«Надстройки» и «развитие» периодической системы
В настоящей статье мы хотели бы подробно рассмотреть следующие вопросы: какие пути упрочнения периодической законности видел сам Менделеев? как они реализовывались в действительности? в каком направлении могут развиваться представления о периодичности в будущем?...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Украинский химический журнал |
|---|---|
| Datum: | 1984 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
1984
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/183196 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | «Надстройки» и «развитие» периодической системы / Д.Н. Трифонов // Украинский химический журнал. — 1984. — Т. 50, № 2. — С. 120-128. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-183196 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Трифонов, Д.Н. 2022-02-05T19:39:38Z 2022-02-05T19:39:38Z 1984 «Надстройки» и «развитие» периодической системы / Д.Н. Трифонов // Украинский химический журнал. — 1984. — Т. 50, № 2. — С. 120-128. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0041–6045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/183196 541.9 В настоящей статье мы хотели бы подробно рассмотреть следующие вопросы: какие пути упрочнения периодической законности видел сам Менделеев? как они реализовывались в действительности? в каком направлении могут развиваться представления о периодичности в будущем? ru Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України Украинский химический журнал К 150-летию со дня рождения Д.И. Менделеева «Надстройки» и «развитие» периодической системы «Supcrstructures» and «Development» of the Periodic System Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
«Надстройки» и «развитие» периодической системы |
| spellingShingle |
«Надстройки» и «развитие» периодической системы Трифонов, Д.Н. К 150-летию со дня рождения Д.И. Менделеева |
| title_short |
«Надстройки» и «развитие» периодической системы |
| title_full |
«Надстройки» и «развитие» периодической системы |
| title_fullStr |
«Надстройки» и «развитие» периодической системы |
| title_full_unstemmed |
«Надстройки» и «развитие» периодической системы |
| title_sort |
«надстройки» и «развитие» периодической системы |
| author |
Трифонов, Д.Н. |
| author_facet |
Трифонов, Д.Н. |
| topic |
К 150-летию со дня рождения Д.И. Менделеева |
| topic_facet |
К 150-летию со дня рождения Д.И. Менделеева |
| publishDate |
1984 |
| language |
Russian |
| container_title |
Украинский химический журнал |
| publisher |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
«Supcrstructures» and «Development» of the Periodic System |
| description |
В настоящей статье мы хотели бы подробно рассмотреть следующие вопросы: какие пути упрочнения периодической законности видел сам Менделеев? как они реализовывались в действительности? в каком направлении могут развиваться представления о периодичности в будущем?
|
| issn |
0041–6045 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/183196 |
| citation_txt |
«Надстройки» и «развитие» периодической системы / Д.Н. Трифонов // Украинский химический журнал. — 1984. — Т. 50, № 2. — С. 120-128. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT trifonovdn nadstroikiirazvitieperiodičeskoisistemy AT trifonovdn supcrstructuresanddevelopmentoftheperiodicsystem |
| first_indexed |
2025-11-27T07:44:35Z |
| last_indexed |
2025-11-27T07:44:35Z |
| _version_ |
1850806850636742656 |
| fulltext |
и 150-Jl8ТИIO СО АНЯ РОЖДЕНИЯ 1. И. МЕНДЕЛЕЕВА
~"ДK 541.9
«НАДСТРОИКИ» И «РАЗВИТИЕ»
ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Д. Н. Трифонов
в своем дневнике Д. И. ~lенделеев записал 10 июля 1905 г.: «Будущее
не грозит периодическому закону разрушением, а только надстройки
и развитие обещает». Эти слова великого ученого впоследствии много
кратно оправдывались. В настоящей статье мы хотели бы подробно
рассмотреть следующие вопросы: какие пути упрочнения периодической
законности видел сам Менделеев? как они реализовывались в действи
тельности? в каком направлении могут развиваться представления о
периодичности в будущем?
На 'протяжении длительного времени внимание ученых привлекала
проблема редкоземельных элементов (РЗЭ). Не находило объяснения
их исключительное химическое подобие, что существенно затрудняло
их рациональное размещение в периодической системе. Было неясно,
сколько РЗЭ действительно с-уществует в природе. Знаменательно, что
в период с 1880 по 1910 г. провозглашалось открытие по меньшей мере
100 (!) «новых» представителей редкоземельного семейства, но лишь
10 открытий оказались истинными - остальные были результатом экс-,
периментальных ошибок. Д. И. Менделеев крайне настороженно отно
сился к сообщениям об открытиях якобы новых рзэ. Даже в перио
дической системе элементов, помещенной в 8-м (последнем прижизнен
НОМ) издании «Основ химии» (1905 г.), содержались символы лишь
лантана, церия и иттербия. В примечании к таблице ученый указывал:
«Между Се= 140 и Та= 183 недостает целого большого периода, и рЯД.
