Таблица Менделеева

таблица Менделеева 
 

Первого марта 1869 года Д.И. Менделеев обнародовал периодический  закон и его следствие —  таблицу элементов. В 1870 году он назвал систему „естественной“, а спустя год — „периодической“. Таблица (далёкий прообраз современной), демонстрирующая  закон, была представлена Менделеевым  под названием „Опыт системы  элементов, основанный на их же атомном  весе и химическом сходстве“. Им же была дана формулировка закона: „Свойства  элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, находятся в периодической зависимости  от их же атомного веса“. Таблица состояла из шести вертикальных групп, предшественниц будущих периодов. По горизонтали  прослеживались ещё не полные ряды элементов, прообразов будущих подгрупп (сегодня — групп) элементов. Она  содержала 67 элементов (сейчас их около 120), в том числе три предсказанных, впоследствии открытых и названных  „укрепителями периодического закона“. 

Естественно, первая таблица была несовершенной, и в  последующие годы Менделеев многократно  дополнял её и вносил в её структуру  изменения. В момент представления  первого варианта таблицы (март 1869 года) не были ещё известны благородные („инертные“) газы (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) и отсутствовали сведения о внутреннем строении атомов.  

Лишь в двадцатых  годах прошлого столетия, после революционных  открытий в физике, применения рентгеновских  лучей и обнаружения благородных  газов, стало возможным дать современное  определение закона о периодической  зависимости свойств элементов  от порядкового номера элемента, а  не от атомного веса, как было вначале  отмечено Д. Менделеевым. Иными словами, в трактовке закона понятие „атомный вес“ элемента было заменено словами  „порядковый (или атомный) номер“, что отвечает числу протонов в  ядре атома и, соответственно, числу  электронов у нейтрального атома. Определение  стало отвечать данным об электронном  строении атома, диктующим периодическую  повторяемость свойств атомов через 2 (s-элементы), 6 (р-элементы), 10 (d-элементы) и 14 (f-элементы) элементов. Эти цифры отвечают максимально возможному числу электронов на определённом энергетическом уровне атома. Они же соответствуют и числу возможных элементов в соответствующем периоде. На первом энергетическом уровне дозволено быть только двум электронам (на s-уровне). Они привели к наличию в первом периоде двух элементов: водорода и гелия. На втором энергетическом уровне восемь разных электронов отвечают появлению восьми новых элементов — от лития до неона. 

 Аналогичная картина  наблюдается и в третьем периоде.  В нём, вместо ожидаемых восемнадцати, также восемь элементов — от  натрия до аргона. Здесь произошла  задержка с образованием десяти d-элементов из-за того, что 3d-электроны  оказались на более высоком  энергетическом уровне, чем 4s-электроны.  По этой причине 3d-элементы (скандий,  титан и др.) появляются лишь  в четвёртом периоде после  двух 4s-элементов (калий и кальций). Они предшествуют 4р-элементам (от  галлия до криптона). Этим объясняется  возникновение обобщающего термина  — „переходные элементы“, „вставная декада“. В пятом периоде наблюдается аналогичная картина, в него с опозданием приходят 4d-элементы; они также оказываются переходными. Описанные естественные явления были одной из причин создания таблицы из восьми групп. Однако „запаздывают“ также по четырнадцать 4f- и 5f-элементов уже на два периода. Из-за их большего числа и расположения этих электронов в третьем снаружи слое (близость свойств) в обеих обсуждаемых здесь формах таблиц они выделены вне групп. Общее правило при образовании периодов системы — все они начинаются со щелочных металлов с первым ns1-электроном, образующим n-период (n — номер периода системы). Завершает каждый период „инертный“ газ с последним np6-электроном. Исключение — первый период системы, он находится всегда на особом положении. 

 Таким образом,  число элементов в семи известных  периодах составляет 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. В соответствии с указанными  числами будут наполняться элементами  все периоды в порядке возрастания  их порядковых номеров. При  этом один и тот же элемент  может оказаться в различных  по номеру группах, что заметно  при сравнении двух таблиц. 

