Tabelul Periodic al Elementelor Si Bazele Lui Fizice

1. INTRODUCERE

2. DESCOPERIREA ELEMENTELOR CHIMICE

2.1 ELEMENTELE CHIMICE CUNOSCUTE ÎN LUMEA ANTICĂ

2.2 ELEMENTE DESCOPERITE DE ALCHIMIȘTI

2.3 ALTE EELEMENTE DESCOPERITE PÂNĂ ÎN 1789

2.3.1 Hidrogenul, azotul, oxigenul, clorul

2.3.2 Metale

2.4 DESCOPERIRILE ELEMENTELOR DUPĂ 1800

2.4.1 Descoperirea halogenilor

2.4.2 Metalele platinice

2.4.3 Metalele alcaline și alcalino-pământoase

2.4.4 Elemente descoperite pe cale spectrală

2.4.5 Metalele pământurilor rare

2.4.6 Gazele nobile

2.4.7 Descoperirea elementelor cu radioactivitate naturală

2.4.8 Elemente descoperite pe cale artificială

3. ORGANIZAREA RAȚIONALĂ A ELEMENTELOR CHIMICE

3.1 CLASIFICAREA ELEMENTELOR CHIMICE

3.2 ORGANIZAREA RAȚIONALĂ A ELEMENTELOR CHIMICE

4. BAZA FIZICĂ A SISTEMULUI PERIODIC AL ELEMENTELOR

4.1 NUMĂRUL ATOMIC Z

4.2 MODELUL ATOMULUI DE HIDROGEN

4.2.1 Modelul cuantificat al atomului propus de Niels Bohr

4.2.2 Nivelele energetice ale atomului de hidrogen

4.2.2 Nivelele energetice ale atomului de hidrogen

4.3 SEMNIFICAȚIA NUMERELOR l ȘI m ÎN MECANICA CUANTICĂ

4.3.1 Momentul cinetic orbital

4.3.2 Momentul magnetic orbital

4.3.3 Spinul electronului

4.3.4 Momentul cinetic total al atomului

4.4 ATOMUL CU MAI MULȚI ELECTRONI ȘI TEORIA

SISTEMULUI PERIODIC AL ELEMENTELOR

5. LEGĂTURA ÎNTRE CARACTERISTICILE FIZICE ALE ATOMULUI ȘI POZIȚIA ELEMENTELOR ÎN SISTEMUL PERIODIC

Bibliografie

Pagini 62

BIBLIOGRAFIE

=== Cap 1 ===

1. INTRODUCERE

„Știința care e, poate, cel mai profund afectată de fizică este chimie. Din punct de vedere istoric, la începuturile sale chimia s-a ocupat aproape în întregime cu ceea ce numim azi chimie anorganică, chimia substanțelor care nu sunt asociate cu ființele vii. A fost nevoie de o analiză considerabilă pentru a se descoperi existența numeroaselor elemente chimice și raporturile dintre ele – cum formează ele diverși compuși relativ simpli găsiți în roci, pământ etc. Această chimie timpurie a fost foarte importantă pentru fizică. Interacția dintre cele două științe a fost puternică, fiindcă teoria atomistă s-a verificat în primul rând prin experiențe de chimie. Teoria chimiei, adică a reacțiilor chimice, a fost rezumată într-o mare măsură în tabloul periodic al lui Mendeleev, care scoate în evidență multe raporturi stranii între diversele elemente. Colecția de reguli care spun ce substanță se combină cu care și în ce fel reprezintă chimia anorganică. Toate aceste reguli au fost în cele din urmă explicate în principiu de mecanica cuantică, astfel încât chimia teoretică este de fapt fizică.”

(Richard Feynman)

=== Cap 2 ===

2. DESCOPERIREA ELEMENTELOR CHIMICE

Mulți chimiști, fizicieni și meseriași au contribuit la descoperirea elementelor chimice. Unii au dat pe neașteptate de câte un element, alții și-au planificat explorarea în speranța descoperirii unui element a cărui existență o bănuiau deja.

Descoperirea multor elemente se pierde în trecutul foarte îndepărtat. Cine e geniul care a separat prima dată cuprul și a deschis calea progresului civilizațiilor? Cine a identificat primul elementul fier, cel care a consolidat acest progres și a croit drum înainte cu mai multă forță? Nimeni nu știe. Descoperitorii elementelor chimice dinainte de secolul al XVII-lea rămân anonimi.

Descoperirea unor elemente noi a fost totdeauna dependentă de noile tehnologii, iar aceste elemente nou descoperite au dus, la rândul lor, la dezvoltarea unor tehnologii mai noi.

Prima tehnologie hotărâtoare a fost focul, care a dirijat compușii separat pe căi care, la început, erau de neînțeles și care în aparență frizau magia.

Cele mai mari descoperiri n-au fost făcute în mod pasiv, dând întâmplător peste lucruri interesante, ci constituie recompensa unor investigații laborioase, determinând puterea unei noi tehnologii să împingă înainte frontiera cunoașterii umane. Aceste tehnologii au fost utilizate pentru a izola noile elemente, care odinioară se găseau doar în combinații.

Cândva era greu de recunoscut o nouă substanță ca fiind un element și s-au comis multe erori. Tehnicile moderne au înlăturat ambiguitatea acestui proces. Astăzi se poate diviza o probă până la nivel atomic, se pot cântări și compara atomii; cu multă vreme în urmă însă, principala metodă era tragerea de concluzii din date calitative.

La începutul secolului al XIX-lea a apărut un important proces tehnologic – electroliza – care a permis separarea și identificarea de noi elemente, declanșând cel mai mare val de descoperiri în chimie. O altă metodă deschizătoare de drum a fost spectroscopia, care a permis identificarea elementelor din cantități foarte mici de substanță și chiar analiza la mare distanță.

Sistematizarea elementelor cunoscute în tabelul periodic și descoperirea periodicității variației proprietăților lor a permis prognosticarea unor noi descoperiri în domeniu și orientarea cercetărilor.

Un alt val în completarea acestor descoperiri a apărut la mijlocul secolului XX, sub presiunea războiului. Proiectul Manhattan în deceniul al patrulea s-a dovedit a fi, pe lângă scopul său principal, un uriaș proiect de completare a sistemului periodic cu noi elemente, extinzându-l și ducând la obținerea elementelor transuraniene.

Și mai recent, se obțin elemente prin sinteză din componente mai simple în ciclotroane, sincrotroane și acceleratori liniari.

În tabelul 2.1 este prezentată istoria descoperirii elementelor chimice.

Și istoria continuă …

Tabelul 2.1 Istoricul descoperirii elementelor chimice

2.1 ELEMENTELE CHIMICE CUNOSCUTE ÎN LUMEA ANTICĂ

Antichitatea a cunoscut 9 elemente din care 7 metale: Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Hg, Fe și 2 nemetale: S, C.

Anticii înțelegeau prin noțiunea de element altceva decât înțelegem azi. Filosofii antici considerau că lumea are la bază 4 elemente: aerul, apa, pământul și focul, care ar genera prin interacțiunea lor toate corpurile.

Metalele cunoscute în lumea antică erau – unele dintre ele – de mare puritate, deci Antichitatea a cunoscut practic existența acestor elemente. Nemetalele erau considerate corpuri compuse – caracterul elementar al carbonului și sulfului fiind precizat de abia în secolul al XVIII-lea de Lavoisier.

Cele 9 elemente cunoscute de antici au originea și descoperirea oarecum neprecizate, totuși știindu-se că au apărut în ținuturile din jurul Mării Mediterane, unele chiar în preistorie.

AURUL era cunoscut din cele mai vechi timpuri, din vremea în care preistoria se împletește cu legenda.

Pentru că se găsește în natură din cele mai multe ori în stare nativă, uneori chiar la suprafața pământului sau în nisipul râurilor și pentru că este colorat, strălucitor, rar și ușor de prelucrat, aurul a devenit cel mai prețios metal și un simbol al bogăției și puterii.

În limba veche a egiptenilor, numele aurului vine de la cuvântul sol = soare; în ebraică și feniciană aurul se numea zahav și are ca rădăcini posibile cuvintele izanav și tzanav, care provin de la „a străluci”. Cuvântul latin aurum are ca origine cuvântul sanscrit uah-âsa care înseamnă lumină, sau numele zeiței zorilor, Aurora.

Marile migrațiuni ale popoarelor din răsărit provoacă nu numai o secătuire a stocurilor de aur ale Europei, dar conduc, prin nesiguranță politică produsă, la distrugerea și părăsirea aproape totală a vechilor exploatări. Producția acestui metal dispare practic pentru aproape un mileniu. Această lipsă de aur este, de altfel, și o principală cauză a apariției alchimiei, căci la cererile de aur ale regilor și prinților sărăciți, alchimiști au încercat să obțină acest metal prețios din alte metale comune, mai ușor accesibile: cupru, plumb, mercur, cositor etc.

Alchimiști nu au reușit să obțină aur prin procedee fizico-chimice dar, prin numeroasele lor lucrări și experiențe s-au acumulat o mulțime de cunoștințe noi care au contribuit la realizarea multor aparate de laborator, iar cunoștințelor practice adunate și sistematizate de-a lungul secolelor li se datorează clădirea uriașului edificiu științific pe care se bazează chimia și mai târziu industria chimică modernă.

Astfel, știința modernă a moștenit de la alchimiști experiența, o metodă de lucru fundamentală în laboratoarele de chimie. În căutarea misteriosului agent numit de ei „piatra filozofală”, cu care să poată transforma metalele comune, ca plumbul și cositorul, în aur și argint, alchimiștii au descoperit numeroase substanțe. Deci, se poate spune că laboratoarele alchimiștilor au fost primele locașuri din lume dedicate cercetării.

ARGINTUL este menționat ca fiind cunoscut încă de acum 5500 de ani.

Numele argintului provine, probabil, de la culoarea sa albă. Cuvântul kesef din ebraica veche derivă de la verbul khasaf care înseamnă a păli, iar cuvântul grecesc argyros provine de la argos, care înseamnă a străluci. De la argyros s-a trecut în limba latină la argentum, denumire din care provine și denumirea științifică a acestui element.

În Evul Mediu, alchimiștii, obsedați de astrologie, comparau argintul cu Luna din cauza culorii sale palide.

CUPRUL este cunoscut și el din cea mai veche antichitate și aproape sigur imediat după aur și argint. Dar în timp ce primele două metale aveau la început utilizări în confecționarea podoabelor și ca mijloc de schimb, apariția cuprului, mult mai dur și mai ieftin, și-a putut extinde utilizările și la fabricarea armelor și a diferitelor ustensile, făcându-se astfel un salt important în istorie: trecerea de la epoca de piatră la epoca bronzului, așa cum de la aceasta avea să se treacă mai târziu la epoca fierului.

Este sigur că grecii și apoi romanii extrăgeau cupru din insula Cipru (încă din 1500 î.C.), de unde și denumirea „aes Cyprium” – metal din Cipru.

COSITORUL are o istorie strâns legată de cea a cuprului. Aceste două metale aliate dau bronzul, cunoscut din antichitate, când s-a realizat saltul apariției epocii bronzului care înlocuiește epoca pietrei cioplite și o precede pe cea a fierului. Deci, apariția cositorului trebuie apreciată aproximativ în anul 4000 – 3500 î.C.

Posibil, termenul bedil din ebraica veche tradus în limba greacă cassiteros stă la originea denumirii cositorului.

PLUMBUL era de asemenea cunoscut din antichitate, de egipteni, babilonieni, vechii indieni, evrei, romani.

Este curios că plumbul, deși are o serie de proprietăți caracteristice: poate fi tăiat cu cuțitul, găurit cu acul și lasă urme pe hârtie, a fost multă vreme confundat cu cositorul. Pliniu face primul distincția între plumb și staniu.

Romanii foloseau mari cantități de plumb la conductele de apă ce alimentau Roma, din care unele mai există și astăzi.

Deși cunoscut de milenii, plumbul a fost obținut în stare pură de abia în 1915 (Lambert și Cullis).

MERCURUL sub formă metalică apare doar în 300 î.C. Teofrast, în Tratatul pietrelor, din sec. al II-lea î.C. menționează cinnaburus (cinabrul) – sulfura de mercur – care se folosea la prepararea vopselei roșii. Teofrast mai menționează și „argintul lichid” sub numele chutos argyros și care se obține prin prăjirea cinabrului cu oțet în vase de cupru. Dioscoride îl numește hydor argyros, care trece în latină ca hydrargyrum. Numele de mercur apare mult mai târziu și este dat de alchimiști după numele zeului Mercur, considerat fondatorul chimiei: Hermes Trismegiste.

