная СТРУКТУРА заполнения энергетических уровней электронных оболочек атомов химических элементов

блок А короткий 1 энергетический уровень 1Г
1	Н	Водород	К
2	Не	Гелий	К¹ 1-й заполненный энергетический уровень К* = 1s²

блок В		2 энергетических уровня
3	Li	Литий	K^ZL
4	Be	Бериллий
5	В	Бор	Kt²'¹
6	С	Углерод
7	N	Азот	^L²³
8	О	Кислород
9	F	Фтор
10	Ne	Неон	K^ZL^{2 6} 2-й заполненный энергетический уровень I²⁶ = 2s²2p°
3 энергетических уровня ^L^M*^
11	Na	Натрий
12	Mg	Магний	k47^sm²
13	Al	Алюминий	kW
14	Si	Кремний	КХ^М²²
15	P	Фосфор	kT^m²³
16	S	Сера	КУ М²⁴
17	Cl	Хлор
18	Ar	Аргон	k47®m^{2 6} м^2Ь = 3s²3p^b

STRUCTURING OF CHEMICALS ELEMENTS • СТРУКТУРИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

блок C		6 энергетических уровней K^sL^sP-M=p-^aM^sP^a-^,-o^s-P-^ap^sP-
55	Cs	Цезий
56	Ba	Барий	K²L^2bM²-^b’^,0N^2OWO^2bP²
57	La	Лантан	_K²L²^⁶"^UN^2D1UO^2D,P²
			I
70	Yb	Иттербий	_KZ_L2._bM2.₆.10_N-2.6..0.14₀Z._tip2	_N,.™ ^ _4s2_{4 ti4(j}W_4f1.
71	Lu	Лютеций	К²1_²-⁶М^¹⁰^-6-10-14^2-6. A p2
			4
80	Hg	Ртуть	К² L ²"^b M "²" ^b'¹ °N² ’^^w*¹⁴ Q^2b'^1u p ²	O²-⁶'™ = 5s²5p⁶5d^1u
81	T1	Таллий	K²L²"⁶ M²'⁶"¹⁰ N²'⁶*¹⁰" ¹ °p^{2 1}
82	Pb	Свинец	k^zl'²⁶m² t-105- lb- > ^Q-'-L 1 Up2-j
83	Bi	Висмут	^^7-yM0^.MU-i«y7-6-1Lp; "^J
84	Po	Полоний	^2^2-bj^Tbn^jTBT?CM
85	At	Астат	^2 ^з-ь ^б-ю ^-b-w-i 4 Qj-biUpZ-b
86	Rn	Радон	К²Ь^2ЬМ²'^¹⁰ N²'^¹⁰"¹⁴ O^2-b"^1UP^	P²"⁶ = 6s²6p^s
			7 энергетических уровней К⁶ L^'M⁵"¹	»-d-^po-r-QS-p-S7-pS-p-d-QS-p-
87	Fr	Франций
88	Ra	Радий	_K^_L3-^s_M^’0'_N^’8-»o«Wp2^
89	Ac	Актиний	K"L²"^bM²"^b"^,uN^2b"^,t,"’⁴O²'^ti"^JP²'^o"'Q²
			4
103	Lr	Лоуренсий	K²L^2bM^2b"¹ °N²⁶"¹⁰"¹⁴O²'^b" ^10-14p^2-b'¹ q²

112	Cn	Коперниций	K²L²'°/W^z"⁶* ¹⁰ M²⁶"¹⁰"¹ ’о²^6-10-14 p2-t>- W q2	P²-^s'¹⁰ = 6s²6p°6d °
113	Nh	Нихоний	^2^Z-b^2-t>-1U^Z-e>-7U.MQ2-ti-1U-14p2-b-^1uQ²-1
114	Fl	Флеровий	^2^Z-bj^2-t>-7U^Z-ti-7O-7 4Q2-tF¹U*¹4p2 b ^1uq2-2
115	Me	Московий	k²l²-⁶m² 5-1 0^2-6-10- Mq2-6- 1U-14p2-b-1 Uq2-3
116	Lv	Ливерморий	^²£²'⁶ J IO- 7 4q2-6- 1U-¹4p2-6-1 Dq 2-4
117	Ts	Теннессин	^^²^^2-b/^y^{2 b}"^⁴Q^{2 b}'^"^^p^{2 b}"^^Q²"^
118	og	Оганесон	^2^Z-b^y2-b- 7U^2-b-7U-7 4Q2-6-TU-T4p2-b-lUQ22b	7s/p^b