редких элементов (изучение их не полно), например Pr= 141, Nd= 144,
Sm= 150, Еи= 152, Gd= 157, 'ГЬ= 160, Но= 165, Er=166, Ти=171 и
УЬ= 173, представляет, по современным сведениям, вес атома, как раз
восполняющий этот промежуток, а потому в указанном месте периоди
ческая система элементов представляет своего рода разрыв, требующий
новых изысканий» [1, с. 367].
Характерно, что Д. И. Менделеев всегда придерживался принципа:
каждому РЗЭ должно соответствовать одно, определенное место в си
стеме. Поэтому он осторожно отнесся к предложению Б. Браунера
«поместить все редкие металлы около Се, считая их атомный вес· от
140-183, в особую добавочную группу» [1, с. 336]. Между тем, идея
Б. Браунера [2] содержала зародыш современного приема размеще
ния РЗЭ в системе. Не принял Д. И. Менделеев и других предложений
о распределении РЗЭ (см. [3]). Подытоживая свою заключительную,
точку зрения, он констатировал: «Тут мое личное мнение еще ни на
чем не остановилась и тут я вижу одну из труднейших задач, представ
ляемых периодической законностью...» [1, с. 336].
Таким образом, в решении проблемы РЗЭ Менделеев видел одно
из главных направлений развития периодического закона. Контуры
этого решения стали вырисовываться уже после смерти ученого..
В 1908 г. Б. Браунер показал наличие «внутренней периодичности» в·
ряду РЗЭ [4], установив, что по характеру изменения определенных'.
свойств по мере увеличения атомного веса эти элементы могут быть
подразделены на две подгруппы (цериевую и иттриевую, по современ
ным представлениям). В 1914 г. Р. Мейер поместил «элементы редких.
120 УI<РАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ. 1984. Т. 50. Н2 2:
земель как целое в третью группу системы» [5] ~ то есть по существу
обосновал вариант размещения всех рзэ в клетке лантана - вариант,
являющийся в настоящее время общепринятым (если иметь ввиду КО
роткую форму системы). Благодаря работам, основанным на плане
тарной (ядерной) модели атома Э. Резерфорда (г. Мозли, Н. Бор), бы
ло установлено точное число редкоземельных элементов (вместе с
лантаном их оказалось 15) и объяснена причина их большого хими
ческого сходства. Элемент о Z = 61, который не удавалось обнаружить
в природе, был искусственно синтезирован в 1945 г.
В настоящее время химия РЗЭ представляет одну из интересней
ших областей неорганической химии. Их химическое поведение оказа
лось более разнообразным, чем представлялось прежде. Для церия,
празеодима, тербия известны достаточно устойчивые степени окисления
4+, а для самария, европия и иттербия - 2+; почти все РЗЭ могут
существовать в двухвалентном состоянии, причем для самария и евро
пия можно предполагать нестабильную степень окисления 1+. Эти
особенности лантана и лантаноидов объясняются спецификой электрон
ных конфигураций их атомов. Исследования спектров РЗЭ показали,
что построение 4f-подоболочки не происходит монотонно (от 1 до 14)
в атомах элементов от церия до лютеция; картина здесь оказывается
более сложной. Так, в конфигурации атома церия наряду с 4f-электро
ном содержится 5d-электрон; половинное заполнение 4f-ПQдоболочки
наблюдается у европия (конфигурация 6s 2 4f7) , тогда как у гадолиния
снова появляется 5d-электрон. Завершается построение 4f-подоболочки
у иттербия, а у следующего за ним лютеция начинается систематиче
ское заполнение 5d-подоболочки. Таким образом, в интервале Z =
= 57-71 наблюдается своеобразное явление «размывания периодично
сти» [6, 7], связанное с нарушением четких границ в заполнении 4f.. и
5d-подоболочек. В связи с этим ряд элементов лантан - лютеций ока
зывается целостной в химическом отношении совокупностью элементов,
чем, собственно, и оправдывается прием размещения их в одной клет
ке периодической системы; при этом лютеций является типичным
d-эле~lентом, а отнюдь не f-элементом, как это нередко ошибочно по ..
лагают, Тем не менее проблема рационального размещения РЗЭ в
периодической системе и. поныне вызывает дис-куссии, хотя, на наш
взгляд, вряд ли может быть предложено что-либо более совершенное,
чем принятый в настоящее время вариант. Существующее возражение,
что включение лантана и лантаноидов в одну клетку и вынесение ряда
лантаноидов в низ системы как бы отрывает их от других элементов,
представляется несостоятельным. В то же время принцип размещения
лантаноидов в длинной форме системы с-корее затушевывает действи
тельную специфику химического поведения 15 химических элементов
от лантана до лютеция.
Другая проблема заключалась в существовании так называемых
аномалий в последовательном увеличении атомных весов. В парах эле
ментов кобальт - никель, аргон - калий, теллур - нод атомный вес
предыдущего элемента больше, чем у последующего. Эти несоответ
ствия Д. И. Менделеев пытался объяснить тем, что величины атомных
весов кобальта, аргона и теллура были определены неточно, и даль ..