FIERUL nu era răspândit în natură decât sub formă de combinații (sulfură și oxizi). Apariția fierului este controversată: unii menționează anul 2000 î.C., dar în piramide s-au găsit și obiecte de fier cu o vechime datând din anul 4000 î.C.

O mie de ani î.e.n., la construirea templului lui Solomon de la Ierusalim, s-au folosit 2500 tone de fier, fapt ce arată că în acea perioadă el se producea în cantități mari.

În India, la Delhi, există o coloană de fier înaltă de peste 6 m, cu o masă de aproape 6 tone. Ea a fost lucrată de Kumaragupta pentru tatăl său în anul 415. Această coloană nu este atinsă de rugină nici azi, după 16 secole. Pe lângă semnele de întrebare cum a putut fi prelucrat atunci un bloc atât de mare de fier, se mai adaugă secretul rezistenței sale deosebite față de agenții de oxidare atmosferică. Analiza chimică a arătat o compoziție de 99,72% fier și 0,28% carbon. Nicio altă impuritate.

Cuvântul sumerian an-bar, cel mai vechi cuvânt care definea fierul, însemna „cer și foc” sau „metal ceresc”, ceea ce arată originea lui meteorică. Fierul este menționat și în Vechiul Testament, și în Coran.

SULFUL – este cunoscut din antichitate pentru că se găsește în stare nativă și arde cu ușurință.

Alchimiștii arabi numesc sulful kibrit și susțineau că metalele sunt formate din kibrit (sulf) sau zibak (sulf și mercur), teorie reluată mai târziu de Becher și Stahl, la baza teoriei flogistice.

Sulful era privit ca unul din „elementele” metalelor, de unde și adagiul: „Omnia metala ex sulphure et argento vivo constitut”. Se cuprindea în termenul general de sulf o întreagă grupă de substanțe diferite, dar cu proprietatea de a arde. Toate corpurile combustibile se considerau ca o condensare a materiei focului, sulful fiind un „principiu al focului”.

Abia în 1772, Lavoisier, după studiile făcute asupra combustiei, arată că sulful este un element chimic.

CARBONUL este cunoscut sub formă de diamant în India încă din anii 2000 î.C. Studiul științific al carbonului în general și al diamantului în special începe târziu.

Meritul de a fi cercetat cel dintâi, în mod serios, acest element revine lui Lavoisier care, în neastâmpărul geniului său, trece prin prisma analizei științifice toate elementele chimice ce se cunoșteau în epoca sa. Experiențele lui fac dovada că diamantul este cel mai curat dintre diferitele forme de cărbune (este elementul chimic carbon).

2.2 ELEMENTE DESCOPERITE DE ALCHIMIȘTI

Căutarea „pietrei filozofale”, cu ajutorul căreia să poată transforma metalele comune în aur, i-a condus pe alchimiști la inventarea de noi metode experimentale de tratare chimică și fizică a materiei, precum și la descoperirea și izolarea – purificarea de noi substanțe elementare: arsenul, stibiul, bismutul, fosforul și zincul.

E curios că primele 4 elemente descoperite de alchimiști formează tocmai o grupă (VA) din tabelul lui Mendeleev.

Aceste elemente aveau caracteristici destul de curioase, mai ales pentru acea vreme. Arsenul și stibiul aveau să se remarce prin toxicitatea deosebită a compușilor și totodată prin utilizări în medicină: primul ca tonic (în cantități foarte mici), al doilea ca vomitiv. Bismutul era respins de un magnet, iar prin solidificare își mărea volumul, ca și gheața. Fosforul se aprindea singur în prezența aerului, iar la întuneric emitea o enigmatică „lumină rece”.

Fosforul avea să fie primul element chimic cu „act de naștere”, căci despre el se știe precis cine l-a descoperit, când și cum. Descoperirea elementelor chimice, cu date sigure asupra apariției lor, începe numai cu aproape patru secole înainte de noi.

Descoperirea fosforului rămâne cea mai spectaculoasă realizare a alchimiei, pe care o reabilitează pentru faptul că a împotmolit progresul chimie ca știință timp de secole.

ARSENUL

Antichitatea cunoștea două sulfuri ale acestuia (As2S2 și As2S3), menționate de Aristotel, Teofrast, Pliniu.

Izolarea arsenului este atribuită de unii autori lui Albertus Magnus (1250). Alchimiștii cunoșteau reacția dintre arsen și cupru și, din cauza produsului alb care rezulta din roșul cuprului, au fost convinși că au obținut prin transmutarea elementelor – argint.

Arsenul era considerat apoi de alchimiști ca un bastard al metalelor, un „semimetal”.

Alchimiștii arabi, în prima parte a Evului Mediu, numeau sulfurile de arsen zarnikh și le considerau o parte a mercurului, denumindu-le „mercurul răsăritului”. Chimistul musulman Abu’L-Quasim Al-Iraq (sec. XIII) arată asemănarea între As2S3 (zarnikh) și Sb2S3 (kuhl).

Se presupune că Albertus Magnus a preparat arsen tratând „o parte orpiment cu două părți săpun”. În secolul al XVI-lea, excentricul Paracelsus a obținut arsen metalic prin încălzirea oxidului de arsen cu coji de ouă.

STIBIUL

Stibiul sau antimoniul se folosea din Antichitate sub formă de sulfură (stibina) în cosmetică (la înnegrirea genelor – sprâncenelor). În anul 800 Geber, în 1050 Constantin Africanus folosesc numele antimoniu pentru stibiu.

Antimoniul revine în scrieri mai târziu, în secolul al XIII-lea, datorită unui aliaj al său care era greu de deosebit de aur. El consta din Cu cu 6% Sb, numit „aurul lui Albertus Magnus”.

Nicolas Lemery (secolul al XVII-lea), între alte lucrări importante de chimie, scrie și Tratatul antimoniului în care face o primă prezentare științifică a acestui element pe care, în 1789, Lavoisier îl trece pe lista elementelor chimice.

BISMUTUL

Bismutul apare pentru prima dată menționat în scrieri ale alchimiștilor. Paracelsus considera bismutul un semimetal, un „bastard al plumbului”.

În secolul al XVI-lea, Agricola publică lucrarea Bermannus în care trece bismutul în categoria metalelor; totuși bismutul este confundat multă vreme cu plumbul, stibiul, zincul.

FOSFORUL

Fosforul a fost descoperit în 1669 de un negustor de chimicale din Hamburg, numit Hennig Brandt, care, căutând „piatra filozofală” în urina umană, a obținut din întâmplare fosforul, marcând cea mai spectaculoasă descoperire din toată perioada alchimică. Crezând că a descoperit o veritabilă comoară, Brandt a păstrat secretul obținerii fosforului, numindu-l la început „focul rece” și vânzându-l la prețuri exorbitante. Toate încercările chimistului german Johann Kunckel de a cumpăra „secretul” obținerii fosforului de la Brandt au fost infructuoase.

Perseverent, Kunckel reușește să redescopere „fosforul strălucitor al lui Brandt” și descrie prepararea lui în lucrarea sa Laboratorium.

Au mai reușit prepararea fosforului Boyle, Hensing, Marggraff, Gahn și Scheele, folosind diferite surse.

ZINCUL

În legătură cu descoperirea zincului există încă discuții: dacă a fost cunoscut în antichitate, dacă este unul dintre succesele alchimiștilor europeni sau dacă trebuie considerat o realizare a alchimiștilor chinezi dinainte de secolul al XIII-lea, când Marco Polo a găsit în Persia obiecte de zinc provenite din China.

Această confuzie stăruie în primul rând datorită existenței unor statuete din alamă (aliaj Cu-Zn) provenind din antichitate. În diferitele surse se menționează compuși ai zincului – calamina (carbonatul de zinc), nix alba (oxidul de zinc) folosiți în diverse scopuri.

O primă menționare a zincului apare în 1280, în scrierile lui Albertus Magnus. Dar cel care a descris pentru prima dată zincul metalic și proprietățile lui a fost Paracelsus, în 1520, tot el dându-i și acest nume.

2.3 ALTE EELEMENTE DESCOPERITE PÂNĂ ÎN 1789

2.3.1 Hidrogenul, azotul, oxigenul, clorul

Principalele gaze elementare cu importanță deosebită în chimia teoretică și industrială au fost descoperite în cursul a 8 ani (1766 – 1774). Trecând peste primele experiențe din care rezulta prezența acestor elemente, fără însă a se fi putut izola și cunoaște proprietățile lor fizice și chimice, toate cele trei elemente din aer sunt rodul muncii chimiștilor englezi.

Importanța acestor trei elemente sub formă gazoasă este deosebită. Hidrogenul și oxigenul sunt componenții apei, oxigenul și azotul sunt principalii componenți ai aerului atmosferic. Oxigenul reprezintă jumătate din materia ce se găsește pe Pământ, iar hidrogenul peste 90% din toată materia ce se găsește în Univers.

Hidrogenul

Din istoria descoperii hidrogenului sunt de menționat următoarele momente:

în secolul al XVI-lea, Paracelsus constată că la tratarea piliturii de fier cu acid sulfuric diluat se degajă un gaz;

1609 – Van Helmont îl consideră o „varietate a aerului”;

Robert Boyle constată că din reacția piliturii de fier cu acid sulfuric sau clorhidric se obține un „aer”;

1766 – Henry Cavendish, considerat descoperitorul hidrogenului, îl identifică și descrie proprietățile acestuia;

Numele de HIDROGEN este dat de Lavoisier;

1898 – Dewar reușește să lichefieze hidrogenul, stabilindu-i apoi densitatea (0,07) și punctul de fierbere (-253°C);

1932 – Urey, Brickwedde și Murphy descoperă deuteriul, apoi Urey și Washburn descoperă „apa grea”;

1934 – se descoperă tritiul.

Azotul

Denumirea de azot a fost dată acestui element de Lavoisier, în 1773, justificând-o astfel: „Proprietățile chimice ale fracțiunii nerespirabile din aerul atmosferic nu sunt prea bine cunoscute, dar eu mă declar satisfăcut, deducând numele său pe baza acestei proprietăți, pe care o are gazul care lipsește de viață animalele care-l respiră …”.

Istoria azotului se confundă cu cea a aerului:

1674 – John Mayow – menționează azotul, dar îl confundă cu dioxidul de carbon;

1772 – Daniel Rutherford publică Disertatio inauguralis de aere fixo dicto aut mephitico (Disertație inaugurală asupra aerului fix, numit și aer mefitic), în care face cunoscută existența azotului.

De fapt, cu câteva luni mai înainte, Cavendish îl informase pe Priestley într-o scrisoare că, trecând un curent de aer deasupra cărbunilor aprinși, apoi deasupra potasei caustice, „a obținut” un gaz mai ușor ca aerul, care stinge flacăra și pe care l-a numit „aer flogisticat” sau „aer mefitic”. Nepublicând descoperirea, onoarea descoperirii azotului i-a revenit lui Rutherford.

1777 – Lavoisier arată că azotul există în stare liberă în atmosferă și că reprezintă 79% dintr-un volum de aer. După numeroase experiențe cu azot și oxigen, el formulează legea conservării masei corpurilor.

1789 – cu ocazia editării primei nomenclaturi chimice, Lavoisier (cu Guyton de Morveau) înlocuiește denumirea de „aer mefitic” și „aer flogisticat” cu cea de azot.

1823 – J.A. Chaptal dă azotului numele de nitrogen.

Oxigenul

Oxigenul este cel mai important dintre toate elementele chimice. Importat prin prezența sa în natură: 20% din aer, 89% din apă, în proporții mari în aproape toate mineralele și, în total, aproximativ 50% din toată materia globului pământesc. Mai este important prin rolul deosebit pe care îl are în respirația omului, care consumă zilnic aproape 1 kg de oxigen și prin participarea sa la diferite fenomene importante din natură.

Existența oxigenului a fost presupusă cu multă vreme înaintea izolării sale.

Henrich Julius Klaproth, fiul lui Martin Herman Klaproth, cel care descoperise uraniul, titanul, zirconiul și ceriul, găsește într-o carte chinezească de chimie, scrisă de Mao-Khoa pe la mijlocul secolului al VIII-lea, o notă din care reiese că atmosfera este compusă din două părți: yann (azotul de azi) și yne (oxigenul). În aceeași carte se mai scrie că substanțele care ard în aer (sulful, carbonul) consumă yne (deci oxigen).

În 1489 Eck von Sultzbach arată că oxidul roșu de mercur prin încălzire dă un „spirit”, din care și izolează o parte. Prin aceasta, el ar putea fi considerat descoperitorul oxigenului, cu atât mai mult cu cât peste aproape trei secole, Joseph Priestley descoperă oxigenul prin exact aceeași metodă.

În 1665, fizicianul și astronomul englez Robert Hooke în Micrografia scrie despre teoria combustiei și arată că aerul conține o substanță care se găsește și în salpetru, fiind vorba evident de oxigen.

