Современная форма таблицы Менделеева
Доктор технических наук Р. Сайфуллин, кандидат
химических наук А. Сайфуллин
В
этом году исполняется 170 лет со дня рождения выдающегося российского химика Дмитрия
Ивановича Менделеева и 135 лет со дня создания им периодической системы
элементов. За истекшее время таблица, наглядно демонстрирующая периодический
закон, неоднократно дополнялась и расширялась. До последнего времени в научной
и учебной литературе приводилась так называемая короткая форма таблицы.
Современный, расширенный вариант таблицы Менделеева составлен авторами статьи
на основании последних решений ИЮПАК — Междунаpодного союза теоpетической и пpикладной
химии (International Union of Pure and Applied Chemistry — IUPAC). Эта
оpганизация, созданная в 1919 году, кооpдиниpует исследования, тpебующие
междунаpодного согласования, контpоля и стандаpтизации, pекомендует и утверждает
химическую теpминологию, включая названия элементов. Россия, будучи полноправным
членом союза, выполняет его решения и рекомендации. Новая форма таблицы была
одобрена XVII Менделеевским съездом в сентябре 2003 года. В таблицу внесены
самые последние характеристики всех известных на сегодняшний день элементов.
Она будет полезна всем, кто изучает химию и физику или просто интересуется
современной наукой.
Из
истории создания и развития периодической системы
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.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://wsyachina.narod.ru