Периодическая система химических элементов с точки зрения современной науки

Размещено на http://www.allbest.ru

Тема: Периодическая система химических элементов с точки зрения современной науки



АБСТРАКТ

Периодическая таблица является графическим выражением закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869--1871 годах. Становлению научной мысли в направлении систематизации химических элементов предшествовали работы таких ученых, как Дёберейнер, автор идеи о триадах элементов, Шанкуртуа, располагавший элементы по спирали, Ньюлендс, уподоблявший элементы нотам в октаве, Одлинг и Мейер, предложившие свои варианты систематики.

На сегодняшний день предложено порядка шестисот вариантов изображения периодической системы (аналитических кривых, таблиц, геометрических фигур и т. п.), при этом учёные предлагают всё новые варианты. В современном варианте системы элементы сведены в двумерную таблицу, в которой каждая группа определяет основные физико-химические свойства, а периоды в определённой мере подобны друг другу. Существует и множество других, редко или вовсе не используемых, но весьма оригинальных, способов трактовки и графического отображения Периодического закона.

Так, известный казахстанский ученый, доктор наук, профессор Нурлыбаев И.Н. предлагает уточнение периодического закона и математическое выражение этого закона, до сих пор не имевшееся в его современной формулировке. Целью данной работы является анализ предложенной профессором Нурлыбаевым И.Н. новой трактовки периодического закона. Впервые авторами лично проведен анализ теории Нурлыбаева с применением аппарата синергетической теории информации (СТИ).

Гипотеза исследования: второй-третий, четвертый-пятый, шестой-седьмой периоды ПС следует считать подобными (р-периодами Нурлыбаева) и поэтому имеется необходимость в пересмотре принятых квантовых чисел и квантовых состояний.

Предпосылки теории И.Н. Нурлыбаева обнаружены в работах Юлиуса Лотара Мейера, Нильса Бора и других ученых. Методами СТИ проведен расчет структурной организации электронных систем, причиной периодичности свойств химических элементов и образованных ими веществ названа периодичность так называемой R-функции, представляющей собой отношение порядка к хаосу.

В выкладках данной теории найдены содержание основных положений теории И.Н. Нурлыбаева, выведенных казахстанским ученым посредством визуального анализа периодической таблицы Д.И. Менделеева, вывод о взаимосвязи количества элементов в химическом периоде с номером соответствующего периода Нурлыбаева.

Данная работа является началом фундаментального научного исследования возможного открытия в современной химии.



ВВЕДЕНИЕ

Данная научная работа посвящена вопросу становления и развития так называемого периодического закона Д.И. Менделеева, принятому повсеместно химическим сообществом. Периодический закон и периодическая система химических элементов играют огромную роль в развитии естествознания благодаря своим фундаментальности и значимости. В свое время они явились важнейшим достижением атомно-молекулярного учения, позволили дать современное определение понятия «химический элемент» и уточнить понятия о простых веществах и соединениях. Закономерности, вскрытые периодическим законом химических элементов, оказали существенное влияние на разработку теории строения атомов, способствовали объяснению явления изотопии [1].

С периодической системой элементов связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в химии, что проявилось как в предсказании существования неизвестных элементов и их свойств, так и в предсказании новых особенностей химического поведения уже открытых элементов. Периодическая система элементов -- фундамент химии, в первую очередь неорганической; она существенно помогает решению задач синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых материалов, в частности полупроводниковых, подбору специфических катализаторов для различных химических процессов и т.д. Кроме того, периодическая система элементов является научной основой преподавания химии [2].

Химическое знание совершенствуется и углубляется, в соответствии с этим меняется содержание закона и системы в целом. Появляются все новые формулировки периодического закона и все новые изображения периодической системы. Одним из предложений в этом направлении является уточнение формулировки периодического закона, предложенное д.т.н., к.х.н., изобретателем СССР, неоднократным победителем конкурсов инновационных проектов, ученым международного уровня, имя которого внесено в сборник «Почитаемые люди земли Казахской», профессором Нурлыбаевым И.Н..

Целью работы является оценка современного состояния теории периодической системы. К задачам исследования относятся: изучение истории возникновения и становления ПЗ; рассмотрение структуры ПС в соответствии с синергетической теорией информации (СТИ); подтверждение положений теории Нурлыбаева.

Методы исследования: поисково-исследовательский, аналитический, математический.

В ходе исследования выявлены основные этапы развития ПЗ, обнаружено большое многообразие предложенных и используемых ПС, рассмотрены основы СТИ. Была проанализирована теория Нурлыбаева, найдено согласие положений данной теории с положениями СТИ. Обоснован вывод о необходимости пересмотра фундаментального понятия главного квантового числа.



1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И СТРУКТУРА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ: ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ

“Периодический закон рисуется ныне в виде новой, отчасти только раскрытой тайны природы” Д.И. Менделеев

1.1 Открытие и развитие периодического закона химических элементов

Первую попытку систематизации элементов предпринял немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер, сформулировавший в 1829 г. закон триад [3]. Он заметил, что некоторые сходные по своим свойствам элементы можно объединить по три. Атомная масса среднего элемента триады была близка к полусумме (среднему арифметическому) атомных масс двух крайних элементов триады.

Li Ca P S Cl

Na Sr As Se Br

K Ba Sb Te I

Другой немецкий химик Леопольд Гмелин показал, что взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами значительно сложнее, нежели триады. В 1843 году Гмелин опубликовал таблицу, в которой химически сходные элементы были расставлены по группам в порядке возрастания соединительных (эквивалентных) весов. Элементы составляли триады, а также тетрады и пентады (группы из четырёх и пяти элементов), причём электроотрицательность элементов в таблице плавно изменялась сверху вниз.

