12 марта 2016г.
Статья посвящена актуальной проблеме анализа периодичности в системе химических элементов Д.И. Менделеева с учетом специфики расположения элементов первого, шестого и седьмого периодов. Анализируются характерные особенности предложенной авторами планетарно-симметричной системы элементов с точки зрения спирально-матричной концепции классификации. Акцентируется внимание на рассмотрении известных и дополнительных видов симметрии четно-нечетных групп и подгрупп элементов, отмечаются интересные параллели между предложенной формой планетарно-симметричной системы элементов и более ранними вариантами классификации химических элементов, а также перспективы количественной трактовки закона периодичности.
Периодическая система элементов (ПСЭ), наглядно демонстрирующая открытый Д.И. Менделеевым Периодический закон (1869 г), позднее неоднократно дополнялась и постепенно завоевала признание как фундаментальное научное обобщение. В настоящее время очевидно, что это открытие представляет собой прочный фундамент учения о формах существования материи, строении вещества, его эволюции во времени и пространстве. Периодический закон способствовал формированию новых самостоятельных и прикладных направлений в развитии естественных наук. За прошедшее время было предложено нескольких сотен вариантов графического изображения ПСЭ, преимущественно в виде таблиц или различных геометрических фигур, аналитических кривых и т.д. В первых вариантах ПСЭ отсутствовали представления об инертных газах, оставались неясными вопросы о причинах периодического изменения свойств элементов, о точном числе редкоземельных элементов и др. Впоследствии наибольшее распространение получили широко известные формы ПСЭ: короткая, полудлинная, длинная и лестничная [1]. Идея разделения всех химических элементов на группы и периоды стала фундаментальным принципом при создании знаменитой таблицы Менделеева, в которой каждая группа элементов подразделяется на главную и побочную подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами, например, в степенях окисления. Периоды определяют совокупность элементов, начинающихся щелочным металлом и заканчивающихся инертным газом. Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в качестве стандартной предлагает современную классификацию элементов в виде таблицы ПСЭ, разбитой на 7 периодов и 18 групп, пронумерованных арабскими цифрами, причем лантаноиды и актиноиды размещаются, как и ранее, под основной полудлинной формой таблицы. В таблице химических элементов ИЮПАК различные категории и семейства элементов выделены соответствующим цветом (см. сайт meta-synthesis.com).
Несмотря на достижения и успехи фундаментальной науки задача объяснения всего комплекса свойств химических элементов и закона их периодичности оказалась чрезвычайно сложной для исследователей. В частности, до сих пор остаются нерешенными вопросы, связанные с конечным количеством элементов в ПСЭ, особенностями расположения элементов первого, шестого и седьмого периодов, нестабильностью ряда элементов и др. По этим причинам преждевременно говорить о понимании сущности Периодического закона и создании его количественной теории. Для поиска путей решения указанных проблем, по-видимому, необходимо использовать свойства некоторых видов групповой, спиральной и матричной симметрии в расположении элементов в ПСЭ. С их помощью можно было бы объяснить периодичность как следствие свойственных электронным конфигурациям атомов теоретико-числовых групп динамической и перестановочной симметрии. Наряду с известными работами в этой области здесь используются результаты исследований, связанные с анализом структуры планетарной или планетарно-симметричной системы элементов, содержащей спирально - матричные структуры, формирующие группы и периоды [2]. При этом последовательный ряд порядковых номеров элементов отвечает ее спиральной структуре, табличная форма – матричной составляющей, а четно- нечетные группы элементов в этой системе формируют четыре симметрично расположенные векторные ассоциации для восьми групп и подгрупп элементов планетарной системы.