нейшие эксперименты все должны поставить на свои места. Некоторые
ученые в наличии указанных аномалий видели нарушение основного
принципа периодического закона. Однако Д. И. Менделеев, глубоко
убежденный в фундаментальности открытого им закона, считал воз
можным полагать, что даже если эти аномалии и сохранятся, то «при
дется усовершенствовать лишь одну частность периодического закона,
и его судьба не связана с 'Этою переменою» [1, с. 269]. Убежденность
~енделеева подтвердилась после физического обоснования периодиче
ского закона и открытия изотопов у многих стабильных элементов. По
современным воззрениям, аномалии объясняются большим содержани
ем тяжелых изотопов предшествующих элементов в парах. Здесь уме
стно отметить обстоятельство, существенное для глубокой оценки пе-
УКРАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ, 1984, Т. 50, N2 2 121
риодического закона. Оно заключается в том, что наблюдается четкая
симбатность в последовательностях изменения (увеличения) величин
атомных весов элементов и зарядов ядер их атомов (порядковых номе
ров элементов). В подобной симбатности в конечном счете и заключа
ется глубинная «подоплека» периодического закона. В самом деле,
если бы числа стабильных изотопов элементов и величины их распро
страненносгей изначально были бы иными, то аномалии могло быть
.значительно больше. В таком случае оказалось бы иным расположе
ние элементов соответственно возрастающим значениям их атомных
весов, и открыть закон периодичности было бы гораздо труднее. Одна
ко процессы нуклеосинтеза в звездах, подчинявшиеся определенным
ядерным закономерностям, протекали таким образом, что нуклидный
состав материи, из которой сформировалась Солнечная система, явля
ется именно таким, как нам известно, а не иным. В интерпретации дан
ного обстоятельства можно видеть одно из важнейших направлений
предполагавшихся Д. и. Менделеевым «развития» и «надстроек» пе
риодического закона, что имело место уже на «ядерном» уровне пред
ставлении о феномене периодичности (см. далее).
Открытие благородных газов (гелия, неона, аргона, криптона и
ксенона) и их размещение в периодической системе в качестве само
стоятельной нулевой группы в значительной степени способствовали
упорядочению множества химических элементов. Тем самым более
стройной стала структура системы и четче обозначились пробелы в
ней, соответствующие не открытым элементам. В заполнении этих про
белов Д. И. Менделеев видел еще одно усовершенствование периоди
ческого закона, что блестяще оправдалось уже при открытии предска
занных им галлия, скандия и германия. Эти пробелы отвечали анало
гам марганца в VII группе (будущим технецию и рению}, самому
тяжелому галогену (будущий астат), аналогу циркония (гафний), а
также недостающим элементам в начале седьмого периода. Указанным
предвидениям суждено было сбыться частично еще при жизни ученого.
Так, полоний, радий и актиний были открыты на рубеже столетий. Од
нако только символ радия Ra Д. и. Менделеев счел возможным поме
стить в периодическую систему, поскольку он с большой осторожно
стью подходил к оценке явления радиоактивности и многочисленных
последствий его изучения. Открытие протактиния относится к 1918 г.,
а франция - к 1939 г. Астат был искусственно синтезирован лишь в
1940 г. Предсказывая, с большей или меньшей полнотой, их свойства,
Д. и. Менделеев, однако, не мог предвидеть, что эти элементы явля
ются неусгойчивыми. Их открытие произошло благодаря не традици
онным химика-аналитическим или спектральным методам, а в резуль
тате применения нового радиометрического метода. Гафний и рений
последние из стабильных элементов, остававшихся еще неизвестными,
удалось обнаружить только в 20-е годы. Таким образом, к началу 40-х
годов периодическая система не содеР2Кала более пробелов в границах
между водородом и ураном (исключая, пожалуй, прометий, достовер
ное открытие которого относится к 1945 г.).
Проблемы границ периодической системы элементов всегда при
влекали пристальное внимание Д. и. Менделеева. Он неоднократно
высказывался относительно нижней границы в том плане, что водороду
могут предшествовать 'Элементы с атомным весом, меньше 1, и что пе
риодическая система не должна начинаться именно с водорода (см.
[8]). в 1902 г. Д. И. Менделеев написал весьма оригинальную по со-
держанию работу «Попытка химического понимания мирового эфира»,
в которой развил представление об эфире как о легчайшем инертном
химическом элементе, предшествующем водороду. Эфир он обозначил
символом Х и предложил для него название ньютоний, Для размеще
ния Х в периодической системе ученый впервые ввел в структуру си
стемы нулевой период. Хотя, как вскоре выяснилось, менделеевская
концепция химизма мирового эфира оказалась ошибочной) идея нуле
вого периода впоследствие нередко использовалась авторами многих
122 УКРАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ, 1984, Т. 50, N~ 2
модификаций графического изображения периодической системы.
