100 в таблице менделеева. Периодический закон Д. И. Менделеева и периодическая система химических элементов

Любой, кто ходил в школу, помнит, что одним из обязательных для изучения предметов была химия. Она могла нравиться, а могла и не нравиться – это не важно. И вполне вероятно, что многие знания по этой дисциплине уже забыты и в жизни не применяются. Однако таблицу химических элементов Д. И. Менделеева наверняка помнит каждый. Для многих она так и осталась разноцветной таблицей, где в каждый квадратик вписаны определённые буквы, обозначающие названия химических элементов. Но здесь мы не будем говорить о химии как таковой, и описывать сотни химических реакций и процессов, а расскажем о том, как вообще появилась таблица Менделеева – эта история будет интересна любому человеку, да и вообще всем тем, кто охоч до интересной и полезной информации.

Небольшая предыстория

В далёком 1668 году выдающимся ирландским химиком, физиком и богословом Робертом Бойлем была опубликована книга, в которой было развенчано немало мифов об алхимии, и в которой он рассуждал о необходимости поиска неразложимых химических элементов. Учёный также привёл их список, состоящий всего из 15 элементов, но допускал мысль о том, что могут быть ещё элементы. Это стало отправной точкой не только в поиске новых элементов, но и в их систематизации.

Сто лет спустя французским химиком Антуаном Лавуазье был составлен новый перечень, в который входили уже 35 элементов. 23 из них позже были признаны неразложимыми. Но поиск новых элементов продолжался учёными по всему миру. И главную роль в этом процессе сыграл знаменитый русский химик Дмитрий Иванович Менделеев – он впервые выдвинул гипотезу о том, что между атомной массой элементов и их расположением в системе может быть взаимосвязь.

Благодаря кропотливому труду и сопоставлению химических элементов Менделеев смог обнаружить связь между элементами, в которой они могут быть одним целым, а их свойства являются не чем-то само собой разумеющимся, а представляют собой периодически повторяющееся явление. В итоге, в феврале 1869 года Менделеев сформулировал первый периодический закон, а уже в марте его доклад «Соотношение свойств с атомным весом элементов» был представлен на рассмотрение Русского химического общества историком химии Н. А. Меншуткиным. Затем в том же году публикация Менделеева была напечатана в журнале «Zeitschrift fur Chemie» в Германии, а в 1871 году новую обширную публикацию учёного, посвящённую его открытию, опубликовал другой немецкий журнал «Annalen der Chemie».

Создание периодической таблицы

Основная идея к 1869 году уже была сформирована Менделеевым, причём за довольно короткое время, но оформить её в какую-либо упорядоченную систему, наглядно отображающую, что к чему, он долго не мог. В одном из разговоров со своим соратником А. А. Иностранцевым он даже сказал, что в голове у него уже всё сложилось, но вот привести всё к таблице он не может. После этого, согласно данным биографов Менделеева, он приступил к кропотливой работе над своей таблицей, которая продолжалась трое суток без перерывов на сон. Перебирались всевозможные способы организации элементов в таблицу, а работа была осложнена ещё и тем, что в тот период наука знала ещё не обо всех химических элементах. Но, несмотря на это, таблица всё же была создана, а элементы систематизированы.

Легенда о сне Менделеева

Многие слышали историю, что Д. И. Менделееву его таблица приснилась. Эта версия активно распространялась вышеупомянутым соратником Менделеева А. А. Иностранцевым в качестве забавной истории, которой он развлекал своих студентов. Он говорил, что Дмитрий Иванович лёг спать и во сне отчётливо увидел свою таблицу, в которой все химические элементы были расставлены в нужном порядке. После этого студенты даже шутили, что таким же способом была открыта 40° водка. Но реальные предпосылки для истории со сном всё же были: как уже упоминалось, Менделеев работал над таблицей без сна и отдыха, и Иностранцев однажды застал его уставшим и вымотанным. Днём Менделеев решил немного передохнуть, а некоторое время спустя, резко проснулся, сразу же взял листок бумаги и изобразил на нём уже готовую таблицу. Но сам учёный опровергал всю эту историю со сном, говоря: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово». Так что легенда о сне может быть и очень привлекательна, но создание таблицы стало возможным только благодаря упорному труду.

Дальнейшая работа

В период с 1869 по 1871 годы Менделеев развивал идеи периодичности, к которым склонялось научное сообщество. И одним из важных этапов данного процесса стало понимание того, что любой элемент в системе должно располагать, исходя из совокупности его свойств в сравнении со свойствами остальных элементов. Основываясь на этом, а также опираясь на результаты исследований в изменении стеклообразующих оксидов, химику удалось внести поправки в значения атомных масс некоторых элементов, среди которых были уран, индий, бериллий и другие.

Пустые клетки, остававшиеся в таблице, Менделеев, конечно же, хотел скорее заполнить, и в 1870 году предсказал, что в скором времени будут открыты неизвестные науке химические элементы, атомные массы и свойства которых он сумел вычислить. Первыми из них стали галлий (открыт в 1875 году), скандий (открыт в 1879 году) и германий (открыт в 1885 году). Затем прогнозы продолжили реализовываться, и были открыты ещё восемь новых элементов, среди которых: полоний (1898 год), рений (1925 год), технеций (1937 год), франций (1939 год) и астат (1942-1943 годы). Кстати, в 1900 году Д. И. Менделеев и шотландский химик Уильям Рамзай пришли к мнению, что в таблицу должны быть включены и элементы нулевой группы – до 1962 года они назывались инертными, а после – благородными газами.

Организация периодической системы

Химические элементы в таблице Д. И. Менделеева расположены по рядам, в соответствии с возрастанием их массы, а длина рядов подобрана так, чтобы находящиеся в них элементы имели схожие свойства. Например, благородные газы, такие как радон, ксенон, криптон, аргон, неон и гелий с трудом вступают в реакции с другими элементами, а также имеют низкую химическую активность, из-за чего расположены в крайнем правом столбце. А элементы левого столбца (калий, натрий, литий и т.д.) отлично реагируют с прочими элементами, а сами реакции носят взрывной характер. Говоря проще, внутри каждого столбца элементы имеют подобные свойства, варьирующиеся при переходе от одного столбца к другому. Все элементы, вплоть до №92 встречаются в природе, а с №93 начинаются искусственные элементы, которые могут быть созданы лишь в лабораторных условиях.