В 1850-х годах немецкий врач Макс фон Петтенкофер и французский химик-органик Жан Батист Андрэ Дюма предложили «дифференциальные системы», направленные на выявление общих закономерностей в изменении атомного веса элементов. Атомные веса некоторых элементов отличаются друг от друга на величину, кратную восьми. На этом основании они предположили, что элементы, возможно, являются сложными образованиями каких-то субэлементарных частиц. Различные варианты дифференциальных систем предложили немецкий химик Эрнст Ленсен (1857), американец Джосайя Парсонс Кук (1857), английские химики Уильям Одлинг (1858) и Джон Холл Глэдстон (1859). В 1859 г. эту идею детально разработал немецкие химики Адольф Штреккер и Густав Чермак.

Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа в 1862 г. предложил винтовой график элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов - т. н. "земная спираль" (vistellurique). Шанкуртуа нанёс на боковую поверхность цилиндра, размеченную на 16 частей, линию под углом 45°, на которой поместил точки, соответствующие элементам. Таким образом, элементы, атомные веса которых отличались на 16, или на число, кратное 16, располагались на одной вертикальной линии. При этом точки, отвечающие сходным по свойствам элементам, часто оказываются на одной прямой. Винтовой график Шанкуртуа фиксировал закономерные отношения между атомными массами элементов, Однако, на одной линии с близкими по своей химической природе элементами оказывались при этом и элементы совсем иного химического поведения.

Английский учёный Джон Александр Рейна Ньюлендс в 1864 г. заметил, что сходство в свойствах проявляется между каждым восьмым элементом. Найденную закономерность Ньюлендс назвал законом октав по аналогии с семью интервалами музыкальной гаммы. В своей таблице он располагал химические элементы в вертикальные группы по семь элементов в каждой и при этом обнаружил, что сходные по химическим свойствам элементы оказываются на одной горизонтальной линии. Однако, в одном и том же ряду часто оказывались и элементы совершенно непохожие. В некоторых ячейках Ньюлендс вынужден был разместить по два элемента.

В 1864 году Уильям Одлинг, пересмотрев предложенную им в 1857 г. систематику элементов, основанную на эквивалентных весах, опубликовал таблицу, в которой элементы были размещены согласно их атомным весам и сходству химических свойств, не сопроводив её, однако, какими-либо комментариями.

В том же 1864 году появилась первая таблица немецкого химика Юлиуса Лотара Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. В 1870 году вышла работа Мейера, содержащая новую таблицу под названием «Природа элементов как функция их атомного веса», состоявшая из девяти вертикальных столбцов. Сходные элементы располагались в горизонтальных рядах таблицы; некоторые ячейки Мейер оставил незаполненными. Таблица сопровождалась графиком зависимости атомного объёма элемента от атомного веса, имеющий характерный пилообразный вид.

В марте 1869 года русский химик Дмитрий Иванович Менделеев представил Русскому химическому обществу периодический закон химических элементов, изложенный в нескольких основных положениях [4]:

1. Элементы, расположенные по возрастанию их атомного веса, представляют явственную периодичность свойств;

2. Сходные по свойствам элементы имеют или близкие атомные веса (Ir, Pt, Os), или последовательно и однообразно увеличивающиеся (K, Rb, Cs);

3. Сопоставление элементов или их групп по величине атомного веса отвечает их т.н. атомности;

4. Элементы с малыми атомными весами имеют наиболее резко выраженные свойства, поэтому они являются типическими элементами;

5. Величина атомного веса определяет характер элемента;

6. Следует ожидать открытия ещё многих неизвестных элементов, например, сходных с Al или Si, с паем (атомной массой) 65-75;

7. Величина атомного веса элемента может быть иногда исправлена,

если знать аналоги данного элемента. Пай Te должен быть не 128, а 123-126.

В том же 1869 г. вышло и первое издание учебника "Основы химии", в котором была приведена периодическая таблица Менделеева.

В ноябре 1870 года он доложил РХО статью «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов», в которой Менделеев впервые употребил термин «периодический закон» и указал на существование нескольких неоткрытых ещё элементов - аналогов бора, алюминия и кремния (соответственно экабор, экаалюминий и экасилиций).

В 1871 году в итоговой статье «Периодическая законность химических элементов» Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса» [5]. Тогда же Менделеев придал своей периодической таблице вид, ставший классическим (т. н. короткопериодный вариант).

Для предсказания свойств простых веществ и соединений Менделеев исходил из того, что свойства каждого элемента являются промежуточными между соответствующими свойствами двух соседних элементов в группе периодической таблицы (то есть сверху и снизу) и одновременно двух соседних элементов в периоде (слева и справа) (т. н. «правило звезды»). Его идеи получили признание только после того, как были открыты предсказанные Менделеевым элементы: галлий (Поль Эмиль Лекок де Буабодран, 1875), скандий (Ларс Фредерик Нильсон, 1879) и германий (Клеменс Александр Винклер, 1886) -- соответственно экаалюминий, экабор и экасилиций.

В 1900-1902 гг. Д. И. Менделеев, Уильям Рамзай, первооткрыватель инертных газов, и Богуслав Браунер, известный своими работами по уточнению атомных масс химических элементов, произвели модернизацию периодической таблицы. Менделеев и Рамзай пришли к выводу о необходимости образования в таблице нулевой группы элементов, в которую вошли инертные газы. Б. Браунер предложив в 1902 году помещать все редкоземельные элементы в одну ячейку; в предложенном им длинном варианте таблицы шестой период таблицы был длиннее, чем четвёртый и пятый, которые, в свою очередь, длиннее, чем второй и третий периоды [6].

Таким образом, Шанкуртуа, Ньюлендс, Одлинг, Мейер и Менделеев независимо друг от друга пришли к идее периодичности, причём наибольший вклад в развитие идеи внесли Менделеев и Мейер. Лондонское королевское общество в 1882 г. присудило золотые медали имени Дэви совместно Д. И. Менделееву и Л. Мейеру с формулировкой "За открытие периодических соотношений атомных весов"; в 1887 г. этой награды был удостоен ещё и Дж. Ньюлендс.

