3.7: Завершення 20-елементної періодичної таблиці

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18573

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Поки що в цьому розділі було визначено та обговорено 10 елементів. Всього для заповнення 20-елементної скороченої таблиці Менделєєва потрібно ще 10. Їх назви і властивості коротко узагальнені тут. Періодична таблиця приведена на малюнку 3.9.

Натрій, Na, атомний номер 11, атомна маса 22,99, знаходиться безпосередньо нижче літію в періодичній таблиці і дуже схожий на літій, будучи м'яким, хімічно дуже реактивним металом. Існує один великий ізотоп натрію, що містить 12 нейтронів в ядрі атома. Натрій має 10 електронів внутрішньої оболонки, що містяться в його першій внутрішній оболонці з 2 електронів і другій - з 8 електронів. 11-й електрон в атомі натрію знаходиться в третій оболонці, яка є зовнішньою оболонкою. Це показано як одна точка в символі Льюїса Na на малюнку 3.7. Електрони в натрію можна представити так, як показано на малюнку 3.7.

Рис. 3 — Малюнок 3.7. Представлення електронів у 2 внутрішніх оболонках і 1 зовнішній оболонці натрію і символ Льюїса натрію.

Магній, Mg, атомний номер 12, атомна маса 24,31, має 12 електронів на атом, тому він має 2 зовнішні електрони оболонки. Існує три ізотопи магнію, що містять 12, 13 і 14 нейтронів. Магній - відносно міцний, дуже легкий метал, який використовується в літаках, подовжувальних сходах, портативних інструментах та інших додатках, де легка вага особливо важлива.

Алюміній, Al, атомний номер 13, атомна маса 26.98, має 3 електрони зовнішньої оболонки на додаток до своїх 10 внутрішніх електронів. Алюміній - це легкий метал, який використовується в літаках, автомобілі, лініях електропередачі, будівництві та багатьох інших додатках. Хоча він хімічно реактивний, оксидне покриття, що утворюється, коли алюміній на поверхні металу реагує з киснем повітря, є самозахищеним і запобігає більшій корозії.

У деяких важливих аспектах алюміній можна розглядати як зелений метал. Це пов'язано з тим, що алюміній дозволяє будувати міцні легкі компоненти, які при використанні в літаках і автомобілі вимагають відносно менше енергії для переміщення. Так що алюміній важливий в енергозбереженні. Алюмінієві кабелі також забезпечують ефективний спосіб передачі електроенергії. Хоча руди, з яких виготовляється алюміній, є видобувним ресурсом, виритим із землі, алюміній є рясним елементом. І є альтернативні ресурси, які можна розробити, включаючи алюміній в золі, що залишилася від спалювання вугілля. Крім того, алюміній є одним з найбільш переробних металів, а брухт алюмінію легко розплавляється і відливається в нові алюмінієві вироби.

Якби «елемент століття» був би названий для 1900-х років, скромний кремній, Si, атомний номер 14, атомна маса 28.09, був би ймовірним кандидатом. Це пояснюється тим, що кремній є найбільш часто використовуваним з напівпровідникових елементів і протягом останніх 1900-х років забезпечив основу вибуху в електроніці та комп'ютерах на основі напівпровідникових приладів, що складаються переважно з кремнію. Незважаючи на цінність цих продуктів на основі кремнію, кремній багатий у ґрунті та гірських породах, займаючи друге місце після кисню як складової земної кори. Атом кремнію має 4 електрони зовнішньої оболонки, половину октету, і це металоїд, проміжний за поведінкою між металами зліва від таблиці Менделєєва і неметалами праворуч.

Значно зменшивши основну масу електронних компонентів щодо продуктивності, кремній сприяв величезній економії матеріалів, що використовуються в радіостанціях, телевізорах, комунікаційному обладнанні та інших електронних пристроях. Крім того, напівпровідникові прилади на основі кремнію, що використовуються в твердотільній електроніці, споживають лише частину електроенергії, колись використовуваної приладами на основі вакуумної трубки. Громіздкі дроти, виготовлені з відносно дефіцитної міді, раніше використовувалися для передачі сигналів зв'язку електрично, були в значній мірі замінені волоконно-оптичними пристроями, що складаються з прозорого кремнезему, SiO2, які передають інформацію як імпульси світла. Волосно-подібне оптичне волокно може передавати багато разів кількість інформації за одиницю часу, як товстий мідний дріт, який він замінює. А енергія, необхідна для передачі одиниці інформації волоконно-оптичним кабелем, незначна порівняно з енергією, необхідною для передачі тієї ж інформації електричним імпульсом по мідному дроті. Тож кремній - це справді зелений елемент, який, хоча і дешевий і багатий, виконує електронні та комунікаційні функції набагато швидше і краще, ніж мідь та інші метали, які він замінив.

