Н.Ф.Васильев

АО «Красноярскгеолсъемка»

Матричная таблица химических элементов и ее спирально-коническое изображение

Аннотация

На основе введения понятия об «определяющих» фрагментах сокращенных электронных формул создана матричная таблица Периодической системы элементов, в которой горизонтальные ряды состоят из семейств элементов, распределенных по периодам, а вертикальные колонки – из подгрупп элементов того или иного семейства, распределенных в соответствии с номерами «определяющих» фрагментов. Длиннопериодный вариант ПСЭ представлен как симметричный: с выделением одноэлектронных и двуэлектронных подсемейств. В короткопериодном варианте ПСЭ учтены как симметрия, так и чередование подгрупп четных и нечетных (по атомным номерам) элементов. Выделено 18 укрупненных групп подобия (с учетом прогнозируемого семейства g-элементов), в которых собраны элементы из всех семейств, имеющие одинаковый номер «определяющего» фрагмента. Короткопериодная таблица составлена на 9 периодов и включает 100 прогнозируемых тяжелых элементов (до 218 элемента). На основе короткопериодной таблицы на 118 элементов дано конически-спиральное изображение ПСЭ в двух видах (сверху и сбоку). Сделан вывод о полноте и самодостаточности данного варианта ПСЭ
Со времени создания Д.И.Менделеевым периодической системы элементов (ПСЭ) не прекращаются ежегодные попытки ее усовершенствования [10]. Основной вклад в понимание ее сути внесли физики начала ХХ века (Н.Бор, В.Паули, Ф. Хунд и др.), показавшие непосредственную связь ПСЭ с вариациями строения электронных оболочек атомов [1, 7]. Тем не менее, удовлетворительного варианта ПСЭ до сих пор не предложено. Культивирование Международным союзом химиков (IUPAK) длиннопериодной формы ПСЭ [2] есть выражение бессилия, уход от более информативной короткопериодной формы, созданной (увы, с огрехами!) Д.И.Менделеевым [4;5] и лишь отчасти усовершенствованной его учениками [9;8;3].
Анализ новейших вариантов ПСЭ [10] приводит к двум основным выводам: 1) все они тоже являются незавершенными, поскольку не вписывают в группы подобия короткопериодной формы ПСЭ элементы F-семейства; 2) варианты делятся на две примерно равные совокупности, в первой из которых положение гелия, лютеция и лоуренция признается «статус-кво» (то есть соответствующим таблице IUPAC), а во второй гелий отнесен к группе бериллий-радий семейства S-элементов, а лютеций и лоуренций – к группе скандий-иттрий семейства D-элементов.

Одной из причин неудач при составлении таблиц ПСЭ является их нематричная форма, что отмечено некоторыми исследователями [3]. Автор данной статьи создал матричную форму таблицы на основе сокращенных электронных формул элементов: в ней горизонтальными рядами являются электронные семейства элементов (S, P, D, F и прогнозируемое семейство G-элементов), распределенные по 9 периодам (с учетом прогнозируемых 100 элементов – до 218-го), а вертикальные колонки состоят из подгрупп элементов одного семейства, имеющих одинаковый определяющий фрагмент сокращенной электронной формулы.
Как известно, атом каждого элемента отличается от атомов предшествующего и последующего элементов (по ходу периода) всего лишь одним электроном (не считая нуклонов), место которого на орбитали и указывает определяющий фрагмент. В S-семействе определяющими фрагментами являются s1 и s2, в P-семействе, соответственно, p1, p2, p3, p4, p5 и p6, в D-семействе d1, d2, d3, …d10, в F-семействе f1, f2 …f14, в G- семействе g1, g2,…g18. В силу того, что на одной орбитали может размещаться не более 2-х электронов (принцип Паули), эти фрагменты следовало бы называть определяющими полуорбиталями. Впрочем, в семействах D и F есть разрозненные элементы (совокупно 21), чьи электронные формулы несколько отличаются от расчетных для подгруппы формул (за счет перескока единичных электронов с орбиталей S или F на D), однако эти исключения из разряда, подтверждающих правило.
Предлагаемый вариант длиннопериодной формы ПСЭ учитывает также кардинальное свойство любой системы Вселенной - симметрию, которая проявлена в ПСЭ через разделение семейств на два подсемейства: с одноэлектронным заполнением определяющих орбиталей и с двуэлектронным. Попутно в исходном варианте IUPAK [2] исправлены три ошибки при группировке элементов, на которые указывают многие исследователи [3, 8, 10]: гелий как типичный S-элемент перенесен в подгруппу s2 (бериллий – радий), а лютеций и лоуренсий как типичные D-элементы в подгруппу d1 (скандий – иттрий). Результат отображен в таблице 1
Таблица 1 Симметричный вариант длиннопериодной формы периодической системы на 118 элементов (Васильев Н.Ф. 2014 г)
Пери
оды Группы элементов в соответствии с расчетными определяющими фрагментами электронных формул, объединенные в семейства и подсемейства
Одноэлектронные подсемейства Двуэлектронные подсемейства
f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 d1 d2 d3 d4 d5 p1 p2 p3 s1 s2 p4 p5 p6 d6 d7 d8 d9 d10 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14
I 1
H 2
He