С развитием атомной физики и квантовой химии Периодический закон получил строгое теоретическое обоснование (классические работы Й. Ридберга в 1897). В 1911 году Ф. Содди предложил размещать химически неразличимые элементы, имеющие различные атомные массы (изотопы) в одной ячейке таблицы.

В 1913 году английский физик Г. Мозли установил, что корень из характеристической частоты рентгеновского излучения элемента (н) линейно зависит от атомного номера (Z) элемента в Периодической таблице: н=R(Z-у)І(1/mІ-1/nІ), где R -- постоянная Ридберга, у -- постоянная экранирования. Закон Мозли дал возможность экспериментально определить положение элементов в Периодической таблице.

В 1911 г. голландский физик А. Ван ден Брук на основе планетарной модели атома Э. Резерфорда (1911г.) предположил, что атомный номер совпадает с величиной положительного заряда ядра атома. В 1920 году английский физик Дж. Чедвик экспериментально подтвердил гипотезу Ван ден Брука; тем самым был раскрыт физический смысл порядкового номера элемента в Периодической системе. Периодический закон получил современную формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов».

Позднее была создана квантово-механическая модель периодического изменения электронного строения атомов химических элементов по мере возрастания зарядов их ядер (Н. Бор, В. Паули, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг и др.) [7].

В 1921--1923 годах, основываясь на модели атома Бора-Зоммерфельда, представляющей собой компромисс между классическими и квантовыми представлениями, Н. Бор заложил основы формальной теории Периодической системы. Причина периодичности свойств элементов, как показал Бор, заключалась в периодическом повторении строения внешнего электронного уровня атома. Предложенное Бором "квантовое число" стало одним из четырех квантовых чисел, необходимых для характеристики энергетического состояния электрона.

В 1925 В. Паули сформулировал свой знаменитый "принцип запрета" (принцип Паули), согласно которому в атоме не может быть двух электронов, у которых бы все квантовые числа были одинаковые. В середине XX века В. М. Клечковский эмпирически установил и теоретически обосновал правило, описывающее последовательность заполнения электронных орбиталей атомов по мере роста заряда ядра. В отличие от предыдущих подходов, это правило учитывает взаимодействие между электронами в атоме.

Наибольшее распространение получили три формы периодической системы элементов: короткая, предложенная Менделеевым; длинная; лестничная. Длинную форму также разрабатывал Менделеев, а в усовершенствованном виде она была предложена в 1905 А. Вернером. Лестничная форма предложена английским учёным Т. Бейли (1882), датским учёным Ю. Томсеном (1895) и усовершенствована Н. Бором (1921). Термины лантаноиды и актиноиды были предложены профессором ЛГУ С. А. Щукаревым в 1948 году.

Альтернативные периодические таблицы являются табличным представлением химических элементов, которое значительно отличаются от организации элементов в Периодической таблице Менделеева. В настоящее время различными авторами предложено множество вариантов, которые в основном нацелены на дидактическое преподнесение материала, так как не все корреляции между химическими элементами видны из стандартной Периодической системы.

Левосторонняя система Жанета (1928) считается наиболее значительной альтернативой традиционному описанию периодической системы. В ней элементы расположены согласно заполнению атомных орбиталей и часто используется физиками. Её современная версия, известная как ADOMAH Periodic Table (2006), удобна для написания электронной конфигурации атомов.

Цели некоторых таблиц заключаются в том, чтобы подчеркнуть структуру электронного и ядерного строения атомов. В других элементы расположены во временной шкале по мере их открытия человеком.

В периодической системе Теодора Бенфея (1960) элементы образуют двухмерную спираль, которая, раскручиваясь, опоясывает острова с переходными металлами, лантаноидами и актиноидами. В данной модели появляются ещё не открытые, но предсказанные g-элементы (с атомными числами от 121 до 138). Подобное строение имеет так называемая Химическая Галактика, предложенная Филиппом Стюартом.

В расширенной версии Периодической таблицы, предложенной Г. Т. Сиборгом в 1969 году, зарезервированы места до элемента с атомным номером 218.

Физическая периодическая система, предложенная Тиммоти Стове, является трёхмерной с тремя осями, на которых отложены главное, орбитальное и магнитное квантовые числа [8].

Другой подход основан на том, что кластеры атомов одного элемента имеют свойства единственного атома другого элемента. На этом основано предложение расширить периодическую таблицу вторым слоем, где будут представлены такие кластерные соединения. Самое последние добавление к такой «многоэтажной» таблице -- это отрицательно заряженный кластер атомов алюминия Al7?, который обладает свойствами, схожими с атомом германия.

В таблице Рональда Рича химический элемент может появляться в таблице при необходимости несколько раз.

Вариант, названный «Цветком Менделеева», по мнению авторов, является эстетической версией таблицы химических элементов и представляет собой трехмерный многолепестковый цветок, в котором каждый лепесток представлен атомами с определенным орбитальным квантовым числом.

В исследовании ресурсов интернет были проанализированы описания 560 видов периодической таблицы химических элементов.

1.2 Краткая характеристика синергетической теории информации

Объектом познания теории являются информационно-количественные аспекты отражения дискретных системных образований. Основные базовые понятия - системный объект и информация. При этом под системным объектом понимается качественно обособленное по какому-либо признаку конечное множество элементов в составе некоторой системы, а за информацию принимаются сведения о системном объекте как едином целом.