Окончательно положение нижней границы периодической системы .оп
ределилось после физического обоснования периодического закона,
'когда главным образом благодаря работам г. Мозли было однознач-
но установлено, что ядро атома водорода имеет минимальный положи
тельный заряд Z = 1.
Гораздо сложнее обстоит дело с верхней границей периодической
'системы. Еще в 1871 г. в статье «IIериодическая законность химичес
ких элементов» Д. и. l\1енделеев писал: «Судя по ограниченности и,
так сказать, замкнутости системы известных поныне элементов, судя
ло тому, что В метеорных камнях, на Солнце и звездах существуют те
же элементы, которые мы знаем, судя по тому.. что при высоком атом
ном весе сглаживаются кислотные свойства элементов, и обращая вни
мание на окисляемые и тяжелые металлы, можно думать, что число до
ступных нам элементов очень ограниченно и если существуют немногие
новые тяжелые элементы внутри массы Земли, то их число и количество
очень ограниченно» [1, с. 157] о Впоследствие этот вопрос он нигде и
никогда не обсуждал. Правда, во многих таблицах элементов, прило
женных к разным изданиям «Основ химии» И работам Д. и. Менделе
ева по периодическому закону, после символа урана имеется то или
иное количество прочерков, что, казалось бы, можно интерпретировать
как предсказание существования трансурановых элементов, Однако,
как было показано [8], Д. и. Менделеев отнюдь не вкладывал в эти
прочерки какого-либо конкретного содержания и лишь пытался при
дать системе дополнительную симметрию, не желая резко обрывать
·ее на уране. Характерно, .что после того, как ученый в 1902-1903 1'1'.
попытался разобраться в природе радиоактивности, прочерки в табли
цах после урана исчезли. Косвенно можно предполагать, что Менде
леев интерпретировал отсутствие в природе элементов тяжелее урана
их сильной радиоактивностью. Однако документальных подтверждений
на сей счет нет.
В 8-м издании «Основ химии» До и. Менделеев обращает особое
'внимание на уран как на элемент, завершающий периодическую систе
му: «Между всеми известными химическими элементами уран выда ..
ется тем, что обладает наивысшим атомным весом ... и кругом него нет
известных элементов 0.0 Этим обстоятельствам ныне, когда периодиче
ская система элементов оправдывается с разнообразнейших сторон,
мне кажется, должно приписать немалое значение для того интереса,
который очевидно возрастает по отношению к урану, особенно о тех
пор, как с ним оказались связанными два из важнейших-во множестве
отношений- открытия физики и химии нашего времени, а именно от
крытие аргоновых элементов (особенно гелия) и радиоактивных ве
ществ. Те и другие представляют своего рода неожиданность и край
ность, какими-то, еще глубоко сокрытыми способами связанные о край
ноетыо в эволюции элементов самого урана. Наивысшая, из известных,
концентрация массы весомого вещества в неделимую массу атома, су
ществующая в уране, уже априори должна влечь за собою выдающие
',СЯ особенности ... Убежденный в том, что исследование урана, начиная
е его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям,
я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований,
особо тщательно заниматься урановыми соединениями ...» [1, C~ 522
523]. В этих словах содержится одно из самых выдающихся предви
дений Д. И. Менделеева. Изучение урана действительно сыграло
огромную роль в эволюции теоретических и экспериментальных дости
жений ХХ столетия. С ураном связано открытие явления деления ядер
под действием нейтронов (1939 г.), явления спонтанного деления ядер
.( 1940 г.) - нового вида радиоактивных превращений, синтез первых
'трансурановых элементов (нептуния и плутония) (1940 г.) и, наконец,
решение проблемы практического использования ядерной энергии.
По существу, и поныне уран оказывается естественной верхней
границей периодической системы элементов, хотя обнаружение в при-
УКРАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ, 1984, Т. 50, N~ 2 123
роде следов нептуния и плутония дает некоторые основания передви
нуть эту границу на два ПОрЯДКОВЫХ номера вправо. Однако в отноше
нии искусственной верхней границы вопрос остается открытым. Синтез.
трансурановых элементов позволил продвинуться до значения Z = 107,.
а их ТIЦательное изучение показало, что явление периодичности в этой
области периодической системы приобретает чрезвычайно сложный ха
рактер, что было совершенно нево.зможно предвидеть на основании
лишь простой экстраполяции закономерностей периодической системы
в ее гипотетические области. В этом заключаются неожиданные «над
стройки» И «развитие» периодической системы элементов. Но вернем
ся к вопросу о том, где же располагается верхний предел числа
элементов.
