Сучасна форма таблиці Менделєєва
Доктор технічних наук Р. Сайфуллін, кандидат
хімічних наук А. Сайфуллін
В
Цього року виповнюється 170 років з дня народження видатного російського хіміка Дмитра
Івановича Менделєєва і 135 років з дня створення ним періодичної системи
елементів. За що минув час таблиця, що наочно демонструє періодичний
закон, неодноразово доповнювалася і розширювалася. До останнього часу в науковій
і навчальній літературі наводилася так звана коротка форма таблиці.
Сучасний, розширений варіант таблиці Менделєєва складений авторами статті
на підставі останніх рішень ІЮПАК - Междунаpодного союзу теоpетіческой і прикладні
хімії (International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC). Ця
Організацію, створена в 1919 році, кооpдініpует дослідження, тpебующіе
междунаpодного узгодження, контpоля і стандаpтізаціі, радимо і затверджує
хімічну теpмінологію, включаючи назви елементів. Росія, будучи повноправним
членом союзу, виконує його рішення і рекомендації. Нова форма таблиці була
схвалена XVII менделєєвськая з'їздом у вересні 2003 року. В таблицю внесені
найостанніші характеристики всіх відомих на сьогоднішній день елементів.
Вона буде корисна всім, хто вивчає хімію і фізику чи просто цікавиться
сучасною наукою.
З
історію створення і розвитку періодичної системи
Першого
Березень 1869 Д.І. Менделєєв оприлюднив періодичний закон і його наслідок --
таблицю елементів. У 1870 році він назвав систему "природною", а через рік --
"Періодичної". Таблиця (далекий прообраз сучасної), що демонструє закон,
була представлена Менделєєвим під назвою "Досвід системи елементів, заснований
на їх же атомній вазі і хімічній схожості ". Їм же була дана формулювання
закону: "Властивості елементів, а тому і властивості утворених ними простих і складних
тел, перебувають у періодичній залежності від їх же атомної ваги ". Таблиця
складалася з шести вертикальних груп, попередниць майбутніх періодів. По горизонталі
простежувалися ще не повні ряди елементів, прообразів майбутніх підгруп
(сьогодні - груп) елементів. Вона містила 67 елементів (зараз їх близько 120),
в тому числі три передбачених, згодом відкритих і названих "зміцнювач
періодичного закону ".
Природно,
перша таблиця була недосконалою, і в наступні роки Менделєєв багато разів
доповнював її і вносив до її структури зміни. У момент подання першого
варіанти таблиці (березень 1869 року) не були ще відомі шляхетні ( "інертні")
гази (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) і були відсутні відомості про внутрішню будову
атомів.
Лише
в двадцятих роках минулого століття, після революційних відкриттів у фізиці,
застосування рентгенівських променів і виявлення благородних газів, стало можливим
дати сучасне визначення закону про періодичній залежності властивостей
елементів від порядкового номера елемента, а не від атомної ваги, як було
спочатку зазначено Д. Менделєєвим. Іншими словами, в трактуванні поняття закону
"Атомна вага" елемента було замінено словами "порядковий (або атомний) номер",
що відповідає числу протонів у ядрі атома і, відповідно, числу електронів у нейтрального
атома. Визначення стало відповідати даними про електронний будову атома,
диктує періодичну повторюваність властивостей атомів через 2 (s-елементи), 6 (р-елементи),
10 (d-елементи) і 14 (f-елементи) елементів. Ці цифри відповідають максимально
можливого числа електронів на певному енергетичному рівні атома. Вони ж
відповідають і числа можливих елементів у відповідному періоді. На першій
енергетичному рівні дозволено бути лише двом електронам (на s-рівні). Вони
призвели до наявності в першому періоді двох елементів: водню й гелію. На другому
енергетичному рівні вісім різних електронів відповідають появи восьми нових
елементів - від літію до неону.
Аналогічна картина спостерігається і в третьому
періоді. У ньому, замість очікуваних вісімнадцяти, також вісім елементів - від натрію
до аргону. Тут відбулася затримка з утворенням десяти d-елементів з-за
того, що 3d-електрони опинилися на більш високому енергетичному рівні, ніж
4s-електрони. З цієї причини 3d-елементи (скандій, титан та ін) з'являються
лише в четвертому періоді після двох 4s-елементів (калій і кальцій). Вони
передують 4р-елементів (від галію до криптону). Цим пояснюється
виникнення узагальнюючого терміну - "перехідні елементи", "вставна декада". У
п'ятому періоді спостерігається аналогічна картина, в нього із запізненням приходять
4d-елементи; вони також виявляються перехідними. Описані природні явища
були однією з причин створення таблиці з восьми груп. Проте "запізнюються"
також по чотирнадцять 4f-і 5f-елементів вже на два періоди. Через їх більшого
числа і розташування цих електронів у третьому зовні шарі (близькість властивостей)
в обох обговорюваних тут формах таблиць вони виділені поза груп. Загальне правило
при утворенні періодів системи - всі вони починаються з лужних металів з перших
ns1-електроном, що утворить n-період (n - номер періоду системи). Завершує
кожний період "інертний" газ з останнім np6-електроном. Виняток - перша
період системи, він завжди перебуває на особливому положенні.
