CC BY
131
УДК 541.9
О. В. Михайлов
О «ГИБРИДНОМ» ТАБЛИЧНОМ ВАРИАНТЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С НЕОГРАНИЧЕННЫМ ЧИСЛОМ ГРУПП
Ключевые слова: периодический закон периодическая система химический элемент
Предложен и детально рассмотрен табличный вариант интерпретации Периодического Закона Д.И. Менделеева, сочетающий в себе достоинства двух наиболее употребительных в настоящее время вариантов - т.н. «короткопериодического», принятого в системе российского химического образования, и т.н. «длиннопериодического», рекомендованного IUPAC и повсеместно используемого в образовательном процессе США и ряда европейских стран.
Keywords: periodical law, periodical system, chemical element.
Tabular variant of the interpretation of the DI Mendeleev periodical law combining the advantages of the two most used the-state are now options, namely so-called "short-periodical", adopted in the system of the Russian chemical education, and so-called "long-periodical" recommended by IUPAC consistent and widespread use, the ICDO in education United States and several European countries, has been proposed and discussed in detail.
Введение
С того момента, когда Д.И.Менделееву удалось привести в строгую систему все известные в то время простейшие составляющие любого химического вещества - химические элементы, минуло уже без малого полтора столетия. Тем не менее, предложенная им периодическая система химических элементов не только пережила своего создателя, но и прочно вошла в науку в числе тех ее достижений, которые закреплены за ней навечно. Характерно, что в рамках предложенной Д. И.Менделеевым системы нашлось место и тем элементам, которые были обнаружены уже после его смерти. Разработанная самим Д.И. Менделеевым система (см. табл. 1) все же не была до конца совершенной (что вполне откровенно признавал и сам ее автор), и поэтому вполне естественными представлялись попытки ее улучшения, которые не прекратились и по сей день.
В разное время было предложено несколько сотен различных вариантов интерпретации периодического закона, среди которых были коротко- и длиннопериодическне, лестничные, спиральные, и даже пирамидальные формы системы элементов. Наибольшее распространение получил табличный короткопериодический ее вариант, описанный, в частности, в [1-3]. Этот вариант интерпретации периодического закона, однако, имеет целый ряд недостатков. Во-первых, f-элементы (лантаноиды и актиноиды) здесь расположены по существу не в самой таблице, а вынесены из нее в виде своеобразных «приложений» (табл. 2). Во-вторых, при любом из двух возможных (и принятых) вариантов расположения первого по счету химического элемента - водорода (в первой или в седьмой группах) в таблице остается ни много ни мало шесть (!) пустых клеток. Впрочем, этим недостатком страдают и все остальные известные на сегодняшний день варианты периодической системы, где все химические элементы разбиты по своим свойствам на отдельные группы и подгруппы. Не является исключением на этом фоне и табличный длиннопериодический вариант (табл. 3), который в настоящее время рекомендован IUPAC как для химического образования, так и для сугубо научных изысканий.
Известно, что «теоретическая гармония» царит в периодической системе лишь в первых трех периодах. Уже с четвертого периода начинаются те или иные отступления от строгой последовательности заполнения электронами энергетических подуровней атомов элементов. Так, в атомах Cr, Cu, Mo, Ag и Au наблюдается своеобразный «провал» наружного s-электрона на «внутренний» подуровень (n-1)d, и вместо ожидаемой конфигурации (n-1)dkns2 появляется группировка (n-1)dk+1ns1. В атомах палладия «наружный» s-под-уровень вообще
отсутствует в результате провала двух 5^-электронов на 4^-подуровень. В результате общее число квантовых слоев уменьшилось на единицу и перестало совпадать с номером периода. Следует отметить, что это пока единственное исключение подобного рода во всей периодической системе.