II 3
Li 4
Be
5
B 6
C 7
N 8
O 9
F 10
Ne

III 11
Na 12
Mg
13
Al 14
Si 15
P 16
S 17
Cl 18
Ar

IV 19
K 20
Ca
21
Sc 22
Ti 23
V 24
Cr 25
Mn 26
Fe 27
Co 28
Ni 29
Cu 30
Zn
31
Ga 32
Ge 33
As 34
Se 35
Br 36
Kr

V 37
Rb 38
Sr
39
Y 40
Zr 41
Nb 42
Mo 43
Tc 44
Ru 45
Rh 46
Pd 47
Ag 48
Cd
49
In 50
Sn 51
Sb 52
Te 53
I 54
Xe

VI 55
Cs 56
Ba
57
La 58
Ce 59
Pr 60
Nd 61
Pm 62
Sm 63
Eu 64
Gd 65
Tb 66
Dy 67
Ho 68
Er 69
Tm 70
Yb
71
Lu 72
Hf 73
Ta 74
W 75
Re 76
Os 77
Ir 78
Pt 79
Au 80
Hg
81
Tl 82
Pb 83
Bi 84
Po 85
At 86
Rn

VII 87
Fr 88
Ra
89
Ac 90
Th 91
Pa 92
U 93
Np 94
Pu 95
Am 96
Cm 97
Bk 98
Cf 99
Es 100
Fm 101
Md 102
No
103
Lr 104
Rf 105
Db 106
Sg 107
Bh 108
Hs 109
Mt 110
Ds 111Rg 112
113
114 115 116 117 118

При анализе общеизвестного варианта короткопериодной таблицы ПСЭ (с 8 укрупненными группами подобия, 18 подгруппами и обособленным блоком лантаноидов-актиноидов) выявляется еще один природный закон, присущий ПСЭ: чередования четности и нечетности [6]. Действительно, в 1-7 группах, состоящих из подгрупп S-, P- и D-элементов, содержатся либо четные (по атомному номеру), либо нечетные элементы. При этом четные и нечетные группы строго чередуются между собой. На фоне этой закономерности нелепо выглядит 8 группа, составленная из 1 подгруппы четных P-элементов и 3 подгрупп четных и нечетных D-элементов. Более естественным будет ее разделение на 3 самостоятельные группы – по числу подгрупп D-элементов.
Автор статьи полагает, что строгое соблюдение данной закономерности при опоре на определяющие фрагменты электронных формул явится достаточным основанием для составления более совершенного варианта короткопериодной таблицы ПСЭ, включающей на равноправной основе и элементы F-семейства. Принцип симметрии должен быть соблюден, поэтому группы с S-элементами помещены в центральную часть таблицы. Для наглядности этой симметрии автор ввел в таблицу гипотетическое семейство G-элементов из 18 подгрупп (предсказанных Н. Бором и В. Паули) в составе ожидаемых 8 и 9 периодов (дополнительно 100 элементов). Впрочем, эта симметрия относительна, так как в левой и центральной частях таблицы большинство укрупненных групп содержат по 4 подгруппы элементов (из G-, F-, D- и P- или S-семейств), а в правой – по две подгруппы (из G- и F-семейств) или одной (G-элементы). Результат иллюстрируется таблицей 2.
Таблица 2. Симметричный вариант короткопериодной формы периодической системы элементов
с прогнозом до 218 элементов (Васильев Н.Ф. 2014 г)
Пери
оды Группа 1
Группа 2 Группа 3 Группа 4 Группа 5 Группа 6 Группа 7 Группа 8 Группа 9 Группа 10 Группа 11 Группа 12 Группа 13 Группа 14 Гр.
15 Гр.
16 Гр.
17 Гр.
18
g1 f1 d1 p1 g2 f2 d2 p2 g3 f3 d3 p3 g4 f4 d4 p4 g5 f5 d5 p5 g6 f6 d6 p6 g7 f7 d7 g8 f8 d8 g9 f9 d9 s1 g10 f10 d10 s2 g11 f11 g12 f12 g13 f13 g14 f14 g15 g16 g17 g18
I 1
H 2
He

II 3
Li 4
Be
5
B 6
C 7
N 8
O 9
F 10
Ne

III 11
Na 12
Mg
13
Al 14
Si 15
P 16
S 17
Cl 18
Ar

IV 19
K 20
Ca
21
Sc 22
Ti 23
V 24
Cr 25
Mn 26
Fe 27
Co 28
Ni 29
Cu 30
Zn
31
Ga 32
Ge 33
As 34
Se 35
Br 36
Kr