În 1674, medicul și chimistul John Mayow, explicând constatările sale asupra combustiei, susține că aerul conține „spiritus nitro-aereus” (oxigenul de mai târziu) și că el se consumă în respirație și ardere. Acest „spiritus” se găsește și în salpetru și în acizi și arată că animalele îl „absorb în sânge”.

Olaf Borch, un chimist danez, în 1674, constată și el că încălzind salpetru se degajă un „aer”, fiind se pare primul care a preparat oxigen în stare liberă. El a fost urmat de Stephen Hales în 1726, care colectează deasupra apei „gazul” obținut prin încălzirea salpetrului, deși credea că este aer obișnuit.

În 1774 chimistul englez Joseph Priestley descoperă amoniacul gazos („aer alcalin”), acidul clorhidric gazos („aer acid”), unii oxizi de azot și „aerul deflogisticat” – oxigenul. El studiază meticulos comportarea chimică și proprietățile acestuia, comunicând Academiei de Științe descoperirea sa.

Independent de acesta, chimistul suedez Carl Wilhelm Scheele descoperă clorul prin încălzirea piroluzitei (dioxidul de mangan) cu acid clorhidric și apoi, în 1771, tratează dioxidul de mangan și cu acid sulfuric, obținând și oxigen – „aer de foc”, se pare chiar înaintea lui Priestley.

În 1772 Scheele obține oxigen și prin încălzirea salpetrului, dar cartea sa Experiențe și observații asupra diferitelor părți ale aerului este tipărită de abia în 1777.

Lavoisier – „ucigașul flogisticului” – a fost cel care a conștientizat importanța descoperirii celor doi, aceștia crezând că au identificat de fapt „flogisticul”, și a dat elementului numele oxigen.

În 1875 L. Cailletet, R. Pictet – reușesc lichefierea oxigenului (-183°C), iar în 1911 J. Dewar obține oxigen solid (-218°C).

În 1783 – Van Marun descoperă ozonul.

În 1913 – fizicianul Fabry descoperă prezența ozonului în atmosfera terestră înaltă.

În 1930 – geofizicianul american S. Chapman elaborează teoria formării ozonului atmosferic.

Secolul al XVIII-lea ia sfârșit cu credința chimiștilor că aerul are în compoziția sa doar cele trei gaze: oxigen, azot și bioxid de carbon. Însă azotul obținut în decursul acestui secol era de fapt impur. Purificarea lui nu a fost posibilă decât peste 100 de ani, când în azotul presupus pur au fost descoperite gazele „inerte”.

Clorul

Numele elementului a fost dat de Sir Humphrey Davy datorită culorii gazului după numele grecesc chloros = galben-verzui.

Acidul clorhidric era cunoscut și folosit din antichitate, sub numele de spiritus salis, acid marin, acid muriatic.

Glauber este primul care a întrevăzut existența clorului, observând „degajarea unui gaz colorat din spirtul de sare încălzit cu var”.

În 1774, la sugestia lui Bergman, Scheele întreprinde o serie de experiențe cu piroluzită (dioxidul de mangan), a cărei compoziție era necunoscută, fiind confundată cu magnetita. El obține clor din reacția piroluzitei cu acid muriatic dar, din cauza convingerii lui Lavoisier că orice acid conține și oxigen, identificarea clorului este întârziată. După mulți ani de încercări de a obține clor din clor, Davy, în 1810, ajunge la concluzia că acidul muriatic deflogisticat al lui Scheele este un element chimic, numit în final clor de către Gay-Lussac.

2.3.2 Metale

În perioada 1735 – 1789 au fost descoperite și șase elemente metalice: cobaltul, nichelul, manganul, molibdenul, telurul și wolframul, primele patru de către chimiști suedezi, telurul de către un transilvănean saș din Sibiu, iar wolframul de doi frați spanioli.

Cobaltul

Unele minereuri de cobalt erau cunoscute din Antichitate și au atras atenția probabil din cauza coloritului seducător. Compuși ai cobaltului se folosesc în Egiptul antic la colorarea sticlei în albastru și apoi la prepararea smalțului.

În Evul Mediu, numele de cobalt apare în scrierile lui Basilius Valentinius, ale lui Paracelsus și ale lui Agricola, provenind de la kobold, care avea sensul de mineral fals.

În secolul al XVI-lea, Christoph Schurer redescoperă, după trei milenii, sticla colorată folosită în Egiptul antic, a cărei rețetă nu se mai cunoștea.

În 1735, chimistul George Brandt analizează în mod temeinic minereurile de cobalt care se găsesc, de altfel, destul de răspândite în Scandinavia și descoperă metalul căruia i se datora colorarea sticlei, numindu-l cobalt rex. În același an, el comunică Academiei de Științe din Uppsala descoperirea noului element, menționând că este „diferit de bismut”. A fost izolat însă cu 7 ani mai târziu. De cobalt se ocupă, după 1780, Bergman și apoi Liebig și Wöhler.

Nichelul

Istoria nichelului seamănă cu cea a cobaltului. Deși cunoscut încă din Antichitate sub forma combinațiilor sale, a fost izolat și identificat de abia în 1751 de către un alt chimist suedez, Axel F. Cronstedt. În stare foarte pură, nichelul va fi obținut de abia în 1804 de către Richter.

Manganul

Manganul este pomenit de Pliniu, care descrie o substanță asemănătoare magnetitei, care însă nu avea proprietăți magnetice, folosită la colorarea sticlei.

Alchimiști arabi din Evul Mediu disting magnetitul de oxidul de magneziu (magnesia alba), iar Basilius Valentinius și alți alchimiști îl consideră un minereu de fier.

În 1740 abia, chimistul german J.K. Pott constată că minereul nu conține fier și prepară unii compuși ai manganului, fără a-și da seama însă că este vorba de un element nou.

În 1774, Scheele și apoi Gahn reușesc să izoleze manganul, dar în formă pură este obținut prima dat în 1807 de chimistul J.F. John.

Molibdenul

Vechii greci utilizau sulfura de plumb (galena) pentru scris, dar aceeași întrebuințare o avea și grafitul, amândouă fiind în mod curent confundate și numite molibdos – plumb. Cu timpul, această denumire s-a extins și la alte minerale asemănătoare ca aspect fizic, printre care așa-numitele plumb de mare sau molibdenita.

Numele molibdenului a fost dat de Scheele în 1778 de la grecescul molibdos.

Compușii molibdenului au fost studiați de Pott, Quist, Scheele, Pelletier. Izolarea molibdenului metalic a fost realizată însă în 1782 de chimistul suedez Peter Jacob Hielm.

Telurul

Telurul a fost găsit de un țăran român la Săcărâmb, lângă Zlatna,în secolul al XVIII-lea, minereul său fiind confundat inițial cu aurul, apoi cu bismutul sau cu antimoniul.

În 1782, Franz-Josif Müller, după o serie de determinări de laborator, ajunge la concluzia că este vorba de un nou element chimic. Rezultatele cercetărilor sale sunt publicate în 1783 la Viena și verificate de somitățile vremii: Kirwan, Bergman și Klaproth. Acesta din urmă dă minereului numele de silvanită, iar Bergman confirmă conținutul în antimoniu al minereului.

Într-un raport din 1784, Müller notează: „prin topirea minereului și prin tratarea cu azotat de sodiu și acid tartric, nu se observă formarea unor compuși de antimoniu, ci a unui produs care colorează flacăra în albastru și care cu mercurul formează un amalgam necunoscut”.

La 25 ianuarie 1789 Klaproth comunică Academiei de Științe din Berlin descoperirea unui nou element metalic pe care-l numește telurium – telur.

Mai târziu, telurul este redescoperit de profesorul Paul Kitaibel de la Universitatea din Budapesta tot în silvanită, acesta recunoscând întâietatea descoperirii lui Müller von Reichenstein.

Wolframul (tungstenul)

Numele de wolfram provine de la minereul wolframită, soluție solidă de FeWO4 și MnWO4, iar cel de tungsten din suedeză: tung-sten = piatră grea (minereul de CaWO4).

În Evul Mediu, în procesele metalurgice ale staniului apăreau bulgări grei, negrii sau cafenii, care „înghițeau” staniul, alterându-i proprietățile, și numiți din această cauză wolfrahm (spuma lupului).

Din acest motiv, wolframita, considerată până în secolul al XVIII-lea „piatra blestemată”, nu avea utilizări.

În De re metallica a lui Agricola, apărută în 1546, este descrisă spuma lupului – lupi spuma.

În 1781, Scheele izolează din „piatra blestemată” o substanță cu proprietăți acide, numind-o acid tungstenic.

Bergman era convins că „baza acidului tungstenic este un nou metal” și, la îndemnul său, doi studenți spanioli, frații Juan-José și Fausto d’Elhujart descoperă și ei în 1783 acidul tungstenic din care, prin reducere cu carbon la temperatură înaltă, obțin tungsten metalic.

2.4 DESCOPERIRILE ELEMENTELOR DUPĂ 1800

2.4.1 Descoperirea halogenilor

Cuvântul halogeni a fost introdus de I.S. Schweiger pentru a indica elementul clor descoperit de Scheele. Acest termen este extins de Berzelius pentru întreaga grupă: clor, iod, brom, apoi fluor și astatiniu – acesta din urmă obținut pe cale artificială.

În descoperirea și studierea halogenilor, care s-a întins pe parcursul a 120 de ani, s-au implicat nume din cele mai celebre: Scheele, Lavoisier, Berthollet, Davy, Gay-Lussac, Thénard și chimiști mai puțin cunoscuți la acea vreme: Courtois, Balard și Moissan.

Clorul, iodul, bromul au fost descoperite fără dificultăți deosebite după depășirea „barierei” clorului; în schimb, izolarea fluorului a implicat eforturi deosebite, făcând chiar și victime printre experimentatori: Gay-Lussac și Davy s-au îmbolnăvit de plămâni, iar Knox și Louvet au murit intoxicați din cauza acidului fluorhidric folosit pentru izolarea fluorului.

Pentru descoperirea fluorului s-au străduit zeci de oameni de știință mai bine de 75 de ani, reușita revenindu-i în final lui Moissan.

2.4.2 Metalele platinice

Sunt metalele din grupa a 8-a a tabelului periodic și înrudirea lor se manifestă atât în similitudinea proprietăților fizice și chimice, cât și în faptul că se găsesc în natură laolaltă, chiar dacă în proporții diferite.

Grupa metalelor platinice se împarte, după greutatea specifică, în două subgrupe: ușoare (ruteniu, rodiu, paladiu) și grele (osmiu, iridiu, platină).

Despre platină se crede că ar fi fost cunoscută din antichitate și folosită și de alchimiști, dar în scrieri științifice apare la mijlocul secolului al XVIII-lea.

Celelalte cinci metale platinice au fost descoperite de: W.H. Wollaston în 1803 – paladiu și rodiu, de S. Tennant în 1804 – iridiu și osmiu și de K. Klaus în 1844 – ruteniul.

2.4.3 Metalele alcaline și alcalino-pământoase

Metalele alcaline (litiu, sodiu, potasiu, rubidiu, cesiu) au fost izolate târziu și cu greutate, dar compuși ai lor au fost folosiți încă din antichitate.

Meritul de a fi izolat și sodiul și potasiul revine lui Humphrey Davy, care a utilizat nou descoperitul procedeu, în 1807 – electroliza.

Zece ani mai târziu, un student al lui Berzelius, Arfvedson descoperă litiul.

Celelalte două metale alcaline, cesiul și rubidiul, au fost descoperite jumătate de secol mai târziu, pe cale spectrală, de către Bunsen și Kirchhoff.

Metalele alcalino-pământene (calciu, stronțiu, bariu, magneziu) sunt descoperirile lui Humphrey Davy; tot el reușește să obțină din acid boric prin electroliză și borul.

2.4.4 Elemente descoperite pe cale spectrală

La mijlocul secolului al XIX-lea, la Universitatea din Heidelberg funcționau ca profesori Robert Bunser și Gustav Kirchhoff. Chimistul Bunsen se remarcase deja printr-o serie de descoperiri importante: obținerea cianamidei, a magneziului, izolarea seleniului pur.

În 1859 Bunser și Kirchhoff, urmând cercetările predecesorilor, inventează analiza spectrală ce avea să aducă mari succese fizicii și chimiei. Cu ajutorul spectroscopului ei descoperă în 1860 cesiul, iar în 1861 rubidiul. Tot prin această metodă, Crookes descoperă taliul, iar Reich și Richter indiul.

Această nouă cale de cercetare a materiei avea să ducă la descoperiri din cele mai spectaculoase. În 1868, Norman Lockyer și Pierre Jansen aveau să identifice heliul în Soare, înainte de a fi descoperit pe Pământ, iar în 1880 H. Draper face prima fotografie a spectrelor unei stele.