Таблица 1 - Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (короткопе-риодический вариант, 1905 г. издания, порядковые номера элементов опущены)
ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ
0 I II III IV V VI VII VIII
1 - H - - - - - -
2 He и Ве В С N О р
3 Ne N8 Мд А1 Si Р Э С1
4 Ar К Са Эс Т V Сг Мп Ре Со N
5 Си Ип Оа Ое Ав Эе Вг
6 Кг РЬ Эг У Иг Nb Мо - Ри РИ ра
7 Ад оа !п Эп ЭЬ Те
8 Xe Се Ва иа Се - - - - - -
9 - - - - - - -
10 - - - УЬ - Та W - Ов !г Р1
11 Аи нд Т1 РЬ Bi - -
12 Ра - ТИ - и
Согласно теоретическим ожиданиям актиноиды, как и лантанонды, должны быть близки между собой по химическим свойствам. В действительности же торий, протактиний, уран, нептуний и плутоний не похожи по своим физико-химическим характеристикам ни на актиний, ни на своих последующих соседей с более высоким зарядом ядра. Следовательно, для характеристики химического поведения элементов и установления их места в периодической системе элементов не всегда оказывается достаточным распределения электронов в атомах по энергетическим подуровням. Для решения этого вопроса необходимо принципиальное рассмотрение фундаментальных свойств элементов. Сторонником такого подхода был и сам Д.И.Менделеев, который поместил торий, протактиний и уран в побочные подгруппы IV, V и VI групп как аналоги соответственно гафния, тантала и вольфрама. Были и предложения ввести вторые побочные подгруппы в структуру периодической системы и разместить в этих новых подгруппах лантаноиды и актиноиды, но ни одно из них, однако, принято не было. Советские ученые В.И. Спицын, И.Н. Крот и А. Д. Гельман, первыми обнаружившие способность Ыр и Ри проявлять степень окисления +7, пошли еще дальше и предложили выделить эти элементы в специальные третьи подгруппы VII и VIII групп соответственно; это предложение также не получило поддержки. Таким образом, становится очевидным, что современная периодическая система химических элементов нуждается в определенных изменениях, которые позволили бы ликвидировать хотя бы частично вышеуказанные недостатки.
Ключ к систематике
В большинстве современных вариантов периодической системы и, в частности, в короткопе-риодическом положение конкретного элемента определяется двумя параметрами - модулем заряда ядра Z, совпадающим с порядковым номером элемента, и его наивысшей возможно степенью окисления. Подобный принцип «заселения» элементов в целом хорошо оправдывается, однако отдельные из них выпадают из строгой последовательности: к примеру, Си
Таблица 2 - Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (современный короткопериодический вариант)
ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ
I II III IV V VI VII VIII
1 1Н (1Н) 2Не
2 3и 4Ве 5В 6С 7М 80 ЭР 10Ме
3 11Мэ 12Мд 13А1 14в! 15р 16Б 17С1 18Аг
4 19к 20Са 21во 22Т! 23V 24Сг 25Мп 26Ре 27Со 28М!
29Си 30гп 31Оа 320е 33Аз 34ве 35Вг 36Кг
5 3^Ь 38вг 39у 402г 41МЬ 42Мо 43То 44Ри 16Ра
47Ад 48оа 49т 50вп 51ЭЬ 52Те 53и 54Хе
6 55Сз 56Ва 57Ьа 72М 73Та 74W 7гКе 760з 77Iг 78Р1
79Аи 80Нд 81Т1 82РЬ 83В! 84Ро В5А1 86Рп
7 87рг 8Ъа 89Ао 104ет 105йЬ 106вд 107ВИ 108Нз 109М1 110Рз
112 113 114 115 116 117 118
ЛАНТАНОИДЫ
58Се 59Рг 60ма 61Рт 62вт 63Еи 54оа 65ТЬ 66Ру 67Но 68Ег 69Тт 70УЬ 71Ьи
АКТИНОИДЫ
90ти 91Ра 92и 93Мр 94Ри 95Ат 96Ст 97Вк 98СТ 99Ез 100Рт 101ма 102Мо 103Ц-
Таблица 3 - Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (современный длиннопериодический вариант)
ГРУППЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 1н 2Не
