Периодическая система химических элементов

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Перенаправление

Файл:Periodic table ru.svg
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

Шаблон:Main

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.

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].

Файл:Mendeleev law.jpg
Д. И. Менделеев. Рукопись «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Шаблон:OldStyleDate

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 1869 года: первая публикация Таблицы Менделеева в международной печати, согласно точной хронологии[5], вышла в свет 17 апреля (5 апреля)1869 года в лейпцигском «Журнале практической химии»[7] 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 18751886 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[8].

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)[9]. В тот же день элементы 115 и 117 получили названия московий (Mc) и теннессин (Ts)[9] по предложениям ОИЯИ, Национальной лаборатории Ок-Ридж, Университета Вандербильта и Ливерморской национальной лаборатории в США. Тогда же 118-й элемент получил название оганесон (Og)[9], в честь профессора Юрия Оганесяна, внёсшего вклад в исследования сверхтяжёлых элементов. Наименование было предложено коллективами Объединенного института ядерных исследований и Ливерморской национальной лаборатории[10].

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 таблицыШаблон:SfnШаблон:Sfn.

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

Шаблон:Периодическая система химических элементов

Шаблон:Химические семейства элементов

Короткая форма таблицы, содержащая восемь групп элементов[11], была официально отменена ИЮПАК в 1989 году. Несмотря на рекомендацию использовать длинную форму, короткую форму продолжают приводить во всех школьных учебниках по химии и во всех школьных химических кабинетах, в большом числе российских справочников и пособий и после 1989 года[12]. Из современной иностранной литературы короткая форма исключена полностью, а вместо неё используется длинная форма. Такую ситуацию некоторые исследователи связывают с кажущейся рациональной компактностью короткой формы таблицы, а также с инерцией, стереотипностью мышления и невосприятием современной (международной) информации[13].

В 1970 году Теодор Сиборг предложил расширенную периодическую таблицу элементов. Нильс Бор разрабатывал лестничную (пирамидальную) форму периодической системы. Существует и множество других, редко или вовсе не используемых, но весьма оригинальных, способов графического отображения Периодического закона[14][15]. Сегодня существуют несколько сотен вариантов таблицы, при этом учёные предлагают всё новые варианты[16], в том числе объёмные[17].

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[18]. 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[19]. 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[20][21][22].

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[23]. Ранее для их идентификации использовались римские цифры. В американской практике после римских цифр ставилась также литера А (если группа располагалась в s-блоке или p-блоке) или B (если группа находилась в d-блоке). Применявшиеся тогда идентификаторы соответствуют последней цифре современных численных указателей. К примеру, элементам группы 4 соответствовало наименование IVB, а тем, которые ныне известны как группа 14 — IVA. Похожая система использовалась и в Европе, за тем исключением, что литера А относилась к группам, до десятой включительно, а В — к группам после десятой включительно. Группы 8, 9 и 10, кроме того, часто рассматривались как одна тройная группа с идентификатором VIII. В 1988 году в действие вступила новая система нотации ИЮПАК, и прежние наименования групп вышли из употребления[24].

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[23].

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)[25]. Случаются, впрочем, и исключения из этих закономерностей — к примеру, в группе 11 по направлению сверху вниз электроотрицательность возрастает, а не убывает[26].

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[27].

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[28]), и параллельно с ним возрастает энергия ионизации (чем сильнее связь в атоме, тем больше энергии требуется на изъятие электрона). Соответствующим образом увеличивается и электроотрицательность[25]. Что касается энергии сродства к электрону, то металлы в левой части таблицы характеризуются меньшим значением этого показателя, а неметаллы в правой, соответственно, большим — за исключением благородных газов[29].

Блоки

Файл:Periodic Table 2.svg
Блоковая диаграмма периодической таблицы

Ввиду значимости внешней электронной оболочки атома различные области периодической таблицы иногда описываются как блоки, именуемые в соответствии с тем, на какой оболочке находится последний электрон[30]. S-блок включает первые две группы, то есть щелочные и щелочноземельные металлы, а также водород и гелий; p-блок состоит из последних шести групп (с 13-й по 18-ю, согласно стандарту именования ИЮПАК, или с IIIA до VIIIA — по американской системе) и включает, помимо других элементов, все металлоиды. D-блок — это группы с 3-й по 12-ю (ИЮПАК), они же — с IIIB до IIB (американская система), в которые входят все переходные металлы. F-блок, выносимый обычно за пределы таблицы, состоит из лантаноидов и актиноидов[31].

