Элементы под рукой

В этом году мир отмечает 150-летний юбилей со дня открытия периодической системы элементов. Недавно в честь него мы предлагали пройти тест на знание названий химических элементов, которые по тем или иным причинам в таблицу Менделеева не попали. Однако споры вокруг названий элементов — далеко не единственные разногласия, которые были связаны с периодической системой за полтора века ее истории. На этот раз мы расскажем об альтернативных вариантах формы таблицы элементов, которые в большом количестве предлагались за это время, но в итоге так и не стали широко использоваться.

Наверняка многие из вас видели «таблицы Менделеева», составленные для сортов шоколада, героев мультсериалов, алкогольных напитков или, например, профессиональных велосипедистов. Более научные, но тоже не самые оригинальные варианты периодических систем можно получить, если в ячейках обычной таблицы химических элементов вместо их атомных масс указывать какие-то другие параметры: дату открытия элемента, его фотографию в форме простого вещества, период полураспада, элеткроотрицательность или изображения электронных орбиталей. Например, в нашем материале «Европейский след» мы писали о том, как те или иные элементы зарождаются в недрах звезд, и для наглядности использовали таблицу Менделеева с указанием процессов, которые приводят к появлению каждого из них.

Многие из этих таблиц по-своему интересны, информативны, красивы или смешны, но речь сейчас пойдет не о них. Мы предлагаем вам познакомиться с теми формами периодической системы элементов, которые принципиально отличаются от ее традиционного представления. Эти системы включают те же самые элементы, но для наглядности физических принципов, на которых основана периодичность их свойств, или просто для удобства использования ученые в разное время пытались представить их не в виде привычной нам таблицы из восемнадцати столбцов и семи строчек, а как-то иначе. Для этого они меняли направление периодов и групп, наматывали последовательность элементов на цилиндр и представляли их в виде ветвящихся деревьев.

Периодичность свойств

Чтобы разобраться, почему для периодической таблицы химических элементов предлагали так много разных способов графического представления, сначала кратко напомним о физических основах периодического закона.

В любой версии таблицы элементы расположены по увеличению заряда ядра: у первого элемента — водорода — он самый маленький и равен (по модулю) заряду одного электрона, а у самого тяжелого из известных на данный момент оганесона, расположенного в нижнем правом углу таблицы, он равен (тоже по модулю) заряду сразу 118 электронов. Поскольку заряд ядра определяется количеством в нем протонов, то вместе с зарядом растет и его масса (редкие исключения возможны из-за непостоянного соотношения между числом протонов и нейтронов в ядре), а периодичность свойств связана со структурой электронных оболочек атомов.

Грубо говоря, орбитали, на которых могут находиться электроны вокруг ядра атома, расположены «слоями». Эти слои отличаются между собой по размеру, энергии и форме. Первыми из них заполняются электронами те, которые расположены ближе всего к ядру, а если на них все места уже заняты, то электроны выбирают оболочки подальше от ядра и, соответсвенно, побольше. При этом вместе с увеличением радиуса растет и их энергия, и разнообразие форм: так, у самого близкого к ядру электронного слоя есть только одна сферическая s-орбиталь, а следующий слой состоит уже из четырех орбиталей: к одной сферической присоединяются еще три гантелевидные p-орбитали.

На следующих периодах появляются еще пять крестообразных d-орбиталей, а затем еще и 7 f-орбиталей. Подробнее о физических принципах, на которых основана периодичность химических свойств, вы можете прочитать в нашем материале «Элемент неожиданности».

От того, на каком слое находится «самый дальний» от ядра электрон, и зависит, в каком периоде окажется элемент, а каждый переход к новому слою (когда все более маленькие оказываются занятыми) означает переход к новому периоду в таблице. При этом последовательность заполнения электронных оболочек важна для формирования структуры таблицы и определяется значениями главного и орбитального квантового чисел электронов и формулируется как правило Клечковского (оно же правило Маделунга): сначала заполняется уровень с наименьшим значением суммы этих двух чисел, а при равенстве этих сумм приоритет оказывается у оболочки с меньшим значением главного числа.