2 3и 4Ве 5В 6О 7М 80 9Р 10Ме
3 11Мз 12Мд 13А1 14Э1 15р 16э 17О1 18Аг
4 19к 20Оа 21Эс 22Т1 23у 24Ог 25Мп 2(Те 27Оо 28М1 29Ои 30Ип 31Оа 320е 33Аз 34Эе 35Вг 36Кг
5 3Ъь 38Эг 39у 402г 41МЬ 42Мо 43Тс 44Ри 45РИ 46ра 47Ад 48оа 491п 50Эп 51ЭЬ 52Те 53и 54Хе
6 55Оз 56Ва 57Ьа 72нг 73Та 74W 75Ре 760з 771г 78Р1 79Аи 80Нд 81Т1 82РЬ 83В1 84Ро 85А1 86Рп
7 87рг 88Ра 89Ас 105РЬ 106Эд 107ВИ 108Нз 109М1 110йз 111Рд 112 113 114 115 116 117 118
ЛАНТАНОИДЫ
58Ое 59Рг 60ш 61Рт 62вт 63Еи 64оа 65ТЬ 66Ру 67Но 68Ег 69Тт 70УЬ 711_и
АКТИНОИДЫ
90ТИ 91 Ра 92и 93Мр 94Ри 95Ат 96От 97Вк 98от 99Ез |00Рт 101ма 102Мо 103Ьг
^=29) находится в первой группе, но ее максимальная степень окисления равна +4 (т.е. больше номера группы), тогда как N ^=28), помещенный в восьмую группу, также имеет максимальную степень окисления +4 (что меньше номера группы). Подобные примеры можно было бы без проблем продолжить и далее. Однако главное не в этом. Вспомним: ведь степень окисления (в том числе и максимальная) - это всего лишь одно из свойств химического элемента, так же как, в частности, плотность или электропроводность простых веществ, этим элементом образованных. И в принципе вполне возможно было бы с той или иной степенью успеха построить периодическую систему химических элементов, взяв в качестве одного из параметров модуль заряда ядра Z, а другого - какое-либо из только что перечисленных свойств, например, плотность. Однако все эти параметры-свойства - электропроводность, плотность, температура плавления и все та же степень окисления есть лишь следствия проявления одной и ток же причины, а именно - электронной структуры атомов химического элемента. Получается, что в качестве одного из параметров, определяющих положение конкретного элемента в периодической системе, мы выбираем во всех случаях то свойство, которое является как бы производным от некоторой причины, что, очевидно, уже само по себе не вполне логично.
Д.И. Менделеев, как известно, вскрыл факт закономерного изменения свойств химических элементов с ростом атомных масс и сформулировал закон, известный ныне под названием «периодический закон Д.И. Менделеева», но не смог объяснить саму первопричину периодичности. Удивительного здесь ничего нет - ведь в то время теории строения атома еще не существовало, и он при построении своей системы, не располагая данными о причине явления, вынужден был ориентироваться на то его следствие (в данном случае - некоторое свойство элемента), в свете которого сама «периодичность химических элементов» выглядела бы наиболее рельефно. Более того, Д.И. Менделеев - как это не прозвучит парадоксально - не признавал существовавшего уже в его время учения об атомно-молекулярном строении вещества (!!), и известно его изречение на этот счет: «В атоме есть простота представлений, но нет уверенности». Этим самым свойством для Д.И. Менделеева и оказалась максимальная степень окисления, хотя и при ее использовании в качестве второго параметра (наряду с атомной массой) при построении системы элементов без определенных издержек не обошлось. У нас же есть одно, весьма существенное преимущество перед Д.И. Менделеевым: в отличие от него мы знаем первопричину периодичности и ее нарушений и то, что и то, и другое прямо связаны со спецификой заполнения электронами атомных орбиталей (АО) и соответственно -особенностями электронного строения атомов химических элементов. Именно эту причину и следует взять в качестве второго параметра при построении системы химических элементов.
