CC BY
57
Потеряхин В.А.
доцент кафедры химико-технологических процессов Уфимского государственного нефтяного технического университета, Башкотарстан, Салават
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОРИИ СИСТЕМАТИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОЗИЦИЙ СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ
В ТЕОРЕТИЧЕСКОМ ПОЗНАНИИ
После создания Д. И. Менделеевым в 1869 г. первой табличной формы системы химических элементов, совершенствование и поиски новых наглядных форм ее представления не прекращались ни на один день. Кроме того, до конца 20-го столетия не было обобщающего научно-исторического труда, в котором был бы прослежен весь долгий путь системного представления естественного множества химических элементов. На необходимость издания такого труда указывали многие ученые.
Сегодня, вооружившись новыми знаниями и методами системного подхода, мы яснее понимаем причину противоречивости процесса систематизации. Она - в единстве и борьбе противоположных тенденций развития: дифференциальной и интегральной.
В науке уже давно отработана стройная универсальная генеалогически иерархическая классификация объектов: род, вид, подвид, индивид. Атомы вида (химического элемента) делятся на подвиды, качественная определенность которых характеризуется постоянством числа протонов и нейтронов в ядре и числом электронов в электронной оболочке атома. Использование термина «изотоп» вместо «подвид» только вносит путаницу. В природе наблюдается четко выраженная обособленность объектов, связанных одной формой связи, от объектов с другой формой связи. Так возникло понятие «рода», «вида» и т.д. Как известно, атомов в природе великое множество. Это род. Род делится на виды (химические элементы), а виды - на подвиды (изотопы). Атомы вида сходны только по их химическому поведению, обусловленному равенством числа протонов в ядре и, соответственно, числа электронов в электронной оболочке атома. Но различаются они по массе, что связано с различным числом нейтронов в ядре. По этому признаку вид делится на подвиды. Подвид - это множество тождественных атомов. Любой конкретный атом подвида и является исходным кирпичиком в структуре молекулы, он является индивидуальным субъектом химичес-
кой реакции, а не абстрактный химический элемент.
Характерной чертой развивающихся систем является их многоуровневость, многоступенчатость. Причем каждый новый уровень представляет собой тоже систему. Механизм развития новой системы в общих чертах повторяет механизм развития предшествующей системы.
Согласно одной из космологических гипотез во Вселенной все время происходит взаимопревращение атомов. Если система развивается, значит она активно взаимодействует с внешней средой. В атоме происходит непрерывное обновление его составных частей. В основе этих превращений лежат как реакции синтеза, так и реакции распада ядер атомов.
В настоящее время известно свыше 60, так называемых периодических систем изотопов, отличающихся в зависимости от ядерных характеристик, взятых в качестве оснований. В качестве главной трудности при систематизации изотопов называется их многочисленность. Однако с этим утверждением нельзя согласиться.
Построение общей системы атомов предполагает показать множество в органичном единстве, как естественную систему, с отражением реальных генетических связей между атомами. Только изменение числа нейтронов и протонов в ядре (действительно элементарных «кирпичиков») приводит к изменению атомной массы (А). Сама по себе она не меняется. Заряд ядра, как известно, дублирует число протонов в ядре и меняется тогда, когда меняется их число. Искусственность дробных характеристик, применяемых в качестве оснований Системы атомов, очевидна. Поэтому авторам таких «систем» не удалось построить естественные системы атомов, в основании которых лежали бы реальные реакции, представленные в таблице 1.
Более глубокое изучение Системы удобнее проводить на ее фрагментах. Один из них представлен на рисунке 1.