La începutul secolului XX, prin lucrările lui Maxvon Laue, William Bragg, Henry Moseley și G. Urbain, se pune la punct spectroscopia de radiații X, cu ajutorul cărora s-a putut detecta existența hafniului și reniului.

Alte elemente descoperite pe cale spectrală au fost: taliu, galiu, yterbiu, holmiu, tuliu, samariu, neodim, praseodim, lutețiu.

2.4.5 Metalele pământurilor rare

Sub acest nume sunt cuprinse cele 15 metale dintre lantan și lutețiu – lantanidele, foarte asemănătoare atât în formă elementară, cât și a combinațiilor și prezente în aceleași minerale.

Din cauza marii lor asemănări, izolarea acestor elemente în stare pură era și este una din cele mai dificile probleme ale chimiei, problemă deschisă încă.

Dintre chimiștii care au avut aporturi deosebite la descoperirea acestor elemente, locuri de frunte ocupă Mosander, Boisbaudran, Cleve, Marignac, Welsbach, Urbain, Arrhenius, Gadolin, Ekeberg, Klaproth, Berzelius.

2.4.6 Gazele nobile

În vreme ce halogenii au fost descoperiți de-a lungul a 120 de ani, elementele principale din grupa gazelor rare 8nobile), exceptând heliul, au fost descoperite în decurs de 4 ani.

Argonul a fost descoperit de Sir J.W.S. Rayleigh și Sir W. Ramsay, iar neonul, kriptonul și xenonul de către Sir W. Ramsay și Sir M.W. Travers. După ce li s-au cunoscut proprietățile, curioase atunci, de a nu se combina cu nici un alt element, pentru nobilii englezi părea normal să fie numite „gaze nobile”. Mai târziu, din cauza acelorași proprietăți, au fost numite „gaze inerte” sau, conform locului ocupat în tabelul lui Mendeleev, elemente „zerovalente” și apoi, din cauza rarității lor în atmosferă, „gaze rare”.

În eforturile pentru descoperirea gazelor rare, o greutate deosebită era inerția lor chimică. De aceea izolarea lor s-a putut face numai prin metode fizice: identificarea cu ajutorul spectroscopului, iar separarea prin distilare fracționată a diferitelor fracțiuni derivate din aer lichid.

2.4.7 Descoperirea elementelor cu radioactivitate naturală

Sfârșitul secolului al XIX-lea intră în istoria fizicii și chimiei prin descoperirea radioactivității, realizare precedată de alte câteva descoperiri importante, care i-au facilitat apariția: razele catodice, electronul, razele X, spectrograful de masă.

Descoperirea radioactivității uraniului de către Becquerel în 1896 și apoi a radioactivității toriului deschid orizonturi noi științelor fizico-chimice.

Dintre oamenii de știință care se pasionează pentru cercetări în acest nou domeniu al științei, primii sunt Pierre Curie și soția sa, Maria Sklodowska Curie. Ei descoperă două noi elemente, mai radioactive decât uraniul, pe care le numesc radiu și poloniu.

2.4.8 Elemente descoperite pe cale artificială

La începutul anului 1937, din cele 92 de elemente cuprinse în tabelul lui Mendeleev, patru erau încă necunoscute: cele cu numerele atomice 43, 61, 75 și 87. existența elementelor 43 și 75 era prevăzută încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea, iar prin descoperirea legii lui Moseley, în 1914, s-a putut stabili cu certitudine existența acestor elemente.

Încă din 1925, în concentratele de molibden și wolfram, studiate cu ajutorul spectrelor de raze X, s-a putut determina existența elementului 75 (reniu), care a fost apoi izolat de Walter Nodak și Ida Tacke.

În 1932, americanul E.O. Lawrence inventase ciclotronul și se dezvoltau tehnici speciale pentru identificarea chiar a urmelor unui element. Lawrence trimite în Italia, la Palermo, lui Emilio Segré și Carlo Perrier o probă de molibden care a fost bombardată timp de mai multe luni în ciclotron cu deuteroni și prezenta o puternică radioactivitate. Oamenii de știință analizează monstra, reușind în final să separeu un nou element, numit technețiu, elementul 43.

Urmează și descoperirea altor elemente ca franciu, astatiniu, promețiu.

Elementele transuraniene își încep istoria în 1940, cu neptuniul, și continuă, pe parcursul următorilor 30 de ani cu alte 12 elemente.

Aceste descoperiri au fost posibile prin progresele făcute și în aparatură și în metode: captări de neutroni prin eliminare de radiații beta, adiții directe de protoni, adiții de proiectile complexe nucleare.

Din anul 1940, prin lucrările lui E.M. McMillan, P.H. Abelson și, în special, ale grupului Glenn T. Seaborg, s-au descoperit 13 elemente, toate radioactive și mai grele decât uraniul, toate cu o viață extrem de scurtă, în general de câteva zile, ore sau secunde, cu excepția plutoniului.

Nici unul dintre aceste elemente nu se găsește liber în natură. Unele din ele au fost detectate în produsele rămase în urma exploziilor termonucleare. S-a stabilit astfel că aceste elemente mai grele decât uraniul au apărut la formarea Universului, dar după o vreme forțele de coeziune internă nu au mai fost suficiente pentru a menține permanent structura atomilor și din cauza radioactivității au trecut în elemente mai stabile, cele până la uraniu.

Faptul că în natură nu se găsesc elemente mai grele decât uraniul se explică prin faptul că timpul de viață mediu al acestor elemente radioactive este mai mic decât vârsta globului terestru.

Adică, numărul de elemente chimice se micșorează, materia condensându-se în elemente mai stabile.

=== Cap 3 ===

3. ORGANIZAREA RAȚIONALĂ A ELEMENTELOR CHIMICE

3.1 CLASIFICAREA ELEMENTELOR CHIMICE

„Chimia înseamnă bucătărie – o spun toți liceenii – și în plus trebuie spălate la sfârșit și vasele”. Dacă aserțiunea este cam nedreaptă cu chimia actuală, ea o descrie perfect pe aceea de la sfârșitul secolului al XVIII-lea, epocă în care cărțile de chimie conțineau mai multe rețete decât formule, unde noile elemente chimice se înmulțeau anarhic și unde „atomiștii” intrau în luptă cu „echivalentiștii”. Dar, pornind de la clasificările simpliste ale alchimiștilor, care împărțeau substanțele în metale și nemetale, și continuând cu Berzelius, care deosebea metale și metaloide, secolul al XVIII-lea și apoi cel de al XIX-lea au înregistrat o adevărată revoluție a conceptelor și clasificărilor chimice. Deschizătorul de drum a fost Antoine Lavoisier.

ANTOINE LAURENT DE LAVOISIER

S-a născut la 26 august 1743 la Paris.

Și-a început studiile la Colegiul Mazarin, o școală aristocratică, unde învățau copiii marii burghezii și ai funcționarilor superiori. În programa școlară figurau și matematica, fizica, chimia, dar se acorda un loc mai important limbilor clasice (latina și greaca), studiului limbii franceze și retoricii. După absolvirea colegiului, la insistențele tatălui său, s-a înscris la Facultatea de Drept, pe care a absolvit-o în 1764. În paralel cu studiile de Drept el a reușit să acumuleze cunoștințe profunde în domeniile matematicii, fizicii, chimiei și mineralogiei, sub îndrumarea a trei mari savanți: astronomul și fizicianul, abatele Nicolas Louis de La Caille, fostul lui profesor de matematică elementară la Colegiul Mazarin, chimistul Guillaume François Rouelle senior și geometrul și mineralogul Jean-Étienne Guettard.

După absolvirea Facultății de Drept a renunțat la cariera de avocat, simțindu-se atras de știință. Sub îndrumarea lui Guettard s-a ocupat întâi de mineralogie, având ca rezultat primele sale lucrări științifice în acest domeniu, prezentate Academiei de Științe. Totodată a făcut observații meteorologice, pe care le-a continuat timp de 30 de ani, notând cu regularitate presiunea și temperatura aerului, într-o vreme când nu exista o rețea de stații meteorologice care să se ocupe sistematic cu studierea și prognoza vremii.

A participat apoi la așa numitul „concurs al felinarelor”, organizat de Academia de Științe, cu tema: „Găsirea celei mai bune metode de iluminare a străzilor unui oraș mare, îmbinând o bună iluminare, o manipulare ușoară și economicitate”. Deși premiul a fost acordat altor participanți, proiectul lui a fost remarcat ca o lucrare științifică valoroasă, pentru care i s-a acordat de către Academie medalia de aur (1765).

La 8 mai 1794, când în Franța domnia Terorii ajunsese la apogeu, Antoine Lavoisier, unul dintre cei mai mari oameni de știință ai tuturor timpurilor, a fost trimis să-și împlinească ursita pe eșafodul ghilotinei. A fost o zi sumbră în istoria științei deoarece Lavoisier – cu ajutorul altor patru mari chimiști: Scheele, Priestley, Black și Cavendish – începuse în sfârșit, cu doar câțiva ani mai devreme, să descâlcească haosul care domnea în chimie încă din antichitate. În plus, doar cu cinci ani mai devreme, Lavoisier adusese revoluția științifică în domeniul chimiei prin lucrarea sa Traité élémentaire de chimie, publicată în 1789. La 51 de ani, el ajunsese la apogeul puterii sale de creație. Așa cum a spus Joseph Louis Lagrange la o zi după execuția lui Lavoisier: „Tăierea acelui cap a luat doar o clipită; probabil că va fi nevoie de încă o sută de ani pentru a produce un altul ca el”.

„La fel ca și celelalte științe, chimia s-a născut din reflecțiile oamenilor inteligenți cu privire la faptele generale care se produc în timpul practicării diferitelor meșteșuguri ale vieții de zi cu zi” – îi plăcea chimistului scoțian Joseph Black să spună auditoriului său. Iar chimia – în parte și pentru că era atât de mult legată de aspectele vieții cotidiene – a ieșit, dintre toate disciplinele științifice, cel mai greu din chingile Evului Mediu, debarasându-se de vechile concepții confuze și pătrunzând în epoca post-newtoniană.

Chimiștii au început să descopere că gazele aveau cel mai mare potențial pentru a răspunde la investigațiile științifice privind compoziția chimică. Breșele în acest domeniu au constituit fundamentul pentru descoperirile privind alte elemente și compuși și, în cele din urmă, în secolul al XIX-lea, pentru teoria atomică.

Chimistul german din secolul al XIX-lea Justus von Liebig a spus cândva că Lavoisier „nu a descoperit niciun corp nou, nicio proprietate nouă și nici un fenomen natural necunoscut până la el. Gloria lui nemuritoare constă în faptul că a infuzat în corpul științei un spirit nou”.

Cunoscut ca fondator al chimiei moderne, Lavoisier le-a insuflat colegilor săi un respect nou pentru tehnicile cantitative, fundamentul întregului progres în domeniu. În vreme ce Black și Cavendish au instituit amândoi utilizarea unei analize cantitative atente, Lavoisier a reușit să-i convingă pe ceilalți chimiști de importanța acesteia. El a făcut pentru chimie ceea ce Galilei a făcut pentru fizică: a introdus o metodologie solidă, empirismul și abordarea cantitativă.

Într-o demonstrație privind importanța metodei cantitative, Joseph Louis Proust a descoperit în 1788 legea proporțiilor definite, care a început să ofere indicii pentru teoria atomului – ideea că în cadrul reacțiilor se schimbau unități întregi. Lavoisier a reușit să demonteze teoria flogisticului și a descoperit un principiu fundamental – legea conservării maselor, care a devenit „bastionul chimiei” în secolul al XIX-lea, concept pe care Einstein îl va perfecționa în secolul XX.

Solicitat să ajute la scrierea unui articol despre istoria chimiei pentru o enciclopedie, Lavoisier și-a dar seama că problema legată de discutarea chimiei de-a lungul epocilor este aceea că denumirile substanțelor se schimbă de la o țară la alta și de la o epocă la alta. Chimia avea nevoie de o nomenclatură internațională care să reflecte în mod coerent compoziția substanțelor – nu aici o întrebuințare, acolo o culoare, dincolo o fantezie poetică. Lavoisier a făcut pentru chimie ceea ce Linnaeus a făcut pentru biologie: el a conceput nomenclatura sistemică. Împreună cu alți doi chimiști, a publicat în 1787 Methods of chemical Nomenclatura, stabilind bazele unui sistem clar și logic de denumiri care reflectă compoziția, un sistem care a fost apreciat aproape instantaneu și este folosit și azi.

Această transformare a nomenclaturii chimice a jucat un rol esențial în revoluția științifică în chimie de-a lungul secolului al XVIII-lea – iar contribuția adusă de Lavoisier în această privință constituie unul dintre motivele pentru care este considerat fondatorul chimiei moderne.