В своём первоначальном варианте периодическая система понималась только как отражение существующего в природе порядка, и никаких объяснений, почему всё должно обстоять именно так, не было. И лишь когда появилась квантовая механика, истинный смысл порядка элементов в таблице стал понятен.

Уроки творческого процесса

Говоря о том, какие уроки творческого процесса можно извлечь из всей истории создания периодической таблицы Д. И. Менделеева, можно привести в пример идеи английского исследователя в области творческого мышления Грэма Уоллеса и французского учёного Анри Пуанкаре. Приведём их вкратце.

Согласно исследованиям Пуанкаре (1908 год) и Грэма Уоллеса (1926 год), существует четыре основных стадии творческого мышления:

• Подготовка – этап формулирования основной задачи и первые попытки её решения;
• Инкубация – этап, во время которого происходит временное отвлечение от процесса, но работа над поиском решения задачи ведётся на подсознательном уровне;
• Озарение – этап, на котором находится интуитивное решение. Причём, найтись это решение может в абсолютно не имеющей к задаче ситуации;
• Проверка – этап испытаний и реализации решения, на котором происходит проверка этого решения и его возможное дальнейшее развитие.

Как мы видим, в процессе создания своей таблицы Менделеев интуитивно следовал именно этим четырём этапам. Насколько это эффективно, можно судить по результатам, т.е. по тому, что таблица была создана. А учитывая, что её создание стало огромным шагом вперёд не только для химической науки, но и для всего человечества, приведённые выше четыре этапа могут быть применимы как к реализации небольших проектов, так и к осуществлению глобальных замыслов. Главное помнить, что ни одно открытие, ни одно решение задачи не могут быть найдены сами по себе, как бы ни хотели мы увидеть их во сне и сколько бы ни спали. Чтобы что-то получилось, не важно, создание это таблицы химических элементов или разработка нового маркетинг-плана, нужно обладать определёнными знаниями и навыками, а также умело использовать свои потенциал и упорно работать.

Мы желаем вам успехов в ваших начинаниях и успешной реализации задуманного!

Девятнадцатый век в истории человечества - век, в который многие науки реформировались, в том числе и химия. Именно в это время появилась периодическая система Менделеева, а вместе с ней - и периодический закон. Именно он стал основой современной химии. Периодическая система Д. И. Менделеева представляет собой систематизацию элементов, которая устанавливает зависимость химических и физических свойств от строения и заряда атома вещества.

История

Начало периодической положила книга «Соотношение свойств с атомным весом элементов», написанная в третьей четверти XVII века. В ней были отображены основные понятия относительно известных химических элементов (на тот момент их насчитывалось всего 63). К тому же у многих из них атомные массы были определены неправильно. Это сильно мешало открытию Д. И. Менделеева.

Дмитрий Иванович начал свою работу со сравнения свойств элементов. В первую очередь он занялся хлором и калием, а уж потом перешёл к работе со щелочными металлами. Вооружась специальными карточками, на которых были изображены химические элементы, он многократно пытался собрать эту «мозаику»: раскладывал на своем столе в поисках нужных комбинаций и совпадений.

После долгих стараний Дмитрий Иванович все же нашёл ту закономерность, которую искал, и выстроил элементы в периодические ряды. Получив в результате пустые ячейки между элементами, учёный понял, что русским исследователям известны не все химические элементы, и что именно он должен дать этому миру те знания в области химии, которые ещё не были даны его предшественниками.

Всем известен миф о том, что Менделееву периодическая таблица явилась во сне, и он по памяти собрал элементы в единую систему. Это, грубо говоря, ложь. Дело в том, что Дмитрий Иванович довольно долго и сосредоточенно работал над своим трудом, и его это сильно выматывало. Во время работы над системой элементов Менделеев однажды заснул. Проснувшись, он понял, что не закончил таблицу, и скорее продолжил заполнение пустых ячеек. Его знакомый, некий Иностранцев, университетский педагог, решил, что таблица Менделееву приснилась во сне и распространил данный слух среди своих студентов. Так и появилась данная гипотеза.

Известность

Химических элементов Менделеева является отображением созданного Дмитрием Ивановичем ещё в третьей четверти XIX века (1869 год) периодического закона. Именно в 1869 году на заседании русского химического сообщества было зачитано уведомление Менделеева о создании им определённой структуры. И в этом же году была выпущена книга «Основы химии», в которой впервые была опубликована периодическая система химических элементов Менделеева. А в книге «Естественная система элементов и использование её к указанию качеств неоткрытых элементов» Д. И. Менделеев впервые упомянул понятие «периодический закон».

Структура и правила размещения элементов

Первые шаги в создании периодического закона были сделаны Дмитрием Ивановичем еще в 1869-1871 годах, в то время он усиленно работал над установлением зависимости свойств данных элементов от массы их атома. Современный вариант представляет собой сведённые в двумерную таблицу элементы.

Положение элемента в таблице несёт определённый химический и физический смысл. По местонахождению элемента в таблице можно узнать, какая у него валентность, определить и другие химические особенности. Дмитрий Иванович пытался установить связь между элементами, как сходными между собой по свойствам, так и отличающимися.

В основу классификации известных на тот момент химических элементов он положил валентность и атомную массу. Сопоставляя относительные свойства элементов, Менделеев пытался найти закономерность, которая объединила бы все известные химические элементы в одну систему. Расположив их, основываясь на возрастании атомных масс, он всё-таки добился периодичности в каждом из рядов.