Новая система классификации химических элементов впервые разработана в ОИВТ РАН и основана на использовании принципа периодического формирования зон групповой симметрии атомов в виде планетарно- симметричной и спирально-матричной конфигурации системы химических элементов (кратко - планетарной системы элементов - ПлСЭ) [3]. В результате анализа периодичности элементов в предложенной системе классификации были выявлены новые виды осевой, групповой и зеркальной симметрии между периодами, подгруппами и группами элементов. Первые результаты, полученные при исследовании свойств планетарной системы химических элементов свидетельствуют о ее высоких прогностических характеристиках и эффективности, например, в приложениях к образовательному процессу, поскольку структура ПлСЭ фактически моделирует конфигурацию электронных оболочек известных и еще не открытых атомов.
В планетарно-симметричной системе элементов
(см. Рисунок) легкие s – элементы первого
периода Не и Н совмещены в центральных клетках
системы на пересечении декартовых
осей координат, при этом s – элемент Н находится в контакте с лидирующим р-элементом (фтором) группы 7а, а s – элемент Не – с лидирующим р- элементом (неоном) группы 8а, соседствуя с водородом, литием и неоном. Данный
порядок взаимной связи указанных s, р – элементов в планетарной системе
соответствует последним теоретическим представлениям о периодичности и частично устраняет, характерное для классической ПСЭ, противоречие в альтернативной принадлежности водорода
одновременно к группам
1а (s – элементы
щелочных металлов) и 7а (р – элементы галогенов), а гелия – к группе 8а. Одновременно в планетарной системе
исправляется известная неопределенность в конфигурации первого
периода классической ПСЭ, связанная с разделением, т.е. с наличием значительного количества пустых клеток
для несуществующих элементов
между Не и Н.
Главными особенностями рассматриваемой конфигурации элементов периодической системы являются: центральная симметрия известных
элементов относительно водорода
и гелия, зеркальная симметрия между смежными главными
и побочными подгруппами относительно осей координат, компактное размещение в таблице триад переходных
элементов, а также лантаноидов, актиноидов и трансактиноидов в соответствии с их конфигурационными индексами. ПлСЭ включает центральное поле, представляющее собой замкнутую энергетическую зону для элементов с первой электронной оболочкой и шесть обрамляющих его кольцевых энергетических зон (периодов) размещения элементов с последовательно возрастающим числом электронных оболочек. Горизонтально и вертикально размещенные группы элементов тех же энергетических зон в
декартовой системе координат образуют обычные семейства элементов с подобными свойствами, которые эквивалентны группам и подгруппам классической периодической системы химических
элементов. Группы элементов с подобными свойствами в этой системе
координат образуют горизонтальные и вертикальные семейства элементов, которые размещены вдоль осей координат таким образом,
что главные подгруппы
восьми групп элементов являются осевыми для всех семи больших
и малых кольцевых периодов, а десять побочных проходят только через четыре
внешних больших периода
(с 4-го по 7-й). При этом ближайшие
к центру системы главные и побочные подгруппы элементов, а именно: первая — вторая,
пятая — шестая размещены зеркально-симметрично относительно оси абсцисс и, соответственно, третья — четвертая, седьмая
— восьмая подгруппы размещены зеркально-симметрично относительно оси ординат.
Расходящиеся от центра системы координат ПлСЭ линейные
группы элементов размещены
так, что восемь больших, десять
средних и четырнадцать малых линейных групп образуют группы
элементов с подобными химическими свойствами. Важнейшей особенностью новой конфигурации периодической системы, в отличие от прежних классических форм, является
то, что лантаноиды (элементы
57–71), актиноиды (элементы 90–103) и трансактиноиды (элементы 105–118)
нашли свое место внутри нее в шестом и седьмом периодах. Полное завершение седьмого периода происходит на элементе с порядковым номером
118, который является аналогом радона.