Продолжение таблицы 1

блок С			4 энергетических уровня _K,._L,.p._Ms.p.d._N«.p.
19	К	Калий
20	Са	Кальций
21	Sc	Скандий	К^М²*^²
			4
30	Zn	Цинк		3-й заполненный уровень М^ = 3s²3p 3d ^u
31	Ga	Галлий
32	Ge	Германий
33	As	Мышьяк	Kⁱev^^1u^ⁱ
34	Se	Селен	К²^⁶**²^²⁴
35	Br	Бром	K‘L' ^ °
36	Kr	Криптон		N^2b = 4s²4p^b
5 энергетических уровней K^s.LPM^sP-^a^'P^a-o*P-
37	Rb	Рубидий
38	Sr	Стронций	w_n.-.»_O2
39	Y	Иттрий	^L^M² ^’"N²*¹©²
			4
48	Cd	Кадмий		N^¹⁰ = 4s²4p°4d^1u
49	In	Индий	^^b^b-W^OQ^
50	Sn	Олово	K²L М^2Ь"^,0М^2,И ^UO^{2 2}
51	Sb	Сурьма
52	Те	Теллур	^L^b’»^^.»
53	I	Йод	^b^blU^^QZ ,
54	Xe	Ксенон	K/lW^N²* "О²"*¹	O^{2 6} = 5s²5p^b

STRUCTURING OF CHEMICALS ELEMENTS • СТРУКТУРИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Окончание таблицы 1

блок E			8 энергетических уровней 1?-.СР^р*^р-<”сГры
119	s-1	s-орбиталь	К¹ L²'⁶ М²^¹⁰
120	s-2	s-орбиталь	^² L^2-biyi²"^‘¹^l^²'^"^"^Q²‘^^''^p²‘'^b-^^^^2-^Xy
121	g-1	g- орбиталь	^2 2-by^2-6>-7 U^2-t>-7 U-7 4 q2-6- TIT-74-1p2-6-1UQ2-b^2

138	g-18	g- орбиталь	^2^61^2-6-10^2-5-10-14 q2 6-10-14-18p2 CTU_Q2.b_x2
139	f-1	f- орбиталь	^2^2Ьд^2-6-10^2М0-14у2Ь-10-,4-18р^Ь-1и1у^Ь_х^

152	f-14	f- орбиталь	^2^2-biyi2-6-1U^2-6-W-14Q2-b-W-14-Wp 2-ti-1U14 Q2 by2
153	d-1	d- орбиталь	K²L²"^bM²"⁶"'⁰N²"^b"^w"^,4O²"^b"^w"^l4,eP^z"^ti'^{1u 14}Q^ztl'¹X'²

162	d-10	d- орбиталь	^L '^M^^{1 u}^'^ ^w* 1^0^ W-14- 18 p2-b-1U-¹ 4q2^1L^2
163	P-1	p- орбиталь	^^^^"^(^^ ^* ^ ^/V^ ^ ^"^ "^O^ ^ fU-f 4-f Sp2-5-1U-l 4q2-6- 1L у ^-*
164	P-2	p-орбиталь	_K2_L-2.b_M2.6-10_N'2.6-l'0-14_o2-frW.14-18p2. i-1U-1dQ2-ti-W^2-2
165	p-3	p-орбиталь	l>ml!-8-fl)^!-8-imQ5-e-lfl-l^-!8p2-e-iu 14q2*W_x2-3
166 167	p-4 p-5	p-орбиталь p- орбиталь	K²L² b_M² b-1^u_N² b-^,U.’4₀2.^W.,4.,_8p2 b W 14q2 B W_X2 4 ^^ ^'^^ ^®"^4-yrip2MU-1NQj2-ti-1U^2b
168	p-6	p- орбиталь	^²L²"⁶m²'⁶'¹⁰N^{2 6}'^w'¹⁴O² ⁶‘^w"’⁴'’⁸P^{Z 6}‘^1u''^AQ^{2 B}'^wX^tii
		9 энергетических уровней _K^s-.L^s'is p a N^{s p a}-^, O^{s p} ^^
169	s-1	s-орбиталь	^2^2-Ь^12-Ь-1^и^2-Ь-1и-1402-Ь-1О-14-1«р2-й-ЛиЛА^2Ь-1к)у2^
170	s-2	s-орбиталь	K²L²'^bM2"^B"^1uN²"ⁱⁱ"'^0:T4O^2:5:ni:Ti:^P^z*-'^u"^1ACi^z''^s"^1uX^z"^tiV^z
171	g-1	g- орбиталь	^²L^ibiyi^2B-^M²'^ti"'^B^O²"⁶"'®"'¹"'®P^z"^ti"'^u"'^A1Q'^f:e:'^uX²"^BV^z

188	g-18	g- орбиталь	K²L^2bM²-b-1 U ^2-Ъ-10-14 ^^4-b-1O-14-18 p 2-0-1U-14-1 6^ 2-0-1U ^2 ■ b ^2
189	M	f- орбиталь	^2^2b^,2-b-1U^2-b-W-1⁴o^2b-1U-1⁴-1Sp²4>1U^,l^A-1«Q²-6^V-1y² -By2

