Периодическая таблица: ученые предлагают новый способ упорядочения элементов

Периодическая таблица элементов, созданная главным образом русским химиком Дмитрием Менделеевым (1834–1907), в прошлом году отметила свое 150-летие. Трудно переоценить его важность как организующего принципа в химии — все начинающие химики знакомятся с ним с самых ранних этапов своего образования.

Периодическая таблица: ученые предлагают новый способ упорядочения элементов

Учитывая важность таблицы, можно было бы подумать, что порядок элементов больше не является предметом обсуждения. Однако два ученых из Москвы недавно опубликовали предложение о новом порядке.

Давайте сначала рассмотрим, как была разработана таблица Менделеева. К концу 18 века химики четко понимали разницу между элементом и соединением: элементы были химически неделимы (например, водород, кислород), тогда как соединения состояли из двух или более элементов в комбинации, обладающих свойствами, совершенно отличными от составляющих их элементов. К началу 19 века имелись хорошие косвенные доказательства существования атомов. А к 1860-м годам можно было перечислять известные элементы в порядке их относительной атомной массы — например, водород был 1, а кислород 16.

Простые списки, конечно, одномерны по своей природе. Но химики знали, что некоторые элементы имеют довольно похожие химические свойства: например, литий, натрий и калий или хлор, бром и йод. Казалось, что-то повторяется, и, размещая химически похожие элементы рядом друг с другом, можно построить двухмерную таблицу. Так родилась таблица Менделеева.

Важно отметить, что периодическая таблица Менделеева была получена эмпирическим путем на основе наблюдаемого химического сходства определенных элементов. Только в начале 20 века, после того, как была установлена ​​структура атома и после развития квантовой теории, появилось теоретическое понимание его структуры.

Элементы теперь были упорядочены по атомному номеру (количеству положительно заряженных частиц, называемых протонами в атомном ядре), а не по атомной массе, но также по химическому сходству. Но последнее теперь следует из расположения электронов, повторяющихся в так называемых «оболочках» через равные промежутки времени. К 1940-м годам в большинстве учебников была периодическая таблица, аналогичная той, что мы видим сегодня, как показано на рисунке ниже.

Было бы понятно, что на этом все кончено. Однако это не так. Простой поиск в Интернете обнаружит всевозможные версии таблицы Менделеева. Есть короткие версии, длинные версии, круглые версии, спиральные версии и даже трехмерные версии. Конечно, многие из них представляют собой просто разные способы передачи одной и той же информации, но по-прежнему существуют разногласия по поводу того, где следует разместить некоторые элементы.

Точное размещение определенных элементов зависит от того, какие именно свойства мы хотим выделить. Таким образом, таблица Менделеева, которая отдает приоритет электронной структуре атомов, будет отличаться от таблиц, для которых главными критериями являются определенные химические или физические свойства.

Эти версии не сильно различаются, но есть определенные элементы, например водород, которые можно расположить совершенно по-разному в зависимости от конкретного свойства, которое нужно выделить. В некоторых таблицах водород помещен в группу 1, тогда как в других он находится наверху группы 17; некоторые столы даже включают его в отдельную группу.

Однако, более радикально, мы также можем рассмотреть упорядочение элементов совершенно другим способом, который не включает атомный номер и не отражает электронную структуру — возвращаясь к одномерному списку.

Последняя попытка упорядочить элементы таким образом была недавно опубликована в Journal of Physical Chemistry учеными Захедом Аллахьяри и Артемом Огановым. Их подход, основанный на более ранней работе других, заключается в присвоении каждому элементу так называемого числа Менделеева (MN). Есть несколько способов получить такие числа, но последнее исследование использует комбинацию двух фундаментальных величин, которые можно измерить напрямую: атомного радиуса элемента и свойства, называемого электроотрицательностью, которое описывает, насколько сильно атом притягивает электроны к себе.

Если упорядочить элементы по их MN, неудивительно, что ближайшие соседи имеют довольно похожие MN. Но более полезно сделать еще один шаг и построить двумерную сетку на основе MN составляющих элементов в так называемых «бинарных соединениях». Это соединения, состоящие из двух элементов, таких как хлорид натрия, NaCl.

В чем преимущество такого подхода? Важно отметить, что это может помочь предсказать свойства бинарных соединений, которые еще не были созданы. Это полезно при поиске новых материалов, которые могут понадобиться как для будущих, так и для существующих технологий. Со временем, без сомнения, это будет распространено на соединения, содержащие более двух элементарных компонентов.

Хороший пример важности поиска новых материалов можно оценить, рассмотрев периодическую таблицу Менделеева, показанную на рис.