Периодическая система элементов (таблица Менделеева)

Периодический закон находит отражение в таблице — периодической системе элементов, или, как часто говорят для краткости, таблице Менделеева. Таблицу Менделеева помещают во всех книгах по общей и неорганической химии, издают отдельными карточками и плакатами. Первым в таблице Менделеева стоит самый легкий элемент водород. Следом за ним идет благородный газ гелий, заканчивающий первый период. В нем всего два элемента. В остальных периодах первыми элементами являются щелочные металлы, а последними — благородные газы. Во 2-м и 3-м периодах, называемых малыми, по восемь химических элементов. В них при переходе слева направо от лития к неону и от натрия к аргону наблюдается быстрое изменение свойств простых веществ от металлических к неметаллическим. Соответствующим образом изменяются и свойства химических соединений. Во 2-м и 3-м периодах вполне проявляется явление периодичности в свойствах элементов.

В 4-м и 5-м периодах содержится по 18 химических элементов, и их называют длинными периодами. Два первых и шесть последних элементов в них аналогичны вышестоящим элементам 2-го и 3-го периодов. Но между ними появляется по 10 дополнительных элементов — металлов от скандия до цинка в 4-м периоде и от иттрия до кадмия в 5-м периоде. Подобные им элементы имеются и в 6-м периоде. Все они называются переходными металлами. В частности, к ним относятся известные с древних времен железо, медь, серебро, золото, ртуть, а также практически очень важные титан, хром, марганец, вольфрам и др.

Шестой период оказывается еще более протяженным. Он содержит 32 химических элемента. После первых двух элементов — цезия и бария, аналогичных элементам 4-го и 5-го периодов, появляются 15 дополнительных элементов от лантана до лютеция, очень похожих друг на друга. Эти элементы называют лантаноидами. Для придания таблице Менделеева компактной формы обычно 14 из них помещают отдельным рядом под остальными элементами. Один из 15 элементов остается в таблице. Ранее это был лантан, а в настоящее время считается, что правильнее это место отдать лютецию. Стоящий следом за иттербием лютеций и все последующие элементы 6-го периода аналогичны элементам 5-го периода. Ясное представление о структуре 6-го периода сложилось спустя 50 лет после открытия периодического закона — в 20-х гг. XX в.

Седьмой период, аналогичный по структуре 6-му, состоит из неустойчивых (радиоактивных) элементов, из которых только первые восемь имеются в земной коре хотя бы в следовых количествах. Остальные, начиная с 40-х гг. прошлого столетия, были обнаружены в продуктах ядерных взрывов или получены искусственно в ядерных реакциях на ускорителях заряженных частиц. Обратим внимание на то, что элемент с атомным номером 101 был получен американским ученым Г. Сиборгом в 1955 г. и назван с честь Д. И. Менделеева — менделевий. В честь Сиборга (1912—1999) назван элемент с номером 106 — сиборгий. Международный союз по теоретической и прикладной химии ШРАС 30 декабря 2015 г. признал состоявшимся открытие последних четырех элементов 7-го периода. Эти элементы имеют лишь временные названия и символы. С их открытием 7-й период таблицы Менделеева стал наконец завершенным. Можно ожидать открытия элементов 8-го периода.

Химические элементы с атомными номерами больше 104 — дубний и следующие за ним — характеризуются продолжительностью жизни атомов, лишь в отдельных случаях превышающей 1 мин. Изучение их химических свойств в настоящее время практически невозможно, но для физики они представляют большой интерес.

В структуре таблицы Менделеева имеют значение как периоды, так и фуппы элементов — вертикальные столбцы. Элементы каждой из групп похожи один на другой по химическим свойствам. Не менее важно и то, что при переходе в группах от элемента к элементу, но возрастанию (убыванию) номера периода, т. е. сверху вниз или снизу вверх, наблюдается определенная закономерность в изменении свойств. Например, в группе VIIА (галогены) от фтора к астату уменьшается химическая активность простых веществ, а в группе IA (щелочные металлы) от лития к францию активность увеличивается.

Химические элементы 2-го и 3-го периодов и их аналоги 4—7-го периодов образуют восемь групп, которые принято обозначать римскими цифрами с добавлением заглавной буквы «А»: IA, НА и т. д. В больших периодах появляются семейства переходных металлов. Из них складываются группы по четыре элемента. Их также нумеруют римскими цифрами от I до VIII, но с добавлением заглавной буквы «В». Во многих книгах группы, А называют главными, а группы В — побочными. В больших периодах находится по 10 переходных металлов, а групп в таблице восемь. Поэтому, в соответствии с идеей Менделеева, к одной из групп — VII1B — относят, но три переходных металла в каждом периоде. Эта группа отличается по структуре от всех остальных.

Периодическую систему элементов представляют в двух вариантах: длиннопериодном (блоковом) и короткопериодном. В первом из них все элементы периода располагаются в один ряд, причем группы, А и В образуют отдельные столбцы. В короткопериодном варианте 4, 5 и 6-й периоды разделяются на два ряда. В этом случае группы, А и В с одинаковыми номерами оказываются в одних и тех же столбцах. Для различения их символы печатают в клетках со сдвигом влево и вправо. Короткопериодный вариант таблицы Менделеева (см. вклейку) компактен и удобен тем, что в одной колонке оказываются элементы с одними и теми же высшими валентностями, равными номеру группы.

На протяжении 14 десятилетий, прошедших после открытия закона периодичности, предлагалось много вариантов таблицы, и несмотря на это, в существенных чертах таблица Менделеева сохранилась со времени ее создания. Имеется длиннопериодный вариант периодической таблицы, рекомендованный — ИЮПАК (см. вклейку). Его отличительной особенностью является нумерация групп от номера первого до номера 18 без привязки к валентностям атомов. Мы рекомендуем отдавать предпочтение таблице Менделеева со старой нумерацией групп.

Периодичность изменения свойств атомов желательно подтвердить не только качественным сходством элементов в группах, но и характером изменения количественных характеристик. Первоначально была выявлена периодическая зависимость атомных объемов простых веществ от порядковых номеров элементов (рис. 3.1). Эта зависимость была обнаружена немецким химиком Л. Ю. Мейером (1830—1895). В 1870 г. Мейер оспаривал приоритет Менделеева в открытии периодического закона. Атомным объемом называется отношение атомной массы к плотности вещества. Численно это объем, занимаемый одним молем атомов в жидком или твердом состоянии. Резкие максимумы в атомных объемах приходятся на щелочные металлы (группа IA). Кривая, имеющая ряд максимумов и минимумов, — это и есть периодическая кривая. Положение максимумов и минимумов зависит как от размеров самих атомов, так и от характера кристаллической структуры. В дальнейшем развитие физики и химии привело к открытию ряда других периодически изменяющихся свойств атомов (гл. 6).

Рис. 3.1. Зависимости атомных объемов от атомных весов.

(кривая Мейера).