Таким образом, в рассматриваемой модели периодической системы шесть кольцевых семейств элементов вместе с центральным из двух элементов, ответственных за внутреннюю энергетику Солнечной
системы и, возможно, нашей планеты, образуют семь полностью завершенных периодов, моделируя в известном смысле структуры электронных оболочек соответствующих атомов. В
соответствии с принципом
Паули ёмкость каждой электронной оболочки ПСЭ равна 2n2, а ёмкость каждой подоболочки - 2(2l + 1). Из этого легко определяются указанные ёмкости
спиральных периодов в ПлСЭ: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Каждый
период начинается элементом, в атоме которого
появляется электрон с новым значением
n. Указанная схема ранее не могла быть выведена из каких-либо фундаментальных физических представлений ибо такой вывод
стал возможным благодаря структурным особенностям ПлСЭ и учету известных квантово-механических закономерностей в проблеме строения атома.
При внимательном рассмотрении новой структуры
ПлСЭ видно, что буквально все указанные свойства классической ПСЭ, в том числе, и известные квантовые
аномалии, нашли полное и адекватное отражение в особенностях расположении всего массива элементов в каждом из семи периодов
и восьми групп элементов.
Для приближения к решению проблемы границ периодического закона в области
крайних периодов ПСЭ и понимания свойств ПлСЭ более подробно рассмотрим
присущие ей и ранее неизвестные группы симметрии
s, р, d, f – элементов. Основная координатная симметрия групп делит весь массив элементов на четыре сдвоенные ассоциации главных
и побочных групп, т. е. на дублеты групп I – II, III – IV, V - VI, VII – VIII. При этом группы
элементов II, III, IV, V вместе с лантаноидами и актиноидами находятся в нижней части ПлСЭ, а группы: I, VIII, VII, VI с триадами переходных элементов размещены в ее верхней части.
Другой вид выявленной в ПлСЭ симметрии отражает
зеркальную симметрию групп
s, р- элементов, образующих зеркально расположенные пары соседних групп элементов на осях декартовой системы
координат. Третья осевая
симметрия периодов заключается в одинаковом удалении элементов с равным числом электронных оболочек от центра координат ПлСЭ по ее радиальным направлениям, т. е. вдоль групп элементов
по возрастанию их порядкового номера.
При этом первый
период системы включает
два элемента Не и Н, а другие шесть периодов
кольцами охватывают первый и содержат, как и в
классической ПСЭ, соответственно
указанные ёмкости спиральных периодов
8, 8, 18, 18, 32 и 32 элементов, образуя
оболочечную структуру, моделирующую квазипланетарный характер строения электронных оболочек
атомов по Н. Бору. Другие группы симметрии, характерные для 3 – 7 периодов планетарной системы элементов, описывают, в том числе,
зеркальную симметрию d – элементов, зеркальную симметрию f – элементов и их дополнительную парную
симметрию [2].
Изложенные особенности Периодического закона, рассмотренные в ПлСЭ через призму указанных
видов симметрии элементов,
обеспечивают дополнительные преимущества планетарной системе перед классической ПСЭ, в том числе, в прогнозировании свойств
лантаноидов, актиноидов и далеких трансурановых элементов седьмого периода,
а также в понимании особенностей строения первых периодов
ПлСЭ. При современной оценке сущности периодического закона в форме классической ПСЭ теряется смысл существования, так называемого, нулевого периода и искать в области до водорода новые более
легкие элементы в их традиционном понимании.
В результате анализа предложенной авторами системы классификации элементов получены новые данные, исследование которых,
на наш взгляд, намечает
альтернативный подход к решению некоторых
из упомянутых выше проблем. В общей виде этот подход связан
с введением дополнительных представлений о координатной симметрии
четно-нечетных групп элементов, учитывающей особые закономерности спирально- матричного размещения различных групп атомов. Таким образом, одной из задач данной работы является изучение закономерностей или причин распределения элементов в основном состоянии
по указанным группам симметрии в декартовой
или полярной системе координат. В отличие от классической таблицы
Д.И. Менделеева новая ПлСЭ демонстрирует сложную
секторную и векторную симметрию в строении
электронных оболочек атомов и, следовательно, обусловливает нетрадиционные возможности анализа периодичности свойств химических элементов и использования результатов в фундаментальных и прикладных целях.
