Перыядычная Сістэма Элементаў

Сістэма з’яўляецца графічным выразам перыядычнага закона, устаноўленага рускім хімікам Д. І. Мендзялеевым ў 1869 годзе. Яе першапачатковы варыянт быў распрацаваны Д. І. Мендзялеевым ў 1869—1871 гадах і ўстанаўліваў залежнасць уласцівасцей элементаў ад іх атамнай вагі (па-сучаснаму, ад атамнай масы). Усяго прапанавана некалькі соцень варыянтаў малюнка перыядычнай сістэмы (аналітычных крывых, табліц, геаметрычных фігур і т. п.). У сучасным варыянце сістэмы мяркуецца звядзенне элементаў у двухмерную табліцу, у якой кожны слупок (група) вызначае асноўныя фізіка-хімічныя ўласцівасці, а радкі ўяўляюць сабой перыяды, у пэўнай меры падобныя адзін аднаму.

К сярэдзіне XIX стагоддзя былі адкрыты 63 хімічныя элементы, і спробы знайсці заканамернасці ў гэтым наборы рабіліся неаднаразова. У 1829 годзе Дзёберэйнер апублікаваў знойдзены ім «закон трыяд»: атамныя вагі многіх элементаў блізкія да сярэдняга арыфметычнага двух іншых элементаў, блізкіх да зыходнага па хімічных уласцівасцях (стронцый, кальцый і барый; хлор, бром і ёд і інш.). Першую спробу размясціць элементы ў парадку ўзрастання атамных вагаў распачаў Аляксандр Эміль Шанкуртуа^[ru] (1862), які размясціў элементы ўздоўж шрубавай лініі і адзначыў часты цыклічны паўтор хімічных уласцівасцей па вертыкалі. Абедзве названыя мадэлі не прыцягнулі ўвагі навуковай грамадскасці.

У 1866 годзе свой варыянт перыядычнай сістэмы прапанаваў хімік і музыкант Джон Аляксандр Ньюлендс^[ru], мадэль якога («закон актаў») вонкава трохі нагадвала Мендзялееўскую, але была скампраметавана настойлівымі спробамі аўтара знайсці ў табліцы містычную музычную гармонію. У гэтым жа дзесяцігоддзі з’явілася яшчэ некалькі спроб сістэматызацыі хімічных элементаў; бліжэй за ўсё да канчатковага варыянта падышоў Юліус Лотар Меер (1864). Д. І. Мендзялееў апублікаваў сваю першую схему перыядычнай табліцы ў 1869 годзе ў артыкуле «Суадносіны ўласцівасцей з атамнай вагой элементаў» (у часопісе Рускага хімічнага таварыства^[ru]); яшчэ раней (люты 1869 года) навуковае паведамленне аб адкрыцці было ім разаслана вядучым хімікам свету. Днём адкрыцця перыядычнага закону лічыцца 1 сакавіка (17 лютага па старым стылі) 1869 года, у які Д. І. Мендзялееў скончыў працу над «Вопытам сістэмы элементаў, заснаванай на іх атамнай вазе і хімічным падабенстве».

Паводле легенды, думка аб сістэме хімічных элементаў прыйшла да Мендзялеева ў сне, аднак вядома, што аднойчы на пытанне, як ён адкрыў перыядычную сістэму, вучоны адказаў: «Я над ёй, можа быць, дваццаць гадоў думаў, а вы думаеце: сядзеў і раптам… гатова».

Напісаўшы на картках асноўныя ўласцівасці кожнага элемента (іх у той час было вядома 63, з якіх адзін — дыдым^[ru] Di — аказаўся ў далейшым сумессю двух зноў адкрытых элементаў празеадыму і неадыму), Мендзялееў пачынае шматразова перастаўляць гэтыя карткі, складаць з іх рады падобных па уласцівасцях элементаў, супастаўляць рады адзін з іншым. Вынікам працы стаў адпраўлены ў 1869 годзе ў навуковыя ўстановы Расіі і іншых краін першы варыянт сістэмы («Вопыт сістэмы элементаў, заснаванай на іх атамнай вазе і хімічным падабенстве»), у якім элементы былі расстаўленыя па дзевятнаццаці гарызантальных радах (радах падобных элементаў, якія сталі правобразам груп сучаснай сістэмы) і па шасці вертыкальных слупках (правобразах будучых перыядаў). У 1870 годзе Мендзялееў у «Асновах хіміі» публікуе другі варыянт сістэмы («Натуральную сістэму элементаў»), які мае больш звыклы нам выгляд: гарызантальныя слупкі элементаў-аналагаў ператварыліся ў восем вертыкальна размешчаных груп; шэсць вертыкальных слупкоў першага варыянта ператварыліся ў перыяды, якія пачыналіся шчолачным металам і заканчваліся галагенам. Кожны перыяд быў разбіты на два рады; элементы розных уключаных у групу радоў утварылі падгрупы.

