КООРДИНАТНАЯ ПЕРИОДИЧНОСТЬ – НОВЫЙ ПОДХОД К КЛАССИФИКАЦИИ S-, P-, D-, Ƒ-ЭЛЕМЕНТОВ

В статье рассматриваются особенности структуры классической периодической системы химических элементов в сравнении со структурой таблицы элементов в декартовой системе координат, обсуждаются отраженные в ней принципы координатной периодичности s-, p-, d-, ƒ-элементов.

Для создания современной классификации химических элементов потребовались значительные усилия по выяснению их электронной структуры. Система классификации массива известных на сегодня элементов,  учитывающая  конфигурации  электронных  оболочек  невозбужденных  атомов,  достигла определенного совершенства. Благодаря этому раскрыты свойства множества новых соединений, синтезированы далекие трансурановые элементы, разработаны совершенные технологии получения атомной энергии и т.п. Тем не менее, отдельные вопросы и недостатки в систематизации химических элементов неоднократно обсуждались. К ним можно отнести особенности первого, шестого и седьмого периодов, неопределенность положения ƒ-элементов, незавершенность границы периодической системы элементов (ПСЭ) и др.

В настоящее время в химическом сообществе принято считать, что переходные элементы семейств лантаноидов и актиноидов следует относить к подгруппе скандия третьей группы ПСЭ, но разместить их полностью в восьми группах короткой формы периодической таблицы проблематично. В длинной форме ПСЭ добавление еще одного блока из 28 ƒ-элементов значительно вытягивает ее структуру, формируя недостаточно заполненную и не эстетичную таблицу, печатание которой в книгах вызывает чисто технические проблемы. В короткой и длинной формах ПСЭ обычно обозначают место, с которого начинаются ƒ-элементы, а сами 4ƒ- и 5ƒ-элементы выносят в две выделенные строчки по 14 элементов. В результате лантаноиды и актиноиды располагают в ПСЭ последней редакции IUPAC в виде отдельного блока или дополнительной двухстрочной таблицы под основной таблицей ПСЭ, что также вызывает ряд вопросов у различных категорий учащихся и специалистов [1,2,3].

Среди множества (более 400) вариантов общепринятой ПСЭ в некоторых из них элемент лантан (57La) иногда помещают сразу за барием - в клетку, с которой должны начинаться 5d-элементы. При этом известно, что 4 ƒ1-элемента   не существует, но есть 4 ƒ2-элемент церий (58Ce), поскольку у лантана происходит, так называемый, проскок электрона  и его 4 ƒ1-электрон оказывается на подуровне 5d1. При этом внешняя оболочка у лантана имеет конфигурацию 6s24ƒ05d1, то есть лантан является d-элементом. Иногда предлагается разместить под иттрием не ƒ-элемент лантан, а 5d1-элемент лютеций (71Lu), у которого 4ƒ-подуровень уже заполнен - 6s2 4ƒ14 5d1. При этом в длинной форме таблицы лютеций и лоуренсий оказываются в блоке d-элементов ПСЭ [3].

Сравнительно недавно сотрудниками ОИВТ РАН была предложена новая, отличная от классической, система классификации химических элементов в декартовых координатах, так называемая, планетарная ПлСЭ (Рис. 1). По многим показателям отраженные в ней принципы координатной периодичности элементов более корректно решают проблемы, связанные с размещением в таблице 14-го ранга семейств ƒ-элементов, а также главных и побочных подгрупп элементов, водорода, гелия и триад переходных элементов [4-8, 10].

Для понимания особенностей предлагаемого подхода к проблеме внутренней периодичности сначала укажем на ряд свойств лантаноидов и актиноидов [3, с. 603]. По характеру заполнения 4ƒ- орбиталей элементы семейства лантаноидов разделяются на два подсемейства. Для первых семи элементов (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd) в соответствии с правилом Хунда 4ƒ-орбитали заполняются по одному электрону и объединяются в подсемейство церия. Семь остальных элементов (Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), у которых происходит заполнение 4ƒ-орбиталей по второму электрону, объединяются в подсемейство тербия. При этом свойства лантаноидов в основном определяют внешние 5d- и 6s- электроны, что и обеспечивает их большое сходство с d-элементами третьей группы - скандием и его аналогами. Наибольшее сходство с лантаноидами проявляют иттрий и лантан, атомные и ионные радиусы которых близки к радиусам элементов семейства. На этом основании подгруппу скандия и лантаноиды объединяют в общее семейство редкоземельных элементов. При исключительной близости свойств лантаноидов внутри подсемейств церия и тербия некоторые из их свойств (плотность, температура плавления и др.), а также свойства их соединений периодически изменяются в соответствии с внутренней периодичностью благодаря постепенному изменению атомных и ионных радиусов (лантаноидное сжатие). Сказанное относится к оксидам, гидридам и другим соединениям семейства. Что касается степени окисления лантаноидов, она может изменяться от +3 до +4 (церий и празеодим) или до +2 (европий), подобные изменения имеют место и для элементов подсемейства тербия [3].