Ключевое положение в СТИ занимает информационный закон отражения, согласно которому информация, отражаемая системой через совокупность своих частей, разделяется на отраженную и неотраженную части, первая из которых представляет собой аддитивную негэнтропию отражения () и характеризует структуру системы со стороны ее упорядоченности, а вторая, именуемая как энтропия отражения (S), является показателем структурного хаоса [9]. Чем большее разнообразие проявляют элементы системы по какому-либо признаку, тем выше энтропия отражения и ниже аддитивная негэнтропия. И чем более однородны элементы, тем больше аддитивная негэнтропия и меньше энтропия отражения. При этом в любой системе A с фиксированным числом элементов m(A) всегда наблюдается равенство: . То есть, при любых структурных преобразованиях системы, происходящих без изменения числа ее элементов, сумма порядка и хаоса сохраняет свое постоянное значение. При этом необходимо отметить, что приведенное равенство асимптотически эквивалентно уравнению перехода системы идеальных газов из структурно-упорядоченного состояния в состояние термодинамического равновесия, выраженному с помощью энтропии Л. Больцмана.

Отмеченные информационные особенности отражения системных образований позволяют в качестве обобщенной характеристики их структурной организации использовать так называемую R-функцию, представляющую собой отношение порядка к хаосу, то есть:

Для произвольной системы А с числом элементов m(A), разделенной по какому-либо признаку на N частей B1, B2, ... , BN с числом элементов в каждой части соответственно равным m(B1), m(B2), ... , m(BN) . В этих обозначениях формулы аддитивной негэнтропии и энтропии отражения имеют вид:

, . Тогда:

......Значения R-функции показывают, что и в какой мере преобладает в структурной организации системы: хаос или порядок. Так, если , то в структурной организации системы преобладает порядок, в противном случае, когда - хаос. Если , то хаос и порядок уравновешивают друг друга, структурная организация системы является равновесной.

Синергетическая теория информации по своей сущности является физической теорией. Данные выше выражения по своей форме подобны законам сохранения (энергии, количества движения и т.д.), присущим физическим системам.

1.2.1 Структурная организация электронных систем
в плоскости орбитального квантового числа

Электронные системы атомов химических элементов состоят из конечного множества электронов, число которых равно порядковому номеру элементов (Z) в периодической системе Д.И. Менделеева. Рассматривая эти системы в плоскости какого-либо квантового числа, можно по значениям последнего выделять системные объекты и с помощью R-функции оценивать соответствующую структурную организацию систем.

Если в качестве системных объектов взять совокупности электронов с одинаковым значением , иначе говоря, s, p, d, f совокупности (символами s, p, d, f обозначаются электроны со значениями , соответственно) и обозначить количество электронов в указанных совокупностях через , то методика расчета R-функции будет следующая.

Например, у атома криптона электронная конфигурация имеет вид: . Здесь.

Подставляя эти значения в формулу R-функции и, учитывая, что , получаем:



.

По данной методике проведен расчет значений R-функции в плоскости орбитального квантового числа для электронных систем всех атомов химических элементов с порядковым номером (рисунок 1).

График имеет ярко выраженный периодический характер и включает в себя четыре основных периода ( Т ), границы которых проходят по “региональным” максимумам R-функции, наблюдаемым у химических элементов с порядковыми номерами Z = 2, 18, 54, 118. Количество элементов в периодах (m(TN ), N - номер периода) соответственно равно:

Дадим этим периодам общее название - орбитальные периоды структурной организации электронных систем атомов химических элементов. На протяжении второго, третьего и четвертого орбитальных периодов график R-функции имеет форму бегущей волны, то есть, наблюдается общий резкий спад значений в начале периода и относительно плавное их повышение при движении к его концу. В связи с этим второй, третий и четвертый периоды будем называть также орбитально-волновыми периодами.

- значение R-функции при

Рисунок 1. График R-функции электронных систем атомов химических элементов в плоскости орбитального квантового числа

При более детальном рассмотрении графика можно заметить, что сначала имеет место последовательное понижение значений, заканчивающееся “региональными” минимумами R-функции у элементов с порядковыми номерами Z = 6, 27, 70. Затем следует возрастание значений, относительно равномерно продолжающееся до достижения “локальных” максимумов у элементов с Z = 10, 36, 86. После этих максимумов значения R-функции претерпевают незначительное понижение (во втором периоде просто существенное замедление возрастания значений), которое сменяется практически монотонным повышением значений, идущим до конца периодов (“региональных” максимумов) и имеющим более плавный характер, чем возрастание до “локальных” максимумов. При этом, по мере возрастания Z, изменение значений в “региональных” и “локальных” максимумах имеет различный характер: значения R-функции в “региональных” максимумах интенсивно снижаются , а в “локальных” максимумах сохраняют относительно постоянное значение
(R = 2,421; 2,457; 2,413). “Локальные” максимумы R-функции наблюдаются у элементов с порядковыми номерами равными полусумме порядковых номеров тех элементов, которые обладают смежными с ними “региональными” максимумами:.

Отмеченные закономерные особенности поведения R-функции внутри орбитально-волновых периодов позволяют говорить о том, что в структурной организации электронных систем атомов химических элементов, рассматриваемых в плоскости орбитального квантового числа, присутствует еще одна (вторичная) периодичность, которая делит каждый орбитально-волновой период на два полупериода с одинаковым количеством элементов. Эти количества элементов в орбитальных полупериодах равны:

Количество элементов в орбитально-волновых периодах связано с их номером квадратичной зависимостью. То есть:.

Все орбитальные периоды и полупериоды структурной организации электронных систем, так же как химические периоды периодической системы, заканчиваются инертными газами, а начинаются следующими за ними химическими элементами. При этом каждый орбитально-волновой период охватывает два химических периода (- номер периода) с одинаковым числом элементов , то есть:



Соответственно, все орбитальные полупериоды в точности совпадают с химическими периодами и равны с ними по числу элементов. Поэтому в дальнейшем орбитальные полупериоды будем также обозначать символом tn.

Количество элементов в химическом периоде зависит от того, к какому периоду структурной организации он принадлежит. Так как число элементов во всех орбитально-волновых периодах связано с их номером квадратичной зависимостью, то количество элементов в химических периодах имеет следующее выражение:

Применяя последнюю формулу к семи известным химическим периодам периодической системы Д.И. Менделеева, получаем числовой ряд:

2, 8, 8, 18, 18, 32, 32, члены которого в точности соответствуют количеству их элементов. При этом первый орбитальный период по своей сущности является орбитально-волновым полупериодом.

