МЕНДЕЛЕЕВ
Все ранние находки и подмеченные химиками закономерности оказались очень важны для построения периодической системы элементов, однако решающий шаг в этом направлении был сделан Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году, когда при составлении своей периодической системы он учел не только атомный вес, но и «индивидуальность» каждого сорта атомов.
Индивидуальность атомов проявляется в их способности к образованию химических соединений. Если бы атомы характеризовались всегда лишь одной валентностью, то задача их систематизации была бы существенно проще. В этой ситуации следовало бы разбить все имеющиеся элементы на группы с постоянной валентностью и в пределах каждой группы расположить их по весу.
Задача, однако, была гораздо сложней. Многие химические элементы в различных соединениях демонстрируют различные валентности. Примером этому могут служить соединения азота и кислорода.............. N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5, в ряду которых валентность азота повышается от 1 до 5. Кроме того, принцип расположения элементов в порядке возрастания их атомного веса также мог приводить к ошибочным результатам с точки зрения современной науки. Каждый химический элемент может существовать в нескольких вариантах — изотопах, различающихся массой атомного ядра. У некоторых элементов число стабильных и радиоактивных изотопов измеряется десятками. Вглядываясь в периодическую систему элементов, можно заметить, что расположение Со и Ni, Те и I не соответствует принципу возрастания атомного веса. Ко времени создания Менделеевым периодической системы было известно уже более шестидесяти элементов, хотя еще не существовало представлений о благородных газах, лантанидах и актинидах, и, тем более, о радиоактивных элементах.
Проблему поливалентности химических элементов Менделеев решил тем, что стал располагать их по принципу наибольшей валентности. Так, галогены хлор Сl, бром Вг и йод J имеют максимальную валентность по кислороду — 7, то есть могут образовывать соединения типа С12О7; халькогены сера S, селен Se и теллур Те имеют максимальную валентность по кислороду — 6, то есть могут образовывать соединения типа SO3; и так далее по всем известным элементам. Результатом классификации стал «вертикальный» вариант периодической системы, в котором наряду с принципом возрастания атомного веса был использован принцип периодической повторяемости свойств химических элементов по мере возрастания их атомного веса.
Неожиданные пробелы в этом плавном нарастании атомной массы при периодической повторяемости химических свойств позволили Менделееву поставить в первом варианте периодической системы ряд вопросительных знаков, которые впоследствии были заменены на вновь открытые элементы скандий Sc, галлий Ga, германий Ge и гафний Hf. Открытие этих элементов (за исключением Hf, открытого в 1923 году) произошло еще при жизни великого химика.
Для построения периодической системы, наряду с глубоким пониманием современной ему химии, требовался также дар научного предвидения. Практически точно расположив все известные ему элементы, Дмитрий Иванович Менделеев намного опередил свое время. Он, по сути, расположил их в соответствии со строгими законами сформулированной намного позже квантовой механики. Из этих законов вытекает периодическая повторяемость свойств химических элементов по мере нарастания атомного номера.
Как известно, атомы всех химических элементов образованы элементарными частицами трех видов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Изотопами одного и того же химического элемента являются атомы, содержащие одно и то же количество протонов и разное количество нейтронов. Вокруг ядра, на расстояниях, в тысячи раз превышающих его радиус, вращаются отрицательно заряженные электроны. Их число равно числу протонов в ядре.
Электроны атома располагаются вокруг ядра, подчиняясь определенным закономерностям. Согласно принципу Паули, сформулированному в 1925 году, в одном и том же атоме не может быть двух электронов, находящихся в одинаковых квантовых состояниях. Квантовые состояния электронов в атоме определяются четырьмя квантовыми числами. Первое из них, главное квантовое число n, описывает среднее удаление электрона от ядра.
Второе квантовое число L определяет форму электронной орбитали, а третье квантовое число m — ориентацию этой орбитали.