Многие исследователи,
воздающие дань уважения русскому
ученому, критикуют его ПСЭ в табличной форме. В частности, они утверждают, что на сегодняшний день нет строгой
формулы или системы
формул описывающих Периодический закон, но имеется только натуральный ряд элементов
выстроенных по возрастанию атомного
веса и не найдено
математически строгих закономерностей в явлении периодичности, которое не имеет количественного математического выражения в виде уравнения. Вопреки этому ПСЭ неоднократно доказала свою ценность в качестве
прогностического инструмента научного познания, однако особенность
Периодического
закона заключается
также в том, что, как
верно
отмечено, он не
имеет количественного математического выражения, например,
в виде некоторой функции или уравнения. На это замечание критиков в работе Д.И. Менделеева «Периодическая законность химических элементов», в частности, сказано: «...Отсутствие до сих пор строгого
аналитического выражения для Периодического закона, по моему мнению, определяется тем, что он относится
к области еще очень новой для математической обработки. Что же касается до отсутствия какого-либо объяснения сущности рассматриваемого закона,
то причину тому должно искать, прежде всего, в отсутствии точного для него выражения. Он рисуется ныне в виде новой, отчасти только раскрытой, глубокой тайны природы, в которой нам дана возможность постигать
законы, но очень мало возможности постигать истинную причину их законов. Так, закон тяготения известен
уже два столетия,
но все попытки его объяснения доныне
мало удачны. Словом, широкая
приложимость Периодического закона при отсутствии понимания его причины
— есть один из указателей того,
что он очень нов и глубоко проникает в природу химических явлений,
и я, как русский, горжусь тем, что участвовал в его установлении...»
Прогнозирование электронных конфигураций еще неоткрытых элементов (110 - 118) или уже открытых, но полностью не изученных (102 - 109), облегчается сравнением индексов электронной конфигурации соседних по подгруппам элементов
с известными свойствами и ближайших элементов
по периоду. Новая концепция ПлСЭ, моделирующая в известной
степени электронные оболочки
атомов в соответствии с зарядом ядер, выражает глобальный характер
их эволюции в зависимости
от увеличения атомной массы и нуклонного заряда элементов при условном движении
в направлении от водорода в центре ПлСЭ к сверхтяжелым заурановым элементам шестого и седьмого периодов.
Данная эволюция также знаменательна тем, что самые легкие элементы водород и гелий первого периода
в центре ПлСЭ соответствуют в своей основе составу большинства, если не всех, звезд Галактики. Кроме того, в результате сравнительного анализа распределения устойчивых
ассоциаций элементов авторами сформулирована принципиально новая рабочая гипотеза
о глобальном значении фазовой несмесимости вещества в подвижных средах как основном механизме
избирательного концентрирования соединений
в расплавах, растворах и парогазовых образованиях геосферных зон Земли.
Здесь, возможно, прослеживается будущая роль ПлСЭ в синтезе законов
органической и неорганической химии [4].
Список литературы
1.
Семишин В.И. Периодическая система
химических элементов Д.И. Менделеева. - М: Химия, 1972. - 188 с.
2.
Короткий В.М., Мелентьев
Г.Б. О распределении s-, p-, d-, f- элементов по группам
симметрии // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России,
№ 4. - М: ФГУП ВИМИ, 2007. С. 75-78.
3.
Мелентьев Г.Б., Короткий В.М. Новая планетарно-симметричная конфигурация Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, фазовая несмесимость вещества и их глобальное
ресурсно- экологическое значение // Экология
промышленного производства, вып. 1. - М: ФГУП ВИМИ, 2008. С.18- 34.
4.
Мелентьев Г.Б., Короткий В.М. Горизонты российской науки. Ж. Редкие земли, №1 (4), 2015,
с.140
– 155.
