Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева)

Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева) — табличное отображение химических элементов, классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда их атомного ядра. Это графическая формулировка периодического закона, открытого русским учёным Д. И. Менделеевым в 1869 году, который гласит, что свойства химических элементов проявляют периодическую зависимость от их атомного веса (в современных терминах, от атомной массы).

Первая периодическая таблица, получившая всеобщее признание, была разработана русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 и приведена к традиционному графическому виду в 1871 году. В современном варианте системы предполагается сведение элементов в двумерную таблицу, которая разделена на четыре примерно прямоугольные области, называемые блоками. Строки таблицы называются периодами, а столбцы называются группами. Элементы из одной и той же группы столбцов периодической таблицы имеют сходные химические характеристики.

История

В середине XIX века многие ученые пытались найти и выстроить некие закономерности среди открытых к тому времени 63 химических элементов.

В 1829 году Иоганном Дёберейнером был опубликован «закон триад», который гласил, что атомная масса многих элементов приблизительно равна среднему арифметическому двух других элементов, близких к исходному элементу по химическим свойствам. Так например, хлор, бром и йод образовали триаду; также как кальций, стронций и барий; литий, натрий и калий; и сера, селен и теллур.

В 1862 году Александр Эмиль Шанкуртуа решил расположить элементы в порядке возрастания атомных весов, разместив элементы на винтовой линии. Он отметил частое циклическое повторение химических свойств по вертикали. Так был создана модель «Земная спираль».

В 1864 году появилась таблица немецкого химика Юлиуса Лотара Мейера, разделенная на 6 столбцов, в которых располагались 28 элементов согласно их валентности.

В 1866 году английский химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс описал «закон октав», сопоставив химические свойства элементов с их атомными массами. Расположив элементы в порядке возрастания их атомных масс, Ньюлендс заметил, что сходство в свойствах проявляется между каждым восьмым элементом, то есть как будто бы восьмой по порядку элемент повторяет свойства первого, как в музыке восьмая нота повторяет первую.

Окончательный прорыв был сделан русским химиком Дмитрием Менделеевым. 17 февраля 1869 года (1 марта 1869 года по григорианскому календарю), и Периодическая система химических элементов получила название «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» ^[1] . Менделеев начал упорядочивать элементы и сравнивать их по их атомным весам. Он расставил элементы по девятнадцати горизонтальным рядам (рядам сходных элементов, ставших прообразами периодов современной системы) и по шести вертикальным столбцам (прообразам будущих групп). 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).

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.

В 1871 году Менделеев опубликовал длинную статью в «Основах химии» (ч. 2, вып. 2), включающую обновленную форму своей таблицы, в которой были изложены его предсказания для неизвестных элементов. Эта таблица имела более привычный нам вид: горизонтальные ряды сходных элементов превратились в восемь вертикально расположенные группы; 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.

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. Также есть ряд гипотетических элементов (с номерами от 119 до 126), которым присвоено временное систематическое название: Унуненний, Унбинилий, Унбиуний, Унбибий, Унбитрий, Унбиквадий, Унбипентий, Унбигексий. Предпринимались попытки получить некоторые из этих элементов (кроме 123 и 125), однако они успехом не увенчались. Проблема нижней границы таблицы Менделеева остаётся одной из важнейших в современной теоретической химии^[2].

Структура

Наиболее распространёнными являются три формы таблицы Менделеева: «короткая» (короткопериодная), «длинная» (длиннопериодная) и «сверхдлинная».

В «сверхдлинном» варианте каждый период занимает ровно одну строчку. Такая расширенная периодическая таблица элементов была предложена в 1970 году Теодором Сиборгом. В «длинном» варианте лантаноиды и актиноиды вынесены из общей таблицы, делая её более компактной. Водород помещён в 17-ю группу таблицы. Такой вариант утверждён Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) в качестве основного.

                             «Сверхдлинный» вариант таблицы Менделеева

В «короткой» форме записи, в дополнение к этому, четвёртый и последующие периоды занимают по две строчки; символы элементов главных и побочных подгрупп выравниваются относительно разных краёв клеток. Водород помещён в 7-ю группу таблицы. Короткая форма таблицы была официально отменена ИЮПАК в 1989 году, но ее продолжают иногда использовать.

Существует несколько сотен вариантов таблицы, редко или вовсе не используемых, но весьма оригинальных, способов графического отображения Периодического закона. Например, Нильс Бор разрабатывал лестничную (пирамидальную) форму периодической системы. Многие учёные до сих пор предлагают всё новые варианты таблицы^{[3] [4]}.

