Развитие периодической таблицы химических элементов

Введение

Разработка таблицы химических элементов

Периодическая таблица – это расположение химических элементов, упорядоченное по их атомному номеру, электронной конфигурации и повторяющимся химическим свойствам. В базовой форме элементы представлены в порядке возрастания атомного номера, в последовательности чтения. Затем создаются строки и столбцы путем начала новых строк и вставки пустых ячеек, так что строки (периоды) и столбцы (группы) демонстрируют элементы с повторяющимися свойствами (которые называются периодичностью). Например, все элементы в группе (столбце) 18 – это благородные газы, которые в значительной степени, хотя и не полностью, инертны. История периодической таблицы отражает более двух веков развития понимания химических и физических свойств элементов, с важным вкладом Антуана Лорана де Лавуазье, Иоганна Вольфганга Дёберейнера, Джона Ньюлендса, Юлиуса Лотара Мейера, Дмитрия Менделеева, Гленна Т. Сиборга и других. Около 330 г. до н.э. греческий философ Аристотель предположил, что всё состоит из смеси одного или нескольких первооснов, идея, впервые предложенная сицилийским философом Эмпедоклом. Четыре первоосновы, которые афинский философ Платон называл элементами, были землей, водой, воздухом и огнем. Схожие представления об этих четырех элементах существовали и в других древних традициях, например, в индийской философии. В эпоху алхимии было известно несколько дополнительных элементов: цинк, мышьяк, сурьма и висмут. Платина также была известна народам Южной Америки до Колумба, но сведения о ней не достигли Европы до XVI века.

Всеобъемлющие формализации

Французский геолог Александр Эмиль Бегюйер де Шанкуртуа заметил, что элементы, упорядоченные по атомным массам, демонстрируют сходные свойства через регулярные интервалы. В 1862 году он разработал трехмерную диаграмму, названную «теллурической спиралью», в честь элемента теллурия, который располагался близко к центру его схемы. Расположив элементы по спирали на цилиндре в порядке возрастания атомного веса, де Шанкуртуа обнаружил, что элементы с похожими свойствами выстраиваются вертикально. Оригинальная статья Шанкуртуа, опубликованная в Comptes rendus de l'Académie des Sciences, не содержала диаграммы и использовала геологическую, а не химическую терминологию. В 1863 году он расширил свою работу, включив в нее диаграмму и добавив ионы и соединения. Следующая попытка была предпринята в 1864 году. Британский химик Джон Ньюлендс представил в журнале Chemical News классификацию 62 известных элементов. Ньюлендс заметил повторяющиеся закономерности в физических свойствах элементов через равные промежутки, кратные восьми, в порядке атомной массы; основываясь на этом наблюдении, он классифицировал элементы в восемь групп. Каждая группа демонстрировала схожую прогрессию; Ньюлендс сравнил эти прогрессии с последовательностью нот в музыкальной гамме. Таблица Ньюлендса не предусматривала возможности существования новых элементов, и в некоторых случаях содержала два элемента в одной и той же позиции в одной октаве. Некоторые современники Ньюлендса игнорировали или высмеивали его таблицу. Внутри научного сообщества возникла еще более резкая оппозиция, с предположением, что элементы можно было бы упорядочить и в алфавитном порядке. Он не получил признания из-за своей роли в критике таблицы Ньюлендса, используя карточки с символами и атомными массами известных элементов. Другая возможность заключается в том, что он был частично вдохновлен периодичностью санскритского алфавита, на которую обратил его внимание друг и лингвист Отто фон Бёхтлингк. Менделеев, опираясь на наблюдаемые закономерности, предположил, что атомные массы некоторых элементов указаны неверно, и соответственно изменил их положение: например, он пришел к выводу, что в его системе нет места для тривалентного бериллия с атомным весом 14, и уменьшил как атомный вес, так и валентность бериллия на треть, предположив, что это двухвалентный элемент с атомным весом 9,4. Менделеев широко распространял печатные экземпляры таблицы среди химиков в России и за рубежом. В 1869 году Менделеев утверждал, что существует семь типов высших оксидов. Он продолжал совершенствовать свою систему; в 1870 году она приобрела табличную форму, и каждому столбцу был присвоен свой высший оксид, а в 1871 году он дополнительно развил ее и сформулировал то, что он назвал «законом периодичности». С новыми редакциями происходили и другие изменения, в результате которых некоторые элементы меняли свои позиции.

