CC BY
28Новые представления
об объемной периодической матрицы
химических элементов
Гусев Борис Владимирович,
президент Международной и Российской инженерных академий, доктор технических наук, профессор, член Российской академии наук
Сперанский Анатолий Алексеевич,
вице-президент Российской инженерной академии по науке и технологическому развитию, директор Института наукоемких инженерных технологий РИА
В работе рассмотрены предложения по созданию объемной периодической матрицы (ОПМ) химических элементов. Авторы рассматривают работу как продолжение Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Предлагаемое представление матрицы в виде объемно-каркасной спирали рассматривается по аналогии с происхождением и развитием Вселенной, так как атомы - это звездная материя. В качестве аналитических параметров приняты атомные номера элементов, их групповые и электронные свойства, периодическое наращивание валентности. Уровневые формулы электронных оболочек сигнальных и валентных элементов определяют особые точки зарождения новых периодов. Сформулировано положение о наличие четырех уровней кластерной периодичности в предлагаемой Объемно-каркасной матрице, которая открывает возможности компьютерного моделирования при создании химических соединений.
Ключевые слова: объемная периодическая матрица химических элементов, информативность трехмерных моделей, каркасная система матрицы, порядковый номер элементов, валентность, электронные формулы и свойства матрицы, валентные элементы, кластерная периодичность систем.
1.Проблемы периодичности в строении химических элементов
Периодический закон сформулирован Д.И.Менделеевым в 1869 г.и лежит в основе всего многообразия проявлений химического движений веществ, по мере развития науки он совершенствуется и видоизменяется,открываются новые элементы, уточняется их изотопный состав.
В начале ХХ века наука о строении вещества сделала громадный скачок в связи с разработкой ядерной теории строения атомов, экспериментальным определением величин зарядов, атомных ядер и электрона (Мозли, Томпсон, Резерфорд, Бор и др., 1911 - 1914). Оказалось, что заряд атомного ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Если атом элемента находится в электронейтральном состоянии, атомное ядро с положительным зарядом 1 окружено таким же количеством электронов, каждый из которых несет единицу отрицательного заряда. Поскольку стало ясно, что именно заряд ядра определяет индивидуальность химических элементов, а атомный вес (атомная масса) элемента является величиной, зависящей от заряда ядра, изменилась и формулировка периодического закона. В современной формулировке Периодический закон звучит так: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера (от величины заряда ядра их атомов).Удобным выражением этого многогранного закона является его наглядное графическое изображение в виде таблиц, диаграмм, графиков.
Естественно, что первая таблица не была несовершенной, в последующие годы Д.И.Менделеев многократно дополнял ее и вносил в ее структуру изменения. Первоначальный вариант Периодической таблицы являлсязапутанным, путаница выражалась в разделении подгрупп на главные и побочные,а логика отображения свойств элементов была несовершенной.
Большинство периодов содержат все четыре известных типа элементов: металлы, элементы с промежуточными свойствами, неметаллы и инертный газ. Но, 1-й период, в отличие от всех остальных, состоит из элементов только двух типов - неметаллического, газообразного в естественных условиях водорода и инертного газа гелия.Сово-купность всех современных знаний о химии водорода объективно свидетельствует, что он является единственным элементом, который не может быть однозначно отнесен к какой-либо определенной группе системы и должен быть представлен, как самостоятельный элемент над периодом (см. далее предложения авторов).
Элементы первого периода - водород и гелий фактический не имеют естественных мест в системе. Водород в химических реакциях проявляет две противоположные степени окисления: 1±. Если принимать во внимание положительную максимальную степень окисления водорода, равную 1+, а также и тот объективный факт, что он является элементом №1, то его естественное место в системе должен быть только в клетке №1 и группе №1. Однако водород нельзя располагать в I группе, так как, в таком случае он окажется вместе с самыми активными и типичными металлами - щелочными металлами. Размещение в I группе газообразного, неметаллическоговодорода со своей отрицательной степенью окисления 1-, явно нарушает химическую логику, согласно которой, в одной группе должны быть объединены только химически сходные элементы. Водород проявляет степень окисления 1+только в реакциях с наиболее активными неметаллами, с такими, как фтор, кислород, азот, т.е. с такими сверхактивными неметаллами-окислителями, с которыми не только водород, но и все остальные неметаллы также проявляют положительные степени окисления и становятся, тем самым, «похожими» на металлические элементы. Важно, что водород со всеми металлами и большинством неметаллов проявляет только отрицательную степень окисления 1- и такое состояние для него является основным, характерным. А щелочные металлы, ни при каких условиях, не проявляют отрицательную степень окисления.
Порядок формирования длинных периодов заключается в следующем.
Второй и третий ряды образуют периоды по восемь элементов. Причем каждый из периодов начинается щелочным металлом (литий I, натрий №) и заканчивается инертным газом (неон №, аргон Аг).
О £
ю
9
2 а
8
00
сэ
сч
£
Б
а
2 ©
Рис. 1. Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева (короткопериодная) Это свидетельствует о том, что химическая функция атома водорода принципиально, диаметрально отличается от химической функции атомов щелочных металлов[7]. Структурные недостатки 1-го периода явно указывают на то, что периодическая система еще остается незавершенной.
Четвертый ряд также начинается щелочным металлом (калием К), но, в отличие от предыдущих рядов, он не заканчивается инертным газом. В пятом ряду продолжается последовательное изменение свойств элементов, начавшееся в четвертом ряду так, что эти два ряда образуют один (в длиннопериодном варианте), так называемый, большой период из 18 элементов. Как и предыдущие два периода, этот период начинается щелочным металлом (калием К) и заканчивается инертным газом (криптоном Кг).
Один большой период (из 18 элементов) составляют и последующие два-ряда - шестой и седьмой (от рубидия R до ксенона Хе).
В восьмом ряду, который начинается щелочным металлом цезием Сб, дополнительное осложнение связано с -тем, что после лантана а идут 14 элементов, чрезвычайно сходные с ним по свойствам.Эти элементы называются -лантаноидами. В Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева (рис.1) они размещены в виде отдельного ряда (второй ряд отдельно оттаблицы), хотя подразумевается, что все они находятся в той же клетке таблицы Д.И. Менделеева, что и лан-
тан а. Таким образом, восьмой и девятый ряды образуютбольшой период, содержащий 32 элемента (от цезия Сб до радона Rn) (рис.2).