Группы

Группа, или семейство — одна из колонок периодической таблицы. Для групп, как правило, характерны более выраженные периодические тенденции, нежели для периодов или блоков. Современные квантово-механические теории атомной структуры объясняют групповую общность тем, что элементы в пределах одной группы обыкновенно имеют одинаковые электронные конфигурации на их валентных оболочках. Соответственно, элементы, которые принадлежат к одной и той же группе, традиционно располагают схожими химическими особенностями и демонстрируют явную закономерность в изменении свойств по мере увеличения атомного числа. Впрочем, в некоторых областях таблицы, например, в d-блоке и f-блоке, горизонтальные сходства могут быть столь же важны или даже более заметно выражены, нежели вертикальные. ^{[5] [6] [7] [8]}

В соответствии с международной системой именования группам присваиваются номера от 1-го до 18-го в направлении слева направо — от щелочных металлов к благородным газам. Ранее для их идентификации использовались римские цифры.

Изменение свойств элементов в зависимости от положения в периодической таблице Менделеева. Стрелки указывают на повышение

Некоторым из этих групп были присвоены тривиальные, несистематические названия (например, «щёлочноземельные металлы», «галогены» и т. п.); впрочем, некоторые из них используются редко. Группы с третьей по четырнадцатую включительно такими именами не располагают, и их идентифицируют либо по номеру, либо по наименованию первого представителя («титановая», «кобальтовая» и так далее), поскольку они демонстрируют меньшую степень сходства между собой или меньшее соответствие вертикальным закономерностям.

Изменение свойств элементов в зависимости от положения в периодической таблице Менделеева. Стрелки указывают на повышение

Элементы, относящиеся к одной группе, как правило, демонстрируют определённые тенденции по атомному радиусу, энергии ионизации и электроотрицательности. По направлению сверху вниз в рамках группы радиус атома возрастает (чем больше у него заполненных энергетических уровней, тем дальше от ядра располагаются валентные электроны), а энергия ионизации снижается (связи в атоме ослабевают, и, следовательно, изъять электрон становится проще), равно как и электроотрицательность (что, в свою очередь, также обусловлено возрастанием дистанции между валентными электронами и ядром). Случаются, впрочем, и исключения из этих закономерностей — к примеру, в группе 11 по направлению сверху вниз электроотрицательность возрастает, а не убывает.

Периоды

Период — строка периодической таблицы. Хотя для групп, как уже говорилось выше, характерны более существенные тенденции и закономерности, есть также области, где горизонтальное направление более значимо и показательно, нежели вертикальное — например, это касается f-блока, где лантаноиды и актиноиды образуют две важные горизонтальные последовательности элементов.

В рамках периода элементы демонстрируют определённые закономерности во всех трёх названных выше аспектах (атомный радиус, энергия ионизации и электроотрицательность), а также в энергии сродства к электрону. В направлении «слева направо» атомный радиус обычно сокращается (в силу того, что у каждого последующего элемента увеличивается количество заряженных частиц, и электроны притягиваются ближе к ядру), ^[9] и параллельно с ним возрастает энергия ионизации (чем сильнее связь в атоме, тем больше энергии требуется на изъятие электрона). Соответствующим образом увеличивается и электроотрицательность. Что касается энергии сродства к электрону, то металлы в левой части таблицы характеризуются меньшим значением этого показателя, а неметаллы в правой – большим (за исключением благородных газов). ^[10]

Блоки                                                                                                     

Из-за значимости внешней электронной оболочки атома различные области периодической таблицы иногда описываются как блоки, именуемые в соответствии с тем, на какой оболочке находится последний электрон.

• s-блок включает первые две группы, то есть щелочные и щёлочноземельные металлы, а также водород и гелий;     
• p-блок состоит из последних шести групп (с 13-й по 18-ю,  согласно стандарту именования ИЮПАК) и включает, помимо других элементов, все металлоиды;
• d-блок — это группы с 3-й по 12-ю (ИЮПАК), в которые входят все переходные металлы;
• f-блок, выносимый обычно за пределы таблицы, состоит из лантаноидов и актиноидов^[11].

 

Другие периодические закономерности

Помимо перечисленных выше, периодическому закону соответствуют и некоторые другие характеристики элементов:

Электронная конфигурация. Организация электронов демонстрирует определённый повторяющийся периодический образец. Электроны занимают последовательность оболочек, которые идентифицируются числами (оболочка 1, оболочка 2 и т. д.), а те, в свою очередь, состоят из подуровней s, p, d, f и g. По мере увеличения атомного числа электроны постепенно заполняют эти оболочки; каждый раз, когда электрон впервые занимает новую оболочку, начинается новый период в таблице. Сходства в электронной конфигурации обусловливают подобие свойств элементов (наблюдение за которыми, собственно, и привело к открытию периодического закона). ^[12][13]

Металличность/неметалличность. По мере снижения показателей энергии ионизации, электроотрицательности и энергии сродства к электрону элементы приобретают черты, характерные для металлов, а по мере их возрастания — напротив, для неметаллов. В соответствии с закономерностями для упомянутых характеристик, наиболее ярко выраженные металлы располагаются в начале периода, а неметаллы — в его конце. В группах, напротив, по мере движения сверху вниз металлические свойства усиливаются, хотя и с некоторыми исключениями из общего правила. Сочетание горизонтальных и вертикальных закономерностей придаёт условной разделительной линии между металлами и неметаллами ступенчатый вид; расположенные вдоль этой линии элементы иногда определяются как металлоиды.

