ПЕРИОДИ́ЧЕСКАЯ СИСТЕ́МА ХИМИ́ЧЕСКИХ ЭЛЕМЕ́НТОВ

ПЕРИОДИ́ЧЕСКАЯ СИСТЕ́МА ХИМИ́ЧЕ­СКИХ ЭЛЕМЕ́НТОВ, упо­ря­до­чен­ное мно­же­ст­во хи­мич. эле­мен­тов и их ес­теств. клас­си­фи­ка­ция. Яв­ля­ет­ся таб­лич­ным пред­став­ле­ни­ем пе­рио­ди­че­ско­го за­ко­на, от­кры­то­го Д. И. Мен­де­лее­вым. Про­об­ра­зом П. с. х. э. слу­жит таб­ли­ца «Опыт сис­те­мы эле­мен­тов, ос­но­ван­ной на их атом­ном ве­се и хи­ми­че­ском сход­ст­ве», со­став­лен­ная Мен­де­лее­вым в 1869 (рис. 1). По ме­ре со­вер­шен­ст­во­ва­ния этой таб­ли­цы Мен­де­ле­ев раз­вил пред­став­ле­ния о пе­рио­дах и груп­пах эле­мен­тов и о мес­те ка­ж­до­го эле­мен­та в сис­те­ме. К 1871 в кн. «Ос­но­вы хи­мии» Мен­де­лее­вым бы­ла вклю­че­на «Ес­те­ст­вен­ная сис­те­ма эле­мен­тов Д. Мен­де­лее­ва» – пер­вая клас­сич. ко­рот­кая фор­ма П. с. х. э. Опи­ра­ясь на неё, Мен­де­ле­ев вы­пол­нил впо­след­ст­вии оп­рав­дав­ший­ся про­гноз су­ще­ст­во­ва­ния и свойств не­из­вест­ных в то вре­мя эле­мен­тов (Ga, Sc, Ge).

Рис. 1. Таблица, составленная Д. И. Менделеевым 1. 3.1869.

Фи­зич. смысл пе­рио­дич­но­сти в свой­ст­вах эле­мен­тов стал ясен по­сле по­яв­ле­ния пла­не­тар­ной мо­де­ли ато­ма (Э. Ре­зер­форд, 1911) и бы­ло по­ка­за­но (ни­дерл. фи­зик А. ван ден Брук и Г. Моз­ли, 1913–14), что по­ряд­ко­вый но­мер эле­мен­та в П. с. х. э. ра­вен по­ло­жи­тель­но­му за­ря­ду (Z) яд­ра ато­ма. Тео­рия П. с. х. э. в осн. соз­да­на Н. Бо­ром (1913–21) на ба­зе кван­то­вой мо­де­ли ато­ма. Бор раз­ра­бо­тал схе­му по­строе­ния элек­трон­ных кон­фи­гу­ра­ций ато­мов по ме­ре воз­рас­та­ния Z, опи­раю­щую­ся на оп­ре­де­лён­ную по­сле­до­ва­тель­ность за­пол­не­ния элек­тро­на­ми обо­ло­чек и по­до­бо­ло­чек в ато­мах с рос­том чис­ла Z.

Совр. П. с. х. э. вклю­ча­ет бо­лее ста хи­мич. эле­мен­тов. Наи­бо­лее тя­жё­лые эле­мен­ты по­лу­че­ны ядер­ным син­те­зом. По­ря­док за­пол­не­ния элек­тро­на­ми уров­ней в ато­мах оп­ре­де­ля­ет­ся пра­ви­ла­ми, со­во­куп­ность ко­то­рых на­зы­ва­ют «прин­ци­пом по­строе­ния»: за­пол­не­ние атом­ных ор­би­та­лей (АО) про­ис­хо­дит в по­ряд­ке уве­ли­че­ния энер­гии ор­би­та­лей: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 6d и т. д.; со­глас­но Пау­ли прин­ци­пу, ка­ж­дая АО (ха­рак­те­ри­зу­ет­ся кван­то­вы­ми чис­ла­ми n, l, m) мо­жет содер­жать не бо­лее 2 элек­тро­нов; АО с оди­на­ко­вы­ми l и n за­пол­ня­ют­ся так, что­бы сум­мар­ный спин элек­тро­нов был мак­си­ма­лен (т. е. за­пол­ня­ет­ся макс. чис­ло АО с раз­ны­ми m по Хун­да пра­ви­лу).