Наконец, незавершенный седьмой -период. Он содержит 21 элемент, 14 из них очень сходны по своим свойствам с актинием Ас. Они выделены в отдельный ряд актиноидов, хотя на самом деле они должны размещаться в той же ячейке таблицы Д.И. Менделеева, что и актиний Ас.
В дословном переводе «лантаниды» и «актиниды» (термины, преимущественно использующиеся в зарубежной литературе) означают «идущие за лантаном» и «идущие за актинием». В 1948 г. русский химик С.А. Щукарев предложил названия «лантаноиды» и «актиноиды» (т.е. «подобные лантану» и «подобные акти-нию»)[8]. В первом случае, при учете большого химического сходства, термин достаточно четко отражает положение вещей. Во втором дело обстоит сложнее, так как 51-элементы, в силу обилия проявляемых ими степеней окисления, отнюдь нельзя рассматривать как «подобные актинию». Ряд авторов настаивают необоснованно на полной аналогии актинидов и лантанидов.
Действительно, даже самое общее знакомство с химическими свойствами элементов начала ряда актинидов -ТорийТ И, Уран и, Нептуний Мр, Плутоний Ри- указывает на принципиальные отличия в свойствах актинидов и лантанидов.
Отсутствие химических элементов, завершающих 7 период (рис.2), связано с тем, что далеко не все химические элементы открыты или не сформированы в условиях Земли, что и подтверждается на практике.
В вертикальных столбцах таблицы -группах, располагаются элементы, обладающие одинаковой валентностью в высших солеобразующих оксидах (на рис.1 высшие окислы приведены в четвертой снизу таблицы строке). Валентность указана римской цифрой (как номер группы элементов).Короткопериод-ный вариант Периодической системы содержит 8 групп элементов, каждая группа химических элементов разделена на две подгруппы, одна из которых (главная) включает элементы малых периодов и четных рядов больших периодов. А другая подгруппа (побочная) образована элементами нечетныхрядов больших периодов. Различие между главными и по-
-f-
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д, И. МЕНДЕЛЕЕВА
Свойства атомов химических элементов, а также состав и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер
1.00794
тН
127,60 •*— Относительная атомная масса 52 ТО 4— Атомный номер и химический символ
ТЕЛЛУР #
- Название элемента
- Радиоактивный элемент
р-элемен! d-элемент
6,941 9,01218
3Ü 4Ве
ЛИТИЙ БЕРИЛЛИЙ
22,9898 24,3060
«Na «Mg
НАТРИЙ МАГНИЙ
39,0983 40,078 44,9559 47,867 50,9415 51,9961 54,9380 55.845 58,9332 58,6934 63,546 65,38 69,723 72,64
fiK 20Ca 21 Sc 22Ti 23V 24 Cr 25Mn 2«Fe 27Co 28 Ni 29Cu 30Zn Ga 32Ge
Же
ГЕЛИИ
10,811 12,0107 14.0067 15.JM4 18,9904 20,1707
В (С N сО oF n.Ne
БОР УГЛЕРОД АЗОТ КИСЛОРОД ФТОР НЕОН
26,9955 30,9736 32.065 ЗМ53
MSÍ TíP 1«S I?CI IB Ar
ФОНИ WCWP CEPA кпор АРГОН
74,9216 70,9« 79.904 03.790
j As ^Se jsBr Kr
26.»61S
«Al
КАЛИЙ КАПЬЦ^ СКАНДИИ ТИТАН &АНАДИЙ KFOM МАР /О: ', ЖЕЛЕЗО КОБАЛЬТ НЙКЕЛЬ МЕДЬ Ц1
86,4678 67.92 90,0059 91.224 93.9004 95,96 [99] 101,07 103.90S 109,43 107,990 112,411 114,910 110.719 131,700
37 Rb 3eSr 39 Y 40 Zr 4>Nb 42MO 43 Тс 44RU «Rh «Pd 47Ag 4»Cd ln «>Sn**Sb
РдаШРЙ CT'^M»! ИТТРИЙ nmtoHt НИОБИЙ И0ПИВДЕН ТЕХНЕЦИЙ РУТЕНИЙ РОДИН ОАЛПАДИЙ СЕР6БРО КАДОИЙ ИгЩИЙ СЛОВО СУРЬМА
132,И» 137,337 1 30,906 176,49 190,946 133,04 166.307 15023 192,217 135,0W 196,967 300,59 304,363 207,3 306.900 [209]
55Cs »Ва s/La z^Hf 73Ta 74W zsRe 760s zzlr 7«Pt 79A11 «»Hg «TI згРЬ 83Bi «Po
UE34if1 6А№Й ЛАЖАН ГАФНИЙ ТАНТАЛ ВОПЬФРАМ №МИЙ OCVHÍ ИРИДИЙ ППАГИЧА ЗОЛОТО РТУТЬ ТАЯПИЙ СВИНЕЦ ВИСМУТ ПОЛОНИЙ
(2231 _ РМ] J227) (267) [2701 (271] (274) (277) (370] [281] [391] (295! [206] [269] [280I I2SM [294]
- Ff as Ra га Ас 104 Rf im Db кх> Sg jo? Bh ios Hs iraMt 110 Ds 111 Rg 112 Cn ni Uut 114 Fl m Uup 7)6 Lv ii' Uue
ФРАНЦИИ РАД/Й АКТИНИЙ K3&S&Üw ДУБНИЙ СИБОРГ^И БОРИЙ ХАССИЙ MH'fTWI ^Vr'A. '.: .V РЕНТТЕНИИ КСЛМДО 4ДЕРО№И Т№ЕП№И
ГАЛЛИЙ [*EPMA№Íl| МЫШЬЯК СЕЛЕН БРЙМ КРИПТОН
137,60 120,9(14 131.393
52 Те 5з I 5J Хе
Ш6Т/Р «ОД КСЕЛОН [310] ¡323]
es At sí-Rn
АОТАТ РАДОН [204] 118 Uuo
140,11В 140,906 144,242 [145] 150,36 151,964 157,25 156,925 162,500 154,930 167,259 1 6Н.934 173.054 174,97
Ce Pr Nd vPm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
ЦЕРИЙ ПРАЗЕДОМ НЕОДИМ .1ЭОМЕТИР САМАРИЙ ЕВРОЛИЙ ГАДОЛИНИЙ ТЕРБИЙ X.WCV ГОГ1Л1ИЙ ЭРЬИР ТУЛИЙ ИГТЕРБИЙ ПЙТСЦИЙ
232,038 231,036 236.029 I237] [244] [243] [347] [247] [251] [2S2] [2Í7] ¡250] [3591 290,11
vTh vPa * U vNp vPu vAm vCm vBk vCf "'"Es "ftn vMd &Lr
ТОРИЙ УРАН НЕПТУМСЙ ПЛУТОНИЙ АМЕРИЦИЙ КЮРИЙ ЬЬРКЛИЙ KAWtC^tti ЭЛШТЙН? ФЕПЛИЙ HEÍttfflÉBVtí НОБЕЛИЙ .КТг^ТЮН
Рис.2.Длиннопериодная таблица Периодической системы химических элементов Так, для лантанидов наиболее характерна степень окисления (III), тогда как упомянутые актиниды устойчивы в более высоких степенях окисления (IV, VI) [9].