Дальнейшее развитие системы

Появившаяся в 1969 году таблица Менделеева ещё не раз дорабатывалась. С появлением благородных газов в 1930 годах получилось выявить новейшую зависимость элементов - не от массы, а от порядкового номера. Позднее удалось установить число протонов в атомных ядрах, и оказалось, что оно совпадает с порядковым номером элемента. Учёными XX века было изучено электронное Оказалось, что и оно влияет на периодичность. Это сильно меняло представления о свойствах элементов. Данный пункт был отражён в более поздних редакциях периодической системы Менделеева. Каждое новое открытие свойств и особенностей элементов органично вписывалось в таблицу.

Характеристики периодической системы Менделеева

Таблица Менделеева поделена на периоды (7 строк, расположенных горизонтально), которые, в свою очередь, подразделяются на большие и малые. Начинается период со щелочного металла, а заканчивается элементом с неметаллическими свойствами.
Вертикально таблица Дмитрия Ивановича поделена на группы (8 столбцов). Каждая из них в периодической системе состоит из двух подгрупп, а именно - главной и побочной. После долгих споров по предложению Д. И. Менделеева и его коллеги У. Рамзая было решено ввести так называемую нулевую группу. В неё входят инертные газы (неон, гелий, аргон, радон, ксенон, криптон). В 1911 году учёным Ф. Содди было предложено поместить в периодической системе и неразличимые элементы, так называемые изотопы, - для них были выделены отдельные ячейки.

Несмотря на верность и точность периодической системы, научное общество долго не хотело признавать данное открытие. Многие великие учёные высмеивали деятельность Д. И. Менделеева и считали, что невозможно предсказать свойства элемента, который ещё не был открыт. Но после того как предполагаемые химические элементы были открыты (а это были, например, скандий, галлий и германий), система Менделеева и его периодический закон стали науки химии.

Таблица в современности

Периодическая система элементов Менделеева - основа большинства химических и физических открытий, связанных с атомно-молекулярным учением. Современное понятие элемента сложилось как раз благодаря великому учёному. Появление периодической системы Менделеева внесло кардинальные изменения в представления о различных соединениях и простых веществах. Создание ученым периодической системы оказало огромное влияние на развитие химии и всех наук, смежных с ней.

Периодическая система - упорядоченное множество химических элементов, их естественная классификация, которая является графическим (табличным) выражением периодического закона химических элементов. Структура её, во многом сходная с современной, разработана Д. И. Менделеевым на основе периодического закона в 1869–1871 гг.

Прообразом периодической системы был «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», составленный Д. И. Менделеевым 1 марта 1869 г. На протяжении двух с половиной лет ученый непрерывно совершенствовал «Опыт системы», ввел представление о группах, рядах и периодах элементов. В результате структура периодической системы приобрела во многом современные очертания.

Важным для её эволюции стало понятие о месте элемента в системе, определяемом номерами группы и периода. Опираясь на это понятие, Менделеев пришел к выводу, что необходимо изменить атомные массы некоторых элементов: урана, индия, церия и его спутников. Это было первое практическое применение периодической системы. Менделеев также впервые предсказал существование и свойства нескольких неизвестных элементов. Ученый подробно описал важнейшие свойства экаалюминия (будущего галлия), экабора (скандия) и экасилиция (германия). Кроме того, он предсказал существование аналогов марганца (будущих технеция и рения), теллура (полония), иода (астата), цезия (франция), бария (радия), тантала (протактиния). Прогнозы ученого в отношении данных элементов носили общий характер, поскольку эти элементы располагались в малоизученных областях периодической системы.

Первые варианты периодической системы во многом представляли лишь эмпирическое обобщение. Ведь был неясен физический смысл периодического закона, отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных масс. В связи с этим оставались нерешенными многие проблемы. Есть ли границы периодической системы? Можно ли определить точное количество существующих элементов? Оставалась неясной структура шестого периода - каково точное количество редкоземельных элементов? Было неизвестно, существуют ли еще элементы между водородом и литием, какова структура первого периода. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории периодической системы перед ней не раз возникали серьезные трудности. Неожиданным было открытие в 1894–1898 гг. пяти инертных газов, которым, казалось, не находилось места в периодической системе. Эта трудность была устранена благодаря идее включить в структуру периодической системы самостоятельную нулевую группу. Массовое открытие радиоэлементов на стыке XIX и XX вв. (к 1910 г. их число составило около 40) привело к резкому противоречию между необходимостью их размещения в периодической системе и её сложившейся структурой. Для них было только 7 вакантных мест в шестом и седьмом периодах. Эта проблема была решена в результате установления правил сдвига и открытия изотопов.

Одна из главных причин невозможности объяснить физический смысл периодического закона и структуру периодической системы состояла в том, что было неизвестно, как устроен атом (см. Атом). Важнейшей вехой на пути развития периодической системы явилось создание атомной модели Э. Резерфордом (1911). На её основе голландский ученый А. Ван ден Брук (1913) высказал предположение, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома (Z). Это экспериментально подтвердил английский ученый Г. Мозли (1913). Периодический закон получил физическое обоснование: периодичность изменения свойств элементов стала рассматриваться в зависимости от Z - заряда ядра атома элемента, а не от атомной массы (см. Периодический закон химических элементов).

В результате структура периодической системы значительно упрочилась. Была определена нижняя граница системы. Это водород - элемент с минимальным Z = 1. Стало возможным точно оценить количество элементов между водородом и ураном. Были определены «пробелы» в периодической системе, соответствующие неизвестным элементам с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87. Однако оставались неясными вопросы о точном количестве редкоземельных элементов и, что особенно важно, не были вскрыты причины периодичности изменения свойств элементов в зависимости от Z.

Опираясь на сложившуюся структуру периодической системы и результаты изучения атомных спектров, датский ученый Н. Бор в 1918–1921 гг. развил представления о последовательности построения электронных оболочек и подоболочек в атомах. Ученый пришел к выводу, что сходные типы электронных конфигураций внешних оболочек атомов периодически повторяются. Таким образом, было показано, что периодичность изменения свойств химических элементов объясняется существованием периодичности в построении электронных оболочек и подоболочек атомов.