Точка отсчета
Одним из дискуссионных моментов любой из современных концепций периодического закона является положение в системе элементов самого легкого из них - водорода. Эта проблема до сих пор так и не получила четкого разрешения: с одной стороны, водород легко образует положительный ион Н+ (протон), что сближает его с Б-элементами I группы (т.н. щелочными металлами), с другой - способен присоединять электрон, образуя гидрид-анион Н-, что роднит его с ^-элементами VII группы (т.н. галогенами). По этой причине отдельные авторы помещают его не в первую группу (как это следовало бы сделать исходя из его максимальной степени окисления +1), а в седьмую. В этом случае между водородом и вторым элементом таблицы Д.И. Менделеева - гелием пустых клеток уже не остается, но тогда в любом из действующих ныне «табличных» вариантов остаются незаполненными шесть клеток до самого атома водорода. И то, и другое современных физиков и химиков, конечно же, удовлетворить не может, но... чем заполнить эти пустые клетки, не знает никто. И все-таки, нельзя ли попытаться от них избавиться?
Для ответа на этот вопрос взглянем на сложившуюся ситуацию под иным утлом зрения и поместим в самом начале, в ее верхнем левом углу водород Н, а за ним без каких-либо промежутков все последующие элементы в порядке возрастания величин Z: Не, Ц Ве, В, С, N и
т.д. Внимательно присмотревшись к их свойствам, мы вплоть до кислорода включительно не обнаружим хоть сколько-нибудь похожих друг на друга элементов ни по химическим свойствам, ни - что еще более важно - по строению внешних электронных оболочек. Но вот следующий, девятый по счету, химический элемент - F пусть далеко не во всем, но как раз в главком - строении электронной оболочки, которую мы взяли в качестве второго параметра при построении таблицы элементов - уже может рассматриваться как аналог Н, поскольку как тому, так и другому элементу до завершения заполнения внешней оболочки не хватает по одному электрону, пусть даже их электронные конфигурации и существенно различаются - у водорода и 2^2р5 - у фтора). Следующий же элемент - Ne по своему электронному строению аналогичен He и подобно ему имеет полностью заполненные АО (хотя и здесь имеет еще место различие в электронных конфигурациях: Не —1б2, Ne — 2в22р6). Ну а дальше
аналогия в строении электронных оболочек становится полной: Ы и N8 - 2в1 и 1 2 2 2 12 1 3в соответственно, Ве и Мд - 2в и 3в , В и А1 - 2в 2р и 3в 3р и т.д. до Б, оказывающейся
2 4 2 4
аналогом О (2в22р4 и 3в 3р соответственно). В этих рассуждениях, впрочем, пока нет ничего нового. Обратим теперь внимание вот на какое обстоятельство: у третьего по счету элемента в периодической системе - Ы на внешнем слое находится один электрон, у четвертого - Ве -два, у пятого - В - три и т.д. до О, у которого шесть электронов. И вполне естественно поместить их в группы, придав им номера, соответствующие числу электронов на внешнем слое: тогда Ы окажется в первой группе, Ве - во второй, восьмой по значению Z О - в шестой группе. В этом тоже еще нет ничего нового, в короткопериодическом табличном варианте именно это и имеет место. Гелий же имеет устойчивую двухэлектронную оболочку 1б2, не вступает в химические реакции и нулевую степень окисления, ибо на внешней электронной оболочке у него де-факто нет ни одного электрона. В соответствии с указанной выше логикой нумерации групп химических элементов его следует поместить в нулевую группу, но не в восьмую, как это сделано в современном короткопериодическом (и тем более - не в восемнадцатую, как в длиннопериодическом!) «табличном» варианте системы химических элементов. Но и в этом все еще нет особо нового - напротив, это хорошо забытое старое, поскольку сам Д.И. Менделеев в первоначальном своем варианте периодической системы выделил гелий и все остальные аналогичные ему элементы (т.н. инертные газы) именно в нулевую группу (табл. 1). А вот у самого первого элемента системы - водорода, как уже упоминалось ранее, до заполнения внешней электронной оболочки не хватает одного электрона, и теперь в полном соответствии с вышеуказанной логикой его следует поместить в минус первую (!!) группу. Решение это кажется парадоксальным, но это только на первый взгляд. Ведь водород, равно как и галогены, по сути дела ничем, кроме как максимальной степенью окисления, не напоминают своих соседей по седьмой группе в современных вариантах периодической системы -Мп, Тс и Ре (табл. 2) и явно нуждаются в выделении их в самостоятельную группу. Введение в таблицу «минус первой» и нулевой групп, отсутствующих в современных табличных вариантах периодической системы, и тем самым - ликвидация «пробелов» в первом периоде и есть то самое новшество в точке отсчета, которое характерно для предлагаемого нами далее «гибридного» табличного варианта.