Таким образом, количество элементов в химических периодах периодической системы Д.И. Менделеева равно удвоенному квадрату номера орбитального периода структурной организации электронных систем, к которым они принадлежат.

В каждом орбитальном периоде у атомов химических элементов появляются электроны с новым значением орбитального квантового числа. То есть, в первом периоде наблюдаются только s электроны , во втором периоде дополнительно появляются p электроны , в третьем - d электроны и в четвертом периоде - f электроны . Иначе говоря, во всех орбитальных периодах структурной организации электронных систем атомов химических элементов орбитальное квантовое число принимает ряд значений, максимальное из которых выражается формулой: , а общее число этих значений равно, соответственно, номеру периода N. При этом в каждом орбитальном полупериоде наблюдаются все N значений орбитального квантового числа, а соответствующее число s, p, d, f электронов в атомах их элементов (как и число самих s, p, d, f элементов) достигает величины:

В орбитальных полупериодах число электронов с данным значением орбитального квантового числа связано с номером орбитального периода, в котором они впервые появились, зависимостью:

Заменяя N на , получаем общую формулу числа электронов при данном значении орбитального квантового числа, хорошо известную из курса теории строения атома: .

Число элементов в орбитальном полупериоде конкретизируется в виде формулы: из которой в отношении числа элементов орбитально-волновых периодов (как и в отношении числа образующих их электронов) следует: ..

В химических периодах максимальное значение орбитального квантового числа у электронов атомов их элементов подчиняется условию:

то есть орбитальное квантовое число в химических периодах принимает ряд значений .

Изложенное свидетельствует, что в орбитально-волновых периодах структурной организации электронные системы атомов химических элементов обоих полупериодов дополняются одними и теми же электронами. При этом в каждом случае число электронов в s, p, d, f подгруппах сохраняет свое постоянное значение. Иначе говоря, процесс эволюции электронных систем атомов химических элементов, в пределах орбитально-волновых периодов их структурной организации, идет таким образом, что два раза подряд повторяется один и тот же набор значений и . В отношении орбитальных полупериодов и химических периодов системы Д.И. Менделеева данный факт обуславливает попарное повторение числа элементов в их пределах.

Чтобы объяснить это явление, введем в рассмотрение понятие орбитальный номер электрона , которым будем обозначать порядковый номер электрона в подгруппе. То есть:

и, соответственно:

Совокупность значений и описывает электронные состояния в атомах химических элементов, находящихся в пределах орбитально-волновых периодов структурной организации. При этом в каждом орбитально-волновом полупериоде разнообразие электронных состояний с различными значениями и полностью исчерпывается. Однако согласно принципу запрета Паули: “внутри атома может находиться с данным состоянием только один электрон”. Орбитальные особенности движения электронов в атомах, помимо орбитального квантового числа, характеризуются, как известно, спиновым квантовым числом , которое отражает собственное движение электрона (вращение или спин) и принимает только два значения и , соответствующих антипараллельным направлениям вращательного движения. Значения обычно указываются противоположно направленными стрелками и , обозначающими положительное и отрицательное направления спина, соответственно. При рассмотрении электронных конфигураций атомов по умолчанию принято считать, что при данном значении сначала появляются электроны с положительным значением , а затем, когда их число достигнет величины , к ним присоединяются электроны с отрицательным значением , число которых также становится равным . Вместе с тем, ничто не мешает допустить, что в орбитально-волновых периодах структурной организации электронных систем, при данном значении , в первом полупериоде сначала появляются электроны с положительным значением , а во втором полупериоде - с отрицательным значением . Например, во втором орбитальном периоде заполненные p подгруппы электронов наблюдаются в первом полупериоде у неона (Ne10), а во втором - у аргона (Ar18), и с учетом орбитального номера электронов , будем иметь следующие схемы распределения значений спинового квантового числа:

.......

Сделанное допущение позволяет сформулировать (подобно принципу Паули) орбитальный принцип запрета: в совокупности электронов, образующих орбитально-волновой период структурной организации электронных систем атомов химических элементов, при данном значении орбитального квантового числа не может быть двух электронов с одинаковым орбитальным номером и одинаковым значением спина.

Соответственно, можно говорить о том, что в каждом орбитально-волновом периоде TN два раза повторяется процесс формирования подгрупп электронов со значениями орбитального квантового числа , который идет таким образом, что электроны с одинаковыми значениями и имеют антипараллельные спины. Это обуславливает деление орбитально-волновых периодов структурной организации электронных систем на два одинаковых полупериода (зеркально-симметричных друг другу по спину образующих их электронов) и, как следствие, объясняет факт наличия в периодической системе Д.И. Менделеева периодов с одинаковым количеством химических элементов. Иначе говоря, можно утверждать, что химическая периодичность элементов периодической системы Д.И. Менделеева является вторичной по отношению к орбитальной периодичности структурной организации их электронных систем. Кроме того, принятие орбитального принципа запрета позволяет говорить о том, что одним из атрибутов общего хода эволюции электронных систем атомов химических элементов является тот факт, что появлению электронов с новым значением орбитального квантового числа предшествует реализация всего разнообразия электронных состояний, характеризуемых различными сочетаниями и при .

1.2.2 Структурная организация электронных систем
в плоскости электронных подоболочек

Обозначая количество электронов в подоболочке (системном объекте) через , R-функцию структурной организации электронной системы атома химического элемента с порядковым номером Z можно представить в следующем виде:

Для атома криптона: ,

расчет R-функции ведется следующим образом:

.

С помощью указанной формулы проведена оценка структурной организации электронных систем всех атомов химических элементов, образующих семь известных периодов периодической системы Д.И. Менделеева (рисунки 2-4).