Периодическая система охватывает более 100 элементов. Из них все трансурановые элементы (Z = 93–110), а также элементы с Z = 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат), 87 (франций) получены искусственно. За всю историю существования периодической системы было предложено очень большое количество (>500) вариантов её графического изображения, преимущественно в виде таблиц, а также в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (спиралей и пр.) и т. д. Наибольшее распространение получили короткая, полудлинная, длинная и лестничная формы таблиц. В настоящее время предпочтение отдается короткой форме.

Фундаментальным принципом построения периодической системы является её подразделение на группы и периоды. Менделеевское понятие рядов элементов ныне не употребляется, поскольку лишено физического смысла. Группы, в свою очередь, подразделяются на главную (а) и побочную (Ь) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы - химические аналоги. Элементы a‑ и b‑подгрупп в большинстве групп также обнаруживают между собой определенное сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, равны номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, которая начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом (особый случай - первый период). Каждый период содержит строго определенное количество элементов. Периодическая система состоит из восьми групп и семи периодов, причем седьмой период пока не завершен.

Особенность первого периода заключается в том, что он содержит всего 2 газообразных в свободном виде элемента: водород и гелий. Место водорода в системе неоднозначно. Поскольку он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами, то его помещают либо в 1a‑, либо в Vlla‑подгруппу, либо в обе одновременно, заключая в одной из подгрупп символ в скобки. Гелий - первый представитель VIIIa‑подгруппы. Долгое время гелий и все инертные газы выделяли в самостоятельную нулевую группу. Это положение потребовало пересмотра после синтеза химических соединений криптона, ксенона и радона. В результате инертные газы и элементы бывшей VIII группы (железо, кобальт, никель и платиновые металлы) были объединены в рамках одной группы.

Второй период содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом литием, единственная степень окисления которого +1. Далее следует бериллий (металл, степень окисления +2). Бор проявляет уже слабо выраженный металлический характер и является неметаллом (степень окисления +3). Следующий за бором углерод - типичный неметалл, который проявляет степени окисления как +4, так и −4. Азот, кислород, фтор и неон - все неметаллы, причем у азота высшая степень окисления +5 соответствует номеру группы. Кислород и фтор относятся к самым активным неметаллам. Инертный газ неон завершает период.

Третий период (натрий - аргон) также содержит 8 элементов. Характер изменения их свойств во многом аналогичен тому, который наблюдался для элементов второго периода. Но здесь есть и своя специфика. Так, магний в отличие от бериллия более металличен, так же как и алюминий по сравнению с бором. Кремний, фосфор, сера, хлор, аргон - все это типичные неметаллы. И все они, кроме аргона, проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы.

Как видим, в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается отчетливое ослабление металлических и усиление неметаллических свойств элементов. Д. И. Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (по его словам, малых) типическими. Элементы малых периодов принадлежат к числу самых распространенных в природе. Углерод, азот и кислород (наряду с водородом) - органогены, т. е. основные элементы органической материи.

Все элементы первого - третьего периодов размещаются в a‑подгруппах.

Четвертый период (калий - криптон) содержит 18 элементов. По Менделееву, это первый большой период. После щелочного металла калия и щелочноземельного металла кальция следует ряд элементов, состоящий из 10 так называемых переходных металлов (скандий - цинк). Все они входят в b‑подгруппы. Большинство переходных металлов проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы, кроме железа, кобальта и никеля. Элементы, начиная с галлия и кончая криптоном, принадлежат к а-подгруппам. Для криптона известен ряд химических соединений.

Пятый период (рубидий - ксенон) по своему построению аналогичен четвертому. В нем также содержится вставка из 10 переходных металлов (иттрий - кадмий). У элементов этого периода есть свои особенности. В триаде рутений - родий - палладий для рутения известны соединения, где он проявляет степень окисления +8. Все элементы a‑подгрупп проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы. Особенности изменения свойств у элементов четвертого и пятого периодов по мере роста Z имеют по сравнению со вторым и третьим периодами более сложный характер.

Шестой период (цезий - радон) включает 32 элемента. В этом периоде кроме 10 переходных металлов (лантан, гафний - ртуть) содержится еще и совокупность из 14 лантаноидов - от церия до лютеция. Элементы от церия до лютеция химически очень похожи, и на этом основании их давно включают в семейство редкоземельных элементов. В короткой форме периодической системы ряд лантаноидов включают в клетку лантана и расшифровку этого ряда дают внизу таблицы (см. Лантаноиды).

В чем состоит специфика элементов шестого периода? В триаде осмий - иридий - платина для осмия известна степень окисления +8. Астат имеет достаточно выраженный металлический характер. Радон обладает наибольшей реакционной способностью из всех инертных газов. К сожалению, из‑за того, что он сильно радиоактивен, его химия мало изучена (см. Радиоактивные элементы).

Седьмой период начинается с франция. Подобно шестому, он также должен содержать 32 элемента, но из них пока известны 24. Франций и радий соответственно являются элементами Ia‑ и IIa‑подгрупп, актиний принадлежит к IIIb‑подгруппе. Далее следует семейство актиноидов, которое включает элементы от тория до лоуренсия и размещается аналогично лантаноидам. Расшифровка этого ряда элементов также дается внизу таблицы.

Теперь посмотрим, как изменяются свойства химических элементов в подгруппах периодической системы. Основная закономерность этого изменения заключается в усилении металлического характера элементов по мере роста Z. Особенно отчетливо эта закономерность проявляется в IIIa–VIIa‑подгруппах. Для металлов Ia–IIIa‑подгрупп наблюдается рост химической активности. У элементов IVa–VIIa‑подгрупп по мере увеличения Z наблюдается ослабление химической активности элементов. У элементов b‑подгрупп характер изменения химической активности более сложен.