Периодическая система элементов - без «приложений»
Продолжая «заселение» химических элементов в указанную выше таблицу, мы без особого труда сможем в рамках принципа «номер группы = число электронов на внешней оболочке» разместить в ней все химические элементы вплоть до элемента с Z=58 (Се). Некоторые сложности, правда, возникают с Со и N1, а также их аналогами, имеющими аналогичную электрон-
7 2 8 2
ную конфигурацию (п-1)^ ПБ и (п-1)^ ПБ соответственно - ^ и РЬ по той простой причине, что число электронов на валентных уровнях у ннх равно 9 и 10 соответственно. В современном варианте периодической системы, равно как и в первоначальной ее интерпретации самого Д.И. Менделеева, они помещены вместе с Fe и его аналогом - Ри в одной обширной восьмой группе, что уже само по себе выглядит неестественным. Более того, если для Fe, как элемента
восьмой группы, известны соединения со степенью окисления +8, совпадающей с номером группы [4], то максимальные степени окисления Со и N оказываются более низкими (+6 и +4 соответственно). Кроме того, парам Со-КИ и вообще нет аналогов среди всех элементов
от первого до 57-го, и поэтому их следует поместить в две самостоятельные группы, а именно в девятую и десятую соответственно.
Тот же самый принцип «заселения», естественно, может и должен быть использован и для лантаноидов. Первый из них - Се с Z=58 имеет сокращенную электронную конфигурацию внешних АО 4f 26б2 и четыре валентных электрона, так что ему место в четвертой группе, а не в третьей, где он ныне числится. Аналогично расположатся в таблице и другие 4/3 2 с* 6 2 9 2
элементы: Рг с конфигурацией 4f 6б - в пятой, Эт (4/ 66Б) - в восьмой, ТЬ (4/ 96б2) - в одиннадцатой и т.д. вплоть до Ег (4/' 126б2), который займет клетку в четырнадцатой группе. А вот следующий же за ним элемент - Тт, имеющий конфигурацию 4/ 146б1 с полностью заполненным электронами 4/-АО и одним электроном на 6^-орбитали, должен быть помещен в первую группу. И, наконец, два последних, наиболее тяжелых 4/ -элемента - УЬ и 1_ы займут соответствующие клетки во второй и третьей группах.
Разместить остальные известные ныне химические элементы после всего сказанного уже не составит большого труда, и в итоге периодическая система приобретает вид, представленный в табл. 4. Нетрудно видеть, что в новом варианте таблицы и лантаноиды, и актиноиды располагаются наравне с остальными элементами в соответствующих группах, а не в виде своеобразных «приложеннй», как это имеет место в современных короткопериодическом и длиннопериодическом табличных вариантах. Более того, даже сами понятия «лантаноиды» и «актиноиды» в этом новом варианте периодической системы теряют свой нынешний смысл.
