Принято считать, что периодический закон был открыт Дмитрием Иванови­чем Менделеевым 1 марта (17 февра­ля по старому стилю) 1869 г. Эта дата стала привычной. А в действительно­сти тогда имело место другое событие.

Тридцатилетний профессор Санкт-Петербургского университета к вече­ру этого дня завершил разработку таблицы «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и хи­мическом сходстве».

Этот небольшой листок обычной писчей бумаги относится к числу наиболее ценных документов в исто­рии человечества. Ныне он хранится в Музее-архиве Д. И. Менделеева при Санкт-Петербургском университете. Учёный отпечатал в типографии от­тиски «Опыта системы...» с заглавия­ми на русском и французском языках и разослал их своим отечествен­ным и зарубежным коллегам. Внизу оттиска на французском языке стоя­ла дата по европейскому календарю: «1.Ш. 69». Вот почему, вероятно, с ней и стали связывать открытие пе­риодического закона.

«Опыт системы...» — ещё прообраз будущей естественной системы эле­ментов. Только спустя два года она приобрела законченный вид.

Автограф полной таблицы элементов Д. И. Менделеева, переписанной набело для отправки в типографию 17 февраля 1869 г.

Листок с «Опытом системы элементов» Д. И. Менделеева, отпечатанный на французском языке для рассылки иностранным учёным.

Но ни о какой формулировке за­кона 1 марта 1869 г. не было и речи. Лишь в статье «Соотношение свойств с атомным весом элементов», напи­санной спустя четыре дня, Менделе­ев делает вывод: «Элементы, располо­женные по величине их атомного веса, представляют явственную пери­одичность свойств».

Два с лишним года учёный посвя­тит созданию основ учения о перио­дичности. Он введёт представление о периодах — малых и больших — и о группах системы элементов. Назо­вёт её периодической. И даст, нако­нец, чёткую формулировку закона:

Измеримые физические и химические свойства эле­ментов стоят в периодиче­ской зависимости от атом­ных весов элементов.

Опираясь на систему, Менделеев совершит то, что впоследствии фи­лософы и историки науки назовут научным подвигом: предскажет суще­ствование и свойства нескольких, неизвестных ещё элементов — буду­щих галлия, скандия и германия. Так в химии начнётся эпоха научного прогнозирования.

Закон и система далеко не сразу получили признание научного сооб­щества, а только после того как были открыты три предвиденных элемен­та. Но оставалось немало нерешённых проблем. Да и новые достижения науки заставляли усомниться: а так ли всё гладко в таблице Менделеева?

Серьёзные трудности преподнес­ло ей открытие благородных газов, казалось бы, неспособных вступать в химические реакции, и множества (более 30) так называемых радиоэле­ментов, для которых в системе не хва­тало вакантных мест. (Впоследствии выяснилось, что это изотопы ограни­ченного числа элементов: радия, то­рия, свинца, висмута и др.) Было не­известно, существуют ли в природе элементы легче водорода и тяжелее урана. Кроме того, царила неразбери­ха в области редкоземельных элемен­тов: никто не мог объяснить, почему они так похожи друг на друга и сколько же их всего — этих химических близнецов?

Свойства элементов и обра­зуемых ими соединений на­ходятся в периодической за­висимости от зарядов ядер их атомов.

Выяснилось, сколько элементов должно располагаться в промежутке между водородом и ураном — четко определёнными нижней и верхней границами системы — и сколько ещё остаётся не открытыми. Наконец, бы­ла разработана теория периодиче­ской системы.

С тех пор сколь либо принципи­альных изменений таблица Менделе­ева не претерпевала.

 Титульный лист первого издания книги А. И. Менделеева «Основы химии».

равняется удвоенному квадрату нату­рального числа:



 

Двойка — первое среди простых чи­сел — оказывается своеобразным «ме­трономом», задающим определённый ритм построению периодов.