По мере синтеза все более тяжелых трансурановых элементов ста
новилось ясным, что периоды полураспада даже самых долгоживущих
их изотопов резко уменьшаются, достигая десятых и сотых долей се
кунды. Существовавшие в середине 60-х годов теоретические оценки
приводили к выводу, что этот синтез будет ограничиваться значениями
Z= 108-110. Однако именно в это время появилась оригинальная гипо
теза о том, что в области некоторых больших значений Z и N (число
нейтронов) соответствующие им ядра будут обладать очень высокой
продолжительностью жизни по отношению к спонтанному делению, то
есть в гипотетических областях периодической системы как бы суще
ствуют «островки относительной стабильности» (оос) элементов (см.
[9-11] ). предполагавшиеся контуры «островков» соответствовали ве-
личинам 110, 114, 126 и 164 по Z и 184, 196- по N. Столь оптимистич
ные прогнозы вызвали к жизни многочисленные попытки синтеза и об
наружения в природе подобных «островных» элементов. Однако каких
либо достоверных результатов за истекшее время достигнуто не было,
и достоверность гипотезы ООС начинает все более подвергаться сом
нению.
Можно сказать, что ее появление для учения о периодичности име
ло и негативное и позитивное значение. Негативное заключается в том,
что вопрос о верхней границе системы элементов ныне является более
неопределенным, чем когда-либо. Когда система обрывалась на уране,
этому можно было дать убеждающее объяснение, основываясь на ис
чезновении трансурановых элементов в ранние периоды эволюции Зем
ли вследствие их высокой нестабильности. Когда порядковые номера
синтезируемых трансуранов превысили 100, казалось, в связи с теорети-
ческими представлениями, что искусственная верхняя граница системы
скоро будет достигнута. Гипотеза же ООС вселяла радужные надежды
на «прорыв» в области «сверхэлементов» С очень большими Z, но как.
мы уже отметили, пока она не подтвердилась ... И поэтому до сих пор
ничего нельзя сказать определенного относительно верхнего предела
существования атомных структур материи, которые, возможно, удастся
получить посредством ядерного синтеза. Фактически вопрос о верхней
границе системы оказывается еще более неясным, чем до начала эпохи
синтеза трансурановых элементов. Поэтому мы не можем составить
четкого представления о характере феномена периодичности во всей
его полноте, ибо не знаем конечного числа химических элементов, в·
той или иной степени способных к существованию.
Позитивное же состоит в следующем. Трансурановые элементы
«второй сотни» удавалось синтезировать в количествах, измеряемых
считанными атомами. Очевидно, на большее не.ПЬЗЯ было бы рассчи
тывать в случае успешного синтеза «сверхэлементов», относящихся к
оос. Химическая и физическая идентификация их атомов только в·
том случае могла бы оказаться реалистичной, если бы заранее сложи
лись определенные теоретические представления об их электронных
конфигурациях и важнейших свойствах. Возникновение гипотезы ООС
вызвало появление большого числа теоретических расчетов (осущесгв
ленных с помощью эвм и потому метко окрещенных «компьютерной
химией»), направленных на оценку свойств «сверхэлементов». Здесь.
124 УI(РАИНСl(Ий ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ, 1984. Т. 50, N'~ 2
оыли получены весьма неожиданные результаты, но прежде, чем рас
сказать об их сущности, остановимся на краткой характеристике хими
ческого поведения элементов е Z;;:::93, известных в настоящее время
[12·-14] .
Как известно, в 1944-1945 гг. г. Сиборг сформулировал свою
актиноидную концепцию, в соответствии с. которой ряд элементов с
Z=89-103 (5f-элементы) уподоблялся ряду лантаноидов с Z=58-71.
Размещение актиноидов в периодической системе достигалось так же,
как и в с-лучае лантаноидов, что и принято ныне в подавляющем боль
шинстве публикуемых вариантов системы. Однако сходство актиноидов
с лантаноидами даже в конце 40-х годов носило уже довольно фор
мальный характер. Дальнейшие исследования новых синтезируемых
трансурановых элементов еще более усугубили подобный формализм.
j{иапазон окислительных состояний актиноидов оказался несравненно
более широким, чем для лантаноидов. Сопоставлениесвойств 'Элементов
двух f-семейств привело к установлению неожиданных аналогий: в част
ности, было выявлено отчетливое сходство тяжелых актиноидов с лег
кими лантаноидамн,а также отмечен известныйпараллелизмзакономер
ностей в изменении свойств легких актиноидов и d-элементов предыду
щих периодов. Иначе говоря, принятое размещение актиноидов под
лантаноидами внизу таблицы Д. и. Менделеева выг.лядит ныне ана
хронизмом, и выбор иных «структурных мотивов» представляется це
лесообразным [15]. Необычная специфика химического поведения эле
ментов с Z>89 обусловливается проявлением фактора размывания пе
риодичности, более резко выраженным, чем в начале шестого периода.
Учитывая сказанное, обратимся к теоретическим прогнозам, осуще
ствленным в рамках «компьютерной химии». Расчеты проводились для
весьма протяженного интервала Z: от 104 до 172 [11, 16,17]. Получен
ные данные кое в чем противоречивы; в ряде случаев их парадоксаль
ность вызывала сомнения. В целом же нарисованная компьютерами
картина выглядит следующим образом.
