ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН, ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ДЕКАРТОВЫХ КООРДИНАТАХ

Представлены  результаты исследований периодического закона Д.И. Менделеева и

периодической системы химических элементов по их интегрированию в рамках полуклассической модели атома в планетарную систему элементов в координатном представлении.

За истекшее время классическая таблица Менделеева, демонстрирующая периодический закон, неоднократно дополнялась и расширялась, при этом наибольшее распространение получили широко известные формы таблицы периодической системы элементов (ПСЭ): короткая, полудлинная, длинная и лестничная. В отечественной научной и учебной литературе, преимущественно, приводилась короткая форма таблицы ПСЭ, а за рубежом – полудлинная таблица ИЮПАК.

Можно выделить три этапа эволюции ПСЭ: химический, электронный и ядерный. На первом из них изучались причины периодического изменения свойств химических элементов в связи с их атомным весом и создавались модификации периодической таблицы применительно к решению различных фундаментальных и прикладных задач. На втором этапе исследовались электронные оболочки атомов, был сделан вывод о зависимости свойств элементов от заряда ядра атома и предложены квантово- механические обоснования периодического закона. Наконец, третий этап посвящен изучению строения атомного ядра для обнаружения функциональных зависимостей периодических свойств элементов от строения их атомных ядер [1].

В настоящее время главный международный орган химиков – International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) настоятельно рекомендует использовать для научных изысканий и в образовательном процессе полудлинную форму периодической таблицы ПСЭ, поскольку ИЮПАК изначально призван кооpдиниpовать исследования, тpебующие междунаpодного согласования, контpоля и стандаpтизации химической теpминологии, включая названия элементов. Таблица, утвержденная ИЮПАК в 1989 году, состоит из 18 вертикальных групп, обозначенных арабскими   цифрами, и не содержит принятых в короткой форме ПСЭ таких понятий, как типические элементы, главные и побочные подгруппы, триады и семейства железа или платиновых металлов. В связи с этим, по мнению большинства современных ученых, таблица ИЮПАК частично лишена недостатков и очевидных противоречий, присущих короткой форме ПСЭ.

В качестве одного из последних исследований в данной области можно привести наиболее представительный современный и расширенный вариант таблицы ИЮПАК, который был одобрен XVII Менделеевским съездом в сентябре 2003 года. В расширенный вариант таблицы ПСЭ были внесены самые последние характеристики всех известных на сегодняшний день элементов [2].

Несмотря на настоятельные рекомендации повсеместного использования таблицы ИЮПАК, окончательная ее редакция в виде полудлинной 18 групповой периодической таблицы ПСЭ также имеет существенные недостатки и не является окончательной. В связи с этим относительно недавно было показано, что периодическая система и периодическая таблица химических элементов, представленные в виде ортогональной симметричной суперматрицы в декартовых координатах, совершенно оригинально раскрывают способ графического представления периодического закона. Предложенная в ОИВТ РАН новейшая система классификации химических элементов (рис.1) в виде планетарной системы элементов (ПлСЭ) сравнительно свободно элиминирует существенные недостатки предыдущих табличных форм представления периодического закона и дает основание отнести данные исследования к завершающему этапу интенсивных      полуторавековых      поисков в этой      области      [3,      4].

В отличие от классической короткой таблицы ПСЭ и полудлинной таблицы ИЮПАК, новая планетарная система элементов ПлСЭ демонстрирует поразительную многогранную симметрию в структуре таблицы при размещении элементов в декартовых или полярных координатах внутри осесимметричной таблицы с необычным структурным индексом 14х14, для которой в связи с ее уникальными свойствами можно использовать эвристический термин супертаблица, представляющая собой квадратную суперматрицу (196 ячеек, 14 столбцов, 14 рядов), образованную спиральным числовым рядом в соответствии с зарядом атомного ядра входящих в нее химических элементов. Главными особенностями размещения элементов в суперматрице ПлСЭ являются: векторная схема ее построения, центральная симметрия известных и еще не изученных элементов относительно водорода и гелия, зеркальная, секторная и квадрупольная симметрии между смежными главными и побочными подгруппами относительно осей координат, естественное размещение в таблице ПлСЭ переходных элементов, а также лантаноидов, актиноидов и трансактиноидов в соответствии с их конфигурационными индексами.