Рис. 2. Короткий вариант периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (в соответствии с данными ИЮПАК на 1973).

Сог­лас­но (n+l)-пра­ви­лу Клеч­ков­ско­го, по­строе­ние элек­трон­ных кон­фи­гу­ра­ций гл. обр. про­ис­хо­дит в со­от­вет­ст­вии с по­сле­до­ва­тель­ным уве­ли­че­ни­ем сум­мы (n+l). При этом в пре­де­лах ка­ж­дой та­кой сум­мы сна­ча­ла за­пол­ня­ют­ся по­д­о­бо­лоч­ки с бóль­ши­ми l и мень­ши­ми n, за­тем с мень­ши­ми l и бóльшими n.

Опуб­ли­ко­ва­но св. 500 ва­ри­ан­тов П. с. х. э., что свя­за­но с по­пыт­ка­ми по­ис­ка ре­ше­ния не­ко­то­рых ча­ст­ных про­блем её струк­ту­ры. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны две таб­лич­ные фор­мы П. с. х. э.: ко­рот­кая (рис. 2) и длин­ная (раз­ра­ба­ты­ва­лась Д. И. Мен­де­лее­вым, усо­вер­шен­ст­во­ва­на в 1905 А. Вер­не­ром; рис. 3). В струк­ту­ре П. с. х. э. вы­де­ля­ют пе­рио­ды (го­ри­зон­таль­ные ря­ды) и груп­пы (вер­ти­каль­ные столб­цы) эле­мен­тов.

Рис. 3. Длинная форма периодической системы химических элементов (в соответствии с данными ИЮПАК на 2013).

Совр. фор­ма П. с. х. э. (в 1989 ИЮПАК ре­ко­мен­до­ва­на длин­ная фор­ма П. с. х. э.) со­сто­ит из 7 пе­рио­дов (го­ри­зон­таль­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей эле­мен­тов, рас­по­ло­жен­ных по воз­рас­та­нию по­ряд­ко­во­го но­ме­ра) и 18 групп (вер­тикаль­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей эле­мен­тов в со­от­вет­ст­вии с ко­ли­че­ст­вом ва­лент­ных элек­тро­нов), а ко­рот­кая фор­ма П. с. х. э. – из 8 групп. Чис­ло эле­мен­тов в пе­рио­дах, на­чи­ная со вто­ро­го, по­пар­но по­вто­ря­ет­ся: 8, 8, 18, 18, 32, 32,... (пер­вый пе­ри­од со­дер­жит два эле­мен­та). Но­мер груп­пы эле­мен­тов ко­рот­ко­го ва­ри­ан­та П. с. х. э. со­от­вет­ст­ву­ет чис­лу ва­лент­ных элек­тро­нов во внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ке ато­мов. В длин­но­пе­ри­од­ном ва­ри­ан­те П. с. х. э. но­мер груп­пы в бoль­шей ме­ре фор­ма­лен. Груп­пы ко­рот­ко­го ва­ри­ан­та вклю­ча­ют глав­ную (а) и по­боч­ную (б) под­груп­пы, в ка­ж­дой из ко­то­рых со­дер­жат­ся эле­мен­ты, сход­ные по хи­мич. свой­ст­вам, их ато­мы ха­рак­те­ри­зу­ют­ся оди­на­ко­вым строе­ни­ем внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек. Эле­мен­ты не­ко­то­рых групп име­ют собств. три­ви­аль­ные на­зва­ния: ще­лоч­ные ме­тал­лы (груп­па 1 длин­ной фор­мы П. с. х. э.), щёлоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы (груп­па 2), халь­ко­ге­ны (груп­па 16), га­ло­ге­ны (груп­па 17), бла­го­род­ные га­зы (груп­па 18). В П. с. х. э. для ка­ж­до­го эле­мен­та ука­зы­ва­ет­ся его сим­вол, на­зва­ние, по­ряд­ко­вый но­мер и зна­че­ние от­но­сит. атом­ной мас­сы.