Предложенная Система атомов базируется на реальных количественных изменениях со-
Таблица 1. Иллюстрация Закона радиоктивного смещения через изменение числа структурных частиц ядра*
Изменяющийся параметр №№ п/п Вид превращения Дочернее ядро
новое название старое название
1.Ядерные (полинуклонные) превращения
+ Р 1. 1р+ -распад + р -распад Z - 1; A - 1
2. 2р+ -распад 2р+ -распад Z - 2; A - 2
3. + тр -распад - Z - m; A - m
n 4. 1п - распад п - распад Z; A - 1
5. 2п - распад - Z; A - 1
6. т - распад - Z; A - 1
+ Р , П 7. 1р+1п - распад - Z - 1; A - 2
8. 1р+2п - распад испуск. ядер \Н Z - 1; A - 3
9. 1р+т - распад - Z - 1; A - (i +1)
10. 2р+1п - распад испуск. ядер 32Не Z - 2; A - 3
11. 2р+2п - распад испуск. ядер 42Не (а - распад) Z - 2; A - 4
12. + тр т - распад спонт. делен. ядер Z = Z + Z ^исх ' ^ост A = Д + A исх m+1 ост
2. Нуклонные (полилептонные) превращения
e 1. 1е" - распад в" - распад Z + 1; A
2. 1 е" - захват е- - захват Z - 1; A
3. 2е" - распад 2в" - распад Z + 2; A
4. Ке- - распад - Z +K; A
+ e 5. 1 + 1 е - распад + в - распад Z - 1; A
6. ^ + 2е - распад 2в - распад Z - 2; A
7. Ке+ - распад - Z - K; A
*Составлена на оснвое табл. 3 с некоторым упорядочением и прогнозированием
става атомов и потому естественна. Она имеет широту охвата объектов систематизации, присущую Системе химических элементов, и глубину отражения процессов, свойственную радиоактивным рядам. Г оризонтальные ряды на ней представляют известные всем изобары (А
- const, р+ - независимая переменная и е- - сопряженная с р+ переменная). Вертикальные ряды - изопротоны (р+ и е- - const,, N (А) - переменные). Сегодня они некорректно называются изотопами, что нарушает терминологическую и смысловую стройность в названии генетических рядов. Пологонаклонные ряды -изотоны и изонейтроны (N - const, р+ - переменная, А и е- - сопряженные переменные). Крутонаклонные ряды - р+, N - переменные, А и е-- сопряженные переменные. Эти ряды выявлены мной с помощью именно Системы атомов и названы Главными генетическими рядами.
Названные генетические ряды, за исключением изопротонных, могут быть описаны общим уравнением:
А = ДА + К£ р+. (1)
Для конкретных рядов формула (1) будет иметь вид:
1. Для изобарного ряда
А№Хр+ = № + 0 £р+ = № , (2)
где № - номер изобарного ряда.
2. Для изотонного ряда
А№Хр+ = № + 1 £р+ = № + £р+, (3)
где № - номер изотонного ряда.
3. Для главного генетического ряда
А№хр+ = № + 2 Ер+ , (4)
где № - номер главного генетического ряда.
4. Эволюция атомов в изопротонном ряду описывается уравнением;
А\+ = А№ 2р+ ± 1, (5)
где № - номер изобарного ряда.
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что Система атомов является графической иллюстрацией всех видов эволюции атомов, а, следовательно, иллюстрацией широкого закона их взаимопревращения.
Названные генетические ряды иллюстрируют как межвидовые, так и межподвидовые превращения, базирующиеся на реакциях синтеза и распада. Это говорит о том, что не существует единого закона превращения атомов, а значит, не может быть и единой его формулировки.
Формулировка нового закона о взаимопревращении (эволюции) атомов состоит из четырех самостоятельных частей, по числу генетических рядов эволюции атомов.
1. Закон эволюции атомов
в изобарных рядах
Испускание электрона (Р- - излучение) или поглощение позитрона (е+ - захват) приводят к смещению вправо по изобарному ряду на одно место, т.е. к увеличению номера изопротонно-го ряда (химического элемента) на единицу.
Испускание позитрона (Р+ - излучение) или поглощение электрона ( - захват) приводят к смещению влево по изобарному ряду на одно место, т.е. к уменьшению номера изопротонно-го ряда (химического элемента) на единицу.
Математической моделью эволюции в изобарном ряду является уравнение:
Ъ = Ъ ± 1; А = А ,
кон нач ’ кон нач. ’
где 2- номер химического элемента (число протонов в ядре).
2. Закон эволюции атомов
в изотонных рядах
Испускание (поглощение) протонов (± т р+), где т = 1, 2 ... и т.д., приводит к смещению влево (вправо) в изотонном ряду и изменению
номера изопротонного ряда (химического элемента) на величину равную т. В качестве математической модели может служить уравнение: Ъ = Ъ ± т; А = А ± т.
кон нач ’ кон нач
3. Закон эволюции атомов
в изопротонных рядах
Испускание (поглощение) нейтронов (шгК), где т’ = 1, 2 ... и т.д., приводит к смещению вниз (вверх) в изопротонном ряду. При этом изменяются номера всех генетических рядов, кроме изопротонного. Математическая модель представляется уравнениями:
Ъ = Ъ ; А = А ± шГ.
кон нач кон нач
4. Закон эволюции атомов
в главных генетических рядах
Испускание (захват) а- частицы (ядра атома 42+ Не 2.) или других полинуклонных частиц приводит к смещению в главном генетическом ряду вниз (вверх) с “изменением номера изоп-ротонного ряда (химического элемента) на величину, равную числу протонов в испускаемой (поглощаемой) частице. Математическая модель представляется уравнениями:
Ъ = Ъ ± m; А = А ± (ш± шГ)
кон нач кон нач
где m - число протонов в испускаемой (поглощаемой) частице, m’ - число нейтронов в испускаемой (поглощаемой) частице.
