Треугольник Менделеева: снова об элементарных периодах

Действительно, отложив вдоль одной из осей значения валентности как основы химического сходства, благодаря закону периодического повторения свойств удаётся построчно разместить последовательность элементов, упорядоченную по атомному номеру (равному значению заряда ядра атома), сформировав тем самым вдоль другой оси группы похожих элементов.

Но внимательное размышление над всё ещё наиболее распространённым коротким вариантом изображения таблицы даёт удивительный результат: простота и наглядность свойственны только двум строчкам: второй и третьей, число элементов в которых равно количеству значений валентности – восемь.

Первую строку от последующих сразу отличают шесть пустых клеток между водородом и гелием. К тому же в одной из них символ водорода попадается во второй раз. Правда, в скобках.

А начиная с четвертого периода строки раздваиваются, и порядок нарушается. В предпоследнем широком столбце пустые клетки чередуются с трёхместными. А в других клетках строк с трёхместными свойства элементов не вполне укладываются в группы. Это выражено введением подгрупп валентности А / В и, соответственно, смещением символов элементов то к левому, то – к правому краям клетки.

В шестом-седьмом периодах плюс ко всему – ссылки на двухэтажный подвал лантаноидов и актиноидов, не вместившихся в таблицу.

Наконец, недоумение вызывает и явная ограниченность таблицы известным сегодня набором элементов. Что дальше? Хотя за прошедшие со времён провозглашения периодического закона полтора столетия было открыто новых элементов едва ли не больше, чем было известно до этого, этот короткий вариант отображения таблицы являет собой завершённое произведение – вписывать вновь открытые после оганесона элементы уже некуда!

Итак, простые, казалось бы, правила сохраняются исключительно в пределах двух периодов, потом – весьма существенные изменения. И это на множестве всего-то семи периодов и восьми групп! Такую изменчивость правил не назовёшь простой и наглядной. А ведь эти качества очень важны и для учебного пособия, а главное – для мировоззрения.

Примечательно, что указанные сложности привнесены в систему позже из-за главного внимания к валентности элементов. А в опубликованной 150 лет назад исходной рукописи великого русского химика «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» их нет.

Удивительно, как удалось Дмитрию Ивановичу разглядеть периодичность системы при весьма существенных помехах. Во-первых, элементов к тому времени знали почти вполовину меньше, чем сейчас. Нейтральные газы и вовсе отсутствовали, а это – целая группа (и колонка в таблице)! Во-вторых, ещё не было знаний о заряде атомного ядра, по которому теперь нумерованы элементы системы. Значения же атомных масс, определяемые по соотношениям в химических реакциях, были не просто неточны, а порой ошибочны в несколько раз: вдвое, а то и втрое! И никакого представления об изотопах, легко объясняющего теперь, почему массы атомов немного отличны от величин, кратных массе атома водорода. А в-третьих, изменчива и сама основа химического сходства – валентность. Известно, что одни и те же элементы образуют вещества, выступая с разными значениями валентности. Окиси и закиси, например.

Перечисленные помехи привели к отдельным ошибкам – помещении некоторых элементов не в ту группу. Но это не помешало Д.И. Менделееву не только исправить отдельные неточности в определении атомных весов ряда известных элементов, но и указать ещё неоткрытые элементы. И три из им предсказанных – настоящие «национальные достояния»: галлий, германий и скандий!

Изначально в системе совсем не восемь групп школьной таблицы, а девятнадцать, что гораздо ближе к современным четвёртому и пятому периодам, состоящим из восемнадцати элементов. Действительно, Д.И. Менделеев получил бы восемнадцать групп, если бы:

Принципиально то, что Дмитрий Иванович понимал существенные отличия свойств (к примеру, кальция и цинка) и не стремился уложить все элементы в восемь групп валентности.

После получения первых представлений о заряде ядра атома сняты любые сомнения в общей последовательности элементов. Теперь вариантов представления системы элементов уже почти полтысячи: плоских и объёмных, круглых и спиральных, и даже – с кружевами лепестков! Есть поворачиваемые вручную и движущиеся! Казалось бы, можно подбирать и на вкус, и на цвет. Но если задача состоит не только в сравнении свойств отдельных групп элементов, а в получении целостного образа, то нужен верный выбор, так как система построения элементов – ключ к структуре атомного ядра, и тем самым – одна из важных моделей нашего мира. Одно из требований к системе – однозначность размещения элементов. Другое — способность расширения, по возможности – неограниченно.