Пер­вый пе­ри­од со­дер­жит два эле­мен­та – Н и Не. Во­до­род име­ет не­ко­то­рое сход­ст­во как со ще­лоч­ны­ми эле­мен­та­ми, так и с га­ло­ге­на­ми. В свя­зи с этим сим­вол Н по­ме­ща­ют ли­бо в под­груп­пу Iа, ли­бо в под­груп­пу VIIa ко­рот­ко­го ва­ри­ан­та П. с. х. э., ли­бо в обе од­но­вре­мен­но.

Вто­рой и тре­тий пе­рио­ды (Li – Ne; Na – Ar) со­дер­жат по 8 эле­мен­тов, при­чём ха­рак­тер из­ме­не­ния хи­мич. свойств вер­ти­каль­ных ана­ло­гов во мно­гом бли­зок. Эле­мен­ты пер­вых трёх пе­рио­дов от­но­сят­ся к гл. под­груп­пам ко­рот­ко­го ва­ри­ан­та пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов.

Эле­мен­ты групп 1 и 2 длин­ной фор­мы на­зы­ва­ют­ся s-эле­мен­та­ми, групп 13–18 – p-эле­мен­та­ми, групп 3–12 – d-эле­мен­та­ми; d-эле­мен­ты (за ис­клю­че­ни­ем цин­ка, кад­мия и рту­ти) на­зы­ва­ют так­же пе­ре­ход­ны­ми эле­мен­та­ми.

Чет­вёр­тый пе­ри­од (K–Kr) со­дер­жит 18 эле­мен­тов. По­сле K и Са (s-эле­мен­ты) сле­ду­ет ряд из де­ся­ти (Sc – Zn) 3d-эле­мен­тов (по­боч­ные под­груп­пы ко­рот­ко­го ва­ри­ан­та П. с. х. э.). Пе­ре­ход­ные эле­мен­ты про­яв­ля­ют выс­шие сте­пе­ни окис­ле­ния, в осн. рав­ные но­ме­ру груп­пы ко­рот­ко­го ва­ри­ан­та П. с. х. э. (ис­клю­чая Co, Ni и Cu). Эле­мен­ты от Ga до Kr от­но­сят­ся к гл. под­груп­пам (р-эле­мен­ты).

Пя­тый пе­ри­од (Rb – Xe) по­стро­ен ана­ло­гич­но чет­вёр­то­му; в нём так­же име­ет­ся «встав­ка» из де­ся­ти пе­ре­ход­ных 4d-эле­мен­тов (Y – Cd). Осо­бен­но­сти из­ме­не­ния свойств в этом пе­рио­де: в триа­де Ru – Rh – Pd ру­те­ний про­яв­ля­ет макс. сте­пень окис­ле­ния +8, ро­дий +6, пал­ладий +5; все эле­мен­ты гл. под­групп, вклю­чая Хе, про­яв­ля­ют выс­шие сте­пе­ни окис­ле­ния, рав­ные но­ме­ру груп­пы.

Шес­той пе­ри­од (Сs – Rn) со­дер­жит 32 эле­мен­та. В не­го, по­ми­мо де­ся­ти 5d-эле­мен­тов (La, Hf – Hg), вхо­дит се­мей­ст­во из че­тыр­на­дца­ти 4f-эле­мен­тов – лан­та­нои­дов (лан­та­ни­дов, Ln). В сте­пе­ни окис­ле­ния +3, +4 они яв­ля­ют­ся хи­мич. ана­ло­га­ми ак­ти­нои­дов, в сте­пе­ни окис­ле­ния +2 – щё­лоч­но­зе­мель­ных эле­мен­тов. Лан­та­нои­ды раз­ме­ще­ны в груп­пе 3 длин­ной фор­мы, клет­ка La, и для удоб­ст­ва вы­не­се­ны под таб­ли­цу. Осо­бен­но­стью эле­мен­тов шес­то­го пе­рио­да яв­ля­ет­ся то, что в триа­де Os – Ir – Pt два эле­мен­та – ос­мий и ири­дий – про­яв­ля­ют сте­пень окис­ле­ния +8, пла­ти­на +6 (для Ir – дан­ные 2010).