бочными подгруппами ярко проявляются в крайних группах таблицы (прежде всего в группах I и УИ).Так, главная подгруппа !-ой группы включает очень активные щелочные металлы, которые энергично разлагают воду ( I, N8, К, R , Сб, Fr).Побочная подгруппа !-ой группы состоит из меди Си, серебра Ад, золота Аи, малоактивных в химических отношения-х.Иначе говоря, подгруппы, в которых расположены б- ир-элементы, называют главными, а подгруппы с ^элементами -побочнымиподгруппами. Электронное строение и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп могут не иметь ничего общего. Совпадения носят скорее случайный характер. У элементов побочных подгрупп валентными являются электроны не только внешних, но и предпоследних (вторых снаружи) уровней, в чем и состоит основное различие в свойствах элементов главных и побочных подгрупп.Элементы побочных подгрупп ^-элементы) называют переходными элементами или переходными металлами (все ^элементы - металлы).
Термин «переходные металлы» возник вследствие того, что все ^элементы в периодах служат как бы «переходным мостиком» от металлических Б-элемен-тов к р-элементам, среди которых уже
много неметаллов. Иногда термин «переходные металлы» применяют и к Элементам.
В группе VII главную подгруппу составляют активные неметаллы фтор F, хлор С , бром г, йод I, астат У элементов побочной подгруппы VII группы -марганец Мп, технеций Тс, рений Re и, возможно, борий И - преобладаютме-таллическиесвойства.
VIII гуппаэлементов занимает особое положение и структура её максималь-нопротиворечива. Она состоит изоснов-ной подгруппы благородных (инертных) газов гелий Не, неон Ne, аргон Аг, криптон Кг, ксенон Хе, радон Rn; и побочной подгруппы, включающей 9 элементов (по горизонтали), разделенных на три триады очень сходных друг с другом элементов: Fe-Co -^(«семейство железа»); Ru - Rh - р^об-!г - И («семейство платиновых металлов»), куда, естественно, должны входить в виде трех вертикальных рядов и не так давно полученные элементы 108-110, которые никогда не относились к платиновым. В эту же группу входит, противореча здравому смыслу, и подгруппа №, куда отнесены благородные газы (Не, Ne и дру-гие).С уверенностью можно утверждать, что исторически эти «триады-семейства»
были «втиснуты» в последнюю (VIII) группу вынужденно, вопреки логике, так как эта группа, согласно электронной структуре атомов, предназначена природой только для указанных газовых элементов. Причина проста: четырем триадам из 3(4) декад в каждом периоде при компоновке таблицы из восьми групп не хватило места в ее предшествующихсемиг-руппах [10].
Существующая в настоящее время длиннопериодная форма Периодической таблицы устранила некоторые трудности (рис.2). Эта форма Периодической таблицы смогла появиться только после того, как выяснилось электронное строение атомов и стало понятно отличие d-элементов от б- и р-элементов. Идея такой таблицы ясна из рис.3. Здесь нет подгрупп, а есть только 18 групп (и по правилам ЮРАС они нумеруются не римскими, а арабскими цифрами). Десять d-элементов выделены в 10 самостоятельных групп. Вместе с двумя группами для Б-элементов и шестью группами р-эле-ментов общее количество групп составляет 18. В длинной форме ряды, оказываются, не нужны - там каждый период состоит только из одной строчки.
В длинной форме таблицы все подуровни идут строго один за другим сверху
О
3
ю
ff
2 е
8
00
сэ
сч
£
Б
а
2 ©
Рис. 3. Схема расположения в-, р-, б- и -элементов в длинной форме Периодической таблицы
вниз: под 1видут 2в, 3в и т.д.; под 2р идут 3р,4р и т.д.; под 3б идут 4б, 5б и так далее.После этого становится ясной последовательность заполнения всех электронных уровней любого элемента, даже еще не открытого. Необходимо только помнить, что после бв-подуровня заполняется 41-подуровень, а после 7б-по-дуровня заполняется 51-подуровень; I элементы обычно выносят в отдельные строчки внизу таблицы, чтобы не делать ее «сверхдлинной».
Число вариантов графического изображения периодической системы, которые были опубликованы, начиная с 1869 г., едва ли поддается сколь-либо точной оценке. В Институте истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН была проведена работа по сбору и систематизации таких вариантов. В результате был составлен обширный атлас, содержащий более 500 модификаций системы. Среди них преобладают таблицы (>400); остальные изображения - в виде различных геометрических фигур, аналитических кривых и т.п. Конечно, эти сведения далеки от того, чтобы быть исчерпывающими.