Проблемным всё ещё остаётся место второго элемента системы. Сообразно свойствам химики стремятся поместить гелий направо, в конец строки (в группу инертных газов), а физики – налево, в начало (сообразно типу электронных оболочек). Это можно назвать следствием неоднозначности «монтажа» первой, самой короткой, строки таблицы над второй. Пустота середины строки провоцирует на возможные смещения вправо и водорода, как гелия. Но Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) в качестве основного утверждён длинный вариант (длиннопериодная форма) со строкой в восемнадцать групп элементов, в котором водород и гелий занимают крайние левую и правую позиции. Никаких подгрупп уже нет, но лантаноиды и актиноиды остаются в подвале. Причём для будущего развития сделан отчаянно смелый шаг – подвал стал трёхэтажным, и третий, нижний, этаж назван суперактиноидами.

В предложенном Гленом Теодором Сиборгом в конце шестидесятых годов прошлого века расширенном варианте системы гелий помещён после водорода потому, что отнесён к атомам с электронными оболочками группы 1s2. В этом варианте таблицы выделенные цветные блоки отражают последовательность заполнения энергетических уровней электронами: сначала заполняются s, затем – p, потом d и f. Количество электронов на уровнях определено квантовыми числами и в результате приводит к конкретным длинам периодов системы.

В изображении чётко видно, как нарастает длина пар периодов. Элементов в строках: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Как в задачке, где надо найти закономерность. И её уже нашли! 2 = 2*12, 8 = 2*22, 18 = 2*32, 32 = 2*42! Что ещё возрастает так же? Площадь квадрата в зависимости от длины стороны? – Тогда из элементов можно сложить квадратную пирамиду, похожую на те, что в Египте, а скорее – на те, что в Мексике. Но есть объяснение получше: пропорционально квадрату радиуса растёт площадь поверхности объёмных тел. Например, куба или сферы. Это как раз подходит для структуры атомного ядра. Каждая пара слоёв протонов уложена на своём удалении от центра атома, и рост – тот, что надо! Следовательно, плотность укладки протонов одинакова для всех слоёв.

Есть и простор для развития – легко указать длину будущих строк таблицы: ...50, 50, 72, 72, 98, 98, 128, 128, 162, 162 и так далее... Что существенно, сколько угодно далее! Квадратичная зависимость заполнения слоёв – свидетельство трёхмерности нашего мира. И указывает на то, что вследствие невозможности неискажённого отображения поверхности сферы на плоскость любые двумерные интерпретации таблицы элементов обладают неточностями.

Неувязочка в поиске закономерности, правда, есть. Почему среди длин периодов всех чисел по два, а двойка – одна?

Самый простой ответ (для ленивых разумом): оставить, как есть. Из правил бывают исключения, и для начала периодической таблицы могут быть.

Есть и другой, посложнее: добавить строку из двух элементов. После гелия нельзя, там – литий. А почему бы не перед водородом?

Ноль – тоже число: интересно бы поискать элементы с нулевой массой ядра или с кулевым его зарядом. Позитрон (массой равный электрону, но положительно заряженный) иногда образует пару с электроном – как ядро, и атомная масса такого квазиатома почти равна нулю (в атомных единицах). А вещество с единичной массой ядра и нулевым зарядом существует – нейтронные звёзды!

Конечно, эти вещества не встречаются на Земле. Позитроний довольно быстро распадается, а нейтронные звёзды живут при гигантских давлениях и температурах. Но ограничения на какие-либо условия включения элементов в таблицу нигде никем не указаны. Так что два кандидата в нулевую строчку системы вполне реальны: позитрон и нейтрон.

Правда, пока как химические элементы они не признаны. И трудности для такого признания понятны. Например, неоднозначна последовательность этих экзотических элементов: если по возрастанию заряда ядра, то первым должен стоять нейтрон, а если по возрастанию массы, то – позитрон. И нарушено соответствие номеров заряду ядра! С номерами будет в порядке, если, как тоже предлагали, вместо позитрона взять электрон, но псевдоядро с отрицательным зарядом – нонсенс...