Таким чином, число елементів в семи
відомих періодах становить 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Відповідно до зазначених
числами будуть наповнюватися елементами всі періоди у порядку зростання їх порядкових
номерів. При цьому один і той же елемент може виявитися в різних за номером
групах, що помітно при порівнянні двох таблиць.
Розглянуті
цифри дозволяють створити таблиці, що складаються з 2, 8, 18 або 32 груп елементів у
трьох варіантах - з (2 +6), (2 +6 +10) або (2 +6 +10 +14) груп. Історично, як
найбільш зручні, розповсюдження отримали в першу чергу таблиці, що складаються
з 8 або 18 вертикальних груп:
а)
Коротка форма таблиці. Вона, на жаль, досі наводиться в більшості
російських довідників та навчальних посібників, хоча офіційно скасовано ІЮПАК в 1989
році. Таблиця складалася з VIII (0) груп "типових" елементів, підгруп
(іноді і рядів) та періодів елементів. У сучасній зарубіжній літературі ця
форма таблиці замінена довгою формою.
б)
Довга (рідше звана длінноперіодной або напівдовгому) форма таблиці. Вона
була затверджена ІЮПАК в 1989 році, складається з 18 груп, позначених арабськими
(замість римських) цифрами, і не містить "типових" елементів, підгруп, рядів
і сімейств. Її спрощені варіанти з'являлися набагато раніше, але частіше за все з одним
відзнакою - груп, позначених римськими цифрами, було вісім (з їх розтяжкою до
вісімнадцяти за рахунок приставок а і b і штучним створенням тріад елементів).
в)
Наддовгих (рідше іменована довгою) форма таблиці складалася б з 32 груп
елементів. Офіційно вона навряд чи буде прийнята до передбачуваної майбутньому, так як
кожна з 14 додаткових груп (понад 18) містила б лише два елементи
(один лантаноїди і один Актиноїди), близькі за властивостями до всіх інших
тринадцяти елементів періоду.
Нова форма таблиці
До
80-90-х років минулого століття були поширені два перші форми таблиці.
Перша - архаїчна коротка форма з "насильницької" упаковкою елементів у вісім
(I-VIII), іноді дев'ять (0) груп, підрозділених додатково ще на ряди (8
або 10) і підгрупи, що містили два або три "типових" елемента,
попередніх, у свою чергу, двом суперечливим за назвами (A, B або a, b,
"Головна" чи "побічна ").
При
виборі і затвердженні довгого варіанти таблиці були дотримані "інтереси"
більшості елементів і принцип "золотої середини" без порушення основи закону
Менделєєва - періодичності у властивостях елементів. Сорок елементів (по 10 d-елементів
в кожному з періодів з 4 по 7), що відносяться раніше до "перехідним", або "вставним"
(між s-і p-елементами), і звані "побічними", після 1989 року перестали
бути такими. Вони стали повноправними компонентами своїх нових десяти груп.
З
офіційним прийняттям нової форми таблиці зникли, ставши зайвими, надумані або
прийняті вимушено терміни: "типові елементи", "підгрупа" (головна і побічна),
"Тріада", "ряди", "сімейства" (заліза або платинових металів). Всі елементи
однієї групи (крім водню та гелію - вони завжди на особливому положенні),
розташовані вертикально в один ряд, мають в принципі однакові дві зовнішні
(визначають ступінь окислення) s-+ p-або s-+ d-орбіталі електронів.
Лантаноїди і Актиноїди (f-елементи), як і раніше, залишаються в третій групі відповідно
з наявністю в їх же електронних орбіталях умовно s2d1-електронів. Відмінності в електронній
структурі атомів актиноїдів тут не обговорюються.
Довга
форма таблиці позбавлена невідповідностей, недоліків і очевидних протиріч,
властивих її короткій формі, помітних при першому ж погляді на властивості
елементів, штучно зібраних в одну і ту ж групу. Так, наприклад, в I групу
короткій таблиці потрапили і метали Cu, Ag, Au, і протилежні за активністю
лужні метали Na, K, Rb, Cs. Несумісність властивостей "одногруппових"
елементів простежується і по всіх інших групах. Звернемо увагу лише на колишні
кінцеві (VI-VIII) групи. Це - сусідство в VI групі двох "типових"
елементів - O і S і їх же аналогів Se, Te, Po з тугоплавкими металами - Cr,
Mo, W; у VII групі - елементів, що відповідають агресивним летючим галогеном F,
Cl, Br, I, з не менш тугоплавкими металами Mn, Tc, Re.