Усовершенствованная длинная форма химических элементов была предложена в 1905 А. Вернером. Лестничная форма предложена английским учёным Т. Бейли (1882), датским учёным Ю. Том-сеном (1895) и усовершенствована Н. Бором (1921). Альтернативные периодические таблицы являются табличным представлением химических элементов, которое значительно отличаются от расположения элементов в Периодической таблице Д.И.Менделеева. В настоящее
время различными авторами предложено множество вариантов, которые в основном нацелены на дидактическое преподнесение материала, так как не все корреляции между химическими элементами видны из стандартной Периодической системы [10, 11].
Однако все эти предложения не позволяют получить ответа на вопрос о том, где же все-таки границы периодической системы и в чем заключаются причины ритмически повторяющегося «спонтанного нарушения симметрии» в расположении элементов в таблице, когда из нее в обособленные группы выделяются большое число элементов (например, актиноиды, лантаноиды) [12,13].
В 1951 г. на первой, так называемой, установочной лекции для студентовфи-зико-технического факультета МГУ директор Института химической физики АН СССР лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семенов отметил необходимость устранения, по крайней мере, пяти недостатков в таблице Д. И. Менделеева, которая была основой для обучения,на-учных исследований и инженерных решений на тот момент уже более 80 лет. По его словам, «... после устранения недостатков обнаружатся новые свойства и взаимосвязи элементов, что позволит проводить большинство научных исследований на новом, более высоком уровне и решать стоящие инженерные задачи не только вам - инженерам-физикам, а всем ученым, инженерам и практикам» [14].
Н.Н. Семенов сформулировал главные недостатки таблицы Д. И. Менделеева:
1. Ряды (так называемые полупериоды в ныне обозначенных периодах) имеют разную длину, при этом возникает 37 незаполненных мест - свободных клеток.
2. В первом ряду элементов всего два; к тому же водород не занимает постоянного места, а эти два элемента одного ряда составляют целый период (полупериодов здесь и быть не может).
3. Лантаноиды и актиноиды оказались за пределами таблицы.
4. Группа инертных газов была добавлена позже открывшими их учеными от имени Рамзая.
5. Введенная позже длиннопериод-ная таблица положение в целом не спасает и остается слишком асимметричной.
К тому же Д. И. Менделеев в последних прижизненных изданиях «Основ химии» исключил введенные им термины «короткие» и «длинные» периоды, хотя таблицы называл периодическими. Кроме того, нынешних периодов семь, а рядов десять (рис.1), т. е. период, полупериод и ряд - это разные, несовпадающие и несовместимые понятия, а с учетом лантаноидов и актиноидов эти термины еще более усложняются.
Таким образом, Периодическая система элементов, предложенная Д.И.Менделеевым, несмотря на ее гениальность, требует нового переосмысления.
2. Объемная периодическая матрица химических элементов
На основе и в развитие плоской Периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева авторы представляют более информативную объемную матрицу в пространственной системе координат[15,1б].В качестве идеи сформулированы достаточно очевидные предложения: мир многомерен и, как правило, рассматривается в трех измерениях, а таблица - двухмерная.
Наложение на каркас 3D-матрицы естественной периодической последовательности обозначений химических элементов обеспечивает более полное отображение их свойств с учетом структуры электронных оболочек.
Сформулирована более убедительная идея рассмотрения системы элементов с позиции их происхождения и описания, как материалов Вселенной или атомы - это звездная материя. С точки зрения происхождения и развития Вселенной, на первом этапе существовали только водород и гелий. Затем возникли легкие элементы и только звезды с их высокими температурами и давлениями могли синтезировать тяжелые ядра
[17,18]. Это и привело к мысли, что в центре таблицы должны быть водород (Н) и гелий (Не).
В основе объемно-каркасной матрицы использованы:
- Порядковый номер химического элемента, который является главным характеристическим параметром, совпадающим с величиной заряда ядра и энергетически уравновешивающим суммарным количеством электронов в орбиталях оболочки.
- Атомные номера п с размерностью непрерывного ряда натуральных чисел от 1 до 118 (и более), равномерно распределенные по спирали сверху вниз.
- Представлена периодически нарастающая валентная способность элементов к образованию молекул (незаполненные электронами внешние подуровни орбиталей) в виде векторов в полярно-конических координатах с дискретным секторным ракурсом R=g■р/4, где д -номера групп (с I по VIII), отражающих устойчивые свойства групп, или периодически проявляющие кластерные («триады-семейства») аномалии;
- Показано прогрессивно-квадратичное увеличение количества элементов в периодах с первого по одиннадцатый (и далее), что образует 3D-спиральную (полярно-коническую) пространственную систему каркаса матрицы химических элементов на четырех уровнях объемной периодичности (рис.4).
Каркас пространственной системы координат разработан на основе периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева с попыткой устранения в ней недостатков, сформулированных академиком Н.Н.Семеновым, для повышения информативности и упрощения понимания многопараметрических свойств химических элементов [19,20]. Предлагаемое представление объемной матрицы химических элементов в виде спирали является универсальным идентификационно-аналитическим инструментом, который позволяет изучать большое многообразие физико-химических свойств уже известных и еще не открытых элементов и построение динамических энергетических моделей электронных оболочек, как самих элементов, так и их соединений.
Универсальность объемной матрицы состоит в том, что помимо обязательного порядкового номера и строгой координатной привязки химических элементов к группам, имеются широкие возможности структурного анализа физико-химических свойств элементов и законо-
АН Д/1ИТН ЧЕСНИ Е ПАРАМ ЕТРЫ
1 Атомный номер, и
2 Групповые сванстеа }юир 1ус-вектор элемента
IV [Ч
»им«)
1Я0М
3 Электронный энергетический потенциал (ЗИ-модель) £.,
4 Электронная уроеиевап Формула элемента
€СУС'кПЕО
мепголлоа-!
радиус-вектор эле
М (I мы I
■ III »1 I
|П1№1 |
■ |
I У Р08Е НЬ кластерной период** ностн ДЦ^Д нимемты 1-5) » д
' яоинь
1 кластерной
периодичности
ишат металлов-!
«лиугтво
гисл.иоъемная периодическая матрица химических элементов
мерностей их взаимодействия. Описание элементов при расположении в трехмерной системе координат целесообразно характеризовать обоснованно выбранным набором аналитических параметров
в представленной ниже структуре информации (рис.4).
3. Электронные свойства объемной матрицы
О £
ю
9
2 е
8
Таблица 1.