Предлагаемая Система атомов и Законы, лежащие в основе эволюции ее генетических рядов, не только объясняют и описывают известные ныне процессы взаимосвязи и взаимопревращения множества атомов, но и открывают новые возможности для прогнозов и обобщений в науке о строении материи. Наблюдается достаточно строгая зависимость времени жизни атомов от их места в генетических рядах.
Новые возможности научного прогнозирования открывает нам Система атомов, являясь новым уровнем обобщения знаний о строении вещества. Если в Системе химических элементов объектом прогнозирования был химический элемент (вид атомов), то в Системе атомов
- отдельный конкретный атом, представляющий подвид.
Зная о зарядовой симметрии и структурном сходстве атомов вещества и атомов антивещества, можно с определенностью говорить о зеркальной симметрии и систем их атомов (рисунок 2).
В русле обозначенного нами методологического подхода попытаемся проследить весь
путь систематизации и выйти на понимание истинной сути химическогого элемента.
Непрерывная (поступательная) тенденция в Системе химических элементов (заключается в закономерном росте суммы протонов и менее закономерном росте общего числа нуклонов в ядре. Попятная же тенденция (возвраты) объясняется повторением сходных структур в послойном заполнении электронной оболочки атомов. Физические характеристики (валентность и атомный вес) можно изображать как отрезки на осях, то при построении пространственной модели, в качестве третьего основания можно взять структуру электронной оболочки.
Заполнение электронных оболочек в пределах одного квантового подслоя можно интерпретировать как цикл, движение по кругу. После завершения формирования одного подслоя начинается формирование следующего, который в основных чертах повторяет предыдущий. Но это повторение не является полным.
За основу построения пространственной модели был взят метод полярных координат, где представляется функциональная зависимость между основаниями системы. В качестве оснований системы взяты:
А - нуклонное число (разное для каждого подвида) ( А = Ер+ + ЕК);
Ер+ - число протонов в ядре атома (общее для всех лодвидов вида атомов);
Ее- - число электронов в электронной оболочке атома с учетом ее структуры.
Путем анализа выдвинутых положений можно прийти к следующей схеме (рис. 3).
Развитие начинается с изопротонного ряда с минимумом электронов в электронной оболочке, т.е. с нейтронов (Ер+ = Ее- = 0). Его характеристикой на оси абсцисс является 0 (начало координат). На оси А при этом может быть несколько значений, в зависимости от общего количества нуклонов. Определение понятия химического элемента позволяет вполне законно считать нейтрон химическим элементом (видом атомов), предшествующим водороду, общей формулы А0Э0.Далее логика построения системы проста. Если заполнение электронами квантового подслоя рассматривать как цикл, а цикл графически круг, то фаза заполнения его идентифицируется с сектором.
Учитывая, что элементы начальных периодов содержат в квантовом слое восемь электронов (что и обуславливает существование
Рисунок 2. Фрагмент системы атомов вещества и антивещества, т.е. системы атомов материи
Рисунок 3. Разбивка пространства под спиральную модель Системы химических элементов
восьми валентностей у химических элементов), то круг в полярных координатах делится на восемь частей (секторов). Каждый сектор соответствует валентной группе. Группы нумеруются в порядке заполнения подслоя электронами от 1 до 8. Таким образом, третья основа систематизации идентифицируется с сектором круга, приобретая числовое и наглядно-графическое представление на модели.
Следуя естественной логике эволюции атомов и принятой идентификации их характеристик в полярной системе координат, продолжим построение модели системы атомов. Следующим идет изопротонный ряд № 1 (водород). Откладываем на оси абсцисс один электрон, поворачиваем радиус в VII валентную группу, возводим ординату (А), наносим на нее точки со значением А для подвидов водорода 11+Н1_;
2 Н • 3 Н • 4 Н -
1+ 1-’ 1+ 1-’ 1+1-'
Таким способом легко заполняются второй и третий периоды. Построение последующих периодов усложняется, потому что по мере роста номера изопротонного ряда (номера химического элемента) не только идет увеличение общего числа электронов в электронной оболочке атома, но и усложняется ее структура. В частности, растет число квантовых подслоев в электронном слое, что вносит новые структурные элементы в модель системы. Например, подразделение химических элементов по химическим свойствам на VIII валентных групп уже не отражает все особенности структуры электронной оболочки и вызванные этим особенности химических свойств. Чтобы показать их наглядно, валентные группы (сектора на модели), в свою очередь, поделены на подсектора, которые идентифицируются с 8-, р-, ё-, 1— семействами атомов.