Максимально
суперечлива структура VIII групи. До неї включені підгрупа VIIIb з "тріадою"
( "Сімейство заліза" - Fe, Co, Ni) і "сімейство платинових металів" (Ru, Rh,
Pd, Os, Ir, Pt), куди, природно, повинні входити у вигляді трьох вертикальних
рядів і тільки що отримані елементи 108-110, які ніколи не ставилися до
платиновим. У цю ж групу входить, всупереч здоровому глузду, і підгрупа
VIIIa, куди віднесені благородні гази (He, Ne та інші). З упевненістю можна
стверджувати, що історично ці тріади-сімейства були "втиснуті" в прокрустове
ложі останньої (VIII) групи вимушено, всупереч логіці, тому що ця група,
згідно електронної структурі атомів, призначена природою тільки для зазначених
газових елементів. Причина утворення такого "Ноєвого ковчега" проста: чотирьом
тріадах з 3 (4) декад в кожному періоді під час компонування таблиці з восьми груп
не вистачило місця в її попередніх семи групах.
В
офіційно прийнятої довгій формі таблиці поняття "сімейство заліза" і "сімейство
платинових металів "зникають логічно, тому що до них, згідно з їх властивостями,
спільному поширенню в природі, ізоморфізму і послідовному
зміни електронної структури, можна було б приєднати сусідів по таблиці
і праворуч і ліворуч. Іншими словами, перше сімейство можна розширити, наприклад, до
ванадію і цинку включно, а по друге - помістити інші благородні метали
- Срібло, золото, ртуть; старі поняття надумані штучно, будучи
прив'язані до структури колишньої VIII групи.
В
запропоновану таблицю для кожного елемента введені також дві альтернативні
величини відносної електронегативності (ОЕО) атомів (їх здібності в молекулі
притягати електрони, що беруть участь в утворенні хімічних зв'язків) і основні
фізичні параметри відповідних простих речовин. Використовувати значення ОЕО
важливо, зокрема, для виключення та виправлення застарілих помилкових назв
і написання хімічних формул бінарних сполук. Наприклад, водневі
з'єднання елементів другого періоду Н4С, Н3N, H2О, НF згідно значень ОЕО
(для водню близько 2,0, для інших елементів - від 2,5 для вуглецю до 4,0 для
фтору) називаються відповідно карбідом, нітридом, оксидом і фторидом
водню. Відповідно до цього наведені написання формул аміаку й метану
більш справедливі, ніж традиційні (NH3 і СН4).
Однак,
незважаючи на справедливе розв'язання ІЮПАК давно назрілої проблеми і прийняття
нової системи в усьому світі, її використання в російському освіті та науці
невиправдано запізнюється. Разом з тим є й втішні виключення з цього.
Крім ряду видань нового варіанту таблиці, запропонованого авторами цієї
статті, можна відзначити публікації простих варіантів довгої форми таблиці поруч
передових російських видавництв, а сучасною таблиці на двох мовах - у новому
семитомної довідковому виданні. На відміну від російських, зарубіжна освіта
і наука прийняли до виконання рішення ІЮПАК 1989 негайно. Інтернет
також повідомляє тільки про наявність довгої форми таблиці.
Сучасний
варіант періодичної системи, першим в російських публікаціях, був створений у 1999
році. Нова форма таблиці Менделєєва навчально-довідкового призначення відповідає
міжнародним стандартам. Крім російських і латинських назв елементів в ній
наводяться англійські та американські форми їх написання. Щоб зберегти
спадкоємність таблиць і спростити використання її довгої форми, нові номери
груп в ній узгоджені зі старими (римськими) номерами груп (I - VIII) і підгруп
(a, b), хоча закордонні джерела колишні позначення вже не вказують.
Спрощені варіанти раціональної довгої таблиці були поширені ще
задовго до 1989 року, у тому числі в СРСР, з однією відмінністю - номерів груп було
вісім (вони були позначені римськими цифрами), але вони "розтягувалися" до вісімнадцяти
за рахунок приставок а і b і штучного створення тріад елементів. У новій
таблиці наведено виправлені атомні маси елементів, затверджені ІЮПАК в 1995
році, і нові назви десяти останніх елементів, остаточно затверджені,
також цією організацією, в 1997-му. Аналоги такої системи, в основному
англомовні, широко поширені в зарубіжній літературі.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://wsyachina.narod.ru