Теория периодической системы была разработана Н. Бором и другими учеными в 20‑х гг. XX в. и основана на реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов (см. Атом). Согласно этой теории, по мере роста Z заполнение электронных оболочек и подоболочек в атомах элементов, входящих в периоды периодической системы, происходит в следующей последовательности:

На основании теории периодической системы можно дать следующее определение периода: период есть совокупность элементов, начинающаяся элементом со значением n, равным номеру периода, и l = 0 (s‑элементы) и заканчивающаяся элементом с тем же значением n и l = 1 (p‑элементы) (см. Атом). Исключение составляет первый период, содержащий только 1s‑элементы. Из теории периодической системы следуют числа элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32…

В таблице символы элементов каждого типа (s‑, p‑, d‑ и f‑элементы) изображены на определенном цветовом фоне: s‑элементы - на красном, p‑элементы - на оранжевом, d‑элементы - на синем, f‑элементы - на зеленом. В каждой клетке приведены порядковые номера и атомные массы элементов, а также электронные конфигурации внешних электронных оболочек.

Из теории периодической системы следует, что к a‑подгруппам принадлежат элементы с n, равным номеру периода, и l = 0 и 1. К b‑подгруппам относятся те элементы, в атомах которых происходит достройка оболочек, ранее остававшихся незавершенными. Именно поэтому первый, второй и третий периоды не содержат элементов b‑подгрупп.

Структура периодической системы элементов тесно связана со строением атомов химических элементов. По мере роста Z периодически повторяются сходные типы конфигурации внешних электронных оболочек. А именно они определяют основные особенности химического поведения элементов. Эти особенности по‑разному проявляются для элементов a‑подгрупп (s‑ и р‑элементы), для элементов b‑подгрупп (переходные d‑элементы) и элементов f‑семейств - лантаноидов и актиноидов. Особый случай представляют элементы первого периода - водород и гелий. Для водорода характерна высокая химическая активность, потому что его единственный 1s‑электрон легко отщепляется. В то же время конфигурация гелия (1s 2) весьма устойчива, что обусловливает его химическую бездеятельность.

У элементов а-подгрупп происходит заполнение внешних электронных оболочек атомов (с n, равным номеру периода), поэтому свойства этих элементов заметно изменяются по мере роста Z. Так, во втором периоде литий (конфигурация 2s) - активный металл, легко теряющий единственный валентный электрон; бериллий (2s 2) - также металл, но менее активный вследствие того, что его внешние электроны более прочно связаны с ядром. Далее, бор (2s 2 p) имеет слабо выраженный металлический характер, а все последующие элементы второго периода, у которых происходит построение 2p‑подоболочки, являются уже неметаллами. Восьмиэлектронная конфигурация внешней электронной оболочки неона (2s 2 p 6) - инертного газа - очень прочна.

Химические свойства элементов второго периода объясняются стремлением их атомов приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (конфигурацию гелия - для элементов от лития до углерода или конфигурацию неона - для элементов от углерода до фтора). Вот почему, например, кислород не может проявлять высшей степени окисления, равной номеру группы: ведь ему легче достичь конфигурации неона путем приобретения дополнительных электронов. Такой же характер изменения свойств проявляется у элементов третьего периода и у s‑ и p‑элементов всех последующих периодов. В то же время ослабление прочности связи внешних электронов с ядром в a‑подгруппах по мере роста Z проявляется в свойствах соответствующих элементов. Так, для s‑элементов отмечается заметный рост химической активности по мере роста Z, а для p‑элементов - нарастание металлических свойств.

В атомах переходных d‑элементов достраиваются не завершенные ранее оболочки со значением главного квантового числа n, на единицу меньшим номера периода. За отдельными исключениями, конфигурация внешних электронных оболочек атомов переходных элементов - ns 2 . Поэтому все d‑элементы являются металлами, и именно поэтому изменения свойств d‑элементов по мере роста Z не так резки, как это наблюдается у s‑ и p‑элементов. В высших степенях окисления d‑элементы проявляют определенное сходство с p‑элементами соответствующих групп периодической системы.

Особенности свойств элементов триад (VIIIb‑подгруппа) объясняются тем, что b‑подоболочки близки к завершению. Вот почему железо, кобальт, никель и платиновые металлы, как правило, не склонны давать соединения высших степеней окисления. Исключение составляют лишь рутений и осмий, дающие оксиды RuO 4 и OsO 4 . У элементов Ib‑ и IIb‑подгрупп d‑подоболочка фактически оказывается завершенной. Поэтому они проявляют степени окисления, равные номеру группы.

В атомах лантаноидов и актиноидов (все они металлы) происходит достройка ранее не завершенных электронных оболочек со значением главного квантового числа n на две единицы меньше номера периода. В атомах этих элементов конфигурация внешней электронной оболочки (ns 2) сохраняется неизменной, а заполняется третья снаружи N‑оболочка 4f‑электронами. Вот почему лантаноиды так сходны.

У актиноидов дело обстоит сложнее. В атомах элементов с Z = 90–95 электроны 6d и 5f могут принимать участие в химических взаимодействиях. Поэтому актиноиды имеют гораздо больше степеней окисления. Например, для нептуния, плутония и америция известны соединения, где эти элементы выступают в семивалентном состоянии. Только у элементов, начиная с кюрия (Z = 96), становится устойчивым трехвалентное состояние, но и здесь есть свои особенности. Таким образом, свойства актиноидов значительно отличаются от свойств лантаноидов, и оба семейства поэтому нельзя считать подобными.

Семейство актиноидов заканчивается элементом с Z = 103 (лоуренсий). Оценка химических свойств курчатовия (Z = 104) и нильсбория (Z = 105) показывает, что эти элементы должны быть аналогами соответственно гафния и тантала. Поэтому ученые полагают, что после семейства актиноидов в атомах начинается систематическое заполнение 6d‑подоболочки. Оценка химической природы элементов с Z = 106–110 экспериментально не проводилась.

Конечное число элементов, которое охватывает периодическая система, неизвестно. Проблема её верхней границы - это, пожалуй, основная загадка периодической системы. Наиболее тяжелый элемент, который удалось обнаружить в природе,- это плутоний (Z = 94). Достигнутый предел искусственного ядерного синтеза - элемент с порядковым номером 110. Остается открытым вопрос: удастся ли получить элементы с большими порядковыми номерами, какие и сколько? На него нельзя пока ответить сколь‑либо определенно.