Периодичность образования новых периодов химических элементовв ОПМ
[ 1ачальные элементы периодов Электронные формулыалементов вначале заполненияалектронных оболочек атомов и валентных 11ервые элементы при образовании новых периодов
К' (ls1) № 1 II водород
№3Li литий -№4 lie бериллий K'L1 (2s') - K L2 (2s2)
№5 В бор
№11 Na натрий №12Mg магний K4J-*M!Obl) - IfL^MX3S¿)
K2LhM2' '(3 s~ 3 p1) №13 А1алюминий
№19К калий -№20 Са кальций K-^N'-KWN*
kJLhMMN¿ №21 8е скандий
№29С п медь — №30 Zn цинк
K'LWI'W №31 Оа галлий
№37 Rb рубидий №38 Si стронций
№39 У иттрий
№47 Ag серебро -№48 Cd кадмий
iftwy №49 1п индий
№55 Cs цезий -№56 15а барий VWO'.AW R 6q2
№57 Ьа лантан
№69 Тш гулий №70 Yb иттербий tfLWW'pt-W-KWW-^o2
в «семействе» Лантаноидов «WW^'o3 №71 Ьи лютеций
№79 Аи золото -№80 Hr ртуть
№81 Т1 таллий
№87 Бгфранций -№88 Ra радий iftVWW- K*L8M'8N32P"¡O26Q'
№89 Ас актиний
№101 МЛМенделеевий -№102 No Нобелий áVVWt-
в «семействе» Актиноидов №103 Ьг лоуренеий
СО
сэ
сч
£
Б
а
2 ©
Распределение электронов по энергетическим уровням (состояниям) оболочек К, , М, М Р, О, Q, Х, состоящих из слоев-подуровней б, р, б, I на каждом уровне, удовлетворяет принципу минимума потенциальной энергии и вычисляется по формуле R=2n2, где п- энергетический уровень (1, 2, 3 и т.д.). Каждому энергетическому уровню соответствует определенный набор подуровней (ор-биталей): первый (п =1) содержит всего 2 электрона, второй (п = 2) содержит 8электронов, третий (п=3) содержит 18 электронов, четвертый уровень(п=4) содержит 32 электрона и т.д. Последовательность заполнения электронами слоев-подуровней электронных оболочек атомов в формулах определяется правилом Маделунга [2,21]. Периодичность системы химических элементов проявля-
ется цикличностью при образовании двух последовательных атомных орбиталей -начальная орбитальБи валентная - с непрерывно увеличивающимся в квадратичной прогрессии количеством валентных электронов.
Начальнымиявляются две группы элементов. К I группе химических элементов с одним электроном на подуровне б1 относятся: №3 I, №11№, №19К, №29Си, №37Р , №79Аи, №87Fr, №111Рд и т.д. Заполнение подуровня б1 первым электроном показывает завершение заполнения валентнойоболочки предшествующего периода. Ко II группе химических элементов с двумя электронами на подуровне б2 относятся: №4 е, №12 Мд, №20 Са, №30 Ип, №38 Бг, №48Сб, №56 а, №80 Нд, №88 Ра, №112 Сп и т.д. Заполнение подуровня б2 дву-
мя электронами показывает его насыщение и предстоящее образование подуровня р-валентной оболочки, начиная с первого электрона подуровня р1 и последующего за ним набора подуровней валентного периода.
Все начальные атомные орбитали, принадлежащие элементам I и II групп химических элементовобъемной матрицы (ОПМ),своим присутствием подтверждают полное заполнение электронных оболочек атомов элементов предшествующего периода и готовность к началу образования элементов нового периода. Таким образом, объединение элементов в новые периоды начинается с системно связанной пары химических элементов I и II групп, показывающих завершение заполнения валентных электронных оболочек атомов элементов предшествующего периода и готовности к образованию валентной электронной оболочки нового периода. При этом, в химических элементах I группы происходит акт образования новой двухэлектроннойна-чальнойорбитали подуровня пб соответствующего энергетического уровня (из К, М, М Р, О, Q, Х) путем заполнения образовавшейся энергетической оболочки первым электроном (пБ1,электронное формульное обозначение К1, 1, М1 и т.д.), а в последующем химическом элементе II группы происходит акт заполнения этой же атомной орбитали вторым насыщающим электроном(пБ2,электронное формульное обозначение К2, 2, М2 и т.д.), образующим устойчивую пару электронов внешней атомной орбитали (еЕе). Эта начальная пара завершает заполнение подуровня 1б, после чего происходит заполнение следующих слоев соответствующего энергетического уровня периодической последовательности химических элементов ОПМ.
С другой стороны, заполнение устойчивой парой электронов внешней атомной орбитали (еЕе) всегда предшествует началу процесса образования нового слоя валентной оболочки атома. Начальные элементы всех периодов матрицыобра-зовывают новые периоды, на новой валентной орбитали (пр1), путем заполнения первым электроном соответствующего энергетического уровня и отражают периодические закономерности образования элементов материального мира (табл.1). Для наглядности и удобства анализа использованы электронные формулы химических элементов.
Механизм кластерной периодичнос-тизаполнения атомных орбиталей присутствует на всех уровнях ОПМ.
С точки зрения понимания закономерностей периодичности образования химических элементов, просматривается особая роль начальных атомных орбита-лейдвух последовательных элементов. Первый элемент пары констатирует факт завершения образования устойчивого состояния структуры электронных слоев предшествующего, полностью завершенного периода, состоящего из элементов предельного заполнения электронами оболочек энергетических уровней. Все первые элементы - нечетные. Опыт подтверждает, что электронные слои оболочек элементов полностью завершенного периода обладают высокой степенью устойчивости к внешним энергетическим влияниям и обладают выраженным тяготением к стационарному взаимодействию с энергетическим полем ядра атома. Из этой закономерности вытекает индифферентность электронных слоев предельно заполненных оболочек атомов к проявлению валентности (химическому взаимодействию).