Рассмотренные цифры  позволяют создать таблицы, состоящие  из 2, 8, 18 или 32 групп элементов в  трёх вариантах — из (2+6), (2+6+10) или (2+6+10+14) групп. Исторически, как наиболее удобные, распространение получили в первую очередь таблицы, состоящие  из 8 или 18 вертикальных групп: 

а) Короткая форма  таблицы. Она, к сожалению, до сих  пор приводится в большинстве  российских справочников и учебных  пособий, хотя официально отменена ИЮПАК  в 1989 году. Таблица состояла из VIII (+0) групп „типических“ элементов, подгрупп (иногда и рядов) и периодов элементов. В современной зарубежной литературе эта форма таблицы заменена длинной  формой. 

б) Длинная (реже называемая длиннопериодной или полудлинной) форма таблицы. Она была утверждена ИЮПАК в 1989 году, состоит из 18 групп, обозначенных арабскими (вместо римских) цифрами, и не содержит „типических“ элементов, подгрупп, рядов и семейств. Её упрощённые варианты появлялись гораздо раньше, но чаще всего с одним отличием — групп, обозначенных римскими цифрами, было восемь (с их растяжкой до восемнадцати за счёт приставок а и b и искусственным созданием триад элементов). 

в) Сверхдлинная (реже именуемая длинной) форма таблицы  состояла бы из 32 групп элементов. Официально она вряд ли будет принята в предвидимом будущем, так как каждая из 14 дополнительных групп (сверх 18) содержала бы лишь два элемента (один лантаноид и один актиноид), близкие по свойствам ко всем остальным тринадцати элементам периода. 

Новая форма таблицы 

До 80–90-х годов  прошлого века были распространены две  первые формы таблицы. Первая — архаичная  короткая форма с „насильственной“ упаковкой элементов в восемь (I-VIII), иногда девять (+0) групп, подразделённых дополнительно ещё на ряды (8 или 10) и подгруппы, содержавшие два  или три „типических“ элемента, предшествующих, в свою очередь, двум спорным по названиям (A, B или a, b, „главная“ или „побочная“). 

При выборе и утверждении  длинного варианта таблицы были соблюдены  „интересы“ большинства элементов  и принцип „золотой середины“  без нарушения основы закона Менделеева — периодичности в свойствах  элементов. Сорок элементов (по 10 d-элементов  в каждом из периодов с 4 по 7), относимые ранее к „переходным“, или „вставным“ (между s- и p-элементами), и называемые „побочными“, после 1989 года перестали быть таковыми. Они стали полноправными компонентами своих новых десяти групп. 

С официальным принятием  новой формы таблицы исчезли, став лишними, надуманные или принятые вынужденно термины: „типические элементы“, „подгруппа“ (главная и побочная), „триада“, „ряды“, „семейства“ (железа или платиновых металлов). Все элементы одной группы (кроме водорода и  гелия — они всегда на особом положении), расположенные вертикально  в один ряд, имеют в принципе одинаковые две наружные (определяющие степень  окисления) s- + p- или s- + d-орбитали электронов. Лантаноиды и актиноиды (f-элементы), как и раньше, остаются в третьей группе в соответствии с наличием в их же электронных орбиталях условно s2d1-электронов. Различия в электронной структуре атомов актиноидов здесь не обсуждаются. 

Длинная форма таблицы  лишена несоответствий, недостатков  и очевидных противоречий, присущих её короткой форме, заметных при первом же взгляде на свойства элементов, искусственно собранных в одну и ту же группу. Так, например, в I группу короткой таблицы  попали и металлы Cu, Ag, Au, и противоположные по активности щелочные металлы Na, K, Rb, Cs. Несовместимость свойств „одногрупповых“ элементов прослеживается и по всем остальным группам. Обратим внимание лишь на бывшие конечные (VI-VIII) группы. Это — соседство в VI группе двух „типических“ элементов — O и S и их же аналогов Se, Te, Po с тугоплавкими металлами — Cr, Mo, W; в VII группе — элементов, отвечающих агрессивным летучим галогенам F, Cl, Br, I, с не менее тугоплавкими металлами Mn, Tc, Re. 