Фосфор, Р, атомний номер 15, атомна маса 30,97, має 5 електронів зовнішньої оболонки. Так що він знаходиться безпосередньо нижче азоту в таблиці Менделєєва і нагадує азот за своєю хімічною поведінкою. Чистий елементарний фосфор зустрічається в декількох формах, найпоширенішою з яких є білий фосфор. Білий фосфор - хімічно дуже реактивний неметал, який може спалахнути спонтанно в атмосфері. Він токсичний і викликає погіршення кісткової тканини. Щелепна кістка особливо сприйнятлива до впливу фосфору і розвиває стан, відомий як «фоссійна щелепа», при якому кістка стає пористою і слабкою і може зламатися від деформації жування. Однак хімічно комбінований фосфор є важливим елементом життя і є одним із компонентів ДНК, основної молекули, яка керує процесами молекулярної життєдіяльності. Фосфор також є важливим рослинним добривом і є інгредієнтом багатьох промислових хімічних речовин, включаючи деякі пестициди.

Миш'як входить в ту ж групу таблиці Менделєєва, що і фосфор і зустрічається у вигляді домішки з фосфором, переробленим з руди. Якщо цей фосфор буде використовуватися в їжу, миш'як доводиться видаляти.

Сірка, S, атомний номер 16, атомна маса 32.06, має 6 електронів зовнішньої оболонки. Це крихкий, як правило, жовтий неметал. Це незамінна поживна речовина для рослин і тварин, що містяться в амінокислотах, що складають білки. Сірка є загальним забруднювачем повітря, що виділяється у вигляді діоксиду сірки, SO2, при спалюванні викопного палива, що містить сірку. Значна частина великої кількості сірки, необхідної для промислового виробництва сірчаної кислоти та інших сірковмісних хімічних речовин, рекультивується з сірководню H2S, який забруднює значну частину природного газу (метан, CH4), який є таким важливим паливом та сировиною у світі сьогодні. Відповідно до найкращої практики зеленої хімії, сірководень відокремлюється від сирого природного газу і близько 1/3 його спалюється,

\[\ce{2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O} \label{3.7.1}\]

продукуючи діоксид сірки, SO2. Утворений діоксид сірки потім реагує з рештою сірководню через реакцію Клауса нижче, отримуючи елементарний сірчаний продукт, який використовується для синтезу сірчаної кислоти та інших сірчаних хімічних речовин.

\[\ce{2H2S + SO2 → 3S + 2H2O } \label{2.7.2}\]

Хлор, Cl, атомний номер 17, атомна маса 35,453, має 7 електронів зовнішньої оболонки, всього 1 електрон не вистачає повного октету. Елементарний хлор - зеленувато-жовтий двоатомний газ, що складається з молекул Cl2. У цих молекулах атоми Cl досягають стабільних октетів електронів зовнішньої оболонки, розділяючи два електрони в ковалентному зв'язку, як показано на малюнку 3.8. Атом хлору також може приймати електрон для досягнення стабільного октету в Cl- аніоні, як показано на іонній сполуці хлориду натрію, NaCl, на малюнку 3.8.

Елементарний хлор може бути смертельним при вдиханні і був першим військовим отруйним газом, використовуваним у Першій світовій війні Незважаючи на свою токсичну природу, хлорний газ врятував багато життів завдяки його використанню протягом приблизно останніх 100 років як дезінфікуючого засобу питної води, який викорінив смертельні захворювання, що передаються водою, такі як холера і черевний тиф. Хлор - важлива промислова хімічна речовина, яка використовується для виготовлення пластмас і розчинників. Немає можливості дефіциту хлору і його можна навіть зробити, пропускаючи електричний струм через морську воду, яка містить хлор у вигляді розчиненого хлориду натрію.

Зелені аспекти хлору залежать від його застосування. Елементарний хлор, безумовно, небезпечний матеріал, виготовлення та використання якого, як правило, слід уникати, де це можливо в практиці зеленої хімії. Але, як зазначалося вище, елементарний хлор врятував багато життів завдяки своєму використанню для дезінфекції води. Ряд стійких пестицидів, включаючи ДДТ, є органічними сполуками, що складаються з хлору разом з вуглецем та воднем. Окрім екологічної шкоди, заподіяної цими пестицидами, відходи їх виробництва та виробництва інших хлорорганічних сполук є одними з найпоширеніших забруднюючих речовин небезпечних відходів хімічних звалищ. Звичайний пластик, полівінілхлорид (ПВХ), містить хлор. Цей пластик широко використовується у водопровідних та дренажних трубах, у колишньому застосуванні замінюючи відносно дефіцитний і дорогий мідний метал та токсичний свинець. Але матеріал, який використовується для виготовлення ПВХ - летючий вінілхлорид. Це один з небагатьох відомих людських канцерогенів, викликавши задокументовані випадки рідкісної форми раку печінки у працівників, які раніше піддавалися дуже високому рівню парів вінілхлориду на робочому місці. Через небезпеку елементарного хлору та проблем, викликаних хлорорганічними сполуками, практика зеленої хімії, безумовно, намагається мінімізувати виробництво та використання елементарного хлору і взагалі намагається мінімізувати виробництво хлорорганічних сполук та їх дисперсію в навколишнє середовище.