График зависимости значений R-функции от порядкового номера элементов (рисунок 2) имеет периодический, в целом затухающий характер. В горизонтальном направлении таблицы во всех рядах наблюдается одна и та же закономерность: последовательное понижение значений R-функции в начале ряда и повышение значений по мере приближения к его концу, что коррелируется с общим характером ослабления металлических свойств химических элементов в начале периодов и усилением металлоидных свойств в их конце. График средних значений R-функции по группам таблицы ПС (рисунок 4) имеет глубокий минимум на четвертой группе. При этом типические элементы четвертой группы - углерод и кремний - занимают главенствующее положение по разнообразию соединений с другими элементами соответственно в живой и неживой природе, причем углерод обладает минимальным значением R-функции среди всех химических элементов.

Периодический характер графика приращений R-функции (рисунок 3) согласуется с периодическим изменением свойств химических элементов в горизонтальном направлении периодической таблицы: в пределах каждого ряда, на всем его протяжении, значение последовательно увеличивается, а при переходе в начало следующего ряда резко падает. Таким образом, величина является обобщенной количественной характеристикой изменения свойств химических элементов при их последовательном рассмотрении.

В пределах вертикальных групп таблицы Д.И. Менделеева также наблюдается устойчивая взаимосвязь изменения значений R-функции и свойств химических элементов, проявляющаяся в частности в том, что усилению металлических свойств в главных подгруппах элементов с увеличением номера больших периодов, соответствует понижение значений R-функции

Рисунок 2. График R-функции систем электронных подоболочек
атомов химических элементов

Рисунок 3. График приращения R-функции систем электронных подоболочек атомов химических элементов



Рисунок 4. Графики R-функции и средних значений R-функции систем электронных электронных подоболочек атомов по группам ПС

Таким образом, изменение свойств химических элементов, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении периодической таблицы Д.И. Менделеева, согласуется с изменением значений R-функции систем электронных подоболочек их атомов. Это позволяет периодическому закону Д.И. Менделеева дать следующую интерпретацию: периодичность изменения свойств химических элементов является отражением периодического изменения значений R-функции систем электронных подоболочек их атомов.

1.2.3 Решение вопроса верхней границы периодичской системы Д.И. Менделеева

Помимо квадратичной зависимости, между числом элементов в периоде и его номером N существует еще одна связь, математическая форма которой асимптотически близка к кубической зависимости:



При N = 1, 2, 3, 4 данная формула образует ряд чисел: 2, 16, 36, 68. То есть, в данном случае имеется точное выражение числа элементов для первого второго и третьего орбитальных периодов и приближенное выражение, с относительной погрешностью 6%, для четвертого периода.

Подставляя значение из выражения квадратичной зависимости в выражение кубической зависимости, получаем уравнение:

Анализ последнего уравнения показывает, что оно имеет три корня, значения которых равны 2, 3, 4 (при N = 4 сумма первых двух членов уравнения округляется до целого числа). Иначе говоря, уравнение при не существует. Электронных систем может быть только три.

В отношении химических периодов периодической системы Д.И. Менделеева сказанное означает, что наблюдаемая закономерность изменения числа их элементов действует только до седьмого периода включительно, последний элемент которого имеет порядковый номер Z = 118.

Из распределения элементов по орбитальным периодам структурной организации электронных систем следует, что число элементов в каждом последующем орбитальном периоде превосходит общее число элементов, образующих предыдущие периоды:

........

То есть, имеется закономерность: ......................

Вместе с тем, если допустить существование пятого орбитального периода, охватывающего гипотетические восьмой и девятый химические периоды системы Д.И. Менделеева, то согласно квадратичной зависимости будем иметь, что . Но это число элементов явно меньше, чем и, следовательно, можно утверждать, что закономерность при исчезает. Если же определить число элементов пятого периода с помощью квазикубической зависимости, то получим значение , которое формально удовлетворяет выражению, поскольку 126 > 118. Но, в этом случае, будет нарушен орбитальный принцип запрета, который ограничивает число электронов, образующих орбитальный период, квадратичной зависимостью, дающей для пятого орбитального периода значение 100.

Закономерность с позиций электронных конфигураций атомов объясняется тем, что при разнообразие электронов, образующих данный орбит В пределах вертикальных групп таблицы Д.И. Менделеева также наблюдается устойчивая взаимосвязь изменения значений R-функции и свойств химических элементов, проявляющаяся в частности в том, что усилению металлических свойств в главных подгруппах элементов с увеличением номера больших периодов, соответствует понижение значений R-функции

Орбитальный период, превышает суммарное разнообразие электронов, образующих предыдущие периоды (с учетом номера последних). При такого превышения не происходит, так как гипотетические g электроны , в количестве , не могут его обеспечить. Данную интерпретацию закономерности и ее нарушения при наглядно можно проиллюстрировать следующей схемой. Возьмем пять концентрических кругов с радиусами (рисунок 5), такими, что площадь каждого круга превосходит сумму площадей всех кругов с меньшим радиусом.

Если теперь этим кругам, в порядке возрастания их радиусов, поставить в соответствие разнообразие электронов, образующих орбитальные периоды c , то в пятом круге окажется удаленной часть кольца с внутренним и внешним радиусами и , площадь которой пропорциональна разности .

Рисунок 5. Пояснительная схема к нарушению закономерности при N = 5

Эмпирически установлено, что химическими элементами, в электронных системах атомов которых впервые появляются электроны с новым значением орбитального квантового числа, являются водород (sэлектроны, ), бор (р электроны, ), скандий (d электроны, ) и церий (f электроны, ). Их порядковые номера образуют, соответственно, ряд чисел:

.