În 25 de ani, Lavoisier a stabilit analiza cantitativă ca instrument de bază al chimistului, a „ucis” flogisticul, a stabilit legea conservării maselor și a fondat un nou sistem de nomenclatură chimică.

Odată cu moartea sa survenită în 1794, rolul jucat de el în marea revoluție a chimiei a luat sfârșit, dar progresul nu s-a încheiat. Pe temeliile clădite de Lavoisier, Black, Scheele, Priestley, Cavendish și Stahl, chimiștii din secolul al XIX-lea au fost în stare să construiască o înțelegere tot mai exactă a elementelor chimice, a naturii acestora, a felului cum reacționează reciproc și a proceselor care au loc în respectivele reacții.

John Dalton avea să amelioreze analiza cantitativă a lui Lavoisier și Black și, combinând-o cu conceptul antic despre atom al grecului Democrit, să ajungă la prima teorie cantitativă atomică în 1803.

În 1869, Dimitri Mendeleev va clasifica elementele chimice cunoscute într-un tabel periodic, iar la sfârșitul secolului, Marie și Pierre Curie vor descoperi radioactivitatea. Astfel se vor pune bazele pentru teoriile electronului și ale mecanicii cuantice.

Între timp, mulți dintre cei care contribuiseră atât de mult la aducerea chimiei în epoca modernă făceau totodată descoperiri interesante în fizică:

J.W. Döbereiner (1816) formează grupe de câte trei elemente foarte asemănătoare ca proprietăți:

Clor – Brom – Iod

Calciu – Stronțiu – Bariu

Litiu – Sodiu – Potasiu

Sulf – Seleniu – Telur

1863 – A.E. Beguyer de Chancourtois face o clasificare după masele atomice. Elementele sunt așezate după o spirală înfășurată pe un cilindru și acest fel elementele cu proprietăți asemănătoare apar unele sub altele. El conchide că „proprietățile corpurilor sunt proprietățile numărului”.

1863 – 1866 – J.A.R. Newlands se ocupă și el de studiul elementelor și constată că așezându-le în ordinea masei lor atomice, fiecare al optulea element repetă proprietățile primului – „octavele lui Newlands”.

1869 – D.I. Mendeleev pornește de la înșirarea elementelor în ordinea maselor lor atomice și constată că, într-adevăr, după un număr de elemente, proprietățile lor se repetă. Din acest loc scrie șirul al doilea ș.a.m.d., rezultând un sistem periodic al elementelor aranjate și orizontal și vertical.

Mendeleev formulează legea periodicității: Proprietățile elementelor variază periodic în funcție de masa atomică.

El este în asemenea măsură convins de adevărul legii sale încât aranjează elementele ținând cont și de proprietățile chimice ale acestora și ale compușilor lor, arătând că în unele cazuri s-a greșit la determinarea masei atomice. Realizează astfel inversiunea unor poziții ale elementelor în sistemul periodic, inversiune confirmată ulterior prin descoperirea izotopilor (Co-Ni, Te-I).

În unele cazuri, Mendeleev a lăsat locuri libere în tabelul său, precizând că în ele se vor plasa elemente nedescoperite încă, dar cu proprietăți chimice și fizice prevăzute conform legii periodicității.

După descoperirea sistemului periodic, Mendeleev a mai trăit 38 de ani, timp în care și-a tot perfecționat tabelul, pe măsură ce au fost descoperite și alte elemente (de exemplu, familia gazelor inerte – pe care o plasează în grupa zero). El s-a putut bucura de toate descoperirile făcute în acest timp, care confirmau de fiecare dată justețea tabelului său.

Tabelul lui Mendeleev s-a dovedit de un folos deosebit pentru toți chimiștii și fizicienii și stă la baza tabelului sistemului periodic al elementelor de azi.

3.2 ORGANIZAREA RAȚIONALĂ A ELEMENTELOR CHIMICE

TRIADELE LUI DÖBEREINER

În 1829, la Jena, profesorul Johann Wolfgang Döbereiner observă o legătură între proprietățile chimice ale elementelor și masele lor atomice, fapt pe care îl fructifică prin gruparea a câte trei elemente asemănătoare în așa numitele „triade” (tabelul 3.1). În triadă incrementele de creștere a masei atomice sunt constante. Deci, masa atomică a elementului din mijloc este apropiată de media aritmetică a maselor atomice ale membrilor extremi din triade.

Tabelul 3.1 Triade

SPIRALA TELURICĂ A LUI CHANCOURTOIS

În 1862, profesorul de mineralogie Beguyer de Chancourtois a comunicat la Academia Franceză o serie de lucrări despre așa numitele spirale telurice, prin care indica o legătură între proprietățile elementelor și masele lor atomice, propunând primul model global al elementelor chimice. Pe o suprafață cilindrică, verticală, Chancourtois desfășura, sub un unghi de 45° față de axa cilindrului, o spirală care cuprindea elementele atomice cunoscute (circa 60), așezate în ordinea creșterii masei lor atomice. Suprafața verticală a cilindrului avea trasate 16 linii verticale, egal distanțate, paralele cu generatoarea.

Ca urmare a acestui sistem grafic de corelare, elementele ale căror mase atomice erau multipli de 16 apăreau pe aceeași linie verticală și, în unele cazuri, proprietățile lor chimice erau foarte asemănătoare. Corelațiile se puteau înmulți ducând alte linii verticale pe cilindru și atribuind proprietăților elementelor – proprietățile numerelor respective.

LEGEA OCTAVELOR LUI NEWLANDS

În 1864, inginerul chimist John Alexander Newlands compară proprietățile elementelor întâi direct cu masele lor atomice, apoi cu numerele corespunzătoare ordinii elementelor în seria de elemente cu mase atomice crescătoare. El observă o asemănare uimitoare de proprietăți la fiecare al optulea element. Apare pregnant importanța numărului de ordine într-o serie în care elementele sunt clasificate în serii de șapte. John Newlands numește acest tip de regularitate, evidențiată de el, legea octavelor printr-o analogie, neadecvată, cu scara notelor muzicale. Acesta a fost începutul unei perioade de denigrare a lucrărilor sale. Astfel, s-a consemnat faptul că, în timpul ședinței de comunicări de la Societatea Londoneză de chimie a fost întrebat de un participant dacă nu a încercat vreo satisfacție așezând elementele în ordine alfabetică!

Cu toate acestea, modelul bidimensional al lui Newlands reușea să potrivească 35 de elemente, prefigurând de fapt destul de bine imaginea finală a tabelului periodic.

WILLIAM ODLING

Ridiculizarea încercărilor de sistematizare propuse nu a înăbușit încercările ulterioare de organizare a elementelor chimice pe baze raționale. Trei oameni de știință au urmărit mai departe raționalizarea a ceea ce părea irațional. Unul dintre ei a fost William Odling, succesorul lui Michael Faraday la Institutul Regal și, mai târziu, profesor de chimie la Oxford, care susținea că așezarea simplă a elementelor în ordinea crescătoare a maselor lor atomice este în armonie cu proprietățile lor chimice. El a amplasat 57 de elemente în locurile pe care le-ar ocupa și astăzi, cu doar câteva luate împreună și localizate incorect. Odling a lăsat locuri goale, care sugerau cu tărie existența unor elemente lipsă (tabelul 3.2). Lucrarea lui Odling a fost ignorată în mare măsură și pe nedrept, dar el a trăit să-și vadă adeverite ideile, fiind singurul din cei trei care a trăit până în secolul XX, a murit în 1921.

Tabelul 3.2 Tabelul elementelor a lui Odling

IULIUS LOTHAR MEYER

Chimistul german Iulius Lothar Meyer s-a născut în 1830. Absolvent al Facultății de Medicină, a fost atras ulterior de cercetările în domeniul chimiei, fapt care a fost determinant pentru cariera sa. A doua pasiune se datorează poate influenței benefice a doi profesori celebri în vremea aceea: Löwig și Robert Bunsen (același Bunsen la care a fost trimis la specializare Mendeleev!).

Cariera universitară a lui Meyer s-a desfășurat la Universitățile din Eberswalde, Karlsruhe și Tübingen. Probabil că a fost și el printre participanții la celebrul congres din Karlsruhe, ale cărui hotărâri au marcat triumful teoriei atomo-moleculare. Lothar Meyer se arată interesat de caracterizarea prin metode fizice precise a elementelor, necesară în sistematizarea lor. În lucrarea Teorii ale chimiei moderne (1864) el face explicită starea de clasificare a elementelor în grupe analoge.

În 1868, Meyer stabilește un sistem general al elementelor (tabelul 3.3) și o curbă a volumelor atomice, dar nu le publică decât în decembrie 1869, în lucrarea Natura elementelor chimice ca o funcție a greutăților lor atomice, după ce Mendeleev făcuse cunoscută lumii științifice încercarea sa de a stabili un sistem al elementelor bazat pe masa atomică și asemănarea lor chimică. Referindu-se în principal la proprietățile fizice, Meyer arată că „în totalitate proprietățile elementelor sunt funcții periodice ale greutăților atomice”.

Acceptarea și dezvoltarea ulterioară a sistemului periodic dat de Mendeleev se datorează mai ales faptului că savantul rus, convins că descoperise o lege generală a naturii, a căutat să pună în valoare caracterul predictiv al legii prin descrierea proprietăților elementelor, corectarea unor mase atomice pe aceste baze ș.a.m.d., pe când Meyer era mult prea rezervat și prea prudent.

L. Meyer era oarecum stupefiat de îndrăzneala lui Mendeleev de a schimba masele atomice atunci acceptate „pe asemenea baze instabile”. Acest lucru l-a determinat probabil ca în 1833 la Tübingen, împreună cu Karl Seubert, să întreprindă un nou calcul al tuturor maselor atomice pentru elementele cunoscute.

Deoarece a fost mereu preocupat de măsurarea valorii proprietăților fizice ale elementelor și combinațiilor chimice și a factorilor fizici care determină anumite procese chimice, Lothar Meyer este considerat unul din precursorii dezvoltării chimiei fizice ca domeniu independent de cercetare și învățământ.

Tabelul 3.3 Sistemul periodic al elementelor după L. Meyer

DIMITRI IVANOVICI MENDELEEV

Dimitri Ivanovici Mendeleev s-a născut în 1834 la Tobolsk, în Siberia, unde tatălui său, un intelectual rus, liber cugetător, i se stabilise domiciliul forțat.

O influență deosebită asupra dezvoltării și formării lui Dimitri a avut-o mama lui, o femeie foarte energică, susținătoarea familiei, care s-a ocupat de conducerea unei mici fabrici de sticlă.

În 1849, Dimitri se înscrie la secția de fizică-matematică a Facultății din Sankt Petersburg, pe care o absolvă în 1855, fiind distins cu medalia de aur. Pentru examenul de diplomă pregătește, în mod strălucitor, o lucrare propusă de profesorul A.A. Voskresenski despre cazurile de izomorfism cristalin. Acest profesor, care studiase cu J. Liebig, prețuia în mod deosebit talentul de cercetător al lui Mendeleev și știa să-și pasioneze studenții pentru confruntările de idei din acea vreme, cu privire la natura combinațiilor chimice.

Tânărul cercetător D.I. Mendeleev era pătruns de pasiunea obținerii de date chimice precise. Acest lucru reiese și din faptul că după un an de muncă îndârjită, el susține două lucrări de disertație: Despre volumele specifice și Despre structura combinațiilor siliciului. El devine docent în chimie și colaborator permanent al Revistei ministerului instrucțiunii publice în probleme privind chimia aplicată. La stăruințele profesorului Voskresenski, Mendeleev primește o bursă pentru specializare la Heidelberg, la profesorul Robert Bunsen. Aici el își folosește toate resursele financiare pentru a-și încropi un laborator propriu cu aparatură cumpărată de la Paris și este preocupat de ideea caracterizării cât mai complexe a substanțelor, obținând primele date despre starea critică a acestora. În 1860, aflat încă în străinătate, Mendeleev ia parte la primul Congres Internațional al Chimiștilor de la Karlsruhe, congres celebru prin dezbaterile vii pentru precizarea noțiunilor de atom, moleculă, echivalent. La acest congres s-au impus ideile și metodele inovatoare ale lui Amedeo Avogadro și Stanislao Cannizzaro, care urmăreau să înlăture confuzia existentă pe atunci între aceste noțiuni. În rezoluția adoptată de congres se stabilea că molecula este acea cantitate de substanță care intră în reacție și determină calitățile ei fizice, iar atomul este cea mai mică cantitate de substanță cuprinsă în moleculă. Noțiunea de echivalent era considerată la vremea aceea ca empirică, independentă de noțiunile de atom și moleculă.