Елемент №18, аргон, Ar, атомна маса 39,95, підводить нас до кінця третього періоду скороченої таблиці Менделєєва. Він має повний октет електронів зовнішньої оболонки і є благородним газом. Ніяких справжніх хімічних сполук аргону не було виділено і жодних хімічних зв'язків, що включають цей елемент, не було відомо, поки у вересні 2000 року не було повідомлено про утворення дуже нестабільного перехідного зв'язку за участю атомів Ar. Аргон становить близько 1% за обсягом в атмосфері. Багато в чому через свою хімічно інертну природу, аргон має деякі застосування. Застосовується в якості газу для заповнення лампочок розжарювання. У цьому відношенні це допомагає запобігти випаровуванню розжарених атомів вольфраму з розжарювання світиться лампи, тим самим значно продовжуючи термін служби колби. Він також використовується як плазмове середовище в приладах, що використовуються для індуктивно зв'язаного аналізу атомної емісії плазми елементарних забруднювачів. У цій програмі радіочастотний сигнал використовується для перетворення аргону в газоподібну плазму, яка містить позитивно заряджені іони Ar+ та негативно заряджені електрони і нагрівається до неймовірно гарячої 10,000˚C.

Заповнення Періодичної таблиці

Наступним елементом, який потрібно додати в скорочену періодичну таблицю, є елемент № 19. З цього починається четвертий період таблиці Менделєєва. Цей період насправді містить 18 елементів, але ми візьмемо його лише до перших двох. Це пояснюється тим, що елемент № 21 є першим з перехідних металів і пояснити їх розміщення в таблиці Менделєєва на основі електронів в них стає трохи складніше і задіяно, ніж це доречно для цієї книги. Читач, який потребує більш детальної інформації, посилається на інші стандартні книги з початкової хімії.2,3

Елемент з атомним номером 19 - калій, К, що має атомну масу 39,10. Найбільше калію складається з ізотопу з 20 нейтронами,. Однак невелика частка природного К знаходиться у вигляді. Це радіоактивний ізотоп калію, і оскільки у всіх нас є калій (важливий елемент для життя) в нашому організмі, ми всі природно радіоактивні! М'язова маса містить більше калію, ніж жирова (жирова) тканина, тому більш м'язові люди більш радіоактивні. Але не хвилюйтеся, рівень радіоактивності калію в організмі занадто низький, щоб викликати занепокоєння, і ні за яких обставин не уникнути. (Один прихильник ядерної енергії зазначив, що сон з м'язистою людиною піддає один до більшої радіоактивності, ніж живе близько до ядерного реактора.)

Те ж саме, що можна сказати про натрій, елемент № 11, загалом стосуються калію. У чистому елементарному стані калій є дуже реактивним лужним металом. Як важливий елемент для життя, це звичайне добриво, що додається в грунт, щоб культури добре росли. Хімічно калій втрачає свій єдиний електрон зовнішньої оболонки для отримання іона К+.

Кальцій, Ca, атомний номер 20, атомна маса 40.08, має 2 електрона зовнішньої оболонки, два за повний октет. Атом кальцію легко втрачає свої 2 «зайві» електрони, щоб виробляти катіон Ca2+. Як і інші елементи своєї групи в таблиці Менделєєва, кальцій є лужноземельним металом. Елементарний метал кальцію хімічно реактивний, хоча і не стільки, скільки калій. Кальцій має хімічні властивості, дуже схожі з властивостями магнію, лужноземельного металу безпосередньо над кальцієм в таблиці Менделєєва.

Кальцій необхідний для життя, хоча більшість ґрунтів містять достатню кількість кальцію для підтримки оптимального росту сільськогосподарських культур. Кальцій дуже важливий у наших власних тілах, оскільки, як твердий мінеральний гідроксиапатит, Ca5OH (PO4) 3, це твердий матеріал у зубах та кістках. Дефіцит кальцію може спричинити утворення поганих зубів та розвиток інвалідизації остеопорозу - стану, що характеризується слабкими кістками, які особливо схильні до хворих літніх жінок.