Рис. 1 Планетарная система элементов (ПлСЭ).

В семейство актиноидов входят Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lo. Уран, торий и протактиний содержатся в минералах, остальные актиноиды в природе практически не встречаются и получены искусственно с помощью ядерных реакций. Для актиноидов характерен распад ядер за счет спонтанного деления с периодами полураспада от 10*23 сек (уран) до 1500 сек (нобелий). Из актиноидов наиболее изучены свойства Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, сведения об остальных неустойчивых элементах получены с использованием косвенных данных. Химические и физические свойства последних семи актиноидов, по общему мнению, должны быть сходными со вторым подсемейством лантаноидов, что и подтверждается их расположением в блоке ƒ-элементов ПСЭ в последней редакции IUPAC [1,2,3].

В соответствии с предложенной концепцией «координатная периодичность - это повторяемость свойств химических элементов при изменении порядкового номера по осям декартовых координат». Согласно принципам координатной периодичности элементов предложено рассматривать в качестве перспективной следующую схему взаимного расположения в ПлСЭ блока 4ƒ-элементов по отношению к d-элементам третьей и четвертой групп периодической таблицы с указанием их атомных номеров

Hg = Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd - La = Tl, Pb = Hf - Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Tb = Ta 80 58 59 60 61      62  63 64           57                    81 82              72  71 70     69 68 67 66 65      73 ЛАНТАНОИДЫ

Данный блок 4f-элементов фиксирует положение лантана в подгруппе скандия и подчеркивает вторичную периодичность подсемейств церия и тербия. Кроме того, в данной схеме блока подсемейство церия расположено между ртутью и лантаном, а подсемейство тербия - между гафнием и танталом, что подчеркивает определенную связь физико-химических свойств 4ƒ- элементов с d-элементами подгрупп 2- 3-4 ПлСЭ [4-8]. Качественное подтверждение правильности такого подхода можно видеть, сравнивая периодическое изменение внутри подсемейств церия и тербия значений атомных и ионных радиусов указанных элементов (см. таблицы 56 и 57 [3, с. 604 и 612]). В силу достаточно сложной организации 4ƒ- орбиталей степени окисления отдельных лантаноидов могут сравнительно сильно изменяться в стороны степеней окисления некоторых d-элементов.

Из актиноидов наиболее изучены первые семь элементов семейства (Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm). Сведения об остальных элементах (Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lo) получены в основном по косвенным данным, их изучение существенно затрудняется радиоактивным распадом и сопутствующими излучениями, вызывающими химические изменения в рассматриваемых системах. По мере увеличения атомного номера элемента энергия связи 5ƒ-электронов с ядром атома постепенно увеличивается, а энергия связи 6d- электронов понижается, поэтому становится более выгодным переход 6d-электронов в 5ƒ-состояние. Вследствие особой близости этих состояний элементы подсемейства тория выступают как d- и как ƒ- элементы (размытая периодичность) и актиноиды проявляют переменные степени окисления (7-2). По аналогии с лантаноидами в предложенной ПлСЭ первые семь элементов семейства актиноидов объединены в подсемейство тория, а остальные – в подсемейство берклия.

Cn = Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm – Ас = Nh,   Fl =  Rf – Lo, No, Md, Fm, Es, Cf, Bk = Db 112              90 91  92 93  94  95                       96  89      113 114 104 103 102 101 100 99 98 97    105 АКТИНОИДЫ

В итоге блок 5f-элементов также фиксирует положение актиния в подгруппе скандия и подчеркивает вторичную периодичность подсемейств тория и берклия. При этом подсемейство тория расположено между Cn (коперниций) и Ас (актиний), а подсемейство берклия (Bk) - между Rf (резерфордий) и Db (дубний), что по аналогии с лантаноидами должно указывать на возможные связи физико-химических свойств 5f-элементов с d-элементами  подгрупп 2-3-4 ПлСЭ.

Энергия связи в ядре составляет примерно 7 МэВ на один нуклон и на 6 порядков превышает энергию химической связи, что обеспечивает стабильность существования элементов. Сейчас известно около 300 устойчивых и свыше 1400 радиоактивных ядер, причем ядра, содержащие, так называемые, магические числа протонов или нейтронов - 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 устойчивее других. Анализ кривых (Рис. 2) [3, с. 13], отражающих зависимость распространенности химических элементов от их атомного номера показывает, что наибольшую распространенность имеют водород и гелий, а распространенность других элементов неравномерно уменьшается с возрастанием атомного номера элемента. При этом относительная распространенность атомных ядер с четным числом протонов Z принципиально выше, чем с нечетным, например, элементы с четными атомными номерами Z составляют 86%, с нечетными - 14% массы земной коры. В результате каждый конкретный элемент имеет более распространенные изотопы с четным числом нейтронов и менее - с нечетным числом протонов и нейтронов, что определяется относительной устойчивостью его изотопов. Следствием квантово-механического принципа Паули и отличий в энергии взаимодействия (рn) в сравнении с (рр) и (nn) является то, что равные значения чисел р, n создают лучшие условия для существования стабильных ядер [1, 3]. Подобные соотношения прослеживаются и в структуре ПлСЭ.