Логичный вопрос — как всю эту сложную периодическую систему с большим разнообразием электронных орбиталей, увеличением их числа и типов на каждом новом уровне представить графически: куда стоит помещать те или иные элементы, в каком направлении должно происходить увеличение массы атома, как лучше всего продемонстрировать периодичность и сходство свойств, как связать положение элементов с их электронной структурой.

Самый простой пример возникающих сложностей можно найти в самом начале таблицы Менделеева — это водород. С одной стороны, у него на внешнем уровне всего один электрон, что сразу делает его похожим на щелочные металлы: литий, натрий или калий, — а с другой стороны, того же одного электрона водороду не хватает до конфигурации инертного газа, из-за чего для него характерны и некоторые свойства галогенов — фтора или хлора.

В результате в течение долгого времени водород метался между первой группой и седьмой, а в некоторых вариантах таблицы занимал одновременно две позиции в первом периоде таблицы. Подобных коллизий — как фундаментального, так и эстетического характера — за историю периодической таблицы возникало немало.

Вертикально или горизонтально

Например, один из первых вопросов, который задаст учитель химии школьнику, только что познакомившемуся с таблицей элементов, — где в ней находятся периоды, а где группы, кто из них располагается по вертикали, а кто по горизонтали? Прилежному восьмикласснику ответить на этот вопрос никакого труда не составит: конечно, периоды расположены в строках таблицы, а группы — в столбцах.

А вот сам Менделеев уверен в этом не был и в какой-то момент мог ответить на этот вопрос иначе. Самая первая версия таблицы, которую он в 1869 году сначала нарисовал у себя в дневнике, а затем опубликовал в журнале Русского химического общества, была вертикальной: каждый новый период располагался в новом столбце, а похожие по химическим свойствам элементы из одной и той же группы располагались по горизонтальным рядам. В результате 63 известных на тот момент элемента занимали 6 столбцов и 19 строчек.

Уже в следующем году Менделеев предложил горизонтальную версию таблицы (такую форму имеет и найденная недавно в Сент-Эндрюсском университете одна из старейших сохранившихся копий настенных периодических таблиц, напечатанная в 1885 году, и таблица в аудитории СПбГУ, изготовленная по указанию самого ученого в 1876 году). Тем не менее, вплоть до конца XIX века вертикальные таблицы и их модифицированные версии продолжали использоваться наряду с горизонтальными.

Компактно или наглядно

Количество периодов в периодической таблице за 150 лет увеличилось с шести до семи (и этот факт вопросов не вызывает), а вот насчет «правильного» количества столбцов в таблице до сих пор спорят. Большинство читателей в ответ на вопрос о возможных вариантах таблицы Менделеева наверняка сразу вспомнят про короткопериодную и длиннопериодную версии.

В первом случае d-элементы, у которых появляются электроны на d-орбиталях и которые присутствуют в таблице начиная с 4 периода, записываются в две строчки. Такая запись возможна благодаря сходству степеней окисления у элементов главной группы (то есть p-элементов) и расположенных над ними переходных металлов из d-блока таблицы.

Короткая запись таблицы получается весьма компактной, но, например, некоторые из металлов в такой системе целыми тройками оказываются как будто бы в той же группе, что и инертные газы, хотя по своим химическим свойствам совершенно на них не похожи. В результате в 1989 году ИЮПАК официально отменил короткий вариант таблицы и сейчас она используется редко, а основной версией таблица стала «длиннопериодная».

В ней все элементы из одного периода записываются одной строкой. С одной стороны, это позволяет избежать некоторой путаницы, но с другой — таблица при этом становится значительно менее компактной и резко увеличивается по ширине. Поэтому чтобы избежать дальнейшего разрастания таблицы элементов в горизонтальном направлении, все f-элементы — лантаноиды и актиноиды — в обоих вариантах таблицы выносятся в отдельные секции в нижней части таблицы.

