Разработана кластерная восемнадцатигрупповая система химических элементов до

Кластерная система химических элементов

Хорошавин Лев Борисович

Докт. техн. наук

Реферат

Разработана кластерная восемнадцатигрупповая система химических элементов до N220, в основу которой положен кластерный принцип строения электронных оболочек элементов с сохранением известной зависимости их свойств от атомной массы. Кластерная система химических элементов позволит изучать изменение свойств элементов не только по периодам и группам в Периодической системе элементов, но и дополнительно по кластерам химических элементов, определять прогнозные свойства новых элементов и создавать новые кластерные материалы и изделия.

Существующая длиннопериодная Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева исследована крайне недостаточно. Хотя и существуют более 500 производных систем от Периодической системы, но все они до сих пор не систематизированы, не проанализированы и недостаточно практически используются [1].

Автором для разработки новых систем химических элементов использовано два фундаментальных положения:

Строгой неизменности существующей Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, недопустимости внесения в нее каких-либо изменений, кроме добавления новых элементов. Главная особенность Периодической системы – неизвестность впередистоящих до водорода элементов и последних элементов. Можно предполагать, что до водорода могут стоять элементарные частицы, объединенные в кластеры-изотопические мультиплеты, с массой и зарядом менее 1 с уменьшающимися размерами в данное время до иокточастиц -10-24м, а в конце – бесконечное количество новых элементов с переходом их количества в новое качество по волновым функциям. Это предположение основано на том, что в данное время известно только около 5% материи, а 95% материи неизвестна до сих пор – в этой темной материи может быть всё, в т.ч. и новые элементы с новой структурой и новой периодичностью.

Следовательно, Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева бесконечна в начале системы до водорода и в конце с определенными условиями стабильности новых элементов.

Целесообразности разработок новых производных систем элементов для исследования взаимосвязи между свойствами элементов, прогнозирования новых элементов и решения конкретных практических задач. Для этих целей авторами создан ряд новых производных систем химических элементов, в т.ч. и с разделением элементов на нечетные и четные по атомным номерам [2-12].

Два положения о неизменности Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева и целесообразности разработок новых производных систем элементов полностью соответствуют объективным диалектическим законам познания Природного мира.

Известна зависимость свойств элементов от их атомной массы и электронной конфигурации в Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева по периодам и группам. Предлагается дополнительно рассматривать изменение свойств элементов по их кластерам (группировкам), основанным на количестве внешних электронов в каждой электронной конфигурации с целью:

- определить зависимости изменения свойств элементов в каждом кластере и между ними от четырех квантовых чисел: главного (n), орбитального (l), магнитного (ml) и спинового (ms);

- рассчитывать прогнозные свойства новых элементов на основе кластеров и электронных ячеек для их экспериментальной проверки;

- создать новые кластерные материалы и изделия по микро-, нано- и пикотехнологиям.

Постановка задачи в данной работе – определить кластеры химических элементов по количеству внешних электронов в каждой электронной конфигурации s-, p-, d-, f-, g-элементов (орбитальному квантовому числу l) при неизменности порядка их атомных масс и атомных номеров, равных количеству протонов в ядре и, соответственно, электронов в оболочках. Систематизировать кластеры химических элементов, определить электронные ячейки в кластерной системе элементов и изучить свойства ячеек.

Ранее авторами статьи установлены кластеры (группировки) химических элементов по структуре их внешних электронных оболочек и количеству в них внешних электронов [13].

Химическое взаимодействие элементов определяется преимущественно внешними электронами элементов, т.е. их количеством и структурой внешних электронных оболочек элементов. Также строение внешних электронных оболочек и связанные с ними большинство химических и физических свойств элементов определяются электромагнитным взаимодействием электронов с ядром – в основном кулоновскими силами и в меньшей степени друг с другом.

Количество внешних электронов и структура оболочек изменяются по группам элементов с определенным их чередованием в виде группировок, названных кластерами элементов.

Известно, что относительно небольшие группы частиц, объединенных теми или иными силами, относительно слабыми, называются кластерами (кластер, англ. cluster – группировка, скопление, сгусток, связка, пучок, группа атомов или других структурных элементов, агрегаты и др.). Виды кластеров многочисленны: нанокластеры (группировки, агрегаты ионов, атомов, молекул и отдельных частиц), металлические, магнитные, молекулярные, углеродные, водные, кластеры благородных газов и др.

Кластеры химических элементов – это группировки элементов с одинаковой электронной конфигурацией, с одинаковым интервалом изменения количества внешних электронов и границами между ними, определенными постоянным количеством внешних элементов в каждой группировке.