Для неиавестной второй половины седьмого периода не предска
зывается аномалий в построении электронных конфигураций атомов,
хотя химия отдельных элементов в интервале Z = 110-118, по прогно
зам, может быть необычной. В восьмом периоде первая неожиданность
предполагается для элемента с Z=121: появление в электронной кон
фигурации 8р-электрона. Ранее это наблюдалось только у элементов
второго и третьего периодов (отметим, что для актиния из седьмого
периода электронная конфигурация 7s27pl не исключается из числа
возможных). У элемента с Z = 126 должен появиться второй 8р-элек
трон, и подобный дублет устойчиво сохраняется на протяжении боль
шого интервала Z. Расчеты предсказывают завершение восьмого пери
ода на элементе е Z =:; 164 (а не на элементе с Z = 168, как это следо
вало бы из простой экстраполяции). Совсем необычной выглядит
структура гипотетического девятого периода: 9s29p28p4, ибо сюда отно
сились бы р-элементы, отвечающие разным значениям главных кван
товых чисел. Девятый период оказывается, таким образом, аналогич
ным по строению второму и третьему периодам. Если принять данный
прогноз, то можно было бы допустить, что в области очень больших
значений Z периодическая система как бы сжимается, и ее структура
возвращается к ее началу: малым периодам, содержащим по восемь
элементов каждый. В целом же на отмеченном интервале порядковых
номеров явление размывания периодичности приобретает глобальный
характер. Тем самым каноническая структура периодической системы
должна была бы утратить свою стройность и симметрию, ибо отраже
ние предсказываемых свойств «сверхэлементов» оказалось бы практи
чески невыполнимой задачей. Вот, собственно, каковы «надстройки» и
«развитие» периодического закона, предсказываемые теоретически. К
ним можно относиться по-разному: можно верить в результаты «ко
мпьютерной химии», но И правомерно сомневаться в них. История по
казывает, что во многих случаях решающую роль играл эксперимент.
УКРАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ, 198·~, Т. 50. N!! 2 125
Даже единичный прорыв в область «сверхэлементов» позволил бы дать.
реалистическую оценку ситуации.
В последние десятилетия предлагались даже модификации гра
фического изображения периодической системы, включающие гипоте
тические «сверхэлементы». По существу, они не несут сколь-нибудь по
лезной информации. Они являются лишь иллюстрацией высказывания
г .. Сиборга, что «, ..положение таких элементов (то есть «сверхэлемен ...
тов», - Д. Т.) в периодической системе будет скорее определяться их
атомным номером, чем химическими свойствами» [9]. Подобная «над
стройка» чужда духу периодической. системы, - тому духу, который
вкладывал в нее сам Д. И. Менделеев. В конечном счете несомненно
одно, окажутся ли «компьютерные»прогнозы верными или нет, что по
мере роста порядковых номеров феномен периодичности все более и
более усложняется. Отсюда следует вывод, который может показаться
парадоксальным: периодическая система была разработана для эле
ментов, существующих в природе, и экстраполяция ее структуры в об
ласть «сверхэлементов» является несостоятельной. По-видимому, в об
ласти больших значений Z начинают играть роль факторы, сближаю
щие закономерности проявления электронной и нуклонной (ядерной)
периодичностей. Это --- та «надстройка», которую, естественно, не мог
предвидеть Д. и. Менделеев, опиравшийся на современный ему уровень.
знаний.
Подобная ситуация привлекает наше внимание к взглядам
Д. и. Менделеева на глубинные причины периодичности. Ученый не
раз подчеркивал, что эти причины пока неизвестны. По его мнению,
они должны корениться во «внутренней механике атомов и частиц».
По существу, на протяжении всего научного творчества Д. и. Менде ..
леев стремился к решению двух задач: понять химизм элементов через
их массу и выяснить саму' природу массы. В 1889 г., выступая с фара ..
деевским чтением, он говорил: «...не мудрено, что· не зная ничего ни о
причинах тяготения и масс, ни о природе элементов, мы не понимаем
причины периодического закона» [1, с. 225]. Познание сущности пери
одичности представлялосьД. и. Менделееву главнейшим направлением
развития периодического закона в грядущем. Это познание пришло
примерно полтора десятилетия спустя после смерти ученого, но про
изошло иными путями, чем мог предполагать Д. и. 1V\енделеев. По на ..
чалу оно основывалось на квантовой модели атома Резерфорда - Бо
ра. В первую очередь получил физическую интерпретацию периодиче ..