Сплошная линия на Рис. 2 соответствует четным, а пунктирная – нечетным Z, что практически без исключений отвечают зеркально симметричному распределению в ПлСЭ элементов с четными и нечетными Z (Рис. 1). В итоге координатная периодичность элементов по признаку четно-нечетных ядер элементов групп I – VIII однозначно указывает на неизвестное ранее свойство периодической системы в декартовых координатах. Ранее [4-6] было указано, что последовательный ряд порядковых номеров Z элементов в ПлСЭ отвечает ее спиральной структуре, табличная форма – матричной составляющей, а четно-нечетные группы элементов в этой системе формируют четыре симметрично расположенные по квадрантам векторные ассоциации для восьми групп и подгрупп элементов периодической таблицы. 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. Основные виды выявленной в ПлСЭ симметрии отражают зеркальную симметрию групп s-, р-, d- элементов, образующих попарно расположенные упомянутые группы элементов на осях декартовой системы координат и условно зеркальную симметрию f – элементов и их дополнительную парную симметрию с четно-нечетной градацией в подсемействах церия и тербия [5-8].

В связи с выявлением в ПлСЭ сложных видов симметрии появляется возможность использования в отношении новой таблицы 14-го ранга ПлСЭ понятия «суперсимметрия», которое было  введено  в прошлом веке в отношении физических систем, объединяющих состояния групп динамической и перестановочной симметрии, подчиняющихся разным статистикам. Исходя из принципов статистики Ферми-Дирака периодичность свойств элементов, преимущественно, является следствием свойственных лептонам электронных конфигураций, тогда как статистика Бозе-Эйнштейна выявляет различия в свойствах ядер атомов с учетом спина и четности чисел нуклонов, что можно наблюдать и в таблице ПлСЭ. Согласно новой системе классификации «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими соединений находятся в координатной периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов». Указанные соображения свидетельствуют о том, что исследование периодических свойств элементов неразрывно связано с учетом влияния квантовых параметров электронных оболочек и координатной периодичности по массовым и зарядовым характеристикам элементов и их изотопов. Здесь может найти применение предложенный ранее альтернативный метод описания свойств произвольной квантовой системы, заключающийся в представления ее характеристических функций в волновом приближении де Бройля [9].

Структура ПлСЭ представляет собой новую схему интеграции периодического закона и полуклассической модели атома , сочетающих данные электронного строения и  зарядовой симметрии ядер атомов в декартовой системе координат. Представляется, что исследования в области корреляции симметрии и координатной периодичности в предложенной классификации химических элементов будут способствовать более строгой формализации периодического закона [10] .

Для правильного контрольного воспроизведения Рис. 1, Рис. 2 и схем лантаноидов и актиноидов приводятся их копии на отдельных листах.

Рис. 1 Планетарная система элементов (ПлСЭ).

Hg = Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd - La = Tl, Pb = Hf - Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Tb = Ta 80            58 59 60 61       62  63 64           57                    81 82              72  71 70     69 68 67 66 65      73 ЛАНТАНОИДЫ

 Cn = Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm – Ас = Nh,   Fl =  Rf – Lo, No, Md, Fm, Es, Cf, Bk = Db 112          90 91  92 93  94  95                                           96  89      113 114 104 103 102 101 100 99 98 97    105 АКТИНОИДЫ

Список литературы

1.Трифонов Д.Н. О количественной интерпретации периодичности.- М.: Наука, 1971., -159 с.

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

3.    Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия: Учеб. Для химико-технол. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк.,1988., – 640 с.

4.    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

5.    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.

6.     Короткий В.М., Мелентьев Г.Б. Инновационное значение новой планетарно-симметричной конфигурации Периодической системы элементов и концепции многоуровневой фазовой несмесимости вещества // Междунар. науч. журн. - 2008. - N 3., - с.77-91.

7.     Короткий В.М., Дадашев М.Н., Мелентьев Г.Б. Векторно-матричный подход к анализу периодичности химических элементов // Мониторинг. Наука и технологии. - 2015. - N 1(22)., - с.70- 75.

8.     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.

9.   Короткий В.М. Возможность введения кванта действия в системе определений классической физики и феноменологической термодинамики // Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России: Межотраслевой научно-технический журнал / ФГУП «ВИМИ», 2009. Вып. 1., - с. 3- 5.

10. Мелентьев Г.Б., Короткий В.М. Горизонты российской науки. Ж. Редкие земли, №1 (4), 2015., -с.140 – 155.