Наконец, четвертое квантовое число s характеризует спин электрона, который может принимать два значения + 1/2 и -1/2. Возможные значения второго и третьего квантовых чисел зависят от значения главного квантового числа: L может принимать значения 0, 1,... n- 1, a m может принимать значения — 0, ±1, ..., ±L.
Энергия электрона в ядре зависит от первых двух квантовых чисел и, поскольку поведение электрона в основном определяется его энергией, то для описания электронных состояний обычно используется запись в виде цифры и следующей за ней буквы. Цифра совпадает с главным квантовым числом, а величины 0, 1, 2, 3 для второго квантового числа обозначаются буквами s, p, d, f.
В атомах, где частично или полностью заполнена лишь ls-оболочка, возможно размещение одного или двух электронов, чему соответствуют самые легкие химические элементы: водород Н и гелий Не. Гелий и другие благородные газы, обладающие замкнутыми электронными оболочками, в химические реакции не вступают, и при построении периодической системы Менделеевым не рассматривались.
Во втором ряду располагаются 8 химических элементов от лития Li до неона Ne, отвечающих заполнению 2s- и 2р-оболочек. Этот ряд содержит химические элементы, образующие основу органических соединений: углерод С, азот N, кислород О. 3s-, 3р-, и Зd-оболочки могут быть заполнены 18 электронами. Первыми членами этого ряда служат натрий Na и магний Mg, а заполнение Зр-оболочки начинается с алюминия Аl. Заканчивается заполнение этой оболочки в благородном аргоне Аg, а затем вместо заполнения Зd-оболочки в калии К и кальции Са заполняется 48-оболочка.
Нарушение порядка заполнения электронных оболочек в соответствии с их главным квантовым числом n отражает факт зависимости энергии электронов от орбитального числа L. Лишь после заполнения 48-оболочки начинает застраиваться 3d-o6oлочка, и этот процесс затрагивает металлы от скандия Sc до меди Сu. Полное заполнение Зс1-оболочки достигается в цинке Zn, a затем от галлия Ga до криптона Кг заполняется 4р-оболочка.
В соответствии с формулой 2n2 в четвертой оболочке можно разместить 32 электрона, то есть в дополнение к двум 4s-электронам и шести 4р-электронам найдут себе место еще десять 4d-электронов и четырнадцать 4f-электронов. В многоэлектронных атомах, однако, порядок заполнения электронных оболочек еще более усложняется. Общая схема расположения энергетических уровней электронов в атомах периодической системы такова: 1s, 2s, 2р, 3s, Зр, 4s, 3d, 4р, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f. Элементы, в которых заполняются 3d-, 4d- и 5d-оболочки, называются переходными металлами; элементы с незаполненной 4f-оболочкой называются лантанидами, а с незаполненной 5f-оболочкой — актинидами.
Открытие периодического закона явилось «моментом истины» в истории естествознания. Тогда не было, разумеется, ясных представлений о рядах лантанидов и актинидов, о радиоактивных элементах и благородных газах. Элементы казались незыблемыми кирпичиками мироздания, а электроны, о распределении которых по оболочкам написано выше, были открыты лишь в 1897 году.
Теперь, когда все клеточки периодической системы заполнены и идет лишь поиск новых трансурановых соединений, видно, что удивительная гармония природы проявляется как в систематическом изменении физических и химических свойств элементов в пределах каждого ряда, так и в близости этих свойств в пределах каждой колонки.
В 1984 году в СССР к 150-летию со дня рождения создателя периодической системы элементов был выпущен в обращение юбилейный медно-никелевый рубль, на реверсе которого размещен портрет ученого, обрамляющая его надпись «Д.И. Менделеев» и даты его жизни «1834-1907». К юбилею Санкт-Петербургского государственного университета в 1999 году вышла памятная серебряная монета достоинством 3 рубля с портретами его выдающихся профессоров Ухтомского, Смирнова, Фока, Менделеева.
Наконец, в 2000 году собственно периодическая система элементов заняла центральное место на реверсе серебряной монеты достоинством 3 рубля из серии «Россия на рубеже тысячелетий».