Иное решение – без экзотики, для пытливых. Всё-таки здорово, что уже придумано множество вариантов системы! Среди них есть левосторонняя система Шарля Жанета, версия которой ADOMAH Periodic Table удобна для описания электронной конфигурации атомов. Там по паре элементов из начала каждой последующей строки перенесены в конец предыдущей. Щелочные и щелочноземельные металлы (элементы I и II групп) не начинают период, а завершают его.

Водород, правда, попал в одну группу с фтором и хлором. Но такая тенденция есть и в исходной короткой версии таблицы (именно там водород обозначен в скобках). Значит, химики полагают это вполне допустимым. Более того, раскраска по химическим свойствам показывает, что соответствие свойств в группах – не такое уж строгое.

Невероятно, но искомое решение представляется очевидным! Поднять водород вместе с гелием на строку выше, сдвигая на две клетки вправо. Тогда он снова встанет над литием, а периодов длиной в два элемента станет тоже два, как и всех других. Общая нумерация периодов остаётся неизменной.

Кстати, такая же картина получится из расширенной системы Глена Сиборга. Более того, там уже содержится подсказка в описании цветных блоков. Сопоставим последовательность их перечисления в описании к таблице и размещение на рисунке: s – самый левый (четвёртый справа), p – самый правый, d – второй справа, f – третий справа. А если всю колонну из двух первых столбцов (красный блок «s») переместить вправо и поднять на строку выше, то перечисление блоков станет нормальным: всё время справа налево.

Удача полученной формы и в том, что ровный, отвесный обрез таблицы теперь только с правой стороны, а все удлинения строк (и ступеньки в таблице) – по левому её краю. При этом наиболее давно известные элементы – правее и выше. Это, кстати, соответствует психологии восприятия: главное внимание обычно смещено от центра как раз к правому верхнему углу.

Итак, что в итоге? Получено общее представление об объёмной структуре атомных ядер, где плотность упаковки протонов во всех слоях одинакова и практически не зависит от атомной массы. Показана невозможность построения таблицы элементов на плоскости без искажений реальности трёхмерной структуры.

Но логический синтез идей расширенной системы Г. Сиборга и левосторонней Ш. Жанета позволяет при минимуме изменений с сохранением исходной нумерации периодов построить дополненную нулевым периодом рациональную систему элементов, в наибольшей мере отражающую современные представления о структуре материи и никак не ограниченную в дальнейшем развитии.

Возвращаясь к утверждённой в качестве основной длиннопериодной форме с трёхэтажным подвалом, обратим внимание на существенную её неточность.

Общая длина следующего, восьмого периода составит 50 элементов. Следовательно, 18 элементов, непосредственно следующих за оганесоном и двумя последующими за ним элементами, суперактиноидами не будут! В частности, это относится и к потенциальным целям синтеза – например, элементу под номером 123. Было бы серьёзной ошибкой считать его экапротактинием. На этом месте ниже элемента 91, протактиния, будет стоять элемент с номером на 50 единиц больше протактиния, то есть элемент 141, унквадруний!

Полученная лестница периодов с одинаковой высотой ступени в две единицы похожа на искажённый прямоугольный треугольник, у которого вместо гипотенузы – парабола. Словом, таблицей и не назовёшь! Да и сам Д.И. Менделеев не называл своё творение таблицей, а чаще использовал менее ограниченное понятие – система. Действительно, именно применение относящегося к плоскому мышлению слова «таблица» привело к наибольшим трудностям: отсутствию перспективы, зажатости формы, вынужденному введению подгрупп валентности, некорректным ассоциациям свойств отдельных элементов.

Для будущих искателей вместе с полезной моделью остаются нерешённые вопросы. Если раскрасить клетки по значениям валентности, видны повторения последовательных значений валентности (чёткие в d-блоке и менее явные в f-блоке). Видны и отдельные диагональные черты сходства химических свойств, иногда как бы изгибающие одноцветные группы от вертикали. Причём всегда в одну сторону – вправо. Значит, этот процесс не случаен. Кстати, он отражён и на раскраске таблицы Ш. Жанета. А чем вызваны отличия групп валентности в таких парах строк, как лантаноиды и актиноиды, между собой? Эти и подобные им задачи наверняка привлекательны как для изучающих химические свойства элементов, так и для исследователей структуры атомного ядра. И в этом тоже достоинство модели: она не только с успехом отвечает на многие старые вопросы, но и наглядно помогает ставить новые.