Кластерная система химических элементов (табл.1) основана на их разделении на s, p, d, f, g-элементы и кластеры.

Таблица 1. Кластерная система химических элементов

Продолжение таблицы 1

Таблица 2. Разделение химических элементов на s, p, d, f, g-элементы и кластеры
в кластерной системе химических элементов

Так, в кластерной системе внешние электроны образуют в s-, p-,d-,f-, g-элементах следующие кластеры (табл.2, рис.1):

Рис.2. Распределение s-, p-, d-, f-, g-элементов и кластеров по атомным номерам в кластерной системе химических элементов. Цифра – количество элементов в кластере:2,6,10,14,18 с разностью между ними по 4 элемента и парностью по 2 элемента

При этом разность между каждым кластером равна 4 элементам (2-6-10-14-18) и парностью по 2 элемента.

В каждом элементе количество внешних электронов изменяется так:

- в s – элементах внешние электроны изменяются от 1 до 2;

Количество пар элементов в s-,p-,d-,f-,g-группах и кластеров элементов в кластерной системе приведено в табл.3

Таблица 3. Количество пар элементов s-,p-,d-,f-,g-группах и кластеров в кластерной системе

В системе количество пар нечетных - четных элементов сначала возрастает в группах от s – элементов к d – элементам, а затем снижается к g – элементам. Количество кластеров уменьшается от s к g- элементам.

Границы кластеров элементов повторяются через определенное количество атомных номеров N:

- по первичной разности ∆Nп между конечным номером Nк одного кластера и начальным номером Nн другого кластера по группам s-,p-,d-,f-,g-элементов - ∆Nп= Nк- Nн;

- по вторичной разность ∆Nв между первичной разностью соседних кластеров - ∆Nв=∆Nп1-∆Nп2 (Табл.4)

Таблица 4. Первичная и вторичная разность между
кластерами элементов

Примечание. Исходные данные табл.2, жирным шрифтом – прогнозные данные. Nк, Nн- атомные номера элементов соответственно конечного и начального кластера; ∆Nп- первичная разность между кластерами; ∆Nв- вторичная разность между первичной разностью соседних кластеров. Так, например, ∆Nп=∆Nк-∆Nн=[2-3]=1; ∆Nв=7-1=6 и т.д.

Обращают на себя внимание двойственная однотипность первичной разности элементов ∆Nп между кластерами и строгая последовательность изменения вторичной разности ∆Nв: 6-0-10-0-14-0-18-0. Эти закономерности позволили привести прогнозные данные по группам s-,p-,d-,f-,g-элементов и количеству внешних электронов до №220 (табл.1,2, рис.2)

При этом количество внешних электронов в системе распределяется одинаково по отдельным областям.

В дальнейшем целесообразно исследовать изменение свойств химических элементов по кластерам с целью познания и созидания новых химических соединений и веществ – новых кластерных материалов и изделий.

Действительно, если фундаментальным принципом построения Периодической системы элементов является выделение в ней периодов (горизонтального ряда) и групп (вертикальные столбцы) элементов с изучением изменения в них свойств элементов, то в кластерной системе (производной от Периодической системы) рассматриваются кластеры элементов. При этом Периодическая система носит расчетный характер по периодам и группам, а кластерная система – тоже расчетный характер по кластерам элементов и электронным ячейкам.

В данное время известно 118 элементов. В кластерной системе содержится пока 220 элементов, в т.ч. 20-s-элементов, 48-р-элементов, 60-d-элементов, 56-f элементов и 36-g-элементов.

Известно, что любой элемент в Периодической системе имеет свойства, промежуточные между свойствами соседних с ним элементов по горизонтали, вертикали, и диагонали [14].

Кластерная система химических элементов имеет одинаковую, ячеистую, электронную структуру - разность между количеством электронов любых близлежащих элементов в разных частях системы одинакова. Так, в любых электронных ячейках 2х2 элемента разность между количеством электронов, равного атомному номеру элемента, всегда равна (рис.2,а):

Аналогично изменяется количество электронов в любых электронных ячейках 3х3, 4х4 и т.д. в разных частях системы (рис.2,б).