Se pare că urmărind aceste dezbateri, tânărul Mendeleev a sesizat cauza intimă a controverselor: lipsa unei concepții unitare despre elementele chimice.

Întors în țară la catedra de chimie organică a Universității din Sankt Petersburg, Mendeleev scrie primul curs de chimie organică din Rusia, care se bucură de apreciere unanimă. În acest curs aplică și dezvoltă teoria atomo-moleculară a combinațiilor organice pe care le studiază după asemănarea funcțiilor lor chimice.

El introduce noțiunea de serii omologe încă înainte ca A.M. Butlerov să fi dezvoltat teoria structurii chimice. Ulterior, ca urmare a argumentării experimentale a acestei teorii de către Butlerov, Mendeleev propune numirea acestuia în locul său ca titular al catedrei de chimie organică. Preluând conducerea catedrei de tehnologie generală, Mendeleev începe elaborarea unui nou curs pentru studenți. Concomitent duce o activitate intensă în sprijinul dezvoltării industriei ruse prin aplicarea unor procedee moderne de obținere a diferitelor materiale, adaptate după metodele văzute de le în străinătate și își susține teza de doctorat în domeniul chimiei soluțiilor. În 1867 este numit profesor la catedra de chimie generală a Universității din Sankt Petersburg.

Pentru a-și pregăti noul curs, Bazele chimiei, Mendeleev caută o cale de a sistematiza cunoștințele de chimie. Marele dezavantaj al cunoștințelor existente în acea vreme în domeniul chimiei era faptul că acestea nu erau puse în concordanță, erau simple îngrămădiri de date. Mendeleev scria: „Principalul interes al chimiei constă în studierea proprietăților de bază ale elementelor … Cunoaștem numai două proprietăți comensurabile: proprietatea de a da anumite forme de combinații și proprietatea elementelor denumită greutatea atomică. Rămâne numai o singură cale pentru cunoașterea lor temeinică și anume calea studierii comparative a elementelor pe baza acestor două proprietăți”.

Mendeleev era ferm convins de existența unei legi generale a naturii care determină toate asemănările și deosebirile între elemente. Pentru a repeta ușor ciclul încercare – observare – încercare prin care se putea pune în evidență o regularitate, el a întocmit un fel de fișă a fiecărui element consemnând pe un cartonaș masa atomică, însușirile și principalii compuși ai elementului respectiv. Dispunând elementele în ordinea creșterii masei atomice (cu trei incongruențe denumite ulterior inversiuni) și după asemănarea chimică, el reușește să obțină un sistem unitar, în care se încadrau organic grupele naturale de elemente semnalate anterior (alcalinele și halogenii) (tabelul 3.4). Analizând ordinea obținută, Mendeleev a observat repetarea proprietățile elementelor după anumite intervale și astfel descoperă legea periodicității formulată astfel: „Proprietățile fizice și chimice ale elementelor, care se manifestă în proprietățile substanțelor simple și compuse pe care le alcătuiesc, sunt într-o dependență periodică de greutățile lor atomice.”

Conștient de valoarea descoperirii sale, Mendeleev nu așteaptă apariția cursului Bazele chimiei, ci tipărește sistemul sub forma unui tabel și trimite, în februarie 1869, copii ale acestuia fizicienilor și chimiștilor cunoscuți. Concomitent,el trimite la ședința Societății de chimie ruse din Sankt Petersburg din 18 martie 1869 și o comunicare intitulată Încercări de a stabili un sistem al elementelor bazat pe greutatea atomică și asemănarea lor chimică.

Pentru finisarea descoperirii sale, el a parcurs o etapă de muncă intensă. În lucrările publicate între 1869 și 1871, Mendeleev aducea sistemului periodic modificări fundamentale care vădesc faptul că el se apropria de recunoașterea importanței locului elementului în sistem, loc pe care-l utiliza pentru precizarea proprietăților elementelor din căsuțele goale, pentru corectarea maselor atomice ale elementelor existente sau a formulei oxizilor (tabelul 3.5).

În mod bizar, și cu puține excepții, elementele situate pe aceeași coloană prezintă proprietăți chimice analoge: Dimitri Mendeleev habar n-are de ce elementele simple din natură se grupează pe familii într-un tabel de o simplitate biblică – bazat pe numărul 7 – dar acest fapt nu-l împiedică să-l utilizeze ca ai de memorat pentru elevii săi. Găselnița este simpatică, dar nu îndeajuns să-i emoționeze pe colegii săi care au primit cu răceală tabelul. Îi lipsește o căsuță, chiar mai multe – nu întârzie aceștia să remarce, ceea ce este de netăgăduit. Încăpățânat și încrezător în intuiția sa, Mendeleev umple căsuțele cu trei elemente ipotetice, ceea ce a făcut să ricaneze amabil comunitatea științifică timp de zece ani … Până când, în 1879, s-a descoperit scandiul, care s-a potrivit miraculos într-una dintre căsuțe, iar galiul și germaniul, șaptesprezece ani mai târziu, au umplut locurile rămase goale, reducându-i la tăcere pe chimiștii din lumea întreagă. Mai mult, la începutul secolului XX, gazele inerte (heliu, neon, argon etc.) s-au aliniat într-o a opta coloană pe care Mendeleev nu o prevăzuse, dar care se integrează în mod natural în tabel.

Din clipa aceea, Mendeleev a căpătat o figură de profet, la care a contribuit și barba sa lungă. De la o zi la alta, tabelul său a devenit arhetipul descoperirilor fulgurante și intuitive, în avans față de epocă cu câteva decenii. Chimia se aflase în cea mai mare dezordine, elementele pluteau în haos – și iată că un oarecare chimist rus își ia cea mai bună pană de gâscă și, atins deodată de grație, scrie în grabă pe un colț de hârtie noi table de legii. Bravul și laboriosul experimentator aplecat asupra eprubetelor dă o replică victorioasă teoreticienilor savanți aflați în spatele pupitrelor de conferențiari. Dreaptă răzbunare pentru cei care cred că, atunci când frământați aluatul materiei trebuie să te murdărești pe mâini.

Fără îndoială, această minte empirică le lipsea predecesorilor lui Mendeleev – lui John Newlands, de exemplu, care enunțase cu patru ani înainte o foarte pitagoriciană „lege a octavelor”, conform căreia proprietățile chimice ale elementelor trebuie să se repete precum tonurile în gama muzicală, sau lui Alex de Chancourtois, care propusese clasificarea elementelor (dar și a unor molecule) pe o „spirală telurică” foarte sofisticată. În ceea ce-l privește, Mendeleev nu teoretizează, el decelează o periodicitate și îi exploatează toate consecințele: „Legile naturale nu cunosc excepții, scrie el, și prin aceasta se deosebesc de regulile gramaticii”. Astfel, la baza convingerii sale de nezdruncinat stă certitudinea că natura nu ne joacă renghiuri și că, atunci când își dezvăluie secretele, le dezvăluie în totalitate. Misterioasa periodicitate descoperită de Mendeleev nu va fi explicată decât mult mai târziu, când fizica cuantică va demonstra felul în care comportamentul chimic al atomilor depinde de numărul de electroni și cum acești electroni se repartizează pe „straturi” concentrice după o regulă („regula octetului”), în care numărul 8 deține rolul principal.

Faptul că Mendeleev a realizat că a descoperit și nu a proiectat tabelul periodic este demonstrat de atitudinea sa față de acesta. În primul rând, el a lăsat spații în tabel, pentru elementele lipsă. Lăsarea acestor goluri în tabelul elementelor nu a reprezentat per se un lucru nou, dar Mendeleev era atât de sigur de el însuși, încât era pregătit să prezică proprietățile fizice și chimice ale acestor elemente nedescoperite.

Succesele sale cele mai notabile au fost cu eka-aluminiul (= galiul) și eka-siliconul (= germaniul). Lecoq de Boisbaudran a descoperit galiul în 1875 și a raportat o densitate a acestuia de 4,7 g/cm3, care nu a fost în concordanță cu predicția lui Mendeleev de 5,9 g/cm3. Când a descoperit că noul său element era eka-aluminiul lui Mendeleev și că marea parte a proprietăților sale fuseseră prezise cu acuratețe, Boisbaudran a redeterminat densitatea elementului cu mai multă precizie și a descoperit că aceasta era, după cum prezisese Mendeleev, de 5,956 g/cm3. Nu a existat nici un dubiu că Mendeleev descoperise un model fundamental al naturii.

Tabelul 3.4 Tabelul vertical al lui Mendeleev din 1869

Tabelul 3.5 Sistemul periodic al lui Mendeleev din 1871

GLENN THEODORE SEABORG

În 1944 Seaborg a formulat conceptul actinidic al structurii electronice a elementelor grele, care prevede că actinidele, incluzând primele 11 elemente transuraniene, formează o serie tranzițională analogă seriei pământurilor rare ale lantanidelor. Constituind una dintre cele mai semnificative schimbări în sistemul periodic de la proiectarea lui de către Mendeleev în secolul al XIX-lea, conceptul actinidic potrivea elementele transuraniene în sistemul periodic.

=== Cap 4 ===

4. BAZA FIZICĂ A SISTEMULUI PERIODIC AL ELEMENTELOR

4.1 NUMĂRUL ATOMIC Z

HENRY GWYN-JEFFREYS MOSELEY

Nucleele, care pot fi considerate miezurile esențiale ale atomilor, diferă între ele sub două aspecte: ca masă și ca mărime a sarcinii pozitive pe care o poartă. Această teorie reprezintă un progres semnificativ față de un nivel anterior de cunoștințe.

În secolul al XIX-lea nu se știa nimic despre sarcinile electrice din interiorul atomului și singura diferență cunoscută între atomi era masa. Elementele dispuse în ordinea maselor atomice alcătuiau un tabel bazat doar pe masa atomică are lipsuri. Diferențele în masă variază pe măsură ce lista înaintează. Uneori diferența de masă de la un atom la următorul este foarte mică, iar alteori foarte mare. În trei cazuri, greutatea atomică a unui element este de fapt mai mare decât a următorului element din șir.

De fapt, dacă masa ar fi proprietatea cea mai importantă, pozițiile a două elemente dintre cele trei amintite ar trebui să fie inversate. Nu sunt însă inversate, deoarece atunci ar trebui plasate în grupuri ce nu au aceleași proprietăți ca ele. Mendeleev, care a conceput cel dintâi tabelul periodic, considera că păstrarea elementelor în propriile familii era mai importantă decât urmarea strictă a ordinii crescătoare a maselor atomice și chimiștii care i-au urmat au fost de acord.

Apoi, de asemenea, având doar masa drept caracteristică distinctivă, nimeni nu știa când putea fi descoperit un element cu masa atomică aflată între valorile maselor a două elemente deja cunoscute. Până în anul 1890 se descoperise o familie întreagă de elemente necunoscute anterior și tabelul periodic i se adăugase o nouă coloană. Era totuși posibil ca aspectele derutante ale tabelului periodic să poată fi soluționate dacă se întrebuința nou descoperita caracteristică diferențiatoare a atomilor – mărimea sarcinilor pozitive ale nucleului.

Posibilitatea respectivă s-a ivit grație razelor X, detectate întâia dată de Roentgen, produse atunci când razele catodice acționau asupra sticlei unui tub vidat. Electronii rapizi încetineau brusc și energia cinetică se pierdea. De fapt se transforma într-o altă formă de energie – radiația electromagnetică cu frecvență mare.

Odată ce a fost înțeles acest lucru, s-a văzut repede că dacă în calea electronilor rapizi era intercalat ceva mai dens decât sticla, și alcătuit din atomi mai masivi, electronii decelerau și mai puternic. Atunci, razele X aveau să aibă lungimi de undă mai scurte și energii mai mari. Soluția evidentă era folosirea de plăci din diferite metale. Acestea erau așezate în tub la capătul opus catodului, acolo unde aveau să le impacteze electronii rapizi.

În 1911, fizicianul englez Charles Glover Barkla (1877 – 1944) a observat că atunci când razele X erau produse de un anticatod, adâncimea lor de penetrare depindea de metalul asupra căruia acționau. Fiecare metal producea raze X cu putere de pătrundere specifică metalului – raze X caracteristice. Cercetările lui Barkla au fost continuate de unul dintre studenții lui Rutherford, Henry Gwyn- Jeffreys Moseley –(1887-1915). În 1913, el a studiat cu multă atenție razele X caracteristice, folosind difracția razelor X pe cristale, procedeu care de abia fusese descoperit de Braggs. El a dezvoltat strălucit aplicarea spectrelor radiațiilor X în studiul structurii atomice. Descoperirile lui în acest domeniu au condus la o poziționare mai precisă a elementelor în tabelul periodic prin determinarea numerelor atomice.