С помощью сложнейших расчетов, выполненных на электронных вычислительных машинах, ученые попытались определить строение атомов и оценить важнейшие свойства «сверхэлементов», вплоть до огромных порядковых номеров (Z = 172 и даже Z = 184). Полученные результаты оказались весьма неожиданными. Например, в атоме элемента с Z = 121 предполагается появление 8p‑электрона; это после того, как в атомах с Z = 119 и 120 завершилось формирование 8s‑подоболочки. А ведь появление p‑электронов вслед за s‑электронами наблюдается только в атомах элементов второго и третьего периодов. Расчеты показывают также, что у элементов гипотетического восьмого периода заполнение электронных оболочек и под-оболочек атомов происходит в очень сложной и своеобразной последовательности. Поэтому оценить свойства соответствующих элементов - проблема весьма сложная. Казалось бы, восьмой период должен содержать 50 элементов (Z = 119–168), но, согласно расчетам, он должен завершаться у элемента с Z = 164, т. е. на 4 порядковых номера раньше. А «экзотический» девятый период, оказывается, должен состоять из 8 элементов. Вот его «электронная» запись: 9s 2 8p 4 9p 2 . Иными словами, он содержал бы всего 8 элементов, как второй и третий периоды.

Трудно сказать, насколько соответствовали бы истине расчеты, проделанные с помощью компьютера. Однако если бы они были подтверждены, то пришлось бы серьезно пересмотреть закономерности, лежащие в основе периодической системы элементов и её структуры.

Периодическая система сыграла и продолжает играть огромную роль в развитии различных областей естествознания. Она явилась важнейшим достижением атомно-молекулярного учения, способствовала появлению современного понятия «химический элемент» и уточнению понятий о простых веществах и соединениях.

Закономерности, вскрытые периодической системой, оказали существенное влияние на разработку теории строения атомов, открытие изотопов, появление представлений о ядерной периодичности. С периодической системой связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в химии. Это проявилось в предсказании существования и свойств неизвестных элементов и новых особенностей химического поведения элементов уже открытых. Ныне периодическая система представляет фундамент химии, в первую очередь неорганической, существенно помогая решению задачи химического синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых полупроводниковых материалов, подбору специфических катализаторов для различных химических процессов и т. д. И наконец, периодическая система лежит в основе преподавания химии.

115 элемент таблицы Менделеева - московий (moscovium) - сверхтяжелый синтетический элемент с символом Mc и атомным номером 115. Он был впервые получен в 2003 году совместной командой российских и американских ученых в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Россия. В декабре 2015 года признан одним из четырех новых элементов Объединенной рабочей группой международных научных организаций IUPAC/IUPAP. 28 ноября 2016 года он был официально назван в честь Московского региона, в котором находится ОИЯИ.

Характеристика

115 элемент таблицы Менделеева является чрезвычайно радиоактивным веществом: его наиболее стабильный известный изотоп, moscovium-290 имеет период полураспада всего 0,8 секунды. Ученые относят московий к непереходным металлам, по ряду характеристик схожим с висмутом. В периодической таблице относится к трансактинидным элементам p-блока 7-го периода и помещен в группу 15 как самый тяжелый пниктоген (элемент подгруппы азота), хотя и не подтверждено, что он ведет себя, как более тяжелый гомолог висмута.

Согласно расчетам, элемент обладает некоторыми свойствами, схожими с более легкими гомологами: азотом, фосфором, мышьяком, сурьмой и висмутом. При этом демонстрирует несколько существенных отличий от них. На сегодня синтезировано около 100 атомов московия, которые имеют массовые числа от 287 до 290.

Физические свойства

Валентные электроны 115 элемента таблицы Менделеева московия делятся на три подоболочки: 7s (два электрона), 7p 1/2 (два электрона) и 7p 3/2 (один электрон). Первые два из них релятивистски стабилизируются и, следовательно, ведут себя, как инертные газы, а последние релятивистски дестабилизируются и могут легко участвовать в химических взаимодействиях. Таким образом, первичный потенциал ионизации московия должен составлять около 5,58 эВ. Согласно расчетам, moscovium должен быть плотным металлом из-за его высокого атомного веса с плотностью около 13,5 г/см 3 .

Предполагаемые расчетные характеристики:

• Фаза: твердая.
• Температура плавления: 400°С (670°К, 750°F).
• Точка кипения: 1100°С (1400°К, 2000°F).
• Удельная теплота плавления: 5,90-5,98 кДж/моль.
• Удельная теплота парообразования и конденсации: 138 кДж/моль.

Химические свойства

115-й элемент таблицы Менделеева стоит третьим в ряду химических элементов 7p и является самым тяжелым членом группы 15 в периодической таблице, располагаясь ниже висмута. Химическое взаимодействие московия в водном растворе обусловлено характеристиками ионов Mc + и Mc 3+ . Первые, предположительно, легко гидролизуются и образуют ионную связь с галогенами, цианидами и аммиаком. Гидроксид московия (I) (McOH), карбонат (Mc 2 CO 3), оксалат (Mc 2 C 2 O 4) и фторид (McF) должны растворяться в воде. Сульфид (Мс 2 S) должен быть нерастворимым. Хлорид (McCl), бромид (McBr), йодид (McI) и тиоцианат (McSCN) - слаборастворимые соединения.

Фторид московия (III) (McF 3) и тиозонид (McS 3), предположительно, нерастворимы в воде (аналогично соответствующим соединениям висмута). В то время, как хлорид (III) (McCl 3), бромид (McBr 3) и иодид (McI 3) должны быть легко растворимы и легко гидролизованы с образованием оксогалогенидов, таких как McOCl и McOBr (также аналогично висмуту). Оксиды московия (I) и (III) обладают схожими состояниями окисления, и их относительная стабильность в значительной степени зависит от того, с какими элементами они взаимодействуют.

Неопределенность

Вследствие того, что 115 элемент таблицы Менделеева синтезируется единичными экспериментально его точные характеристики проблематично. Ученым приходится ориентироваться на теоретические расчеты и сравнивать с более стабильными элементами, схожими по свойствам.