Другие периодические закономерности

Файл:Klechkovski rule.svg
Приблизительный порядок в соответствии с правилом Маделунга

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, определяемых литерами 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)[32][33].
  • 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[34]. 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[35][36].
Файл:Periodic trends-rus.svg
Свойства элементов. Стрелки указывают на повышение

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 таблицеШаблон:Sfn. 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.

Разработанная в XIX веке в рамках науки химии, периодическая таблица явилась готовой систематизацией типов атомов для новых разделов физики, получивших развитие в начале XX веке — атомной физики и физики ядра. В ходе исследований атома методами физики было установлено, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева (атомный номер, называемый также числом Менделеева), является мерой электрического заряда атомного ядра этого элемента, номер горизонтального ряда (периода) в таблице определяет число электронных оболочек атома, а номер вертикального ряда (группы) — квантовую структуру верхней электронной оболочки, чему элементы группы и обязаны сходством химических свойств.

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.

По решению ООН 2019 год был объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов[37].

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

  • Шаблон:ВТ-ЭСБЕ
  • Менделеев Д. И. Попытка химического понимания мирового эфира. СПб., 1905.
  • Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1973. — 208 с.
  • Шаблон:Книга
  • Дудин С. А. Атлас-определитель главных минералов и горных пород. — Екатеринбург: Издательские решения, 2016. — 78 с.
  • Евдокимов Ю., кандидат химич. наук. К истории периодического закона. Наука и жизнь, № 5 (2009), С. 12-15.
  • Шаблон:Книга
  • Макареня А. А., Рысев Ю. В. Д. И. Менделеев. — М.: Просвещение, 1983. — 128 с.
  • Макареня А. А., Трифонов Д. Н. Периодический закон Д. И. Менделеева. — М.: Просвещение, 1969. — 160 с.
  • Шаблон:Книга
  • Шаблон:Книга
  • 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.

Ссылки

Шаблон:Навигация Шаблон:Внешние ссылки нежелательны

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Навигационная обёртка

Шаблон:Навигационная обёртка/конец

Шаблон:Группы химических элементов

  1. В книге (В. М. Потапов, Г. Н. Хомченко. «Химия». — М., 1982, стр. 26) утверждается, что их более 400.
  2. Шаблон:Cite news
  3. Шаблон:Cite web
  4. Шаблон:Публикация
  5. 5,0 5,1 Шаблон:Книга
  6. Шаблон:Cite journal
  7. Шаблон:Cite journal
  8. Шаблон:Cite web
  9. 9,0 9,1 9,2 Шаблон:Cite web
  10. Шаблон:Cite web
  11. Пример короткой формы таблицы.
  12. Шаблон:Статья
  13. Шаблон:Статья
  14. Например, в 1997 году Б. Ф. Маховым была опубликована книга «Симметричная квантовая Периодическая система элементов», в которой границами горизонтальных рядов, периодов и диад служат элементы со спектральным термом 1s0. Координатами конкретного элемента в таблице принят набор из четырёх квантовых чисел.
  15. Шаблон:Книга
  16. Шаблон:Cite web
  17. Шаблон:Книга
  18. Scerri 2007, p. 24
  19. Шаблон:Книга
  20. Шаблон:Citation/core
  21. Шаблон:Книга
  22. Шаблон:Книга
  23. 23,0 23,1 Шаблон:Книга
  24. Шаблон:Статья
  25. 25,0 25,1 Moore, p. 111
  26. Greenwood, p. 30
  27. Шаблон:Книга
  28. Шаблон:Книга
  29. Шаблон:Книга
  30. Gray, p. 12
  31. Шаблон:Книга
  32. Шаблон:Книга
  33. Шаблон:Книга
  34. Шаблон:Книга
  35. Шаблон:Книга
  36. Gray, p. 9
  37. Шаблон:Cite web