Сравнение этого ряда с границами орбитальных периодов показывает, что во втором и третьем периодах новые электроны (p и d) появляются у третьего элемента периода, а в четвертом периоде (f) - у четвертого элемента. Это свидетельствует о том, что между значениями при и номерами орбитальных периодов N существует закономерная взаимосвязь, которая, учитывая весьма незначительное отклонение от , может быть представлена в следующем виде:

По поводу замены на следует сказать, что такая замена при количественном анализе периодичности электронных конфигураций применяется довольно часто. Дело в том, что и являются эмпирическим и теоретическим значениями , соответственно. В последнем случае принимается, что первый f электрон появляется у лантана и имеет место так называемая (по А. Зоммерфельду) идеальная система заполнения электронных оболочек, в которой не учитываются нюансы энергетической стабильности электронных состояний и “электроны образуют оболочки и подгруппы в правильной последовательности”. В атоме лантана, вместо теоретически предсказываемого появления электрона, фактически наблюдается электрон. В энергетическом отношении и границы соответствующих электронных подоболочек практически неразличимы. Поэтому в дальнейших наших построениях, имеющих теоретический характер, будем считать, что .

Так как число элементов в орбитально-волновом периоде может быть выражено через его номер N двумя способами, то выражение также имеет две реализации вида . Квадратичная зависимость для первого орбитального периода дает завышение значения на 2 элемента, которое при непосредственном использовании выражения автоматически распространяется на все значения . Поэтому в данном случае имеем:

.

Используя, в свою очередь, квазикубическую зависимость, получаем:

Однозначная закономерность появления электронов с новым значением орбитального квантового числа, имеющая место во втором, третьем и четвертом орбитальных периодах, в гипотетическом пятом периоде сменяется неопределенностью. Это ставит под вопрос сам факт существования в природе электронхов с и, как следствие, - орбитальных периодов структурной организации электронных систем атомов с порядковым номером .

Таким образом, с позиций структурной организации электронных систем атомов химических элементов в плоскости орбитального квантового числа, последним элементом периодической системы Д.И. Менделеева является элемент с порядковым номером 118, который замыкает седьмой химический период.

Мы имеем дело с новой - информационно-синергетической - теорией периодической системы Д.И. Менделеева. Не исключено, что данный факт может являться началом верификации философских предсказаний о том, что, “как на смену механической пришла энергетическая картина мира, так и последняя постепенно уступит место кибернетической, информационной картине мира”.



2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Основные положения теории И.Н. Нурлыбаева

Особенность Периодического закона среди других фундаментальных законов заключается в том, что он не имеет выражения в виде математического уравнения. В учебниках и учебных пособиях школ и ВУЗов СНГ определение периодического закона дается следующим образом: «Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от атомного заряда и порядкового номера элементов». По мнению профессора И.Н. Нурлыбаева данная трактовка не соответствует сути периодического закона .

Во-первых, явной зависимости между увеличением заряда ядра и периодичностью изменения свойств не прослеживается. Заряд ядра увеличивается постепенно, а свойства при переходе от периода к периоду меняются скачкообразно.

Во-вторых, как и другие законы, периодический закон должен опираться на математические (алгебраические) уравнения и расчеты.

В учебнике Н.А. Глинка «Общая химия» дается такое определение периодического закона: «Физико-химические свойства элементов периодически изменяются вследствие периодического изменения электронного строения элементов» [10]. Таким образом, периодически меняющиеся характеристики элементов находятся в зависимости не столько от заряда ядра, сколько от электронного строения элемента.

По мнению Нурлыбаева И.Н. при определении закона должен быть раскрыт его физический смысл.

Если рассмотреть порядок заполнения электронных орбиталей по периодам, то можно заметить следующую закономерность: в первом периоде заполняется только одна 1s орбиталь; во втором и третьем периоде заполняются 2,3 s- и 2,3 p- орбитали, поэтому количество элементов в этих периодах равно восьми; в четвертом и пятом периодах идет заполнение соответствующих (внешних, предвнешних) s-, p- и d- орбиталей, количество элементов в этих периодах равно восемнадцати; в шестом и седьмом периоде заполняются соответствующие s-, p-, d- и f-орбитали, на них могут располагаться 32 электрона, что соответствует 32 элементам в периоде. Эту закономерность можно представить в виде таблицы (таблица 1).

Таблица 1. Введение понятия «подобные периоды»

Подобные периоды	1 (р1)	2 и 3 (р2)	4 и 5 (р3)	6 и 7 (р4)
Периоды	1	2	3	4	5	6	7
Заполняемые орбитали	1s2	2s2, 2p6	3s2, 3p6	4s2, 3d10, 4p6	5s2, 4d10, 5p6	6s2, 4f14, 5d10, 6p6	7s2, 5f14, 6d10, 7p6
Число элементов	2	8	8	18	18	32	32

Физическим смыслом и главной причиной периодичности свойств

элементов является периодическое повторение однотипных электронных конфигураций внешних электронных подоболочек с ростом заряда ядра.

Профессор Нурлыбаев И.Н. предлагает уточненную формулировку периодического закона: свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от периодически возобновляемых (повторяемых) внешних электронных конфигураций (оболочек) атомов при последовательном возрастании заряда ядра атомов элементов [11].

Если учесть подобие в заполнении электронных орбиталей по энергетическим уровням в периодах, то количество электронов, заполняющих эти уровни, равно количеству элементов в них (Z). Обозначив подобные периоды как рn: 1 (р1), 2 и 3 (р2), 4 и 5 (р3), а также 6 и 7 (р4) , предлагается математическое выражение периодического закона в виде

Z = 2pn2



2.2 Исторические предпосылки возникновения теории Нурлыбаева

1. В 1864 году появилась первая таблица немецкого химика Лотара Мейера; в неё были включены 28 элементов, размещённые в шесть столбцов согласно их валентностям. Мейер подчеркивал закономерное изменение атомной массы в рядах сходных элементов (таблица 2). Можно видеть прообраз подобных периодов Нурлыбаева. Здесь подчеркивается средняя разница атомных масс, одинаковая для I и II рядов Мейера (подобного периода р2 Нурлыбаева), III и IV рядов Мейера (р3 Нурлыбаева),V и VI рядов Мейера (р4 Нурлыбаева)