Согласно разработанной в 20-х гг. XX в. теории периодической системы, в атомах существуют оболочки и подоболочки, содержащие электроны, максимально возможное количество которых выражается формулой 2n² 

(n — так называемое главное кванто­вое число, номер оболочки, соответ­ствующий номеру периода). Оболоч­ки (уровни) иногда обозначают латинскими буквами К, L, M, N, О, Р, Q. Они способны вместить соответст­венно 2, 8, 18, 32... электрона. Каждая оболочка состоит из нескольких подоболочек (подуровней), которые обо­значаются s, р, d, f, g... Число подоболочек совпадает с номером оболочки. Максимальные количества электро­нов на s-,p-, f-подуровнях равны 2, 6, 10, 14... и определяются по форму­ле 2(2l- 1), где l — орбитальное кван­товое число (для s-подоболочки l=1, для p — 2, для d — 3 и т. д.).

У каждого следующего элемента количество электронов увеличивает­ся на один. А поскольку в каждом пе­риоде у атомов добавляется новая

электронная оболочка, самой простой схемой построения системы пред­ставляется такая, где на протяжении периода оболочка равномерно запол­няется до максимальной ёмкости.

Это и наблюдается в первом и вто­ром периодах. К началу третьего периода К- и L-уровни (n=1 и n=2) оказываются завершены.

Следуя этой логике, можно ожи­дать окончательного заполнения M-оболочки (n = 3, 18 электронов) у элементов третьего периода. Но эле­ментов в этом периоде только восемь. Поэтому все десять вакантных мест d-подуровня пустуют. В четвёртом периоде (n=4) у калия и кальция на­чинается заполнение s-подоболочки четвёртого, N-уровня, а вот последу­ющие десять элементов (от скандия до цинка) завершают построение d-подоболочки предыдущего, третье­го уровня (n=3). Последние шесть элементов периода доводят р-подуровень N-уровня до завершённого вида.

Однако на этом уровне остаются ещё две подоболочки — d и f . Заполнение первой из них состоится в пятом, а второй — в шестом периоде.

Заселение электронных подуров­ней в пятом периоде происходит аналогично четвёртому: d- и f-подоболочки ожидают своей очереди и будут застраиваться в последующих периодах.

Шестой период знаменателен тем, что в нём начинается насыщение f-подоболочки N-уровня. Третий по счёту элемент периода — лантан — получает электрон на d-подоболочку О-оболочки (n=5), а затем у элемен­тов с 58-го по 71-й (церий — люте­ций) заполняется  f-подуровень чет­вёртого, N-уровня. Это семейство из 14 элементов (по числу f-электронов) получило название «лантаниды», т. е. «следующие за лантаном» (подробнее см. статью «Многодетное семейст­во»). Начиная с гафния, традиционная схема повторяется: d-подуровень Р-уровня (n=6) постепенно заселя­ется электронами, и в последних шести клетках шестого периода до­страивается 6p-подоболочка.

В седьмом, неоконченном перио­де семейство элементов, у которых происходит заполнение f-подоболочки P-уровня, следует за актинием и носит название «актиниды».

Общую последовательность фор­мирования электронных конфигу­раций атомов в периодах по мере увеличения Z можно записать в виде: 1s®2s®2p®3s®3p®4s®3d®4p®5s® ®4d®5p®6s®5d, 4f®6p®7s®6d, 5f®7p.

Эта схема получила обоснование в рамках методов квантовой механики. В соответствии с её представлениями на смену оболочкам и подоболочкам пришли понятия «энергетический уровень» и «подуровень». Однако и прежние термины продолжают ис­пользоваться для объяснения явления периодичности.

Таким образом, начиная с четвёр­того периода, в атомах происходит «ступенчатое» заполнение электрон­ных оболочек и подоболочек В зави­симости от того, какая именно под-оболочка заполняется у данного элемента, его относят к s-, р-, d- или f-элементам. В приведённых таблицах соответствующие им клетки окраше­ны в разные цвета: красный (s), жёл­тый (р), синий (d) и зелёный (f).

Великое множество раз воздавали хвалу периодической системе химики и физики, историки науки и филосо­фы. «Вероятно, это самый компактный и полный значения сгусток знания, ко­гда-либо изобретённый человеком», — сказал знаменитый американский аст­роном Харлоу Шепли (1885—1972). Не преувеличивал ли её значение че­ловек, далёкий от химических реалий? Ни в коем случае. Разве что прила­гательное «изобретённый» выбрано не очень удачно. Периодическую си­стему нельзя было «изобрести».