Сутнасць адкрыцця Мендзялеева заключалася ў тым, што з ростам атамнай масы хімічных элементаў іх уласцівасці мяняюцца не манатонна, а перыядычна. Пасля пэўнай колькасці розных па ўласцівасцях элементаў, размешчаных па ўзрастанні атамнай вагі, уласцівасці пачынаюць паўтарацца. Напрыклад, натрый падобны на калій, фтор падобны на хлор, а золата падобна на серабро і медзь. Зразумела, уласцівасці не паўтараюцца ў дакладнасці, да іх дадаюцца і змены. Адрозненнем працы Мендзялеева ад работ яго папярэднікаў было тое, што асноў для класіфікацыі элементаў у Мендзялеева была не адна, а дзве — атамная маса і хімічнае падабенства. Для таго, каб перыядычнасць цалкам выконвалася, Мендзялеевым былі зроблены вельмі смелыя крокі: ён выправіў атамныя масы некаторых элементаў (напрыклад, берылія, індыя, урану, торыя, цэрыя, тытана, ітрыя), некалькі элементаў размясціў у сваёй сістэме насуперак прынятым у той час уяўленням аб іх падабенстве з іншымі (напрыклад, талій, які лічыўся шчолачным металам, ён змясціў у трэцюю групу паводле яго фактычнай максімальнай валентнасці), пакінуў у табліцы пустыя клеткі, дзе павінны былі размясціцца пакуль не адкрытыя элементы. У 1871 годзе на аснове гэтых работ Мендзялееў сфармуляваў Перыядычны закон, форма якога з часам была некалькі ўдасканалена.

Навуковая дакладнасць перыядычнага закона атрымала пацвярджэнне вельмі скора: у 1875—1886 гадах былі адкрыты галій (экаалюміній), скандый (экабор) і германій (экасіліцый), для якіх Мендзялееў, карыстаючыся перыядычнай сістэмай, прадказаў не толькі магчымасць іх існавання, але і з дзіўнай дакладнасцю апісаў цэлы шэраг фізічных і хімічных уласцівасцей.

У пачатку XX стагоддзя з адкрыццём будовы атама было ўстаноўлена, што перыядычнасць змены ўласцівасцей элементаў вызначаецца не атамнай вагой, а зарадам ядра, роўным атамнаму нумару і ліку электронаў, размеркаванне якіх па электронных абалонках атама элемента вызначае яго хімічныя ўласцівасці.

Далейшае развіццё перыядычнай сістэмы звязана з запаўненнем пустых клетак табліцы, у якія змяшчаліся ўсё новыя і новыя элементы: высакародныя газы, прыродныя і штучна атрыманыя радыеактыўныя элементы. У 2010 годзе, з сінтэзам 117 элемента, сёмы перыяд перыядычнай сістэмы быў завершаны, праблема ніжняй мяжы табліцы Мендзялеева застаецца адной з найважнейшых у сучаснай тэарэтычнай хіміі. Змены ў перыядычную табліцу хімічных элементаў уносіліся ў 2011 годзе, тады ў яе дадалі элементы 114 і 116.

У пачатку 2016 года сёмы рад табліцы быў запоўнены цалкам. У новых элементаў, якія носяць нумары 113, 115, 117 і 118, пакуль няма пастаянных назваў. Навукоўцы прыдумаюць іх пазней. Усе чатыры элементыя належаць да звышцяжкіх. Першаадкрывальнікам элементаў 115, 117 і 118 прызнаная міжнародная даследчая група, якая складаецца з расійскіх і амерыканскіх навукоўцаў. Гэтая група таксама прэтэндавала на права лічыцца першаадкрывальнікам элемента 113, аднак у выніку эксперты замацавалі гэта адкрыццё за навукоўцамі з Японіі.

Найбольш распаўсюджанымі з’яўляюцца 3 формы табліцы Мендзялеева: «кароткая» (кароткаперыядная), «доўгая» (доўгаперыядная) і «звышдоўгая». У «звышдоўгім» варыянце кожны перыяд займае роўна адзін радок. У «доўгім» варыянце лантаноіды і актыноіды вынесеныя з агульнай табліцы, робячы яе больш кампактнай. У «кароткай» форме запісы, у дадатак да гэтага, чацвёрты і наступныя перыяды займаюць па 2 радкі; сімвалы элементаў галоўных і пабочных падгруп выраўноўваюцца адносна розных старон клетак. Вадарод часам змяшчаюць у 7-ю («кароткая» форма) або 17-ю («доўгая» форма) групу табліцы.

Ніжэй прыведзены доўгі варыянт (доўгаперыядная форма), зацверджаны Міжнародным саюзам тэарэтычнай і прыкладной хіміі (IUPAC) у якасці асноўнага.

Кароткая форма табліцы, якая змяшчае восем груп элементаў, была афіцыйна адменена ІЮПАК ў 1989 годзе. З сучаснай замежнай літаратуры кароткая форма выключана цалкам, замест яе выкарыстоўваецца доўгая форма. Такую сітуацыю некаторыя даследчыкі звязваюць у тым ліку з уяўнай рацыянальнай кампактнасцю кароткай формы табліцы, а таксама з інерцыяй, стэрэатыпным мысленнем і неўспрыманнем сучаснай (міжнароднай) інфармацыі.

У 1970 году Тэадор Сіборг прапанаваў пашыраную перыядычную табліцу элементаў. Нільсам Борам распрацоўвалася лесвічная (пірамідальная) форма перыядычнай сістэмы. Існуе і мноства іншых, такіх, што рэдка або зусім не выкарыстоўваюцца, але вельмі арыгінальных, спосабаў графічнага адлюстравання перыядычнага закона. Сёння існуюць некалькі сотняў варыянтаў табліцы, пры гэтым навукоўцы прапануюць усё новыя варыянты.