Второй элемент является предвестником начала образования новых электронных слоев элементов последующего (образующегося, формирующегося) периода, состоящего из электронов новых оболочек энергетических уровней. Все вторые элементы - четные. Электронные слои оболочек элементов формирующегося периода не обладают высокой степенью устойчивости к внешним энергетическим молекулярным влияниям и обладают меньшим стремлением к взаимодействию с энергетическим полем ядра атома. Из этой закономерности вытекает способность внешних электронных слоев незаполненных оболочек атомов к проявлению поливалентности при объединении в молекулы.
Первые элементы начала образования нового периода являются элементы сатомнойорбитальюр1, с одним электроном валентной орбитали в каждом энергетическом уровне, к ним относятся (№1H), №5 , №13A , №21Sc, №3^а, №39Y, №49In, №57 а, №71 u, №81T , №89Ac, №103 r, №113 Nh и т.д. Все подобные элементы нечетные и относятся к III группе химических элементов. Второй элемент - с двумя валентными электронами атомной орбиталир2 в каждом энергетическом уровне, к ним относятся №6C, №14Si, №22Ti, №32Ge, №0 Zr, No50 Sn, (№58 Ce), №72 Hf, №82 P , (N090 Th), №104 Rf, №114F и т.д. Все элементы - четные и относятся к IV группе химических элементов. Аналогично структурируются последующие элементы с двумя ва-
лентными электронами орбиталир2+и иным количеством электронов валент-нойорбитали в каждом энергетическом уровне, относящиеся соответственно к V, VI, VII и VIII группам химических элементов.
Таким образом, системный анализ уровневых формул электронных оболочек атомов начальных элементов позволяет выделить их в качестве «индикаторов» периодичности зарождения новых периодов ОПМ. Механизм периодообра-зования элементов можно рассматривать в качестве проявления универсальной обратной связи, управляющей процессом самоорганизации элементов материального мира: их изотопов, соединений, природных и синтезированных материалов и тканей.
4.Проявление периодичности в отношении изменения свойств химических элементов
Периодичность проявляется в виде циклической повторяемости строения электронных оболочек атомов химических элементов и некоторых их физических свойств по мере увеличения заряда и изменения структуры ядра, количества электронов и структуры электронной оболочки(валентных электронов), присвоенного порядкового номера. В это и заключается физический смысл химической периодичности.
Периодичность является главной закономерностью образования, существования и взаимодействияфизико-химичес-ких элементов и их атомно-молекуляр-ных соединений.Химическая периодичность проявляется в устойчивой аналогии проявления химическихсвойств и однотипности поведения в химических реакциях при разномколичестве валентных электронов, характерных степенях окисления и формулах соединений. По мере увеличения порядкового номера циклически повторяются не только сходные черты, но и существенные различия химических свойств элементов.Атомно-мо-лекулярные физико-химические свойства простых и сложных веществ, например, валентность, атомный радиус, потенциал ионизации и т.п., могут быть не только качественно, но и количественно представлены в виде математических зависимостей от порядкового номера с периодическим проявлением выраженных максимумов и минимумов.
В рамках Периодической таблицы химических элементов принято различать горизонтальную периодичность, состоящую в последовательном квантованном
увеличении от минимального до максимального значения заряда ядра и соответствующей ему электронной оболочки с активными внешними (валентными) подуровнями.В таких физических свойствах, как энергия ионизации и сродство к электрону, также проявляется горизонтальная периодичность, связанная с периодическим изменением числа электронов на последних энергетических подуровнях.
Вертикальная периодичность, на которой основана химия элементов и их соединений,проявляется в групповой повторяемости свойств химических элементов в вертикальных столбцах - группах Периодической системы. Считается основным видом периодичности, в соответствии с которым элементы одной группы имеет однотипные электронные конфигурации с периодичностьюсвойств, например, в энергии ионизации Eii^^ моль.
Диагональная периодичность связана с возрастание неметаллических свойств в периодах слева направо и в группах снизу вверх, т.е. по диагоналям Периодической системы.
Помимо представленных видов, принято рассматривать вторичную, «звездную» и иные виды системной и локальной периодичности [7 - 11].
5. Кластерная периодичность объемной матрицы
Изучение кластерной периодической матрицы (ОПМ) химических элементов наглядно демонстрирует устойчивые закономерности циклической повторяемости и увеличения количества химических элементов в периодах с увеличением их порядковых номеров (табл. 2). Из структуры ОПМ следует, что кластерная периодичность включает в себя все рассмотренные варианты периодичности.
Анализ структуры периодообразова-нияподтверждает, что периоды можно-разделить на простые, в которых образуются по одному элементу в каждойг-руппе (2 элемента с внешней сигнальной орбиталью и 6 элементов с внешней валентной орбиталью, всего 8 в периоде) и кластерные, содержащие сгруппириован-ные семейства элементов внутри одной группы (III или VIII).
Простые периоды №2 и №3 образуют уровень В безкластерной периодич-ности.Кластерные периоды №4к и №6к, имеющие сгруппированные семейства металлов в VIII группе, чередуются с простыми периодами № и №7. Период №о4к в паре с периодом №5 и период №6к в
О
3
ю
ff
2 е
8
Таблица 2.