Значение

Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей было предсказано существование неизвестных науке химических элементов, установлено их положение относительно известных в таблице и их свойства. Позже многие элементы были обнаружены и встали на те места, которые предсказал Менделеев в своей таблице. ^[14]

Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

Прогнозирующая роль периодической системы, показанная ещё самим Менделеевым, в XX веке проявилась в оценке химических свойств трансурановых элементов.

Появление периодической системы и открытие периодического закона открыло новую, подлинно научную эру в истории химии и ряде смежных наук — взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях. Д. И. Менделеевым и его последователями создана стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.

Примечания

1. Периодическая система элементов / Д. Н. Трифонов // Большая Советская Энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская Энциклопедия, 1975. — Т. 19 : Отоми — Пластырь. — С. 413—417
2. Professor Witek Nazarewicz. Researchers Explore Limits of the Periodic Table of Elements. Sci-News.com (20 июня 2018)
3. Трифонов Д. Н. Структура и границы периодической системы. — М.: Атомиздат, 1969. — 271 с.
4. Химики предложили улучшить таблицу Менделеева. Lenta.Ru (7 октября 2009).
5. Messler, R. W. The essence of materials for engineers (англ.). — Sudbury, MA: Jones & Bartlett Publishers  (англ.)рус., 2010. — P. 32. — ISBN 0763778338.
6. Bagnall, K. W. (1967), Recent advances in actinide and lanthanide chemistry, in Fields, PR & Moeller, T, Advances in chemistry, Lanthanide/Actinide chemistry, vol. 71, American Chemical Society, с. 1–12
7. Day M. C., Selbin J. Theoretical inorganic chemistry (англ.). — 2nd. — New York, MA: Reinhold Book Corporation, 1969. — P. 103. — ISBN 0763778338
8. Holman J., Hill G. C. Chemistry in context (англ.). — 5th. — Walton-on-Thames: Nelson Thornes, 2000. — P. 40. — ISBN 0174482760.
9. Mascetta, Joseph. Chemistry The Easy Way. — 4th. — New York: Hauppauge, 2003. — С. 50. — ISBN 978-0-7641-1978-1.
10. Kotz, John; Treichel, Paul; Townsend, John. Chemistry and Chemical Reactivity, Volume 2 (англ.). — 7th. — Belmont: Thomson Brooks/Cole, 2009. — P. 324. — ISBN 978-0-495-38712-1.
11. Jones, Chris. d- and f-block chemistry. — New York: J. Wiley & Sons, 2002. — С. 2. — ISBN 978-0-471-22476-1.
12. Chang, Raymond. Chemistry. — 7. — New York: McGraw-Hill Education, 2002. — С. 289—310; 340—42. — ISBN 0-07-112072-6.
13. Yoder, C. H.; Suydam, F. H.; Snavely, F. A. Chemistry. — 2nd. — Harcourt Brace Jovanovich  (англ.)рус., 1975. — С. 58. — ISBN 0-15-506465-7.
14. Крицман В. А., Станцо В. В., Энциклопедический словарь юного химика, 1990, с. 180.

Литература

• Менделеев Д. И., —. Периодическая законность химических элементов // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Евдокимов Ю., кандидат химич. наук. К истории периодического закона. Наука и жизнь, № 5 (2009), С. 12-15.
• Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1973. — 208 с.
• Дружинин П.А. Загадка «Таблицы Менделеева»: История публикации открытия Д.И. Менделеевым Периодического закона. — Москва: Новое Литературное Обозрение, 2019. — 164 с. — ISBN 978-5-4448-0976-1.
• Eric R. Scerri. The Periodic Table: Its Story and Its Significance. — N. Y.: Oxford University Press, 2007. — 368 с. — ISBN 978-0-19-530573-9.
• Крицман В. А., Станцо В. В. Энциклопедический словарь юного химика / Ведущий редактор Минина Т. П. — 2-е изд., испр. — М.: Педагогика, 1990. — 320 с. — (ЭС). — ISBN 5-7155-0292-6.
• Макареня А. А., Трифонов Д. Н. Периодический закон Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1969. — 160 с.
• Некрасов Б.В. Основы общей химии. — 3-е изд. — М.: Химия, 1973. — Т. 1. — 656 с.
• Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1963. — Т. 1. — 920 с.