Симметрии как свойство природы (осевая симметрия, линейная, зеркальная, групповая   и др.) являются базовыми понятиями естествознания, они подразумевают инвариантность объектов или параметров объекта по отношению к некоторым преобразованиям или к операциям, выполненным над вещественными объектами. Эмми Нетер, в частности, установила связь между симметриями и законами сохранения - каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения: следствием однородности пространства является закон сохранения импульса, следствием его изотропности - закон сохранения момента импульса, следствием однородности времени является закон сохранения энергии и т. п.

В связи с выявлением в науке сложных видов симметрии возникло и новое понятие «суперсимметрия», которое было введено в 70-х годах прошлого века в отношении физической системы, объединяющей состояния, подчиняющиеся разным статистикам - статистике Бозе-Эйнштейна (бозоны) и статистике Ферми-Дирака (фермионы), которые относится     к квантовой теории поля и вещества. Подобно другим типам симметрии, рассматриваемым в физике, суперсимметрия формулируется в терминах некоторой группы преобразований, действующих на состояние системы, что, по нашему мнению, можно использовать при исследовании различий в свойствах систем атомов, состоящих из адронов и лептонов, составляющих атомы химических элементов. В результате оказалось возможным конструирование новых матричных структур, в том числе, суперматрицы атомов химических элементов, обладающей особыми свойствами суперсимметрии, выражающимися в их структурной классификации по Периодическому закону [5].

Указанные особенности структурного построения ПлСЭ, обладающей указанными группами симметрии, связаны с тем, что периодичность содержащихся в таблице элементов связана с наличием центрального и концентрических полей, представляющих собой замкнутые энергетические зоны для центральной первой и шести обрамляющих ее кольцевых энергетических зон (периодов) с последовательно возрастающим числом электронных оболочек согласно известному закону их количественного возрастания 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Горизонтально и вертикально размещенные группы элементов относительно осей декартовой системы координат образуют обычные хорошо известные и изученные семейства элементов с подобными свойствами, которые эквивалентны группам и подгруппам классической ПСЭ и ИЮПАК. При этом главные подгруппы восьми групп элементов в таблице ПлСЭ пронизывают все семь больших и малых кольцевых периодов, а десять побочных проходят только через четыре внешних больших периода (с 4-го по 7- й). Одновременно 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.

 В планетарной системе элементов ПлСЭ (рис.1) 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 элементов ПлСЭ 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 ПлСЭ 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.

Расходящиеся от центра таблицы ПлСЭ линейные группы элементов векторно размещены так, что восемь больших, десять средних и четырнадцать малых линейных групп образуют упомянутые группы и подгруппы элементов с подобными химическими свойствами. Кардинальным различием и важнейшей особенностью новой ПлСЭ, в отличие от прежних классических форм ПСЭ и ИЮПАК, является то, что лантаноиды (элементы 57–71), актиноиды (элементы 90–103) и трансактиноиды (элементы 105–118) нашли свое совершенно естественное место внутри упомянутой суперматрицы в шестом и седьмом периодах. Таким образом, в таблице ПлСЭ разрешены несуразности расположения семейства триад элементов в VIII подгруппе совместно с благородными газами, а также внетабличное расположение лантаноидов и актиноидов. Полное завершение седьмого периода происходит на элементе с порядковым номером 118, который является аналогом радона.

Наглядно сравнить электронные оболочки лантаноидов и актиноидов с другими элементами основных групп ПСЭ и ИЮПАК существующие периодические системы классификации не позволяют. В декартовых координатах при спирально матричном распределении элементов лантаноиды и актиноиды по суммарному количеству электронов органично вписываются в соответствующие группы шестого и седьмого периодов предлагаемой периодической таблицы ПлСЭ. На этом основании они перенесены из дополнения к таблице в её основную часть. При указанном распределении перемещенных лантаноидов и актиноидов в двух подгруппах (между второй – третьей и четвертой-пятой группами) вскрывается их вторичная периодичность, сопровождающаяся известным подобием конфигурации валентных оболочек.