Новые параллели и закономерности
Даже беглого взгляда на новый вариант таблицы химических элементов (табл. 4) достаточно, чтобы отметить следующее: исчезли все неопределенности, связанные с положением водорода (равно как ж пустые клетки между ним и гелием, вызывающие определенное раздражение химиков-теоретиков, да и не только их), более четким и определенным стало положение галогенов, инертных газов, лантаноидов и актиноидов. Вместо семи периодов современной периодической системы, содержащей 111 известных химических элементов, предлагаемая нами система содержит лишь три периода (причем в последнем из них имеется еще 5 незаполненных клеток). Число элементов в каждом периоде определяется соотношением N =4(п+1)2, где п - номер периода. Сказанным, однако, дело не ограничивается. Здесь намечаются новые закономерности, остающиеся либо невскрытыми, либо необъяснимыми в рамках любого из современного общепринятых «табличных» вариантов периодической системы. Отметим лишь некоторые из них.
До появления т.н. актиноидной концепции Сиборга наиболее употребительным был несколько иной вариант периодической системы, в которой ТИ, Ра и и помещались соответственно в четвертой, пятой и шестой группах, после чего шли так называемые «трансурановые элементы», которые подобно лантаноидам также выносились из основной таблицы в виде отдельного «приложения» (табл. 5). Более того, в учебниках химии того времени ТИ рассматривался как аналог Т^ Zr и Н, Ра - как аналог V, Nb и Та, и -как аналог Сг, Мо и W. Позднее ТИ, Ра и и перевели в когорту актиноидов, а позиции, которые они занимали, до поры до времени оставались вакантными. В настоящее время они заняты элементами с номерами 104 105 (йЬ) и 106 (Эд). В рамках актиноидной концепции, однако, оставалось (да и сейчас еще остается) непонятным, почему первые элементы этого ряда - от Ра до Ст - проявляют степени окисления, значительно превышающие +3, хотя формально актиноиды примыкают к третьей группе. Предлагаемый же намп вариант. периодической системы снимает эту проблему, потопу что ТИ, Ра и и оказываются в ней в четвертой, пятой и шестой группах соответственно, так что максимальные степени окисления этих элементов (+4, +5 и +6) выглядят вполне естественными и ожидаемыми. Более того, Np располагается здесь в седьмой группе, Ры - в
Таблица 4 - «Гибридный» табличный вариант периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева с неограниченным числом групп
ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ
- I 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV
1 2не 3Li 4Ве 5B 6С 8O
1(^е 11Na 12Mg 13А1 14Si 15p 16S
2 17С1 18Ar 19К 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24сг 25Мп 26Fe 27Со 28Ni
29Cu 30Zn 31Ga 33As 34Se
35Вг 36Kr 37Rb 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Тс 44Ru 45Rh
47Ag 48Gd 491п 50Sn 5^ь 52Te
3 54Хе 55Cs 56Ba 5\а 58Ce 59Pr 60Nd 61Рт 6^т 63Еи 65ТЬ 66Dy 67Но 68Ег
69Тт 70Yb 71Lu 72Hf 73Ta 75Re 76Os 771г
79Au 80Hg 81Tl 82рь 83Bi 84Ро
86Rn 87Fr 8Ъа 89Ac 90Th 91Pa 92и 9^р 94Ри 95Ат 96Ст 97Вк 98Cf 99Es 100Fm
101Md 102No 103Lr l04Rf 10Ъь 106Sg 107Bh 108Hs 110Ds
111Rg 112 113 114 115 116
Таблица 5 - Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (короткопериодический вариант, имевший распространение в 40-60-е годы XX в.). Звездочками отмечены элементы №№ 99 и 100, тогдашние названия которых «афиний» и «центурий» ныне заменены на эйнштейний и фермий
ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ
I II III IV V VI VII VIII
1 1H (1H) 2He
2 3Li 4Be 5B 6C 7n 8O 9f 10Ne
3 11Na 12Mg 13Al 14Si 15p 16S 17Cl 18Ar
4 19K 20Ca 21Sc 22Ti 23v 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni
29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr
5 37Rb 38Sr 39y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd
47Ag 48Gd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53J 54Xe
6 55Cs 56Ba 57La 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt
79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn
7 87Fr 88Ra 89Ac 90Th 91Pa 92U
ЛАНТАНОИДЫ
58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu
ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99An* 100Ct*
восьмой, так что наличие у обоих элементов степени окисления +7 выглядит вполне обоснованным. Обращает на себя внимание, что Ат, находящийся в одной (девятой) группе с ^ и 1г подобно последним, проявляет степень окисления +6; эту аналогию можно проследить и далее на парах ОЬ-От и ТЬ-Бк, где максимальная известная на сегодняшний день степень окисления составляет +5.