202 203	f-14 d-1	f- орбиталь d- орбиталь	K²L^2bM²-6-1U ^-2-0-10-14 02-Ь.1О-14-18р2-6ЛиЛАЛво2^Д1И4у2-бу2 K²L^2bM'"⁶''^uN²"^ll"^1v"¹⁴O²"^t,"^,v"^,4"^,aP²'⁰"^{1u 4}"⁸Q^2>>'^1u'¹‘^lX²'^ti'¹Y²

212	d-10	d- орбиталь	1^2 j_2-b ^j2.6.1U^-2-b.10-14Q2-b-10-14-18p2-b.10-* A-* tiQ2-^U-lAy^^y2
213	p-1	p- орбиталь	l^²[_²"Ь(у1²-6-’^о1^'²-⁽>-<6-’«02 ьЮТП8р2-ЬЛи lA^bQZ.e-IU-ISyj-b.lUyn
214	P-2	p-орбиталь	^^^^‘^^ 1^2-6-10-14^^2-610-14-1 Ур2 0-111-14-1 Cq2-(>-1 U-14^2 -0- 1U^2 2
215	p-3	p-орбиталь	K'L^{2 b}M² ®"^u/^²'®"®■ijQ2TCT7rm3p2-ti-nU-14-^,IBQ2-6-1U-14y2-ti-1UY'2-'3
216	p-4	p- орбиталь	^2^2-bj^2-b.1UjY2-6.iti-1⁴o²-6.iO-<4-18p2-6-1U-1^A-1bQ²-6-1U-1^Ay2-6-1UY²-4
217	p-5	p- орбиталь	^2^2-bj^2-6-l^uiY2-b-10-14Q2t>-W-14-,8p2.6.1U-14.1bQ2-ti-1U-14y2-b-1UY2-b
218	p-6	p- орбиталь	K²t_^{z ь}М^{2 Ь}"^,иМ^21>"^1о"^,4О^{2 b}"^{lu ,4}"^lilP^{Z 0}'^1UJIA'^1bQ²’⁶"^1u"¹'^lX^{2 b AU}Y—

К этому же следует отнести понятие о свойствах блочной парности структур, позволяющее на основе электронно-уровневых формул прогнозировать химические элементы за пределами 118-го элемента. В табл. 1 представлены электронно-орбитальные формулы химических элементов для всех блоков, в том числе 5 блока Е, включающего элементы со 119 по 218.

С позиции физики целесообразно рассмотреть результат энергетических взаимодействий, определяющих все свойства вещества. При этом могут быть два подхода, которые определяют две энергетические модели структурного представления вещества. Одна модель с использованием электронно-орбитальных формул (ЭОФ) (табл. 1), другая модель физическая с позиций структурирования на основе квантовых явлений и физических констант (ФК).

Физический метод по сравнению с формальным отличается тем обстоятельством, что он основан на

причинно-следственном соответствии энергетических взаимодействий физических полей (причина) пространственно-временного положения электронов оболочек однородных и разнородных химических элементов (следствие). Это положение аналогично представлениям классической механики и может быть определено рядом констант [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дальнейшие исследования по формированию структуры вещества в направлении оценки влияния всех видов взаимодействия: сильные и слабые электромагнитные и гравитационные поля, которые будут характеризоваться фундаментальными физическими константами. Авторы продолжат исследования по рассмотрению тех констант, которые влияют на процессы структурообразования и создание новых видов конструкционных материалов.

STRUCTURING OF CHEMICALS ELEMENTS • СТРУКТУРИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Список литературы Patterns of the block approach for structure analysis of chemical elements and issues in materials science

Mendeleev D.I. Osnovy himii [The Fundamentals of Chemistry]. Moscow. Leningrad. Gosudarstvennoe nauchnotekhnicheskoe izd-vo himicheskoj literatury [State scientific and technical publishing house of chemical literature]. In 2 volumes. 13th edition. 1947. V. 1, 624 p. V. 2, 708 p. (In Russian).
Gusev B.V., Speransky A.A. Obiomnaya periodicheskaya matrica himicheskih ehlementov [Three-dimensional periodic matrix of chemical elements]. Tekhnika i tekhnologiya silikatov [Technology and engineering of silicates]. Vol. 25, No. 2. 2018, 34–38 p. (In Russian).
Gusev B.V., Speransky A.A. et al. Matrichnoe predstavlenie periodichnosti sistemy himicheskih ehlementov [Matrix representation of periodicity of the system of chemical elements]. Russkij inzhener [Russian engineer]. № 4, 52–57 p. (In Russian).
Reese. M. Vsego 6 chisel: glavnye sily, formiruyushchie Vselennuyu [Just Six Numbers: The Deep Forces that Shape the Universe]. Transl. from Eng. Мoscow, Alpina Ion Fiction, 2018, 226 p. (In Russian).

Статья научная