Она является уникальным «банком данных», поскольку содержит богатей­шую информацию о свойствах хими­ческих элементов, формах их соеди­нений, закономерностях построения электронных конфигураций атомов. Система — это графический (таблич­ный) «образ» периодического закона, не имеющего количественного выра­жения в виде какой-либо математиче­ской формулы или уравнения.

Всего в семи периодах таблицы 118 клеток. Но только в 109 стоят символы элементов и записаны их названия.

Химические элементы распро­странены в природе весьма неравно­мерно. Более 99% от массы земной коры составляют всего девять элемен­тов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, маг­ний и титан). Все они расположены в верхней части периодической сис­темы. Здесь же находятся элементы-органогены — углерод, водород, азот, кислород.

В свободном виде подавляющее большинство элементов — твёрдые при комнатной температуре вещества. Жидкими являются бром и ртуть, газо­образными — водород, азот, кислород, фтор, хлор и благородные газы.

Издавна принято подразделять элементы на металлы и неметаллы, хотя резкой границы между ними провести нельзя. Металлами являют­ся все s-элементы (кроме водорода и гелия), d- и f-элементы. Среди р-элементов чётко выраженных метал­лов — десять, остальные — неметал­лы (к последним принадлежат и 1s-элементы — водород и гелий).

В главных подгруппах содержат­ся исключительно s- и p-элементы, в побочных — d-элементы. У элемен­тов главных подгрупп заполняется внешняя электронная оболочка, у элементов побочных — предшеству­ющие. Проблема размещения f-элементов (лантанидов и актинидов) решается по-разному в зависимости от формы таблицы Менделеева. Лантаниды по своим свойствам соответ­ствуют IIIB-подгруппе. К ней «при­писываются» и актиниды, хотя их химия отличается гораздо большим разнообразием.

Особенности изменения свойств элементов в подгруппах описаны в со­ответствующих статьях настоящего тома. В малых (первый — третий) и больших (четвёртый — седьмой) пе­риодах с ростом Z свойства изменяют­ся по-разному. Первый содержит лишь два неметалла — Н и Не. Завершённая K-оболочка у гелия весьма прочна, чем и объясняется его полная химиче­ская инертность. Во втором (Li — Ne) и третьем (Na — Ar) периодах наблю­дается резко выраженное ослабление металлических свойств и нарастание неметаллических. Устойчивые восьмиэлектронные внешние оболочки Ne и Ar также обусловливают неспособ­ность этих элементов образовывать химические соединения. В четвёртом (К — Kr) и пятом (Rb — Xe) s- и р-элементы разделены «вставками» из 10 переходных металлов, d-элементов.

У элементов больших периодов смена металлических свойств неме­таллическими происходит более плав­но. В атомах тяжёлых благородных га­зов s- и р-электроны внешнего слоя способны переходить на вакантные d-орбитали, поэтому удалось получить немало соединений этих элементов, главным образом, ксенона. В шестом периоде (Cs — Rn) к неметаллам оп­ределённо относится только радон, тогда как у астата металлические свой­ства проявляются уже довольно отчёт­ливо. Наконец, в седьмом периоде (Fr — 118) лишь завершающий эле­мент, по-видимому, также должен бы оказаться единственным неметаллом. Таким образом, для элементов этих двух периодов металлическое состо­яние становится существенно преоб­ладающим.

Все химические элементы про­изошли в результате космических процессов ядерного синтеза задолго до того, как образовалась Солнечная система. Существующие на Земле эле­менты различаются по своему проис­хождению. Те, что имеют стабильные или только радиоактивные, но долгоживущие изотопы (торий и уран), можно назвать первичными. Естественные радиоактивные элементы, входящие в радиоактивные «семейст­ва», являются вторичными. Периоды полураспада их изотопов гораздо меньше возраста нашей планеты; по­этому их первоначальные «запасы» уже давным-давно исчезли. Теперь эти элементы постоянно образуются как продукты последовательных ра­диоактивных распадов урана и тория. Периодическая система стала важ­нейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие «хи­мический элемент» и были уточнены представления о простых веществах и соединениях.