Следовательно, кластерная система химических элементов имеет ячеистую структуру, состоящую из одинаковых электронных ячеек. Свойства электронных ячеек следующие (рис.1,в):

а б в

Рис.2. Электронные ячейки кластерной
системы химических элементов

- противоположные стороны электронных ячеек всегда равна между собой: А=С; D=B; а=с; d=b. Поэтому и сумма или разность противоположных сторон ячеек равна между собой А±С=D±B; а±с=d±b;

- суммы диагональных номеров элементов (количество электронов) всегда равна между собой : Е1=Н+Х; F1=R+L; Е1= F1; е1=0+х; f1=S+P; е1= f1;

- сумма или разность диагональных номеров элементов равна сумме или разности соответствующих сторон треугольников в ячейках – их общей гипотенузе:

Е=А± B=D±С; е=а±b=d±с; Е=D±А=С±B; f=d±а=с±b;

- сумма диагоналей, поделена на 2, равна вертикальным сторонам ячеек: (Е+F)/2=B=D;

- разность диагоналей ячеек, поделена на 2, равна горизонтальным сторонам ячеек: (Е-F)/2=A=C;

- каждый атомный номер элемента, т.е. количество электронов у элемента, равен сумме двух противоположных диагональных элементов с минусом другого диагонального элемента: Х= (R+L)-H; О=(M+J)-H; S=(R+O)-M; Р=(О+L)-J и т.д.

Поэтому, зная свойства любых трех соседних элементов в прямоугольной ячейке можно по формуле Х=(R+L)-H определить свойства четвертого (нового) элемента.

Эти закономерности электронных ячеек при постановке электронов в ячейки, являются точными и могут быть использованы для расчета электронов новых элементов без поправочных коэффициентов.

Однако, при постановке в ячейки вместо электронов различных свойств элементов (атомной массы, атомных радиусов, плотности и др.) для расчета свойств новых элементов в закономерности ячеек требуется введение поправочных коэффициентов. Это вероятно, обусловлено неодинаковой удельной атомной массой в элементах (атомная масса элемента приходящаяся на 1 электрон) и недостаточной объективностью существующих показателей свойств элементов (в разных справочниках свойства элементов различны).

Другой особенностью кластерной системы химических элементов является то, что все элементы в ней связаны по парам, т.е все они парные – нечетные с четными. Парность (двоичность) элементов наглядно подтверждается в s-,p-,d-,f-,g-группах, в которых все элементы располагаются по парам: H с He, Li с Be, B с C,N с O и т.д. Это положение широко распространено в Природном и техногенном мире.

В данной работе использовано положение геохимии о распространенности и устойчивости нечетных и четных элементов в земной коре и метеоритах.

Д.И.Менделеев первым отметил сложение вещества земной коры в основном легкими элементами по Fe включительно, а элементы, стоящие в Периодической системе после Fe , в сумме составляют лишь доли процента. «Наибольшим распространением в Природе пользуются элементы лишь малого атомного веса» (1895 г.).

При этом четные элементы более устойчивы, чем нечетные, что определяется структурой ядер и электронных оболочек. Это положение подтверждается в геохимии правилом Оддо-Гаркинса, которые установили сильное преобладание четных элементов над нечетными на Земле и в метеоритах, возраст которых составляет 4,5 млрд.лет. Так, в земной коре четные элементы составляют 86,5% общей массы коры. В железных метеоритах четные элементы составляют 92,22%, а в каменных – 97,69% [2].

Правило Оддо-Гаркинса проявляется и в составе двух главнейших магм Земли: в кислой магме присутствуют преимущественно нечетные элементы: H(1), Li93), B(5), F(9), Na(11), Cl(17), K(19), а в основной магме преобладают четные элементы: Mg(12), Ca(20), Ti(22), Cr(24), Fe(26), Ni(28). В скобках приведены порядковые номера элементов в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева, которые неизменны. В целом распространенность элементов и их устойчивость уменьшается от более легких к более тяжелым почти по экспоненциальному закону, различному для элементов с нечетными и четными атомными номерами.

Кроме того, в работе использовано положение диалектики о том, что раздвоение единого целого является сущностью теории познания [15]. Для этого Периодическая система элементов Д.И.Менделеева была разделена на нечетные и четные элементы с определением по отдельности их свойств с использованием компьютерной программы искусственного интеллекта [3,4]. Установлены следующие зависимости изменения свойств нечетных и четных элементов:

1. Атомный радиус. Общей закономерностью является уменьшение атомного радиуса в ряду s > p < d < f–элементов. При этом у четных элементов атомный радиус меньше, чем у нечетных (кроме р-элементов). Средний атомный радиус нечетных и четных элементов следующий (пм):

элементы нечетные четные

s – 203,12 176,00

p – 132,77 144,72

d – 148,05 142,20

f – 178,33 176,20

среднее: 165,56 159,78

2. Плотность. В целом плотность в ряду s > p > d > f–элементов имеет тенденцию к возрастанию, особенно у четных элементов.

