Периодическая система химических элементов

Периодическая таблица химических элементов

Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов (табли́ца Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от их заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, открытого русским учёным Д. И. Менделеевым в 1869 году и установившего зависимость свойств элементов от их атомного веса (в современных терминах, от атомной массы).

Первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869, и приведен к традиционному графическому виду в 1871 году. Всего предложено несколько сотен^[1] вариантов изображения периодической системы (аналитические кривые, таблицы, геометрические фигуры и т. п.). В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, в которой каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства, а строки представляют собой периоды, в определённой мере подобные друг другу.

История открытия

К середине XIX века были открыты 63 химических элемента, и попытки найти закономерности в этом наборе предпринимались неоднократно. В 1829 году Иоганн Дёберейнер опубликовал найденный им «закон триад»: атомная масса многих элементов близка к среднему арифметическому двух других элементов, близких к исходному по химическим свойствам (стронций, кальций и барий; хлор, бром и иод и др.). Первую попытку расположить элементы в порядке возрастания атомных весов предпринял Александр Эмиль Шанкуртуа (1862), который создал «Теллуров винт», разместив элементы на винтовой линии, и отметил частое циклическое повторение химических свойств по вертикали. Эти модели не привлекли внимания научной общественности.

В 1866 году свой вариант периодической системы предложил химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс, модель которого («закон октав») внешне немного напоминала менделеевскую, но была скомпрометирована настойчивыми попытками автора найти в таблице мистическую музыкальную гармонию. В этом же десятилетии было предпринято ещё несколько попыток систематизации химических элементов, и ближе всего к окончательному варианту подошёл Юлиус Лотар Мейер (1864). Однако главное отличие его модели заключалось в том, что за основу периодичности была взята валентность, которая не является единственной и постоянной для отдельно взятого элемента, и поэтому такая таблица не могла претендовать на полноценное описание физики элементов и не отражала периодического закона.

Д. И. Менделеев. Портрет работы Ильи Репина (1885)

По легенде, мысль о системе химических элементов пришла к Менделееву во сне, однако известно, что однажды на вопрос, как он открыл периодическую систему, учёный ответил: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово»^[2].

Написав на карточках основные свойства каждого элемента (их в то время было известно 63, из которых один — дидим Di — оказался в дальнейшем смесью двух вновь открытых элементов празеодима и неодима), Менделеев начинает многократно переставлять эти карточки, составлять из них ряды сходных по свойствам элементов, сопоставлять ряды один с другим^[3].

Д. И. Менделеев. Рукопись «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». 17 февраля 1869 года (1 марта 1869 года)

В результате раскладывания этого «химического пасьянса», 1 марта (17 февраля) 1869 года был завершен самый первый целостный вариант Периодической системы химических элементов, который получил название «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве»^[4], в котором элементы были расставлены по девятнадцати горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами групп современной системы) и по шести вертикальным столбцам (прообразам будущих периодов). Эта дата знаменует собой открытие Менделеевым Периодического закона, но более верным считать эту дату началом открытия.

Согласно окончательной хронологии первых публикаций Таблицы Менделеева^[5], впервые Таблица была опубликована 26-27 марта (14-15 марта) 1869 года в 1-м издании учебника Менделеева «Основы Химии» (ч. 1, вып. 2). И уже после этого, осознав во время двухнедельной поездки по провинции великое значение своего открытия, Менделеев по возвращении в Петербург заказал в середине марта в типографии «Общественная польза» отдельные листки с этой таблицей, которые были напечатаны 29 марта (17 марта) 1869 года специально для рассылки «многим химикам». Позднее, в начале мая 1869 года, «Опыт системы элементов» был напечатан с химическим обоснованием в программной статье Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов»^[6] (журнал Русского химического общества).

В Европе Таблица Менделеева стала известна в апреле месяце 1869 года: первая публикация Таблицы Менделеева в международной печати, согласно точной хронологии^[7], вышла в свет 17 апреля (5 апреля)1869 года в лейпцигском «Журнале практической химии»^[8] и стала достоянием мировой науки.