В 2011 году были проведены эксперименты по созданию изотопов нихония, флеровия и московия в реакциях между «ускорителями» (кальцием-48) и «мишенями» (америцием-243 и плутонием-244) для исследования их свойств. Однако «мишени» включали примеси свинца и висмута и, следовательно, были получены в реакциях переноса нуклонов некоторые изотопы висмута и полония, что осложнило проведение эксперимента. Между тем, полученные данные помогут в будущем ученым более детально исследовать тяжелые гомологи висмута и полония, такие как moscovium и livermorium.

Открытие

Первым успешным синтезом 115 элемента таблицы Менделеева была совместная работа российских и американских ученых в августе 2003 года в ОИЯИ в Дубне. В команду во главе с физиком-ядерщиком Юрием Оганесяном, помимо отечественных специалистов, вошли коллеги из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Исследователи 2 февраля 2004 года опубликовали в издании Physical Review информацию, что они бомбардировали америций-243 ионами кальция-48 на циклотроне У-400 и получили четыре атома нового вещества (одно ядро 287 Mc и три ядра 288 Mc). Эти атомы затухают (распадаются) за счет эмиссии альфа-частиц до элемента нихония примерно за 100 миллисекунд. Два более тяжелых изотопа московия, 289 Mc и 290 Mc, были обнаружены в 2009-2010 годах.

Первоначально IUPAC не могла утвердить открытие нового элемента. Требовалось подтверждение из других источников. В течение следующих нескольких лет была проведена еще одна оценка более поздних экспериментов, и еще раз выдвинуто заявление дубненской команды об открытии 115-го элемента.

В августе 2013 года группа исследователей из Университета Лунда и Института тяжелых ионов в Дармштадте (Германия) объявили, что они повторили эксперимент 2004 года, подтвердив результаты, полученные в Дубне. Еще одно подтверждение было опубликовано командой ученых, работавших в Беркли в 2015 году. В декабре 2015 года совместная рабочая группа IUPAC/IUPAP признала обнаружение этого элемента и отдала приоритет в открытии российско-американской команде исследователей.

Название

115 элемент таблицы Менделеева в 1979 году согласно рекомендации IUPAC было решено назвать «унунпентий» и обозначать соответствующим символом UUP. Несмотря на то, что данное название с тех пор широко использовалось в отношении неоткрытого (но теоретически предсказанного) элемента, в сообществе физиков оно не прижилось. Чаще всего вещество так и называли - элемент №115 или E115.

30 декабря 2015 года обнаружение нового элемента было признано Международным союзом чистой и прикладной химии. Согласно новым правилам, первооткрыватели имеют право предложить собственное название нового вещества. Сначала предполагалось назвать 115 элемент таблицы Менделеева «лангевиний» в честь физика Поля Ланжевена. Позднее команда ученых из Дубны, как вариант, предложила наименование «московий» в честь Московской области, где и было совершено открытие. В июне 2016 года IUPAC одобрил инициативу и 28 ноября 2016 официально утвердил название «moscovium».

Как всё начиналось?

Многие известные именитые химики на рубеже XIX-XX веков уже давно заметили, что физические и химические свойства многих химических элементов очень похожи друг на друга. Так например Калий, Литий и Натрий - все являются активными металлами, которые при взаимодействии с водой образают активные гидроксиды этих металлов; Хлор, Фтор, Бром в своих соединениях с водородом проявляли одинаковую валентность равную I и все эти соединения являются сильными кислотами. Из этой похожести давно напрашивался вывод, что все известные химические элементы можно объединить в группы, причём так чтобы у элементов каждой группы был определённый набор физико-химических характеристик. Однако часто такие группы были неверно составлены из разных элементов различными учёными и долгое время многими игнорировалась одна из главных характеристик элементов - это их атомная масса. Игнорировалась она потому, что была и есть разная у различных элементов, а значит её не могли использовать в качестве параметра для объединения в группы. Исключение составил лишь франзуский химик Александр Эмиль Шанкуртуа, он попытался расположить все элементы в трёхмерной модели по винтовой линии, но его работа не была признана научным сообществом, а модель получилась громоздкая и неудобная.

В отличие от многих учёных, Д.И. Менделеев взял атомную массу (в те времена ещё "Атомный вес") как ключевой параметр при классификации элементов. В своём варианте Дмитрий Иванович расположил элементы по возрастанию их атомных весов и вот тут обозначилась закономерность, что через определённые промежутки элементов их свойства периодически повторяются. Правда пришлось сделать и исключения: некоторые элементы были поменяны местами и не соответствовали возрастанию атомных масс (например, теллур и йод), но зато соответствовали свойствам элементов. Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения оправдало такие подвижки и показало справедливость этой расстановки. Подробнее об этом вы можете прочесть в статье "В чём открытие Менделеева"

Как мы можем видеть, расположение элементов в этом варианте совсем не такое, какое мы видим в совремнном виде. Во первых, группы и периоды поменяны местами: группы по горизонтали, периоды по вертикали, а во-вторых, самих групп в нём как-то многовато - девятнадцать, вместо принятых на сегодня восемнадцати.

Однако, спустя всего год, в 1870-м Менделеев сформировал новый вариант таблицы, который уже более узнаваем нами: подобные элементы выстроены по вертикали, образуя группы, а 6 периодов расположены по горизонтали. Особенно примечательно то, что и в первом и во втором варианте таблицы виднеются существенные достижения, коих не было у его предшественников: в таблице заботливо оставлены места под элементы которые, по мнению Менделеева, ещё предстояло открыть. Соответствующие вакантные места обозначены им знаком вопроса и вы можете видеть их на рисунке выше. В дальнейшем были действительно открыты соответствующие элементы: Галий, Германий, Скандий. Таким образом Дмитрий Иванович не только систематезировал элементы в группы и периоды, но и предсказал открытие новых, ещё не известных, элементов.