Tragic pentru dezvoltarea științei, Moseley a fost ucis în luptă la Gallipoli în 1915.

În 1913, la aproape 50 de ani după Mendeleev, Henry Moseley a publicat rezultatele obținute de el în măsurarea lungimilor de undă ale liniilor spectrale de raze X pentru un număr de elemente, arătând că ordonarea elementelor după lungimea de undă a emisiilor de raze X caracteristice coincidea cu ordonarea elementelor după numărul atomic.

Moseley a constatat că, pe măsură ce suia în lista elementelor din tabelul periodic, lungimea de undă a razelor X produse scădea cu regularitate. Cu cât masa atomilor din anticatod era mai mare, cu atât lungimea de undă a razelor X era mai scurtă. În plus, modificarea lungimii de undă era mult mai regulată decât cea a masei atomice.

Fizicienii erau siguri că decelerarea electronilor era determinată în principal de dimensiunea sarcinii electrice pozitive a nucleului atomic, care constituia o indicație că mărimea sarcinii, pe măsură ce se înainta în tabelul periodic, creștea mai repede decât masa nucleului atomic.

Moseley a sugerat chiar că mărimea sarcinii creștea cu o unitate la fiecare pas înainte făcut în tabel. El a numit mărimea sarcinii nucleului numărul atomic al elementului și această valoare s-a dovedit fundamentală în descrierea caracteristicilor unui element chimic, soluționând multe din problemele tabelului periodic, pe măsură ce conceptele formulate de Moseley au fost cizelate și extinse de alți fizicieni.

Cu descoperirea izotopilor, a devenit evident că masa atomică nu era un element hotărâtor în legea periodicității, cum propuseseră Mendeleev, Meyer și alții, dar că proprietățile elementelor variau periodic cu Z.

Când atomii au fost aranjați în ordinea crescătoare a numărului atomic, cele câteva probleme legate de tabelul lui Mendeleev au dispărut. Grație muncii lui Moseley, tabelul periodic modern se bazează pe numerele atomice ale elementelor.

Astfel, numerele atomice eliminau acele cazuri când se întâlneau în sistemul periodic elemente cu masa atomică mai mare decât a celor care urmau; un element care pare nelalocul său, pentru că are masa atomică mai mare decât următorul, se dovedește a avea numărul atomic mai mic. Dacă atomii sunt aranjați conform numerelor atomice, atunci toți fără excepție, se dovedesc a fi în familia cuvenită și nu mai trebuie făcute corecții. De asemenea, când două elemente vecine au numere atomice care diferă printr-o unitate, este clar că între ele nu mai poate exista un element necunoscut deocamdată.

În curând a devenit limpede că toate sarcinile electrice negative sunt multipli întregi ai sarcinii unui electron, în timp ce toate sarcinile electrice pozitive sunt multiplii întregi ai sarcinii unui proton.

Acolo unde în sistemul periodic lipsește un element, modificarea lungimii de undă a razelor X caracteristice la trecerea de la un element la următorul peste spațiul lipsă este de două ori mai mare decât cea normală, ceea ce este un semn sigur al existenței unui element intermediar.

În perioada când Moseley a elaborat conceptul de număr atomic, în tabelul periodic existau șapte goluri, fiecare reprezentând un element necunoscut. Până în 1948, toate golurile au fost completate. Fizicienii au izbutit să formeze atomi cu numere atomice mai mari decât 92.

4.2 MODELUL ATOMULUI DE HIDROGEN

4.2.1 Modelul cuantificat al atomului propus de Niels Bohr

Bazându-se pe caracterul cuantificat al energiei radiațiilor emise de atom în general și de atomul de hidrogen, în particular, fizicianul danez Niels Bohr a enunțat în anul 1913 două postulate care au modificat concepția clasică asupra mișcării electronilor în atom:

1. Atomii și sistemele atomice se pot găsi timp îndelungat numai în stări bine determinate – stări staționare – în care nu emit și nu absorb energie, deși în aceste stări au loc mișcări ale particulelor încărcate. În aceste stări caracterizate prin stabilitatea lor, sistemele atomice posedă energii care formează un șir discret: E1, E2, …, En.

În atomul de hidrogen, electronul se găsește în mod normal pe nivelul de energie cel mai coborât, stare caracterizată de numărul cuantic principal n = 1 și numită stare fundamentală. Doar un aport de energie din exterior poate aduce atomul pe unul dintre nivelele de energie mai ridicată, caracterizat printr-un număr cuantic principal n > 1. Aceste stări se numesc stări excitate.

2. Atomii absorb sau emit radiație electromagnetică monocromatică numai la trecerea dintr-o stare staționară (n) în altă stare staționară (k).

Trecerea dintr-o stare staționară în alta corespunde trecerii de pe un nivel de energie pe un altul și este numită tranziție cuantică.

Radiația emisă sau absorbită într-o asemenea tranziție are o frecvență νnk determinată de relația:

h νnk = En – Ek

unde h νnk este energia fotonului emis sau absorbit, iar En și Ek sunt energiile stărilor superioare între care are loc tranziția.

Al doilea postulat arată că la tranziția între două nivele energetice En și Ek, En > Ek, frecvența radiației emise de un atom este aceeași cu cea pe care o poate absorbi atomul respectiv prin tranziția între Ek și En.

Discontinuitatea spectrului atomic de linii reflectă existența nivelelor de energie în atom și cuantificarea energiei emise sau absorbite de către un atom.

Dacă fotonul de energie ε= h ν este absorbit de un atom, atunci energia atomului crește cu cantitatea ε. Dacă, înainte de absorbție, atomul se găsește în stare fundamentală, E1, absorbția cuantei ε poate determina tranziția pe un nivel energetic superior, En (n > 1), numai dacă:

ε = En – Ek = h ν

adică numai dacă energia cuantei este egală cu diferența dintre nivelele energetice între care are loc tranziția. Absorbția se numește, de aceea, rezonanță.

În starea excitată En atomul este instabil. Trecând pe un nivel de energie inferior, Ek (1 ≤ k < n), el emite un foton de energie:

ε’ = En – Ek = h ν’

cu frecvența ν’ mai mică sau cel mult egală cu a celui care a provocat excitarea (unde k = 1). Procesul poartă numele de dezexcitare.

4.2.2 Nivelele energetice ale atomului de hidrogen

Pe baza acestor postulate, Niels Bohr a elaborat un model pentru atomul de hidrogen. Pentru calculul energiei sale în stările staționare, Bohr utilizează modelul planetar al atomului, în care introduce o condiție suplimentară de cuantificare a momentului cinetic al electronului în mișcarea sa pe orbita staționară în jurul nucleului, în acord cu primul postulat. Astfel, momentul cinetic al electronului poate lua numai valori discrete, multiplii întregi ai unei mărimi constante, .

Momentul cinetic este cuantificat, conform relației:

Numărul întreg n reprezintă numărul cuantic principal, același care cuantifică valorile discrete ale energiei atomului în stări staționare. Condiția de echilibru a orbitei de rază r impune un rol centripet forței coulombiene:

Din relațiile precedente se obține condiția de cuantificare a razelor orbitelor staționare:

Rezultă că în modelul cuantificat al atomului de H2 electronul nu se poate mișca pe orice orbită circulară, ci numai pe cele ale căror raze îndeplinesc condiția de cuantificare.

Raza primei orbite în modelul Bohr pentru atomul de hidrogen este:

Pentru vitezele electronului pe orbitele staționare permise se obține relația:

Pentru calcularea energiilor stărilor staționare se utilizează expresia energiei sistemului legat electron-nucleu dedusă din modelul planetar:

este numărul cuantic principal

4.2.3 Atomul de hidrogen în mecanica cuantică

Tratarea cuantică a atomului de hidrogen revine la calcularea funcțiilor de undă corespunzătoare electronului aflat în câmpul coulombian al nucleului. Funcția de undă depinde de trei numere cuantice: n – numărul cuantic principal, l – numărul cuantic al momentului cinetic și m – numărul cuantic magnetic sau numărul cuantic al proiecției momentului cinetic orbital.

Se regăsește pe o bază riguroasă că energia atomului de hidrogen corespunde celei prevăzute în modelul Bohr – Sommerfeld:

Numărul cuantic principal, care poate lua valori de la 1 la infinit, rezultă matematic, fără a se recurge la un postulat.

Modulul pătrat al funcției de undă pentru atomul de hidrogen ce caracterizează starea determinată de setul de numere cuantice n, l, m ne dă probabilitatea de a găsi electronul într-o anumită regiune din preajma nucleului. Nu se mai poate vorbi de o traiectorie a electronului. Calculul scoate în evidență maxime de probabilitate la anumite distanțe de nucleu, care coincid cu razele orbitelor Bohr. Mecanica cuantică regăsește toate datele verificate experimental ale teoriei Bohr – Sommerfeld dar nu suferă de neajunsurile teoriei clasice, fiind o teorie consecventă a fenomenelor microscopice.

Forma grafică a probabilității pentru o stare dată a fost numită orbital electronic. Din forma analitică a funcțiilor de undă rezultă că stările electronice de tip s corespunzătoare numărului cuantic l = 0 au întotdeauna o simetrie sferică, pe când celelalte stări posedă orbitali cu direcții preferențiale.

Valorile posibile ale numerelor cuantice introduse arbitrar de Bohr și Sommerfeld se regăsesc în mecanica cuantică. Astfel, numărul cuantic orbital l poate lua valori între 0 și n – 1, în total n valori. Numărul cuantic magnetic poate lua valori întregi între – l și + l, trecând prin 0, deci în total 2 l + 1 valori. Pentru anumite numere cuantice, pot fi diferite orbite posibile prezentate în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1 Orbite posibile pentru electron

De remarcat faptul că existența mai multor stări pentru aceeași valoare a energiei (același număr cuantic principal n) se regăsește în mecanica cuantică. Nivelele energetice sunt degenerate deoarece energia totală nu depinde, în absența unui câmp perturbator, de valorile celorlalte numere cuantice. Toate stările corespunzătoare aceluiași n, dar cu l și m diferite vor coincide din punct de vedere energetic, numărul acestor stări fiind dat de suma:

4.3 SEMNIFICAȚIA NUMERELOR l ȘI m ÎN MECANICA CUANTICĂ

4.3.1 Momentul cinetic orbital

Momentul cinetic (sau momentul impulsului), conform modelului Bohr–Sommerfeld, poate lua valori întregi ale constantei lui Planck: , , , … . Mecanica cuantică prevede o modificare a acestei afirmații și anume, se arată că momentul cinetic trebuie să fie dat de expresia:

unde l = 1, 2, 3, …, n–1, numărul cuantic al momentului cinetic. În acest fel, electronii s, p, d, f vor avea momente cinetice diferite și egale cu , , , , … .

Apar astfel două deosebiri principale față de modelul Bohr–Sommerfeld. Valorile momentelor cinetice nu sunt multipli întregi de decât pentru valori 11. A doua deosebire este extrem de importantă și anume că electronii s (l = 0) au momentul cinetic nul. Acest lucru este în contradicție totală cu imaginea clasică în legătură cu mișcarea electronului. Deoarece momentul cinetic clasic este dat de expresia rmv, el poate fi zero numai dacă r sau v sunt zero. Clasic nu se acceptă nici un electron cu moment cinetic nul. Încă o dată rezultă că noțiunile și conceptele clasice nu se regăsesc la scară microscopică.

4.3.2 Momentul magnetic orbital

Electronul în mișcare în jurul nucleului va crea un câmp magnetic, deoarece orice sarcină electrică în mișcare este echivalentă cu un curent. Mișcarea circulară a electronului va fi asimilată cu o spiră, pentru care se definește momentul magnetic ca produs dintre aria închisă de spira (S) și curentul care circulă prin spira (i); r – raza spirei. În cazul nostru r va fi raza Bohr a orbitei electronice, curentul i fiind dat de:

Rezultă:

deoarece este momentul cinetic pentru mișcarea circulară.

Momentul magnetic este un vector coliniar cu momentul cinetic (paralel sau antiparalel, depinzând de semnul sarcinii) și deci perpendicular pe planul orbitei electronice:

Acesta este rezultatul clasic pentru mișcarea de revoluție a electronului în jurul nucleului.

În mecanica cuantică însă, modulul momentului magnetic orbital poate lua doar valorile:

care șine cont de cuantificarea momentului cinetic și care concordă perfect cu datele experimentale. Valoarea constantă se numește magnetonul Bohr și reprezintă unitatea de moment magnetic . Această mărime a fost introdusă de fizicianul român Ștefan Procopiu, independent de Niels Bohr.

Deci momentul magnetic al mișcării orbitale electronice depinde de asemenea de numărul cuantic l. Se observă că mecanica cuantică permite un moment magnetic nul pentru electronii s.