ский закон, изменилась его формулировка: периодическое изменение
свойств элементов оказывалось теперь в зависимости от увеличения
зарядов ядер их атомов, а не от атомных весов, как это имело место
на протяжении элементного (химического) этапа развития представ
лений о периодичности. Выявив закономерности изменения свойств
элементов на основе реальной схемы формирования электронных кон
фигураций атомов по мере роста Z и введя представление о периоди
ческой повторяемости сходных типов внешних электронных оболочек
атомов, Н. Бор разработал важнейшие положения теории периодиче
ской системы. Тем самым понимание феномена периодичности перешло
на качественно новый уровень,- начался новый, электронный (физиче
ский) этап. Однако при всех своих достоинствах боровская теория пе
риодической системы оказывалась в известной степени формальной,
ибо последовательность формирования электронных конфигураций ато
мов по мере увеличения Z не вытекала из каких-либо фундаменталь
ных теоретических концепций: строя эту последовательность, Н. Бор
опирался главным образом на закономерности эмпирически сложив
шейся структуры системы, на известные свойства элементов и на ха
рактерные особенности их оптических и рентгеновских спектров. Ха
рактеризуя эвристическую ценность этой теории, А. Зоммерфельд счи
тал, что мы можем полагаться на качественную справедливость ее, «хо
тя точный расчет и заставит себя ждать, вероятно, очень долго» [18,
с. 396]. Подобный точный расчет удалось, однако, осуществить уже в
126 УКРАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ. 1984, т. 50•.М, 2
-._--~- -~ -~ --- ......"'."" _".а. ~V'~V'JJ .&1V"tJ"~"IDV.lVl ll}JnJIU~C:nl1>t JJU~;TYJl(:1TUB·
квантовой механики к проблеме строения атомов [16, 19].
Таким образом, Д. и. Менделеев чисто интуитивно был прав, ожи
дая о~ъяснения явления периодичности на основе закономерностей
«внутренней механики атомов и частиц»: эти закономерности были
найдены в рамках квантовомеханических представлений.
В отличие от ряда других фундаментальных законов природы, пе
риодический закон не имеет точного аналитического выра2Кения в фор
ме какого-либо уравнения или совокупности уравнений. Он находит
наглядное отражение лишь в различных модификациях периодической
системы. Между тем, Д. И. Менделеев неоднократно обращался к во
просу о, необходимости отыскания такого аналитического выражения,
видя в нем немаловажное значение для понимаиия причин периодич
ности. Отсутствие подобного выражения ученый усматривал в том, что
периодический закон относится «к области еще очень новой для мате
магической обработки», и «для периодического закона можно искать
или геометрического выражения в точках пересечения двух «сплош
ных» кривых или аналитического выражения в теории чисел» [1, с.273].
Ему ·казалось, что «важнее всех нахождение точного соответствия меж
ду числами, выражающими атомные веса элементов, местом их в систе
ме и специальными (индивидуальными) свойствами элементов ...» [1,
с. 271-272]. В В-М издании «Основ химии» Д. И. Меиделеев привел
внушительную сводку поисков 'отмеченных «соогвегствий», выделив
геометрические и а.лгебраическиеспособы [1, с. 319-321 J.
Фактически все эти попытки представляют лишь историческую цен ...
насть, да они и не могли привести к отысканию общего математиче
ского выражения закона. Последующие попытки (уже после создания
теории периодической системы) сводились лишь К выводу различных
уравнений для определения определенных граничных значений Z (на ...
чало и конец периодов, границы заполнения электронных оболочек и
подоболочек и Т. п.); здесь обширный цикл работ принадлежит
В. М. Клечковскому [20], который вычислял такие значения, исходя
из сформулированных им правил последовательного заполнения (n+ 1)
групп электронов в атомах. В развитие этих работ нами выведено
уравнение [16, с. 51], позволяющее определять порядковый номер эле
мента, в атоме которого появляется электрон с заданной, находящейся
в соответствии с принципом Паули, комбинацией значений квантовых
чисел п, 1, т, и тв :
Zl1,l,mZ,l11
S
== n+lZ - 1/2 (2l + 1)2 -- т, (2l + 1) -t. пц,
Хотя это уравнение носит формальный характер, оно, тем не менее,
дает определенное количественное выражение некоторых закономер
ностей формирования электронных конфигураций атомов по мере
роста z.
Цель подобных исследований - найти количественную интерпре
тацию периодической системы на основе представленнй о квантовых
числах.
В последние 10-15 лет появилось большое число работ, в которых
решаются проблемы математической интерпретации периодической си
стемы элементов. С этой целью используются методы теории групп, тео
рии чисел и теории множеств [19, 21].
Своеобразным направлением развития периодического закона ока
залось открытие так называемой ядерной, или "уклонной периодично
сти [16], в основе которой лежит представление об оболочечной моде
ли ядра. Ныне можно говорить о существовании еще одного уровня
предсгавлений о феномене периодичности: ядерного (нуклоннаго) . Рас
сматривается возможность разработки периодической системы изото
пов; было предложено немало ее модификаций, среди которых следует
отметить принадлежащую и. п. Селинову [22]. Исключительный инте
рео представляет выяснение корреляции между электронным и ядер-
УКРАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ, 1984, Т. 50, H~ 2 127
ным уровнями периодичности. Все эти аспекты относятся к компетен
ции теоретической физики.
