Періодична система хімічних елементів

Періодична система хімічних елементів — класифікація хімічних елементів, що встановлює залежність різних властивостей елементів від заряду їхнього атомного ядра. Періодична система хімічних елементів є графічним виразом періодичного закону — який визначає, що властивості хімічних елементів, простих речовин, а також склад і властивості сполук, перебувають у періодичній залежності від значень зарядів ядер атомів. Її початковий варіант, що базувався на періодичній залежності властивостей хімічних елементів від значень атомних мас, був розроблений російським та німецьким хіміками Д. І. Менделєєвим та Лотаром Маєром у 1869—1871 роках^[1][2]. За цю розробку у 1882 році обидва хіміки отримали Медаль Деві від Лондонського королівського товариства. Всього запропоновано кілька сотень варіантів зображення періодичної системи (аналітичні криві, таблиці, геометричні фігури і т. ін.). У сучасному варіанті системи передбачається зведення елементів в двовимірну таблицю, в якій кожен стовпець (група) визначає основні фізико-хімічні властивості, а рядки є періоди, в певній мірі подібні один одному.

Загальна характеристика

Впорядковане за зростанням атомного номера розташування елементів у вигляді таблиці. У комірках періодичної таблиці розміщено інформацію, яка включає символ елемента та атомний номер, крім того там може бути назва елемента національною мовою та атомна маса ізотопів елемента. Порядковий номер елемента при тому відповідає позитивному зарядові атомного ядра, а номер періоду відповідає максимальному головному квантовому числу n. Ряд елементів, які відповідають однаковому максимальному головному квантовому числу n, становлять період.

Такі горизонтальні ряди, розташовані певним чином один під одним, утворюють вертикальні стовпці елементів, що називаються групами, в яких хімічні і фізичні властивості елементів змінюються по вертикалі закономірно. Запропоновані різні формальні представлення періодичної системи елементів, але найпопулярнішим є зображення у вигляді таблиць, яких є три — коротка, довга та дуже довга.

У періодичної таблиці елементів, що представлена у короткому вигляді, довгі періоди розділені на два горизонтальних ряди. Короткі періоди і розділені періоди розташовані один під одним. Вертикальні стовпці становлять групи. Кожна група має дві підгрупи — головну та побічну, а номер групи збігається з кількістю електронів на зовнішньому електронному шарі в атомах елементів перших двох періодів. Елементи головної групи мають однакову кількість валентних електронів і подібні хімічні властивості, які закономірно посилюються чи послаблюються згори вниз у межах групи.

У періодичної таблиці елементів, що називають довгою, періоди безрозривно розташовуються один під одним, утворюючи вертикальні групи, яких налічується 18. Кожна група характеризується однаковим числом електронів на верхніх заповнюваних орбіталях. У кожній такій групі хімічні і фізичні властивості елементів змінюються закономірно по вертикалі. Групи утворюють блоки (s, p, d, f), які відповідають заповненню верхніх s, p, d, f-електронних орбіталей.

Дмитро Менделєєв та Лотар Маєр

У цьому ж десятилітті з’явилося ще кілька спроб систематизації хімічних елементів; ближче всього до остаточного варіанту у 1864 підійшов Лотар Юліус Маєр (1830—1895). У своїй книзі «Сучасні теорії хімії та їх значення для хімічної статики» (нім. “Die modernen Theorien der Chemie und ihre Bedeutung für die chemische Statik”) він впорядковує відомі на той час елементи за значеннями їх відносної атомної маси у таблицю. У наступному виданні книги 1870 року з’являється вдосконалена таблиця періодичної системи елементів^[4].

Менделєєв опублікував свою першу схему періодичної таблиці у 1869 р. у статті «Співвідношення властивостей з атомною вагою елементів» (у журналі Російського хімічного товариства); ще раніше (лютий 1869 р.) наукове повідомлення про відкриття було ним розіслано провідним хімікам світу.

Написавши на картках основні властивості кожного елемента (їх у той час було відомо 63, з яких один — Дідим (Di) — виявився згодом сумішшю двох знову відкритих елементів празеодиму та неодиму), Менделєєв почав багаторазово переставляти ці картки, складати з них ряди схожих за властивостями елементів, зіставляти ряди один з іншим. Підсумком роботи став відправлений у 1869 році до наукових установ Росії та інших країн перший варіант системи («Досвід системи елементів, заснованої на їхній атомній вазі і хімічній подібності»), у якому елементи були розставлені у дев’ятнадцятьох горизонтальних рядах (рядах подібних елементів, які стали прообразами груп сучасної системи) та у шістьох вертикальних стовпцях (прообразів майбутніх періодів). У 1870 році Менделєєв у «Основах хімії» публікує другий варіант системи («Природну систему елементів»), котра має звичніший для нас вигляд: горизонтальні стовпці елементів-аналогів перетворилися у вісім вертикально розташованих груп; шість вертикальних стовпців першого варіанту перетворилися у періоди, що розпочиналися лужним металом і закінчувалися галогеном. Кожен період був розбитий на два ряди; елементи різних рядів, що увійшли до групи, утворили підгрупи.

Сутність відкриття Менделєєва полягала у тому, що зі зростанням атомної маси хімічних елементів їхні властивості змінюються не монотонно, а періодично. Після певної кількості різних за властивостями елементів, розташованих за зростанням атомної ваги, властивості починають повторюватися. Наприклад, натрій схожий на калій, фтор схожий на хлор, а золото схоже на срібло і мідь. Зрозуміло, властивості не повторюються в точності, до них додаються і зміни. Відмінністю роботи Менделєєва від робіт його попередників було те, що основ для класифікації елементів у Менделєєва була не одна, а дві — атомна маса і хімічна схожість. Для того, щоб періодичність повністю дотримувалася, Менделєєвим були зроблені дуже сміливі кроки: він виправив атомні маси деяких елементів (наприклад, берилію, індію, урану, торію, церію, титану, ітрію), кілька елементів розмістив у своїй системі всупереч прийнятим у той час уявленням про їх схожість з іншими (наприклад, талій, що вважався лужним металом, він помістив у третю групу згідно з його фактичною максимальною валентністю), залишив у таблиці порожні клітини, де повинні були розміститися поки не відкриті елементи. У 1871 році на основі цих робіт Менделєєв сформулював періодичний закон, формулювання якого з часом було уточнене та змінене.

Наукова достовірність періодичного закону отримала підтвердження дуже скоро: у 1875–1886 роках були відкриті галій (екаалюміній), скандій (екабор) і германій (екасіліцій), для яких Менделєєв, користуючись періодичною системою, передбачив не тільки можливість їх існування, але й, з разючою точністю, цілий ряд фізичних і хімічних властивостей. У 1882 Лондонське королівське товариство присудило золоті медалі Деві з формулюванням «За відкриття періодичних співвідношень атомних ваг» спільно Менделєєву і Маєру.