Еще более интересным оказывается то, что у помещенных нами в первую группу Тт и МЬ в ряде случаев проявляется степень окисления +1, причем у последнего в кислых растворах она становится основной и менделевнй из этих растворов осаждается вместе с труднорастворимыми соединениями ¿-элементов I группы. Заметим в связи с этим, что, насколько нам известно, больше ни у одного из /-элементов такой степени окисления не отмечено. УЬ и его аналог - N0 во многих своих соединениях проявляют степень окисления, равную +2, напоминая в этом отношении своих соседей по второй группе - 8г, Ба и Ра. К примеру, металлический иттербий, подобно металлическим стронцию и барию, растворяется в жидком аммиаке, а УЬЭ04 и N0804 столь же плохо растворимы в воде, как и тетраоксосульфаты(У1) 5-элементов II группы Периодической системы. Первая триада /-элементов УШ-Х групп (8т, Ей, Оф подобно первой триаде ё.-элементов из этих же групп (Ре, Со, N1) обладает довольно хорошо выраженным ферромагнетизмом.
Нельзя не отметить также следующее обстоятельство. В неорганической химии давно известен один любопытный факт, который может быть назван «эффектом пар» [1,2,5]. Смысл его сводится к тому, что по степени близости своих физико-химических характеристик элементы каждой из групп как бы сгруппированы (при движении по группе сверху вниз) попарно, причем различия между элементами в пределах одной пары заметно меньше, чем между элементами, находящимися в разных близлежащих парах. Например, во второй группе «попарное деление» дает пары Бе-Мд, Са-8г и Ва-Ра; так вот, различие между Мд и Оа заметно больше, чем между Мд и Бе, между 8г и Ба - больше, чем между Ба и Ра н т.д. Это обстоятельство в рамках любого из современных табличных вариантов периодической системы - как короткопериодического, так и длиннопериодического - не удается объяснить с достаточной наглядностью. В предлагаемом же нами варианте (табл. 4) оно представляется вполне естественным: ведь Бе и Мд относятся к первому периоду, Са и 8г - ко второму, Ва и Ра - к третьему.
Существует, однако, следующее возражение против описываемого нами «гибридного« табличного варианта периодической системы: в ней теперь станет больше несоответствий между номером группы и проявляемой химическим элементом максимальной степени окисления. Едва ли, например, Со и N1 будут способны проявлять в своих сколько-нибудь устойчивых химических соединениях степени окисления +9 и +10, не говоря уж о проявлении Cf степени окисления +12. Для помещенных нами в первую группу Тт и МЬ, конечно же, известны и степени окисления, превышающие +1. Однако не будем забывать, что степень окисления -это всего лишь одна из «граф» в «анкете» свойств химического элемента и уже по этой причине она не может служить мерилом ценности той или иной их системы. Кстати, и современный вариант периодической системы по части соответствия между номером группы, в которой находится элемент, и максимальной степенью его окисления, как мы ранее видели, также не является в полной мере совершенным.
Как бы то ни было, одним из решающих критериев, определяющих той или иной теории, является предсказание новых фактов, до того времени не наблюдавшихся. Что можно предсказать, используя предлагаемый здесь «гибридный» вариант системы элементов? Вот лишь некоторые примеры на этот счет.