Максимально противоречива  структура VIII группы. В неё включены подгруппа VIIIb с „триадой“ („семейство железа“ — Fe, Co, Ni) и „семейство платиновых металлов“ (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), куда, естественно, должны входить в виде трёх вертикальных рядов и только что полученные элементы 108–110, которые никогда не относились к платиновым. В эту же группу входит, противореча здравому смыслу, и подгруппа VIIIa, куда отнесены благородные газы (He, Ne и другие). С уверенностью можно утверждать, что исторически эти триады-семейства были „втиснуты“ в прокрустово ложе последней (VIII) группы вынужденно, вопреки логике, так как эта группа, согласно электронной структуре атомов, предназначена природой только для указанных газовых элементов. Причина образования такого „Ноева ковчега“ проста: четырём триадам из 3(4) декад в каждом периоде при компоновке таблицы из восьми групп не хватило места в её предшествующих семи группах. 

В официально принятой длинной форме таблицы понятия  „семейство железа“ и „семейство платиновых металлов“ исчезают логически, так как к ним, согласно их свойствам, совместному распространению в  природе, изоморфизму и последовательному  изменению электронной структуры, можно было бы присоединить соседей  по таблице и справа и слева. Иными  словами, первое семейство можно  расширить, например, до ванадия и  цинка включительно, а во второе — поместить другие благородные  металлы — серебро, золото, ртуть; старые понятия надуманы искусственно, будучи привязаны к структуре  бывшей VIII группы. 

В предложенную таблицу  для каждого элемента введены  также две альтернативные величины относительной электроотрицательности (ОЭО) атомов (их способности в молекуле притягивать электроны, участвующие в образовании химических связей) и основные физические параметры соответствующих простых веществ. Использовать значения ОЭО важно, в частности, для исключения и исправления устаревших ошибочных названий и написания химических формул бинарных соединений. Например, водородные соединения элементов второго периода Н4С, Н3N, H2О, НF согласно значениям ОЭО (для водорода около 2,0, для других элементов — от 2,5 для углерода до 4,0 для фтора) называются соответственно карбидом, нитридом, оксидом и фторидом водорода. В соответствии с этим приведённые написания формул аммиака и метана более справедливы, нежели традиционные (NH3 и СН4). 

Однако, несмотря на справедливое разрешение ИЮПАК давно  назревшей проблемы и принятие новой  системы во всём мире, её использование  в российском образовании и науке  неоправданно запаздывает. Вместе с  тем есть и отрадные исключения из этого. Помимо ряда изданий нового варианта таблицы, предложенного авторами настоящей  статьи, можно отметить публикации простых вариантов длинной формы  таблицы рядом передовых российских издательств, а современной таблицы  на двух языках — в новом семитомном справочном издании. В отличие от российских, зарубежное образование и наука приняли к исполнению решение ИЮПАК 1989 года незамедлительно. Интернет также сообщает только о наличии длинной формы таблицы. 

Современный вариант  периодической системы, первый в  российских публикациях, был создан в 1999 году. Новая форма таблицы  Менделеева учебно-справочного назначения отвечает международным стандартам. Кроме русских и латинских  названий элементов в ней приводятся английские и американские формы  их написания. Чтобы сохранить преемственность  таблиц и упростить использование  её длинной формы, новые номера групп  в ней согласованы со старыми (римскими) номерами групп (I — VIII) и  подгрупп (a, b), хотя зарубежные источники прежние обозначения уже не указывают. Упрощённые варианты рациональной длинной таблицы были распространены ещё задолго до 1989 года, в том числе в СССР, с одним отличием — номеров групп было восемь (они обозначались римскими цифрами), но они „растягивались“ до восемнадцати за счёт приставок а и b и искусственного создания триад элементов. В новой таблице приведены исправленные атомные массы элементов, утверждённые ИЮПАК в 1995 году, и новые названия десяти последних элементов, окончательно утверждённые, также этой организацией, в 1997-м. Аналоги такой системы, в основном англоязычные, широко распространены в зарубежной литературе.