3. Температура плавления элементов. В целом температура плавления элементов в ряду s > p > d > f возрастает, особенно у четных элементов.

4. Температура плавления оксидов. Наиболее высокую температуру плавления имеют четные s, p, d, f-элементы, особенно после №100.

Таким образом, в зависимости от электронного строения внешних оболочек свойства элементов в общем зависят скачкообразно, но с тенденцией уменьшения атомного радиуса, увеличения плотности и температуры плавления оксидов. Анализ этих данных показывает, что, например, для техногенных материалов – огнеупоров – целесообразно использовать оксиды из четных s, p и d-элементов до №56 – бария, а для сверхпроводников – четные элементы в кластерах [17-19].

В целом изучение кластерной системы химически элементов позволит дополнительно расширить определение взаимосвязи свойств существующих и прогнозных элементов с использованием впервые кластеров элементов и электронных ячеек с целью создания новых кластерных содинений, веществ, материалов и изделий: кластерных сверхпроводников, топливных элементов, кластерных огнеупоров, спецкерамики и др.

Создание кластерных изделий необходимо производить по микро-, нано- и пикотехнологиям с использованием компьютерных программ искусственного интеллекта.

Выводы

Приведена кластерная система химических элементов до атомного номера №220. В ней определены свойства кластерных элементов и электронных ячеек.

Использование кластеров химических элементов и электронных ячеек открывает новые возможности дополнительного изучения взаимосвязи свойств элементов, расчета прогнозных свойств новых элементов и создания новых кластерных материалов и изделий.

Литература

Волков А.И. Строение атомов и Периодический закон/-М.: Новое знание,2006.-196с.

Хорошавин Л.Б. Оптимальная область огнеупоров в Периодической системе химических элементов/. Объединенный научный журнал.2005, №5, с.64-70. Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Исследование взаимосвязи между свойствами химических элементов на основе Периодического закона./. Объединенный научный журнал. 2005, №5, с.71-81. Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Исследование зависимости свойств химических элементов от их электронного строения на основе Периодического закона/. Объединенный научный журнал. 2005, №11, с.62-76. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Элементы, стоящие до Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева/. Объединенный научный журнал. 2005, №12, с.77-85. Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Управление электронами – основа изменения свойств химических элементов, соединений и веществ/. Объединенный научный журнал. 2005, №20, с.71-81. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Якушина Е.В. Компьютерная гибридная модель расчета свойств химических элементов/. Объединенный научный журнал. 2005, №20, с.81-86. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Электронная технология огнеупоров на основе Периодического закона/Журнал «Новые огнеупоры». 2005, №10, с.75-83. Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Якушина Е.В. Октайдная и десятичная системы химических элементов/. Объединенный научный журнал. 2005, №30, с.60-67. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Якушина Е.В. Никитина Н.Ю. От систем химических элементов до нанотехнологии материалов и изделий/. Объединенный научный журнал. 2005, №32, с.67-76. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Якушина Е.В. Сопоставление различных систем химических элементов/. Объединенный научный журнал. 2006, №3, с.88-100. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Якушина Е.В. Ячеистая структура десятичной системы химических элементов/. Объединенный научный журнал. 2006, №9, с.64-72. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Электронные ячейки и кластеры химических элементов./Объединенный научный журнал. 2008, №6, с.55-63. Сайт: refractoriesl.narod

Егоров В.В. Теоретические основы неорганической химии. СПб.: Изд-во «Лань», 2005.- 192с.

Хорошавин Л.Б. Диалектика огнеупоров./ Л.Б.Хорошавин. Екатеринбург: Изд-во Екатеринбургская Ассоциация Малого бизнеса, 1999. -359с.

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б. Гармоничные кварки в электронах и протонах./Объединенный научный журнал. 2008, №10, с.51-53. Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б., Якушина Е.В. Исследование свойств сверхпроводников на основе компьютерных программ/ Объединенный научный журнал. 2006, №24, с.62-69. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б., Якушина Е.В. Мультиэлектрон – основа сверхпроводимости./ Объединенный научный журнал. 2007, №2, с.68-76. . Сайт: refractoriesl.narod

Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б., Якушина Е.В., Дьячкова Т.В. Мультиэлектронная теория сверхпроводимости./ Объединенный научный журнал. 2007, №17, с43-56. . Сайт: refractoriesl.narod

Дерунов В. Отзыв на мультиэлектронную теорию сверхпроводимости. . Сайт: refractoriesl.narod

Уважаемая редакция!

Прошу опубликовать мою статью: «Кластерная система химических элементов».

С уважением Л.Б.Хорошавин

Тел. 8-922-13-33-862