И только спустя более чем полгода, в декабре 1869, выходит работа немецкого химика Мейера, который изменил своё решение в пользу мысли Д. И. Менделеева и в зарубежной литературе считается либо «одним из первооткрывателей», либо «независимо от Менделеева опубликовавшим этот периодический закон». Однако этот вывод тенденциозен: Л. Мейер в своих исследованиях не пошёл дальше расстановки части (28 из 63) открытых на тот момент элементов в сплошной ряд и периодического закона не формулировал вообще, в то время как Д. И. Менделеев в своей таблице оставил несколько свободных мест и предсказал ряд фундаментальных свойств ещё не открытых элементов и само их существование, а также свойства их соединений (экабор, экаалюминий, экасилиций, экамарганец — соответственно, скандий, галлий, германий, технеций). Некоторые элементы, а именно, бериллий, индий, уран, торий, церий, титан, иттрий, имели на момент работы Менделеева над Периодическим законом неправильно определённый атомный вес, и поэтому Менделеев исправил их атомные веса на основании открытого им закона. Этого не могли сделать ни Деберейнер, ни Мейер, ни Ньюлендс, ни де Шанкуртуа.

В 1871 году Менделеев в «Основах химии» (ч. 2, вып. 2) публикует второй вариант Периодической системы («Естественную систему элементов»), имеющий более привычный нам вид: горизонтальные столбцы элементов-аналогов превратились в восемь вертикально расположенных групп; шесть вертикальных столбцов первого варианта превратились в периоды, начинавшиеся щелочным металлом и заканчивающиеся галогеном. Каждый период был разбит на два ряда; элементы разных вошедших в группу рядов образовали подгруппы.

Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, их свойства начинают повторяться. Например, натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото — на серебро и медь. Разумеется, свойства не повторяются в точности, к ним добавляются и изменения. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было в том, что основой для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две — атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеев предпринял очень смелые шаги: он исправил атомные массы некоторых элементов (например, бериллия, индия, урана, тория, церия, титана, иттрия), несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими (например, таллий, считавшийся щелочным металлом, он поместил в третью группу согласно его фактической максимальной валентности), оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. В 1871 году на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон, форма которого со временем была несколько усовершенствована.

Научная достоверность Периодического закона получила подтверждение очень скоро: в 1875—1886 годах были открыты галлий (экаалюминий), скандий (экабор) и германий (экасилиций), существование которых, опираясь на периодическую систему, предсказал Менделеев и с поразительной точностью описал целый ряд их физических и химических свойств.

В начале XX века, с открытием строения атома, было установлено, что периодичность изменения свойств элементов определяется не атомным весом, а зарядом ядра, равным атомному номеру и числу электронов, распределение которых по электронным оболочкам атома элемента определяет его химические свойства. Заряд ядра, который соответствует номеру элемента в периодической системе, по праву назван числом Менделеева.

Дальнейшее развитие периодической системы связано с заполнением пустых клеток таблицы, в которые помещались всё новые и новые элементы: благородные газы, природные и искусственно полученные радиоактивные элементы. В 2010 году, с синтезом 118 элемента, седьмой период периодической системы был завершён. Проблема нижней границы таблицы Менделеева остаётся одной из важнейших в современной теоретической химии^[9].

В период с 2003 по 2009 год ИЮПАК утвердил 113-й химический элемент, открытый специалистами японского института естественных наук «Рикэн». 28 ноября 2016 года новый элемент получил название нихоний (Nh)^[10]. В тот же день элементы 115 и 117 получили названия московий (Mc) и теннессин (Ts)^[10] по предложениям ОИЯИ, Национальной лаборатории Ок-Ридж, Университета Вандербильта и Ливерморской национальной лаборатории в США. Тогда же 118-й элемент получил название оганесон (Og)^[10], в честь профессора Юрия Оганесяна, внёсшего вклад в исследования сверхтяжёлых элементов. Наименование было предложено коллективами Объединенного института ядерных исследований и Ливерморской национальной лаборатории^[11].

Структура

Наиболее распространёнными являются три формы таблицы Менделеева: «короткая» (короткопериодная), «длинная» (длиннопериодная) и «сверхдлинная». В «сверхдлинном» варианте каждый период занимает ровно одну строчку. В «длинном» варианте лантаноиды и актиноиды вынесены из общей таблицы, делая её более компактной. В «короткой» форме записи, в дополнение к этому, четвёртый и последующие периоды занимают по 2 строчки; символы элементов главных и побочных подгрупп выравниваются относительно разных краёв клеток. Водород иногда помещают в 7-ю («короткая» форма) или 17-ю («длинная» форма) группу таблицы^[12][13].

Ниже приведён длинный вариант (длиннопериодная форма), утверждённый Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) в качестве основного.

<a href="/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2" title="