Ценой деления оси абсцисс является отрезок, идентифицируемый с одним электроном. (Однако такая тонкая структура условного пространства уплотняет рисунок и может быть четко представлена только на модели больших масштабов). В результате последовательного размещения всех подвидов атомов получается восходящая по оси А и расширяющаяся по оси Ее многорядная спираль.
Пространственную систему атомов можно легко преобразовать в плоскую систему химических элементов. Для этого достаточно спроецировать ее на плоскость перпендикулярную оси А. В этом случае на плоскость проецируется и структура условного пространства: перио-
ды - в виде концентрических кругов, а валентности - плоских радиальных углов.
Спиральная пространственная система видов атомов (химических элементов) разрешает все без исключения перечисленные проблемы. Характерно, что она не отрицает структурные истинные части Периодической системы, а идет в их развитие. Повторяемость в ней представлена как повиточность. На спиральной модели системы хорошо видно, что периодичность не исчерпывает всех видов повторяемости. Виток на спирали отождествляется с квантовым подслоем, а квантовый слой иллюстрируется несколькими витками, число которых закономерно растет от этапа к этапу (этап - пара равноемких периодов). Появление нового витка в периодах связано с появлением в электронной оболочке атомов нового электронного подслоя.
На спиральной модели видны три вида повторяемости: от этапа к этапу, от периода к периоду и от семейства к семейству. В каждом этапе два равноемких периода находятся по отношению друг к другу в параллельно-последовательной генетической связи. По одним признакам они последовательны (рост числа протонов, нейтронов и электронов в атоме), что отражает поступательную тенденцию развития; по другим - параллельны (одинаковая емкость и структура внешних квантовых подслоев), что отражает попятную тенденцию, повторяемость свойств химических элементов.
На спиральной модели системы хорошо видна искусственность деления валентных групп на главную и побочную, принятая в табличном варианте. Валентные подгруппы спиральной системы отражают реальную генетическую субординацию в электронной структуре атомов. Они моделируют 8-, р-, ё-, Г- и т.д. семейства химических элементов.
Его цилиндрические пространства (на объемной модели) и концентрические кольца (на плоской модели), изображающие этапы, периоды и семейства, фиксируют границы между качественно отличными видами повторяемости. Сама же многорядная спираль является как бы траекторией, по которой движется развивающийся объект в условном пространстве, пересекая структурные границы. Естественность системы позволяет разрешить все имеющиеся ныне проблемы Периодической системы.
Спиральная модель системы очень естественно снимает и, так называемую, проблему верхней границы, теоретически ее просто не
существует. Система остается открытой вверх для бесконечного развития подобно натуральному ряду чисел, который, по существу, и является математической моделью поступательной тенденции.
Не меньше хлопот доставила систематизаторам и проблема нижней границы системы химических элементов. А между тем, при правильном методологическом подходе, она могла быть решена давно. Когда мы говорим о нижней границе системы, то имеем в виду начало ряда химических элементов, т.е. пытаемся установить химический элемент № 1. Таким химическим элементом, несомненно, является водород (изопротонный ряд № 1).
Проблема нижней границы, однако, существует, только при рассмотрении ее с точки зрения физической ипостаси. Тут мы обнаруживаем новый уровень существования закономерных системных связей, выходящих за пределы химических границ. В нумерации изопротон-ных рядов (видов атомов) мы не ограничены вниз единицей. Принцип симметрии в организации материи, позволяет нам выйти и в зеркально противоположный квадрант системы.
Чтобы первый период стал парным, левее него должен быть еще один период из двух элементов. И, вполне естественно, ими будут нейтрон (число электронов равно нулю) и антиводород (число электронов равно минус единице, что физически интерпретируется как один позитрон). При переходе через начало координат зарядовые знаки электрона и протона сменились на обратные (р-, е+), но структурные закономерности системы сохранились, став сквозными.
Так ряд емкостей этапов примет форму расходящихся рядов:
— 64 — 36 — 16 — 16 ® 36 | 4 | ® 64 и т. д.
4 3 2 [Г] 2 2 4
антивещество вещество
Эту широкую систему можно назвать Системой видов атомов материи. Она делится на две симметричные половины - вещество и антивещество, а в центре - сектор «единства противоположностей» в виде первого этапа развития материи.