Седь­мой пе­ри­од, по­доб­но шес­то­му, со­дер­жит 32 эле­мен­та. Ак­ти­ний – ана­лог лан­та­на. По­сле Ас сле­ду­ет се­мей­ст­во из че­тыр­на­дца­ти 5f-эле­мен­тов – ак­ти­нои­дов (ак­ти­ни­дов, An) (Z= 90–103). В П. с. х. э. их раз­ме­ща­ют в клет­ке Ас и, по­доб­но Ln, за­пи­сы­ва­ют отд. стро­кой под таб­ли­цей. Этот при­ём пред­по­ла­га­ет на­ли­чие су­ще­ст­вен­но­го хи­мич. сход­ст­ва эле­мен­тов двух f-се­мейств. Имен­но на этом ос­но­вы­ва­лась «ак­ти­нид­ная кон­цеп­ция» Г. Си­бор­га (1944), сыг­рав­шая ве­ду­щую роль при раз­ра­бот­ке ме­то­дов раз­де­ле­ния про­дук­тов де­ле­ния ура­на и по­ис­ке но­вых эле­мен­тов. Од­нако эта кон­цеп­ция спра­вед­ли­ва лишь для трёх- и че­ты­рёх­ва­лент­ных An. Ак­ти­нои­ды же про­яв­ля­ют сте­пе­ни окис­ле­ния от +2 до +7 (по­след­няя ха­рак­тер­на для Np, Pu, Am) и +8 (для плу­то­ния). Для наи­бо­лее тя­жё­лых An ха­рак­тер­на ста­би­ли­за­ция низ­ших сте­пе­ней окис­ле­ния (+2 или да­же +1 для Md).

Экс­пе­рим. оцен­ки хи­мии эле­мен­тов с Z=104 (ре­зер­фор­дий) и Z=105 (дуб­ний) по­зво­ли­ли за­клю­чить, что они яв­ля­ют­ся ана­ло­га­ми со­от­вет­ст­вен­но Hf и Та, т. е. 6d-эле­мен­та­ми (долж­ны рас­по­ла­гать­ся в IVб и Vб под­груп­пах ко­рот­кой фор­мы). Хи­мич. иден­ти­фи­ка­ция эле­мен­тов с Z=106–118 не про­во­ди­лась из-за слиш­ком ко­рот­ких «вре­мён жиз­ни» син­те­зи­ро­ван­ных изо­то­пов, но в со­от­вет­ст­вии со струк­ту­рой П. с. х. э. мож­но счи­тать, что эле­мен­ты Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn от­но­сят­ся к 6d-эле­мен­там, эле­мен­ты c Z=113–118 близ­ки со­от­вет­ст­вен­но вер­ти­каль­ным ана­ло­гам. Это же сле­ду­ет из совр. кван­то­во­хи­мич. рас­чё­тов.

П. с. х. э. яв­ля­ет­ся важ­ным зве­ном эво­лю­ции атом­но-мо­ле­ку­ляр­но­го уче­ния, спо­соб­ст­ву­ет уточ­не­нию пред­став­ле­ний о про­стых ве­ще­ст­вах и со­еди­не­ни­ях, ока­за­ла зна­чит. влия­ние на раз­ра­бот­ку тео­рии строе­ния ато­мов. С П. с. х. э. свя­за­на по­ста­нов­ка про­бле­мы про­гно­зи­ро­ва­ния в хи­мии, что про­яви­лось в пред­ска­за­нии как су­ще­ст­во­ва­ния не­из­вест­ных эле­мен­тов и их свойств, так и осо­бен­но­стей хи­мич. по­ве­де­ния из­вест­ных эле­мен­тов. П. с. х. э. – ос­но­ва не­ор­га­нич. хи­мии; слу­жит за­да­чам син­те­за ве­ществ с за­ра­нее за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми, соз­да­нию но­вых ма­те­риа­лов, в ча­ст­но­сти сверх­про­вод­ни­ков и по­лу­про­вод­ни­ков, под­бо­ру спе­ци­фич. ка­та­ли­за­то­ров для разл. хи­мич. про­цес­сов и др. П. с. х. э. – на­уч. ба­за пре­по­да­ва­ния об­щей и не­ор­га­нич. хи­мии, а так­же не­ко­то­рых раз­де­лов атом­ной фи­зи­ки.