В дальнейшем, после разрешения многих актуальных загадок химии того времени - открытие новых элементов, выделение группы благородных газов совместно с участием Уильяма Рамзая, установления того факта, что Дидимий вовсе не является самостоятельным элементом, а является смесью двух других, - были опубликованы всё новые и новые варианты таблицы, подчас имеющих даже вовсе и не табличный вид. Но не будем приводить здесь их все, а приведём лишь конечный вариант, сформировавшийся ещё при жизни великого учёного.

Переход от атомных весов к заряду ядра.

К сожалению, Дмитрий Иванович не дожил до планетарной теории строения атома и не видел триумф опытов Резерфорда, хотя именно с его открытиями начинается новая эпоха в развитии периодического закона и всей периодической системы. Напомню что из опытов, проводимых Эрнестом Резерфордом, следовало, что атомы элементов состоят из положительно-заряженного атомного ядра и обращающихся вокруг ядра отрицательно-заряженных электронов. После определения зарядов атомных ядер всех, известных на тот момент, элементов, выяснилось, что в периодической системе они располагаются в соответствии с зарядом ядра. А периодический закон приобрёл новый смысл, теперь он стал звучать так:

"Свойства химических элементов, а также формы и свойства, образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов"

Теперь стало понятно, почему некоторые более лёгкие элементы были поставлены Менделеевым позади их более тяжёлых предшественников, - всё дело в том, что так они стоят по порядку зарядов их ядра. Например, теллур тяжелее йода, однако стоит в таблице раньше него, ибо заряд ядра его атома и количество электронов равняется 52, а у йода - 53. Можете посмотреть на таблицу и убедиться в этом сами.

После открытия строения атома и атомного ядра, периодическая система претерпевала ещё несколько изменений, пока, наконец, не достигла вида, уже знакомого нам со школы, короткопериодного варианта таблицы Менделеева.

В этой таблице нам знакомо уже всё: 7 периодов, 10 рядов, побочные и главные подгруппы. Также со временем открытия новых элементов и наполнения ими таблицы, пришлось вынести в отдельные ряды элементы подобные Актинию и Лантану, все они соответственно были названы Актиноидами и Лантаноидами. Эта версия системы просуществовала очень долго - в мировом научном сообществе практически до конца 80х, начала 90х, а в нашей стране и того дольше - до 10х годов нынешнего столетия.

Современный вариант таблицы Менделеева.

Однако, тот вариант, которые многие из нас проходили в школе на деле оказывается весьма запутанным, а путаница выражается в разделении подгрупп на главные и побочные и запоминание логики отображения свойств элементов становится достаточно сложным. Конечно, несмотря на это, многие по нему учились, становились докторами химических наук, но всё же в современности ему на смену пришёл новый вариант - длиннопериодный. Отмечу, что именно этот вариант является одобренным IUPAC (международным союзом теоретической и прикладной химии). Давайте взглянем на него.

На смену восьми группам пришли восемнадцать, среди которых нет уже никакого разделения на главные и побочные, а все группы продиктованы расположением электронов в атомной оболочке. Заодно избавились и от двухрядных и однорядных периодов, теперь все периоды содержат только один ряд. Чем же удобен такой вариант? Теперь периодичность свойств элементов просматривается более наглядно. Номер группы, по сути, обозначает количество электронов во внешнем уровне, в связи с чем все главные подгруппы старого варианта расположились в первой, второй и с тринадцатой по восемнадцатую группу, а все "бывшие побочные" группы разместились в середине таблицы. Тем самым теперь из таблицы хорошо видно, что если это первая группа - то это щелочные металлы и никаких вам меди или серебра, и видно, что все транзитные металлы хорошо демонстрируют схожесть их свойств в связи с заполнением d-подуровня, в меньшей степени влияющим на внешние свойства, также как и лантаноиды и актиноиды проявляют подобные свойства по причине разного лишь f-подуровня. Таким образом, вся таблица разбита на следующие блоки: s-блок, на котором заполняются s-электроны, d-блок, p-блок и f-блок, с заполнением d, p, и f-электронов соответственно.

К сожалению, в нашей стране этот вариант включился в школьные учебники лишь в последние 2-3 года, да и то не во все. И очень напрасно. С чем это связано? Ну во-первых, с застойными временами в лихие 90-е, когда в стране не было вообще никакого развития, не говоря уж о сфере образования, а именно в 90е годы мировое химическое сообщество перешло на этот вариант. Во-вторых, с лёгкой инертностью и тяжестью восприятия всего нового, ведь нашим преподавателям привычен именно старый, короткопериодный вариант таблицы, несмотря на то, что при изучении химии он гораздо сложнее и менее удобен.

Расширенный вариант периодической системы.

Но время не стоит на месте, наука и технологии тоже. Уже открыт 118 элемент периодической системы, а значит скоро придётся открывать следующий, восьмой, период таблицы. Кроме того, появится новый энергетический подуровень: g-подуровень. Элементы его составляющие придётся вынести вниз таблицы, подобно лантаноидам или актиноидам, либо расширить эту таблицу ещё в два раза, так что она перестанет помещаться на лист формата A4. Здесь я приведу лишь ссылку на википедию (см. Расширенная периодическая система) и не буду лишний раз повторять описание этого варианта. Кому станет интересно - сможет пройти по ссылке и ознакомиться.

В этом варианте ни f-элементы (лантаноиды и актиноиды) ни g-элементы ("элементы будущего" с №№ 121-128) не вынесены отдельно, а делают таблицу шире на 32 клетки. Также элемент Гелий помещён во вторую группу, так как он входит в s-блок.

В целом, же вряд ли будущие химики будут пользоваться этим вариантом, скорее всего на смену таблице Менделеева придёт одна из альтернатив, которые уже выдвигаются смелыми учёными: система Бенфея, "Химическая галактика" Стьюарта или иной вариант. Но это будет уже только после достижения второго острова стабильности химических элементов и, скорее всего, нужно будет больше для наглядности в ядерной физике, чем в химии, ну а нам пока хватит старой доброй периодической системы Дмитрия Ивановича.