Несмотря на избыточную ширину даже такого варианта таблицы, физик Гленн Сиборг решил, однако, на нем не останавливаться и в 1969 году предложил свою версию сверхрасширенной таблицы. В этой версии таблицы без переносов строки включаются не только d-элементы, но и f-элементы, то есть лантаноиды и актиноиды (которые сейчас всегда выносятся в отдельную секцию), а также g-элементы, ни один из которых на данный момент не получен. Всего в таблице оказалось 218 элементов — даже сейчас таблица ровно на сто элементов короче, а в тот момент их было синтезировано еще меньше.

Стоит отметить, что насчет научной ценности такой таблицы у ученых возникают сомнения. Во-первых, это просто неудобно — полная версия таблицы будет занимать несколько разворотов книги (да и на экран монитора не уместится). Во-вторых, у большинства химиков вопросы вызывает сохранение периодических закономерностей для химических свойств у настолько тяжелых элементов — при такой массе их свойства сильнее зависят от состава ядра, чем от заполненности электронных оболочек. Эта проблема становится актуальной уже для актиноиодов, а недавно было показано, что и оганесон — последний элемент седьмого периода — не так уж сильно похож на инертный газ.

Справа или слева

Попытка уместить каждый период в единственную строчку, вплоть до абсурдных вариантов с 50 столбцами, — на самом деле самый простой и безобидный способ изменить внешний вид таблицы, чтобы сделать ее нагляднее. Эти таблицы почти не отличаются от традиционных, и перестроиться на них труда не составит. Значительно сложнее это сделать при работе со некоторыми другими периодическими системаи.

Например, одна из наиболее известных версия альтернативного способа заполнения — это так называемая «левосторонняя» таблица Шарля Жане, которую он предложил в 1928 году. Жане опубликовал за один год две работы, в которых предложил сразу три модификации такой таблицы, остановившись на наиболее наглядной версии.

В отличие от традиционной таблицы, блоки s- и p-элементов в ней расположены в обратном порядке: s-блок (щелочные и щелочноземельные металлы) справа, а p-блок — слева от него. При этом заполняется эта таблица, как и традиционная, слева направо, поэтому переход от одного периода к другому происходит между 2-й и 13-й (или 3-й в короткопериодном варианте) группами. Таким образом, s-элементы в таблице оказываются расположены около правого края, слева от них — инертные газы и весь p-блок, еще левее — d-элементы.

Основное преимущество подобного расположения элементов состоит в том, что с помощью него в «длиннопериодном» варианте таблицы удается избежать разрывов между s- и p-элементами, благодаря чему можно с ходу, практически не задумываясь, определить электронную конфигурацию атома того или иного элемента в незаряженном состоянии, просто отсчитывая нужные блоки с правой стороны.

Другая необычная версия таблицы — это «древовидная» таблица, которую предложил Эдвард Мазурс в 1967 году. В ней не только новый период, а каждый новый блок элементов (s-, p-, d- и f-блоки), начинается на новой строчке. Каждый из них выравнивается по центру, в результате чего образуется структура, напоминающая рисунок елки, треугольные уровни у которой перевернуты вверх ногами. «Ствол» это дерева состоит из s-элементов, над ними находятся p-элементы, затем d- и f-металлы (если они в периоде есть).

Эта таблица также позволяет быстро определить электронную структуру элементов, а для облегчения восприятия, как и в традиционных вариантах, ее ячейки подкрашивают тем или иным цветом.

Таблица или дерево

При этом далеко не все варианты альтернативных периодических систем, предложенных за 150 лет их истории, представляли собой таблицы. Например, в конце XIX века и начале XX века на основе первоначального вертикального варианта Менделеева ученые пытались построить всевозможные ветвящиеся структуры, которые должны были, по мысли авторов, лучше описывать периодичность свойств, чем таблица из столбцов и строчек.

Как и значительно более поздний вариант Мазурса, эти таблицы тоже напоминают разрастающиеся деревья, но состоят не из отдельных ячеек, а представляют собой элементы, связанные между собой веточками, определяющими родство свойств.