Структура кластерной периодичности матрицы химических элементов
Период Количество химических элементов в группе Количество в периоде Кластерная периоднч -1 гость
Г 11 Iii rv v vi vii vm начальные IKMCHIb валет ные 4Jit менты всего элементов
Начальная орбиталью злсстронно-уроннсная формула Валентной орбшали
№1 / Is1 - - - - - - 1 }ßl I 1 2 А
№2 I 2s' 1 2s2 I 2s22р' 1 7s22p' 1 2s22pi 1 7s22p~ 1 2s22p' 1 2s22p6 2 6 8 В
№3 1 3s1 1 3s2 1 3s23p' 1 b23p- l ir'V I JrV 1 3s23ps 1 3s23p6 2 6 8
№4к 1 4s' I 4s2 I 4s23d' 1 is23d~ 1 ts23d' I ts'3d' 1 4s23ds 3 4s23d^ 2 8 10 С
№5 1 is'Sd1 1 ■s23d' 1 3d"'4p' 1 d'°4p 1 d"'4p 1 '¿Up 1 \d'"4p 1 3d'°4p6 2 6 8
№бк 1 5s' 1 5s2 1 5s24d' 1 >s24d2 1 1 5s'4d 1 5s24d: 3 5s'4d^' 5s°4d10 2 8 10
№7 I s'4d" l sUd" 4d»>5p' d'°5p dI05p' J'5p Bv 4d">5p6 2 6 8
№8кк 1 >p66s1 1 ip%- 15 6s25d1 6s24f2'7 6s24f75d' 6s24f" %?4fu$S 1 f"5d 1 fu5d 1 if145o (Ad> 3 6s24fl45d6 6s24fl45d' is'4fu5d' 2 22 24 D
№9 1 6s'4f u5d ' 1 s-4f 5d'" 5d'%> J"6p d'°6p 1 ->d!"6P i 5d'°6p 5d'%6 2 6 8
№10кк Jls1 1 6p67s 15 7s26d' 7s2(k?5f° 7s25f2-s6d> 7s2 5/7 7s25f б£ 7s25f'"~u 7s25fl46d' 1 fu6d 1 fu6d 1 <f146ü 1 5f146d 3 7s25f,46d 7s25f146d 7s'5fu6d 2 22 24
№11 1 1 1 1 1 1 ] ] 2 6 8
паре с периодом №7 образуют уровеньС кластерной периодичности. Кластерные периоды №8кк и №10кк, имеющие сгруппированные семейства металлов в VIII группе с семействами лантаноидов или актиноидов в III группе, чередуются с простыми периодами №9 и №11. Период №8кк в паре с периодом №9 и период №10кк в паре с периодом №11 образуют уровень D кластерной периодичности.
Из уровневой структуры кластерной периодической матрицы (ОПМ) следует, что первый уровень кластерной периодичности А включает только первый «условный» период.Второй уровень кластерной периодичности В включает вось-миэлементные простые периоды №2 и №3 (по 2 элемента с внешней начальной атомнойорбиталью и 6 элементов с внешней валентной орбиталью).Третий уровень кластерной периодичностиСвклю-чает попарно чередующиеся периоды
№4к-№5 и №6к-№7 (по 2 элемента с внешней начальнойатомной орбиталью и 8к/6 элементов с внешней валентной орбиталью поочередно) с трехэлементными «семействами» металловпериодов №4к и №6к в VIII группе инертных газо-в.Четвертый уровень кластерной периодичности D включает попарно чередующиеся периоды №8кк-№9 и №10кк-№11 (по 2 элемента с внешней начальнойатомной орбиталью и 22/6 элементов с внешней валентной орбиталью поочередно) с 15-элементными «семействами» лантаноидов и актиноидов в III группе вместе с трехэлементными «семействами» металлов в VIII группе периодов №8кк и №10кк. Кластерные образования лантаноидов, актиноидов и некоторых сгруппированных металлов представляются естественнонаучными природными феноменами, требующими к себе особого внимания исследователей.
Повышение информативности ОПМ на основе трехмерной системы координат объемно-каркасной конической матрицы в некотором смысле приближает к решению проблемы по устранению пяти главных недостатков, породивших несистемность и асимметричность Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. Модернизация с применением уровневых формул электронных оболочек атомов в качестве сигнальных индикаторов периодичности и химической активности (валентности) элементов сохраняет полную преемственность таблицы Д.И.Менделеева и помогает ее существенно дополнить. Пространственная форма ОПМ позволяет структурировать аномальные «семейства»Ш(лантаноиды и актиноиды) и VIII (металлоиды) групп третьего С и четвертогоDуровней кластерной периодичности, а уровневые формулы электронных оболочек облегчают
формирование модели изучения системных закономерностей периодичности, включая механизмы насыщения и межу-ровневого перехода валентности через распределение электронов по разным энергетическим уровням (орбитали, состояния) электронных оболочек.
Свойства элементов и соединений, помимо связи с порядковым номером (и величиной заряда ядра атома), находятся в существенной зависимости от распределения электронов и активности электронных, особенно валентных, слоев-подуровней оболочек ядер атомов химических элементов.
Заключение
Системность кластерной периодичности актуальна при изучении тонких механизмов межуровневых переходов, а также возможных сбоев процесса синтеза электронных орбиталей.
Информационная модернизация на основе повышения мерности обозримости с применением аналитического инструментария уровневых формул электронных оболочек атомов в качестве «индикаторов» периодичности и химической активности (валентности) элементов сохраняет полную преемственность фундаментальности таблицы Д.И.Менделеева.
В последнее время рассматривается необходимость переосмысления проблем периодичности, исследования многомерности связей и поливалентности в строении химических элементов [1]. Свойства элементов и соединений, помимо связи с порядковым номером (и величиной заряда ядра атома), находятся в существенной зависимости от распределения электронов и активности электронных, особенно валентных, слоев-подуровней оболочек ядер атомов химических элементов. Это обстоятельство может стать главным мотивом более внимательного отношения к перспективе создания энергодинамических моделей оболочек атомов (ЭДМ). Формализация ЭДМ открывает возможность компьютерного моделирования и управления при создании новых простых веществ и химических соединений.
Понимание энергодинамических пространственно-временных механизмов электронных оболочек химических элементов открывает возможность формулирования правил, закономерностей и даже системных законов энергетических взаимодействий между ядром и оболочкой внутри атома, а также между атома-
ми одинаковых и разных химических элементов, что может обеспечить создание моделей химических веществ и их соединений для эффективного синтеза в области конструктивного и биологического наноматериаловедения.
Литература
1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., Изд.центр «Академия», 2001 - 743 с.
2. Корольков Д. В. Основы неорганической химии. - М.// Просвещение, 1982. С. 271 .
3. Коренев Ю. М. Общая и неорганическая химия, в 3-х частях. М.: «Издательство Московского университета», 2002 г.
5. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева.
Пособие по химии. Введение в общую химию. //Электронное учебное пособие. Москва.2013.
6. Общая и неорганическая химия. Т.1. Теоретические основы химии. Учебник для вузов в 2-х томах. Под ред. А.Ф. Воробьева. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. С.371.
7. Кайкацишвили З.Р., Джинчарадзе-Р.Р.Системная классификация химических элементов. 2004 .