Но как бы там ни было, периодический закон и периодическая Сои
стема элементов в первую очередь составляют предмет интереса и ком
петенции химии. И практические достижения, полученные в рамках
различных химических дисциплин, составили многочисленные «над
стройки» И направления «развития» периодического закона, которые
почти восемь десятилетий назад предвидел Д. И. Менделеев. Мы уже
говорили об успехах химии редкоземельных и трансурановых элемен
тов. В 1962 г. удалось осуществить синтез первого химического соеди
нения благородного газа XePtF6• К настоящему времени число хими
ческих соединений ксенона, криптона и радона превышает 150 [23].
В результате нулевая группа периодической системы была упразднена,
и все благородные газы стали помещать в VIlla подгруппу (правда, с
таким решением нельзя безоговорочно согласиться [15]). Существен..
ные успехи были достигнуты и в химии многих других элементов пе
риодической системы, получено немало необычных соединений с неожи
данными 'Свойствами. Периодический закон Д. И. Менделеева сущест
венным образом способствует решению одной из кардинальнейших за
дач химической науки современности - получению различных веществ
с разными комплексами заранее заданных свойств.
1. Менделеев Д. и. Периодический закон: Основные статьи. - М. : Изд-во АН СССР,
Сер. «Классики науки», 1958.-830 с.
2. Браинер Б. О положении редкоземельных элементов в периодической системе.
Жури. Русск. физ.-хим. о-ва, 1902, т.34, с. 142--175.
3. Трифонов Д. Н. Редкоземельные элементы и их место в периодической системе.
М. : Наука, 1966.-192 с.
4. Вгаиnег В. Uber die Siellung der Егетпепте der seltenen Erden im periodischen Sys
tem von Mend~lejeff.-z. Electrochem., 1'908, Bd.. 14, S. 525-528.
5. Меуег R. Die Stellung d~r Elemente der вейепеп Erden im periodischen System.
Naturwiss., 1914, Bd. 2, S. 781-787.
6. Трифонов Д. Н. Периодичность четкая и размытая. - Природа, 1970, N2 5, с. 84
91.
7. Трифонов д. Н. Тяжелые элементы и периодическая система. - В кн.: Периодичес-
кий закон и строение атома. - М. : Атомиздат, 1971.- с. 204-238. .
8. Трифонов Д. Н. Структура и границы периодической системы. - М. : Атомиздат,
1969.-272 с.
9. Сиборг Г. Эволюция периодической системы элементов со времен д. И. Менделеева
до наших днеЙ.- В кн.: 100 Лет периодического закона химических элементов.
М. : Наука, 1969.-· с. 136-157.
10. Флеров Г. /1., 3вара и. Химические элементы второй сотни: Препринт ОИЯИ, Д7·
0013.-Дубна, 1971.-88 с.
11. Прогнозирование в учении о периодичности.- М. : Наука, 1976.- 357 с.
12. Келлер 1(. Химия трансурановых элементов. - 1\1. : Атомиздат, 1976.-432 с.
13. Михеев Н. Б. Новые проблемы в химии актиноидов. - В кн.: Учение о периодич
ности: История и современность. - М. : Наука, 1~)81.- с. 172-199.
14. Звара И. Химия тяжелых трансурановых элементов. - Журн, Всесоюз. хим. о-ва,
1983, N2 6, с. 617-627.
15. Трифонов Д. Н. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(по современным данным). - Там же, с. 695-697.
16. Трифонов Д. Н. О количественной интерпретации периодичности. - М. : Наука,
1971.-159 с.
17. Кедров Б. М., Трифонов Д. Н. О современных проблемах периодической систеМы.
М. : Атомиздат, 1974.-72 с.
18. Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. -- М. : ГИЗ, 1926.-428 с.
19. Трифонов д. Н., Дмихриев и. с. о количественной интерпретации периодической
системы. - В КН.: Учение о периодичности: История и современность. - М. : Наука,
1981.- с. 221-253.
20. Клечковский В. М. Распределение атомных электронов и правило последователь
ного за полнения (n ,-1) -групп. - М. : Агомиздат, 1968.-4312 с.
21. Трифонов Д. Н. Модели и моделирование в учении о периодичности. - В кн.: Мо
делирование в теоретической химии. - М. : Наука, 1975.- с. 64-138.
22. Селинов И. п. Периодическая система атомных ядер.- В КИ.: О систематике частиц.
Атомы, атомные ядра, элементарные частицы. - М. : Атомиздат, 1970.- с. 43-73.
23. Легасов В. А. Химия благородных газов. - Еестн. АН СССР, 1976, N2 12, С. 3-22.
Институт истории естсствознания
и техники АН СССР, Москва
Поступила 10.11.83
128 УКРАИНСКИй ХИМИЧЕСКИй ЖУРНАЛ, 1984, т. 50,.N2 2
|