Спиральная система логично решает проблему места нулевой группы, а заодно раскры-
вает ее генетическое тождество и различие с восьмой группой. Есть системы, в которых нулевая группа размещена слева, перед первой, а восьмая - крайняя справа. При этом в нулевую группу помещены благородные газы, а в восьмую - переходные металлы (триады). Ранее никто не высказал мысли о тождестве нулевой и восьмой групп.
Известно, что нумерация валентных групп в таблице идет слева направо, начиная с номера один и кончая номером восемь (на спиральной системе - счет по часовой стрелке (рис. 4). Смысл положительной валентности сводится к числу электронов в заполняющемся квантовом подслое.
Известно также понятие отрицательной валентности, которое сводится к числу недостающих для укомплектования электронного подслоя электронов. Счет отрицательной валентности в таблице ведется справа налево. Когда мы говорим, что Ка одновалентен, то понимаем это в буквальном смысле, т.к. он находится в первой валентной группе.
А когда мы говорим, что Б одновалентен, то формально грешим против истины. Ведь он находится в VII группе. Получается, что мы ведем двойную нумерацию валентных групп.
В этом случае каждая группа будет иметь два номера, сумма которых равна 8. Для первой - 1/7, второй - 2/6, третьей - 3/5, четвертой
- 4/4, пятой - 5/3, шестой -6/2, седьмой - 7/1. Теперь, распространяя данную закономерность на 8-ю группу, получим 8/0 (8 + 0 = 8). Восьмая группа одновременно и нулевая. Это убедительно показано на рисунке 4.
Однако здесь следует сделать оговорку, что VIII группа не совсем (не всегда) тождественна нулевой. Что и сбило ученых с толку. В одних случаях она выступает в качестве замыкающей в периоде (р 6 - электронов) и лежит на стыке периодов (квантовых слоев) (станция «8-я конечная») - здесь она нулевая. В других случаях она лежит на границе квантовых подслоев (станция «8-я транзитная»). В этом случае она не идентифицируется с нулевой группой, остается открытой для продолжения ряда валентностей.
С появлением в 4-м периоде нового семейства из десяти ^элементов, возникло затруднение с их размещением в восьмивалентном «прокрустовом ложе» табличной системы химических элементов. По логике развития натурального ряда положительных валентностей, ко-
Рисунок 4. Схема счета валентных групп (по часовой стрелке - положительная, против часовой стрелки -отрицательная)
бальт должен быть 9-ти валентным, а никель -10-ти. Но таких валентных групп (секторов) в системах не предусмотрено. Вероятно, химические свойства Со и N1 не тянут на «цельновалентное» отличие от Бе. Они близки по свойствам, но не тождественны!
Их небольшое отличие не выходит за рамки одной валентной группы и является следующим уровнем структурирования системы. Для его отражения я ввожу еще один структурный элемент - валентную подгруппу. На спиральной модели это деление валентного подсектора на подподсекторы.
Этот путь помогает разрешить проблему структуры шестого и седьмого и периодов. Третьи витки 6-го и 7-го периодов формируют по принципу «с хвоста». Их концы жестко фикси-
рованы радоном в 6-м и № 118 - в - 7-м периоде в 8-й (конечной) валентной группе. Предшествующим химическим элементом ничего не остается делать, как разобраться «в порядке номеров» по валентным секторам третьих витков 6-го и 7-го периодов. Стало ясно, что отнесение всех латаноидов и актиноидов к 3-й валентной группе было ошибочным. Учитывая изложенный закономерности строения спиральной системы, можно прогнозировать структуры 8-го и 9-го периодов.
Моделирование объекта природы преследует цель показать его, по возможности, в натуральном виде, без разрушения его целостности, с соблюдением пропорций структурных частей. Спиральная модель системы химических элементов (а также в ее интерпретации как системы атомов) полностью удовлетворяет требованиям, сформулированным упомянутыми учеными, а значит, более естественна. Она, как любой организм, растет из «эмбриона», по заданному генетическому коду, не утрачивая тождества самой себе, лишь увеличиваясь в размерах.
Спиральность в развитии ряда химических элементов лишний раз подтверждает существование в природе универсального Закона спирального развития, что убедительно подтверждается многими примерами живой и неживой природы. Взять хотя бы разнообразие улиток. Улитка, в отличие от Спиральной системы химических элементов, сама реально созерцательна. Она, как бы, сама для себя модель.
Система же химических элементов не представляет собой цельного объекта, химические элементы рассеяны пространственно. Модель призвана свести их воедино, наглядно показать признаки моделируемого объекта, которые существуют только функционально. Спиральная система химических элементов и Спиральная система атомов являются последним аккордом в длительном историческом процессе их системного познания.