8. Кораблёв Т.П., Корольков Д.В.Тео-рия Периодической Системы. Издательство Санкт-Петербургского Университета, 2005 г., С. 7.
9. Нурлыбаев И.Н., Семкина К.Ю. О формулировке периодического закона и подобии периодов периодической системы Д.И. Менделеева // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докл. - Волгоград. - 2011. -том 4. С. 561.
10. Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева. - М.// Просвещение, 1973. С.208.
11. Имянитов Н. С. Новая основа для описания периодичности. // Журн. общей химии.- 2010. - Т. 80. - Вып. 1. С. 69 - 72.
12. Щеголев В.А. За краем таблицы Менделеева // Природа. 2003, № 1.
13. Соловьев Ю. И., Трифонов Д. Н., Шамин А. Н. История химии. Развитие основных направлений современнойхи-мии. Москва//Просвещение.1984. С.336.
14. Семёнов Н. Н. Наука и общество: Статьи и речи. - М.: Наука, 1973.
15. Гусев Б.В., Галушкин Ю.А., Иен Ин Самуэл, Сперанский А.АЗаконы объемной периодичностивстроении физико-химических элементов и адаптивное материаловедение // Техника и технология силикатов. - 2016, №2, 23-31 с.
16. Гусев Б.В., Иен Ин Самуэл, Галушкин Ю.А., Сперанский А.А. Исследование проблем периодичности в строении химических элементов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2016. №7-8. 46-49 с.
17. Стивен Хокинг. О Вселенной в двух словах. Пер.с англ. -Москва, АСТ, 2017. -224с.
18.Сэм Кин. Исчезающая ложка или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева. - Москва: Эксмо, 2015. - 464 с.
19.Семёнов Н.Н. Химия и электронные явления. (УФН, 4 .1924,с.357). Избранные труды, Т.2. - М. // Наука, 2005.
20. Кораблев Т.П., Корольков Д. В. Теория Периодической Системы. - С-П./ / Издательство Санкт-Петербургского Университета, 2005, 176 с.
21. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. - М.: Наука, 1983. 400 с.
New representations about volume a
periodic matrix of chemical elements Gusev B.V., Speransky A.A.
Russian engineering academy for science and
technological development In operation sentences on creation of the volume periodic matrix (VPM) of chemical elements are considered. Authors consider operation as continuation of the Periodic Table of D.I. Mendeleyev. The offered representation of a matrix in the form of a volume and frame spiral is considered by analogy with origin and development of the Universe as atoms are star matter.
As analytical parameters atomic numbers of elements, their group and electronic properties, periodic accumulation of valence are accepted. Level formulas of electron shells of signal and valence elements define special points of origin of the new periods. Situation about presence of four levels of cluster periodicity in the offered Volume and frame matrix which opens possibilities of computer simulation during creation of chemical compounds is formulated. Keywords: volume periodic matrix of chemical elements, informtiveness of three-dimensional models, frame system of a matrix, sequence number of elements, valence, electronic formulas and properties of a matrix, the valence elements, cluster periodicity of systems. References
1. Akhmetov N.S. General and inorganic chemistry.
4 th ed., Rev. - M .: Higher education. Sci., Publishing Center "Academy", 2001 - 743 p.
2. Korolkov DV Foundations of Inorganic Chemistry.
- M. / Enlightenment, 1982. P. 271.
3. Korenev Yu. M. General and inorganic chemistry,
in 3 parts. Moscow: "Publishing house of Moscow University", 2002.
5. Russian Chemical-Technological University. DI.
Mendeleev University. Handbook of Chemistry. Introduction to general chemistry. // Electronic textbook. Moscow 2013.
6. General and inorganic chemistry. T.1. Theoretical
foundations of chemistry. Textbook for high schools in 2 volumes. Ed. A.F. Vorobyov. -Moscow: ICC "Akademkniga", 2004. P.371.
7. Kaikatshvili ZR, DzhincharadzeR.R.Sistemnaya
classification of chemical elements. 2004.
О
3
Ю
5
2 e
8
8. Korablev TP, Korolkov DV Theory of the Periodic
System. Publishing house of St. Petersburg University, 2005, P. 7.
9. Nurlybayev I.N., Semkina K.Yu. On the formulation of the periodic law and the similarity of the periods of the periodic system Mendeleyev // XIX Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Theses dokl. - Volgograd. - 2011. - volume 4. P. 561.
10. NP Agafoshin, Periodic law and the periodic system of elements of DI Mendeleyev. - M. / Enlightenment, 1973. P.208.
11. NSNyunitov. A new basis for the description of periodicity. // Journal. of general chemistry. -2010. - T. 80. - Issue. 1. P. 69 - 72.
12. Schegolev VA Beyond the Edge of the Periodic Table // Nature. 2003, No. 1.
13. Soloviev Yu. I., Trifonov DN, Shamin AN History of Chemistry. Development of the main directions of modern chemistry. Moscow // Education. C.336.
14. Semenov NN Science and Society: Articles and speeches. - Moscow: Nauka, 1973.
15. Gusev BV, Galushkin Yu.A., Ian In Samuel, Speransky A.Azones of volumetric periodicity in the construction of physico-chemical elements and adaptive material science // Silikat technique and technology. - 2016, №2, 2331 with.
16. Gusev BV, Ian In Samuel, Galushkin Yu.A., Speransky AA Investigation of the problems of periodicity in the structure of chemical elements // Building materials, equipment, technologies of the XXI century. 2016. № 78. 46-49 pp.
17. Stephen Hawking. About the universe in a nutshell. Per.s. Eng. -Москва, АСТ, 2017. -224с.
18. Sam Keane. Disappearing spoon or Amazing stories from the life of Mendeleyev's periodic table. - Moscow: Eksmo, 2015. - 464 p.
19. Semenov N.N. Chemistry and electronic phenomena. (UFN, 4 .1924, p.357). Selected Works, Vol.2. - M. // Science, 2005.
20. Korablev TP, Korolkov DV Theory of the Periodic System. - St.P.// Publisher of the St. Petersburg University, 2005, 176 p.
21. Khramov Yu.A. Physicists. Biographical reference. - Moscow: Nauka, 1983. 400 p.
oo
СЭ
СЧ
£
6 a
2 ©