Исходя из указанного строения супертаблицы ПлСЭ следует, что ее структура представляет собой, по существу, схему интеграции периодического закона и полуклассической   модели  атома в   ортогональном           варианте    унифицированной конфигурации планетарной системы, что обеспечивает получение наиболее полной информации об электронном строении оболочек известных элементов в соответствии с возрастанием заряда ядер атомов, а также возможность наглядного изображения электронных оболочек химических элементов в табличной форме. Это, в свою очередь, позволяет прогнозировать электронные конфигурации и свойства атомов и их соединений для известных химических элементов, еще не открытых (110–118) или уже открытых, но полностью не изученных (102–109), в том числе, путем сравнения индексов электронной конфигурации соседних по подгруппам элементов с известными свойствами и ближайших элементов   по периоду.   Следует  также отметить, что ряд критиков классической

«архаичной» формы ПСЭ, отмечают "насильственную" упаковку элементов в восемь главных групп, включающих побочные подгруппы, содержащие "типические" элементы и «триады» с несовместимыми свойствами элементов главных и побочных подгрупп. В новой супертаблице ПлСЭ эта проблема, как видно из ее структуры на рис. 1, полностью разрешена – каждая из главных и побочных подгрупп имеют свои векторно- симметричные энергетические зоны размещения относительно указанных осей координат. При этом последовательный ряд порядковых номеров элементов отвечает спиральной структуре ПлСЭ, табличная форма – матричной составляющей, а четно- нечетные группы элементов в этой системе формируют четыре симметрично расположенные векторные и квадрупольные ассоциации для основных групп и подгрупп элементов планетарной системы. Поскольку, с математической точки зрения, матрица или суперматрица ПлСЭ - есть способ записи некоторой системы уравнений, то каждое, входящее в матрицу периодической системы элементов, уравнение в отдельности описывает вектор. Построив из точки начала координат векторы, заданные в суперматрице ПлСЭ по спиральному закону, мы зададим на плоскости или в пространстве некоторую группу или фигуру, а ее частные определители – некоторую площадь или иные характеристики ПлСЭ. На наш взгляд – это одно из направлений возможности строгой формализации Периодического закона.

Чтобы сохранить преемственность классической таблицы Менделеева ПСЭ и новой ПлСЭ, а также упростить использование длинной формы ИЮПАК, новые номера групп в ПлСЭ могут быть согласованы со старыми (римскими) номерами групп (I - VIII) и подгрупп (a, b). В новой таблице ПлСЭ, естественно, должны быть приведены новые названия последних элементов, утвержденные ИЮПАК. Анализ структуры новой планетарной системы химических элементов ПлСЭ показал ее эффективность в освобождении от некоторых недостатков и парадоксов классической периодической системы элементов ПСЭ и международной таблицы ИЮПАК. Развитие современных квантовых представлений и ядерных технологий обусловило возникновение множества новых вопросов о границах периодической системы, островах стабильности трансурановых элементов, способах получения и исследования сверхтяжелых атомов. Перспективы решения этих вопросов определяются не только уровнем развития общей химии и ядерной физики изотопов, но новейшими исследованиями, в том числе, в части изучения свойств периодичности электронных конфигураций элементов ПлСЭ, от строения и устойчивости их атомных ядер.

В настоящее время представляется, что рассмотренные свойства нового ортогонального представления периодического закона, периодической системы и периодической таблицы в декартовых или полярных координатах, раскрывающие особые свойства некоторых видов групповой, спиральной и матричной симметрии в расположении элементов в структуре планетарной системы элементов ПлСЭ помогут решить некоторые из указанных выше проблем с целью создания более совершенной системы знаний о структуре и эволюции вещества.

Список литературы

1.      Семишин В. И. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева // — М: Химия, 1972. 188 с.

 2.      Р. Сайфуллин,  А. Сайфуллин Современная форма таблицы Менделеева // Наука и жизнь, № 7, 2004.

3.      Короткий В. М. Структурный вариант периодической системы элементов Д. И. Менделеева // Оборонный комплекс — народному хозяйству: Сб. инф. листков о науч.-технич. достижениях. Химическая технология. М: ФГУП "ВИМИ", 1997. С. 11.

4.      Короткий В.М., Мелентьев Г.Б.    О распределении s-, p-, d-, f- элементов по группам симметрии // Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России.– М.: ФГУП ВИМИ, 2007. № 4. С. 75 – 78.

5.      Короткий В.М. Исследование свойств групповой симметрии суперматрицы, образованной спиральным числовым рядом в соответствии с зарядом атомного ядра химических элементов // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции (11 апреля 2016 г.). Актуальные проблемы и достижения в естественных и математических науках.– г. Самара.: ИЦРОН, 2016. Выпуск III. С. 15-18.