Во всех этих вариантах ученые использовали идею увеличения длины периода с ростом массы элемента — на каждом следующем шаге между щелочными металлами и галогенами (инертные газы на момент публикации большинства этих вариантов еще не были известны) встраивается все большее число новых элементов.

Ветвистые структуры из элементов, соединенных палочками, иногда принимали довольно необычные формы. Например, в периодической системе Старека 1932 года элементы сгруппированы по сходству физических свойств и образуют зигзагообразную систему с диагональным выравниванием элементов, напоминающую проекцию какой-то сложной трехмерной структуры.

Строчки или витки

Пожалуй, самой популярной альтернативой табличному представлению за всю историю периодической системы элементов оказались всевозможные модификации спиральных структур. Основная проблема формы таблицы — прерывистость ее структуры. Чтобы перейти в ней от одного периода к другому, так или иначе нужно перескакивать с конца предыдущей строки к началу новой. Такой скачок, однако, противоречит постепенному росту заряда ядра — при переходе от инертного газа к щелочному металлу следующего периода нужно увеличить заряд ядра на заряд всего одного протона — так же, как и при переходе к следующему элементу в середине периода.

Наиболее очевидной геометрической структурой, которая позволяет показать одновременно и периодичность системы, и последовательность роста атомной массы, оказалась именно спираль. Спиральные формы для систем элементов начали предлагать еще в конце XIX века, а одну из первых значимых с научной точки зрения спиралей элементов предложил в 1902 году Гуго Эрдманн. В предложенной им системе цепочка с последовательностью элементов наматывается на архимедову спираль, при этом короткие периоды (без переходных металлов) проходят один оборот, а длинные — два.

В начале XX века было предложено еще несколько «спиралей Менделеева», а значительный шаг в их улучшении сделал тот же Шарль Жане. После публикации своей «левосторонней» версии таблицы он в том же 1928 году начал работать над спиральными версиями структуры. Жане разработал несколько версий объемных и плоских спиралей, что, помимо прочего, помогло ему фактически прийти к верному правилу последовательности заполнения электронных орбиталей на шесть лет раньше Маделунга и на 21 год раньше Клечковского.

Повторные обороты на длинных периодах Жане заменил петлями — покороче для d-элементов и подлиннее — для f-элементов, так что структура в зависимости от формы записи стала напоминать голову кролика или кактус.

Подобные плоские спирали продолжали дорабатываться и дополняться в течение еще нескольких десятков лет, но стать полноценной заменой таблицам так и не смогли.

Плоская или объемная

Интересно, что не так мало альтернативных версий периодической системы элементов были не плоскими, а объемными. И в основе большинства из них тоже оказывались спиральные структуры. Обычно цепочки последовательностей элементов предлагали «наматывать» на цилиндр или конус (в последнем случае таблица становится похожа на гирлянду на новогодней елке).

Однако из-за невозможности нормально работать с изображениями этих спиралей на бумаге и небольшой наглядности все эти варианты остались лишь экспериментами.

При этом, кроме научно значимых попыток создания объемных структур, ученые и художники наносили периодическую таблицу и на другие объемные фигуры. Например, в начале XX века появилась сферическая версия таблицы элементов, которая заполнялась сверху вниз, при этом на нижнюю половину сферы должны были попадать все неустойчивые элементы. Или совсем экстравагантные варианты, такие как таблица Менделеева на ленте Мёбиуса, которая имеет, правда, лишь эстетическую ценность.

Из-за того, что многочисленные версии таблиц элементов стали возникать сразу же после формулировки периодического закона, уже с конца XIX века появились и первые обзорные статьи, которые сравнивали эти варианты между собой, определяя наиболее удобные, наглядные и подходящие для дальнейшего использования версии. Сейчас новые подобные публикации в форме отдельных статей и целых монографий все еще продолжают появляться, хотя носят уже скорее исторический интерес.

Александр Дубов