Într-un câmp magnetic de inducție , ca urmare a existenței momentului magnetic, întregul atom, ca un mic magnet, va căuta să se orienteze. Energia momentului magnetic în câmp magnetic va avea expresia:

unde este unghiul dintre direcția câmpului magnetic și direcția momentului magnetic.

Cuantificarea spațială a momentului cinetic se exprimă prin cerința că proiecția momentului cinetic pe o direcție în spațiu să fie un număr întreg de :

în care am ales direcția de cuantificare axa Oz, – proiecția momentului cinetic , iar m – numărul cuantic al proiecției momentului cinetic (sau număr cuantic magnetic)

Rezultă:

.

Deoarece –1 ≤≤ 1, m nu poate lua toate valorile întregi cuprinse între –l și +1: m = l, l–1, l–2, …, 0, …, –l +1, –l.

Numărul de valori pe care le poate lua m este egal cu (2l + 1) și deci vor exista (2l + 1) direcții de orientare spațială pentru momentul cinetic orbital, respectiv pentru planul orbital electronic. Din punct de vedere cuantic vom spune că există 2l + 1 stări electronice (orbitale) pentru o valoare dată a lui n și l.

Un atom care se găsește în câmp magnetic va avea energia:

unde

ceea ce înseamnă că în loc de un singur nivel de energie vor exista 2l + 1 nivele de energie. Se spune că în câmp magnetic nivelele se despică în 2l + 1 subnivele magnetice, a căror energie este determinată de numărul cuantic m (de unde și denumirea de număr cuantic magnetic). Cele 2l + 1 subnivele sunt echidistante energetic și conduc la așa numitul efect Zeeman. Acest efect constă în despicarea liniilor spectrale emise de atomii așezați în câmp magnetic, ca urmare a despicării nivelelor.

4.3.3 Spinul electronului

Spectroscopia optică folosită pentru verificarea modelelor atomice arată că spectrele hidrogenului nu sunt în realitate simple, ci sunt despicate.

Dar cum din exterior nu este aplicat nici un câmp, trebuie să existe câmpuri interne care să provoace despicarea, diferite de cel creat de electron în mișcarea orbitală. În 1925 Uhlenbeck și Goudsmit au făcut supoziția că acest câmp suplimentar își are originea în însăși natura electronului. Ei au presupus că electronul se rotește în jurul axei proprii, determinând un câmp magnetic asemănător celui produs de rotația în jurul nucleului. Momentul cinetic corespunzător rotației electronului în jurul axei proprii a fost numit spin electronic. Ca mărime fizică, spinul este momentul cinetic propriu al electronului, notat . Asociat lui va fi momentul magnetic de spin . Acest moment magnetic de spin interacționează cu câmpul magnetic al mișcări și duce la despicarea nivelelor de energie ale atomului. Fenomenul de interacție spin-orbită joacă rol deosebit de important în înțelegerea atomului și produce despicarea numită structură fină.

Deoarece este tot un moment cinetic, el poate fi descris cuantic de relația:

Expresia arată că valoarea lui S este invariabilă din despicarea dublă a nivelelor energetice rezultă că Concluzia este că electronul posedă un moment cinetic intrinsec. Se introduce astfel al patrulea număr cuantic, deoarece rotația electronului este un al patrulea grad de libertate în mișcarea electronului în atom.

Se poate spune că atât momentul cinetic propriu, cât și cel orbital, vor avea proiecții cuantificate față de o direcție exterioară, ceea ce conduce la 2s + 1 = 2 orientări posibile și deci la introducerea celui de-al cincilea număr cuantic: numărul cuantic al proiecției spinului

În fine, momentul magnetic de spin trebuie să aibă forma:

Conform experienței însă:

unde = 2 se numește raport giromagnetic; momentul magnetic de spin este de două ori mai mare decât momentul magnetic orbital raportat la mărimea momentelor cinetice corespunzătoare.

4.3.4 Momentul cinetic total al atomului

Existența momentului cinetic de spin, prin intermediul interacției spin-orbită, condiționează poziția reciprocă a spinului și a momentului cinetic orbital. Se poate spune că în câmpul magnetic orbital momentul magnetic de spin electronic nu poate avea decât două orientări: paralel sau antiparalel, ceea ce conduce la orientarea paralelă sau antiparalelă a momentelor cinetice. Din această cauză aceste momente cinetice se adună sau se scad, dând naștere unui moment cinetic total al atomului, notat

4.4 ATOMUL CU MAI MULȚI ELECTRONI ȘI TEORIA

SISTEMULUI PERIODIC AL ELEMENTELOR

Asupra unui electron oarecare din atomul cu mai mulți electroni acționează simultan nucleul, cu forțe de atracție, și restul de electroni, cu forțe repulsive. O aproximație a mișcării se poate obține dacă se presupune că toți electronii care au orbite interioare orbitei electronului discutat acționează prin micșorarea forței de atracție a nucleului, deci realizează o ecranare. De exemplu, pentru n electroni interiori, al (n + 1)-lea electron va simți din partea nucleului o forță de atracție corespunzătoare unei sarcini aproximative unde este sarcina nucleului. Electronii din exteriorul celui de-al (n+1)-lea electron acționează cu o forță nulă, deci, conform legilor electrostaticii, pot fi neglijați. Astfel, electronul cel mai apropiat de nucleu va fi atras de sarcina a nucleului, al doilea de o sarcină , s.a.m.d.

Pentru studiul distribuției electronilor în atomi se compară potențialele de ionizare succesivă a atomilor.

Comparând energiile de ionizare pentru primul electron se constată că energia de primă ionizare este minimă pentru metalele alcaline, care au un singur electron pe stratul exterior, și maximă pentru gazele grupei a 18 a sistemului periodic, gazele rare, care au câte 8 electroni pe stratul exterior, dar pentru care crește corespunzător și sarcina nucleară.

În cazul energiilor de ionizare succesivă ale diferitelor elemente, smulgând electron după electron, se constată salturi ale valorilor acestor energii. De exemplu, în cazul potasiului, salturile apar după primul electron, al nouălea și al șaptesprezecelea, ceea ce confirmă un aranjament de 2 : 8 : 8 : 1 electroni pe diferite straturi. La atomii mai grei se constată că pe ultimele straturi niciodată nu se depășește numărul de 8 electroni, în timp ce pe straturile interioare, numărul poate fi 2 : 8 : 18 : 32 etc.

Conform gradului de degenerare n2 corespunzător unui număr cuantic principal n, cu numărul de electroni maxim de pe un strat care este 2n2, în 1925, Pauli ajunge la concluzia că pe un orbital pot exista cel mult 2 electroni cu spin antiparalel, adică diferit prin numărul cuantic magnetic de spin. El formulează principul de excluziune care afirmă că: nu pot exista într-un atom doi sau mai mulți electroni cu toate numerele cuantice identice. Diferiții electroni ai atomului pot avea același număr cuantic de spin, dacă diferă prin alt număr cuantic.

Calcularea numărului de electroni care corespunde unui anumit număr cuantic principal n se face ținând cont de cele 4 grade de libertate ala electronului: n, l, m și , precum și de valorile pe care le poate lua acestea:

Pentru un anumit n, l variază de la o la n-1, pentru fiecare valoare a lui l, m ia 2l + 1 valori și pentru un anumit m, poate avea două valori.

Înlocuind pe n cu 1, 2, 3, 4 se obțin pentru Z valorile 2, 8, 18, 32, adică cele găsite experimental din energiile de ionizare.

În afară de principiul de excluziune, la explicarea structurii învelișului de electroni al atomului se mai ține seama de regula ocupării nivelelor electronice, în ordinea crescătoare a energiei lor. Cum la atomii grei câmpul coulombian este perturbat, degenerarea se ridică, valoarea energiei fiind funcție atât de numărul cuantic principal n, cât și de cel secundar, l.

=== Cap 5 ===

5. LEGĂTURA ÎNTRE CARACTERISTICILE FIZICE ALE ATOMULUI ȘI POZIȚIA ELEMENTELOR ÎN SISTEMUL PERIODIC

Sistemul periodic este o aranjare a elementelor într-o schemă, elaborată inițial pe baza comportamentului lor chimic și a maselor lor atomice. S-a constatat însă că adevăratul factor determinant în acest aranjament nu este masa atomică, ci numărul atomic Z, adică numărul de electroni care se rotesc în jurul nucleului în atomul neutru. Una dintre cele mai importante aplicații ale principiului lui Pauli este explicarea structurii în straturi a atomilor, adică proprietatea care își găsește expresia în periodicitatea comportării chimice a atomilor. În 1921, Bohr a dezvoltat teoria sistemului periodic trecând pe rând de la un element mai simplu la elementul imediat următor. Prin urmare, la fiecare pas, pornind de la un element cu configurația electronică cunoscută, se presupune că sarcina nucleului crește cu o unitate și că, în același timp, la periferia învelișului electronic se mai adaugă un electron.

Fie elementul cel mai simplu, hidrogenul (1H). Electronul său în stare fundamentală se află pe orbita cea mai joasă și deci numărul său cuantic principal are valoarea n = 1, deci electronul se află pe stratul K. La heliu apare un al doilea electron; astfel, pentru ambii electroni n = 1, deci l = 0 și de asemenea ml = 0. Prin urmare, conform principiului de excluziune al lui Pauli, ei trebuie să posede comportamente diferite ale spinului. Deoarece există numai două orientări posibile, și anume și , , rezultă că în stratul K există loc numai pentru doi electroni.

Dacă adăugăm un al treilea electron, nu mai există loc pentru el în stratul K, deci trebuie să se stabilească în stratul L. În primul rând, există 2 electroni cu l = 0, care se deosebesc numai prin componentele lor de spin; mai sunt apoi 6 locuri pentru electroni cu l = 1, deoarece poate avea trei valori: – 1, 0 și + 1, și pentru fiecare din ele există două orientări posibile ale spinului. Deci în starea L există în total 8 locuri, repartizate în două substraturi cu 2 și respectiv 6 electroni. Pe măsură ce numărul atomic crește, stratul L se ocupă treptat, până la completare; atomii în cauză sunt Li, Be, B, C, N, O, F, Ne. La neon stratul L s-a completat și un nou electron trebuie să se stabilească în stratul M, pentru care valorile posibile pentru numerele cuantice și sunt prezentate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 Valorile posibile pentru numerele cuantice ml și ms

Prin urmare, în stratul M există 18 locuri, repartizate în trei subgrupe. Primele două subgrupuri formează împreună a 2-a perioadă scurtă (de 8 elemente); ea se întinde de la Na la Ar. Urmează apoi o abatere de la ordinea de succesiune aparent naturală în care sunt ocupate locurile de către electroni. Această ordine este determinată totdeauna de energia eliberată atunci când se „instalează” un nou electron (adică atunci când trece într-o stare legată). Însă, conform relațiilor energetice, un strat nu trebuie să fie totdeauna neapărat completat înainte ca un electron să se stabilească în stratul următor. Din contră, se poate întâmpla ca un electron de pe o orbită s a unui strat superior să fie mai strâns legat decât un electron de pe o orbită d sau f a unui strat inferior, încă incomplet. Această situație se întâlnește mai departe în cazul stratului M; după cum arată experiența, cei zece termeni 3d, pentru cei zece electroni care încă lipsesc, sunt mai „înalți” energetic decât termenii 4s care corespund legăturii electronilor în statul N. Deci următorii doi electroni care se adaugă (K, Ca) se vor stabili în stratul N. Abia după aceea continuă completarea stratului M, de la 21Sc la 30Zn. Continuă apoi formarea stratului N, până la elementul 36Kr, după care se repetă situația descrisă în cazul stratului M: următorii doi electroni (Rb, Sr) se stabilesc în stratul O (n = 5) și abia după aceea continuă completarea stratului N, concomitent cu repartizarea intermitentă de electroni în stratul O. Pământurile rare, numite și lantanide (adică elementele ce urmează după lantan), corespund completării mai departe a stratului N, însoțită la un moment dat (Cs, Ba) de ocuparea a două locuri în stratul P, fapt care explică marea asemănare în comportarea chimică a acestor elemente. Această comportare este determinată totdeauna de configurația electronică din stratul cel mai periferic; elementele la care configurația acestui strat este asemănătoare, posedă proprietăți chimice în mare măsură echivalente. Această trăsătură caracteristică se manifestă și la un grup de elemente grele, actinidele, de la Ac mai departe. Același principiu explică existența perioadelor în sistemul elementelor. Astfel, de exemplu, gazele nobile Ne, Ar, Kr, Xe și Rn au toate la periferie câte un strat complet ocupat de opt electroni; alcalinele sunt caracterizate prin faptul că în exteriorul straturilor complete ale atomului se rotește un singur electron pentru a avea un strat complet.

Distribuția electronilor în atomi