Таблица 2. Система Мейера 1864 г

	Валент-ность IV	Вален-тность III	Вален-тность II	Вален-тность I	Валент-ность I	Вален-тность II	Разность масс
I ряд					Li	Be	~16
II ряд	C	N	O	F	Na	Mg	~16
III ряд	Si	P	S	Cl	K	Ca	~45
IV ряд		As	Se	Br	Rb	Sr	~45
V ряд	Sn	Sb	Te.	I	Cs	Ba	~90
VI ряд	Pb	Bi			Tl		~90

2. Бор выявил три существенные особенности формирования электронных конфигураций атомов:

1) заполнение электронных оболочек (кроме оболочек, отвечающих значениям главного квантового числа n = 1 и 2) происходит не монотонно до полной их ёмкости, а прерывается появлением совокупностей электронов, относящихся к оболочкам с большими значениями n;

2) сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются;

3) границы периодов периодической системы элементов (за исключением первого и второго) не совпадают с границами последовательных электронных оболочек.

Второй пункт явно указывает на существование подобных периодов. В случае принятия подобных периодов Нурлыбаева как главных квантовых чисел этих существенных особенностей можно было избежать (таблица 3). Порядок заполнения орбиталей определялся бы тем же правилом Клечковского, с той лишь разницей, что периоды химических элементов должны определяться как полупериоды подобных периодов Нурлыбаева [12].

Таблица 3. Целесообразность введения номеров подобных периодов Нурлыбаева как главных квантовых чисел

Химические периоды Менделеева	1	2	3	4	5	6	7
Число электронных орбиталей на уровне (теория строения атома)	1	2	3	4	5	6	7
	1s	2s 2p	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f	5s 5p 5d 5f 5?	6s 6p 6d 6f 6? 6?	7s 7p 7d 7f 7? 7? 7?
Подобные периоды Нурлыбаева	р1	р2	р3	р4
Число заполняемых орбиталей	1	2	2	3	3	4	4
	1s	2s 2p	3s 3p	4s 3d 4p	5s 4d 5p	6s 4f 5d 6p	7s 5f 6d 7p

3. Лестничная форма периодической системы (рисунок 7) является естественным расположением элементов согласно периодам Нурлыбаева.

Рисунок 7. Лестничная форма периодической системы

2.3 Подтверждение теории Нурлыбаева согласно аппарату СТИ

1. Расчет R-функции (глава 1) показывает наличие четырех основных орбитальных периодов (Т) структурной организации электронных систем атомов химических элементов (таблица 4), соответствующих подобным периодам Нурлыбаева. Каждый из Т-периодов (кроме первого) состоит из двух орбитальных полупериодов, идентичных химическим периодам ПС

Таблица 4. Соответствие Т-периодов подобным периодам Нурлыбаева

Т-периоды СТИ	Т1	Т2	Т3	Т4
Подобные периоды Нурлыбаева	р1	р2	р3	р4
Химические периоды Менделеева	1	2	3	4	5	6	7
Число элементов в полупериодах	2	8	8	18	18	32	32
Число элементов в периодах	2	16	36	64

2. Количество элементов в орбитально-волновых периодах связано с их номером квадратичной зависимостьюКоличество элементов орбитального полупериода (химического периода) зависит от номера Т-периода Эта формула идентична формуле Нурлыбаева, связывающей количество элементов Z химического периода (орбитального полупериода по СТИ) с номером подобного периода Нурлыбаева Z = 2pn2

В Т-периодах орбитальное квантовое число принимает ряд значений, максимальное из которых выражается формулой: , а общее число этих значений равно, соответственно, номеру периода N (таблица 5).

С позиций структурной организации электронных систем атомов химических элементов в плоскости орбитального квантового числа, последним элементом периодической системы Д.И. Менделеева является элемент с порядковым номером 118.

Таким образом, физический смысл должны иметь именно подобные периоды Нурлыбаева, а не традиционные периоды, соответствующие главным квантовым числам [13]. Как принято в современной теории строения атома главное квантовое число определяет количество l электронных орбиталей, некоторые из которых согласно СТИ неосуществимы (6g, 6h, 7g, 7h, 7?). Поэтому место традиционных химических периодов должны занять именно подобные периоды Нурлыбаева, реально соответствующие главным квантовым числам.

Таблица 5. Связь орбитального квантового числа и подобного периода

Т-периоды СТИ	Т1	Т2	Т3	Т4
Номер Т-периода	1	2	3	4
Химические периоды	1	2	3	4	5	6	7
lmax	0 (s)	1 (p)	2 (d)	3 (f)
lобщее	s	s,p	s,p,d	s,p,d,f

Таблица 6. Теория СТИ и теория Нурлыбаева снимают противоречия классической теории строения атома

Т-периоды СТИ	Т1	Т2	Т3	Т4
Подобные периоды Нурлыбаева	р1	р2	р3	р4
Химические периоды Менделеева	1	2	3	4	5	6	7
Число электронных орбиталей на уровне (теория строения атома)	1	2	3	4	5	6	7
	1s	2s 2p	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f	5s 5p 5d 5f 5?	6s 6p 6d 6f 6 6	7s 7p 7d 7f 7 7 7
Число реально заполняемых орбиталей	1	2	2	3	3	4	4
	1s	2s 2p	3s 3p	4s 3d 4p	5s 4d 5p	6s 4f 5d 6p	7s 5f 6d 7p



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Периодический закон лежит в основании всего многообразия проявлений химического движения вещества. По мере развития науки он все совершенствуется и видоизменяется. Открываются все новые элементы, уточняется изотопный состав элементов. Удобным выражением этого многогранного закона является его наглядное графическое изображение в виде таблиц, диаграмм, графиков. При этом различные исследователи вкладывают свой профессионально специфический смысл в представляемые изображения и макеты. Поэтому имеется такое разнообразие периодических систем. При работе с ресурсами интернет было обнаружено 560 различных представлений периодической системы.