Давно замечено, что 5/^АО по числу используемых для образования химических связен электронов весьма напоминает 4ё-АО: и по своим возможным степеням окисления повторяет Мо, Nр — Тс, Ат — ^ и РЬ — От. Поэтому можно ожидать, что аналогичное сходство должно отмечаться и в степенях окисления пары Ри-Ри. Максимальная степень окисления Ри, как известно, равна +8 (он - один из всего четырех химических элементов, для которых эта сте-
пень окисления была достоверно установлена к концу XX в.), и можно ожидать, что такая же степень окисления должна проявляться и у Ри. И относительно недавно были обнаружены соединения, где Ри действительно проявляет столь высокую степень окисления (см., например, [6]). Более того, можно даже ожидать, что «сосед» Ри в таблице Д.И. Менделеева - Ат окажется способным проявить степень окисления +9 (на данный момент максимальная степень окисления этого элемента - +7). Правда, ни для одного из известных науке химических элементов такая степень окисления до сих пор неизвестна. Она, впрочем, в принципе возможна -как это не прозвучит парадоксально - для в-элемента I группы - цезия за счет отрыва электронов от иона Св+, имеющего конфигурацию, изоэлектронную Хе. Такой отрыв электронов должен происходить парами, и по аналогии с существующей для Хе степенью окисления +8, можно предположить существование у Св соединений, где этот элемент имеет степень окисления +9. Правда, проведенные в [7] квантово-химические расчеты различных фторидных, оксидных и оксофторидных соединений Св(1Х) показали, что по крайней мере в газовой фазе такие соединения существовать не могут, однако это еще не исключает возможности их формирования в конденсированном состоянии (т.е. в растворе или твердой фазе при низких температурах).
В заглавии настоящей статьи написано: «....системы химических элементов с неограниченным числом групп». Это не оговорка: по мере роста числа элементов в периодической системе и в самом деле число содержащихся в ней групп будет расти. Например, следующий, четвертый период в такой системе будет содержать 100 элементов с Z= 117-216 и включать уже 18 групп (а не 14, как в табл. 4) и в частности, элементы.с Z= 133-136 и Z= 183-186, принадлежащие к когорте 5^-элементов (пока что неизвестных химической науке), займут в ней пятнадцатую, шестнадцатую, семнадцатую и восемнадцатую группы. В пятом же периоде, как нетрудно подсчитать, число групп должно быть равным 22, в шестом - 26, в седьмом - 30. И в каждом следующем периоде, как видим, число таких групп будет неуклонно нарастать.
Впрочем, все то, что сказано в последнем абзаце, остается пока лишь на бумаге; более того, на сегодняшний день, как указывалось выше, остаются еще несколько пустых клетки и в третьем периоде. И все же есть все основания полагать, что еще при жизни нынешнего поколения физики-ядерщики (а возможно, и химики) дотянутся-таки и до элементов четвертого периода. Говорим «.возможно, и химики», потому что согласно современной теории строения нуклидов ядро элемента № 126 с атомной массой 310 должно быть «дважды магическим», т.е. содержать т.н. «магические» числа как протонов (126), так и нейтронов (184), и, возможно, хоть в небольших количествах, но сохраниться в окружающей нас природе.
Литература
1. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т. 1. М.: Химия, 1965; Т.2. М.: Химия, 1967; Т.З, М.: Химия, 1970.
2. Коттон Ф.А., Унлкинсон Дж.Б. Современная неорганическая химия. Т.З. М.: Мир, 1969.
3. АхметовН.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая Школа, 1988.
4. Киселев Ю.М., Третьяков Ю.Д. Проблема стабилизации состояний оксиления и некоторые закономерности Периодической системы элементов // Успехи химии. - 1999. - Т. 68, № 5. - С. 401-415.
5. Реми Г. Курс неорганической химии. Т. 2. Москва., Мир, 1966.
6. Никонов М.В., Мясоедов Б.Ф. Окисление Ри(У1) озоном и устойчивость образующихся Ри(УП) и Ри(УШ) в концентрированных растворах щелочей // Радиохимия - 2010. - Т. 52, № 1. - С. 16-30.
7. Михайлов О.В., Чачков Д.В. О возможности существования оксо- и оксофторидных соединений С8(1Х) по данным квантово-химических расчетов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 11. - С. 507-509.
© О. В. Михайлов - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected].