V 37
Rb 38
Sr
39
Y 40
Zr 41
Nb 42
Mo 43
Tc 44
Ru 45
Rh 46
Pd 47
Ag 48
Cd
49
In 50
Sn 51
Sb 52
Te 53
I 54
Xe

VI 55
Cs 56
Ba
57
La 58
Ce 59
Pr 60
Nd 61
Pm 62
Sm 63
Eu 64
Gd 65
Tb 66
Dy 67
Ho 68
Er 69
Tm 70
Yb
71
Lu 72
Hf 73
Ta 74
W 75
Re 76
Os 77
Ir 78
Pt 79
Au 80
Hg
81
Tl 82
Pb 83
Bi 84
Po 85
At 86
Rn

VII 87
Fr 88
Ra
89
Ac 90
Th 91
Pa 92
U 93
Np 94
Pu 95
Am 96
Cm 97
Bk 98
Cf 99
Es 100
Fm 101
Md 102
No
103
Lr 104
Rf 105
Db 106
Sg 107
Bh 108
Hs 109
Mt 110
Ds 111
Rg 112
113 114 115 116 117 118

VIII 119
120
121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138

139 140
141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152
153 154 155 156 157 158 159 160 161 162

163 164 165 166 167 168

IX 169 170

171 172 173 174 175 176 177 178 179 180
181 182 183 184 185 186 187 188
189 190 191 192 193 194 195 196 197 198
199 200 201 202
203 204 205 206 207 208 209 210 211 212

213 214 215 216 217 218

На основе полученной короткопериодной таблицы можно дать графическое отображение ПСЭ, которое, конечно, будет конически спиралевидным. Построение этой спирали (за недостатком места пришлось использовать лишь 118 элементов) удобно провести на фигуре из 118 концентрических окружностей, радиус которых последовательно наращивается на единицу масштаба (например, 1 мм). Все окружности нужно разделить на 32 сектора (по совокупному числу подгрупп элементов в 4 семействах) и выделить 14 групп подобия. На первой (от центра) окружности, в секторе s1, обозначить элемент «водород», на второй окружности в секторе s2 обозначить «гелий», на третьей вновь перейти к сектору s1 и обозначить «литий», на четвертой в секторе s2 обозначить «бериллий», на пятой в секторе p1 обозначить «бор» и так далее, до 118 элемента. Завершающей операцией будет соединение всех элементов (от 1 до 118) спиралевидной линией, являющейся генеральной последовательностью химических элементов. Результат отображен на рисунке 1.

Рис 1. Спиралевидная модель периодической системы элементов с прогнозом до 118 элемента (Васильев Н.Ф., 2014 г)

Вид сверху

Виды сбоку

Спиралью эта линия, строго говоря, не является, так как для каждого семейства элементов характерен свой ход спирали. Таким образом, она состоит из фрагментов нескольких спиралей, соединенных в пустующих секторах спиралевидными скрепами. Тем не менее, представление о последовательности и периодическом повторении свойств элементов она дает – что и требуется для наглядности ПСЭ.
Выводы: 1) полученные таблицы ПСЭ (длиннопериодная и короткопериодная) являются оригинальными и однозначно характеризуют периодичную повторяемость свойств элементов во всех семействах, а также внутри укрупненных групп элементов различных семейств. Это означает, что дальнейшее совершенствование форм ПСЭ стало не актуально
2) эти таблицы, а также их графическое спирально-коническое воплощение можно рекомендовать в качестве основного учебного пособия в школьные и вузовские учебники по химии и физике
3) прогнозная часть таблицы (для элементов со 119 по 218) может использоваться физиками в качестве руководящей при синтезе новых трансурановых элементов

Список литературы

1. Абраменков И.В., Братцев В.ф., Тулуб А.В. Начала квантовой химии. М. Высшая школа. 1989. 303 с.
2. Бордоносов С.С. Еще раз о периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева. – В журнале «Химия в школе», 2005, №6, с. 39-42
3. Кораблева Т.П., Корольков Д.В. Теория периодической системы. Изд. СПбГУ, 2005. 174 с.
4. Менделеев Д.И. Основы химии. ч. 2. I изд. СПб. 1871. 951 с.
5. Менделеев Д.И. Основы химии. VIII изд. СПб. 1906. 613 с.
6. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.1. Физика атомного ядра. Изд.3. М: Атомиздат. 1974. 584 с.
7. Типлер П., Ллуэллин Р. Современная физика. В 2 т. М: Мир, 2007. т. 2. 414 с.
8. Трифонов Д.Н. Тяжелые элементы и периодическая система //Периодический закон и строение атома. М: Атомиздат, 1971. с. 204-233
9. Щукарев С.А. Неорганическая химия. В 2 т. М: Высшая школа, 1970. т.1. 352 с.
10. The Internet Database of Periodic Tables [Электронный ресурс]
http://www.meta-syntesis.com |webbook|35-pt…database.php (21.11.2013)