French geologist Alexandre Émile Béguyer de Chancourtois noticed that the elements, when ordered by their atomic weights, displayed similar properties at regular intervals. In 1862, he devised a three dimensional chart, named the "telluric helix", after the element tellurium, which fell near the center of his diagram. With the elements arranged in a spiral on a cylinder by order of increasing atomic weight, de Chancourtois saw that elements with similar properties lined up vertically. The original paper from Chancourtois in Comptes rendus de l'Académie des Sciences did not include a chart and used geological rather than chemical terms. In 1863, he extended his work by including a chart and adding ions and compounds. The next attempt was made in 1864. British chemist John Newlands presented in Chemical News a classification of the 62 known elements. Newlands noticed recurring trends in physical properties of the elements at recurring intervals of multiples of eight in order of mass number; based on this observation, he produced a classification of these elements into eight groups. Each group displayed a similar progression; Newlands likened these progressions to the progression of notes within a musical scale. Newlands's table left no gaps for possible future elements, and in some cases had two elements at the same position in the same octave. Newlands's table was ignored or ridiculed by some of his contemporaries. there was even harsher opposition from within the Society, suggesting the elements could have been just as well listed alphabetically. but failed to get recognition following his role in opposing Newlands's table. using cards with the symbols and the atomic weights of the known elements. Another possibility is that he was inspired in part by the periodicity of the Sanskrit alphabet, which was pointed out to him by his friend and linguist Otto von Böhtlingk. Mendeleev used the trends he saw to suggest that atomic weights of some elements were incorrect, and accordingly changed their placements: for instance, he figured there was no place for a trivalent beryllium with the atomic weight of 14 in his work, and he cut both the atomic weight and valency of beryllium by a third, suggesting it was a divalent element with the atomic weight of 9.4. Mendeleev widely distributed printed broadsheets of the table to various chemists in Russia and abroad. Mendeleev argued in 1869 there were seven types of highest oxides. Mendeleev continued to improve his ordering; in 1870, it gained a tabular shape, and each column was given its own highest oxide, and in 1871, he further developed it and formulated what he termed the "law of periodicity". Some changes also occurred with new revisions, with some elements changing positions.

Предсказания Менделеева и неспособность включить редкоземельные металлы

+ Прогнозы Менделеева
НазваниеАтомный весСовременное название (год открытия)МенделеевСовременныйЭфир 0,17 — —Короний 0,4 — —Эка бор 44 44,6 СкандийЭка церий 54 — —Эка алюминий 68 69,2 ГаллийЭка кремний 72 72,0 ГерманийЭка марганец 100 99 Технеций (1925)Эка молибден 140 — —Эка ниобий 146 — —Эка кадмий 155 — —Эка йод 170 — —Три марганец 190 186 Рений (1925)Эка цезий 175 — —Дви теллур 212 210 Полоний (1898)Дви цезий 220 223 Франций (1937)Эка тантал 235 231 Протактиний (1917)

Даже корректируя положение некоторых элементов, Менделеев полагал, что некоторые закономерности, которые он мог бы найти в своей грандиозной схеме периодичности, остаются неопределенными из-за того, что некоторые элементы еще не были открыты, и свойства этих неоткрытых элементов можно было бы вывести из их предполагаемых связей с другими элементами. В 1870 году он впервые попытался охарактеризовать еще не открытые элементы и дал подробные прогнозы для трех из них, которые он назвал эка-бором, эка-алюминием и эка-силицием; он также кратко упомянул несколько других ожиданий. Предполагается, что префиксы эка, дви и три, соответствующие санскритским словам «один», «два» и «три», являются данью уважения Панини и другим древним санскритским грамматикам за изобретение периодического алфавита. Этот ряд начинался бы с трехвалентного лантана, четырехвалентного церия и пятихвалентного дидимия. Однако более высокая валентность дидимия не была установлена, и Менделеев попытался установить ее самостоятельно. Не добившись успеха, он отказался от попыток включить редкоземельные металлы в конце 1871 года и приступил к своей грандиозной идее о светящемся эфире. Эту идею продолжил австрийский химик Богуслав Браунер, который стремился найти место в периодической таблице для редкоземельных металлов; Менделеев позже называл его «одним из истинных укрепляющих периодический закон». Помимо предсказаний скандия, галлия и германия, которые были быстро подтверждены, таблица Менделеева 1871 года оставляла множество других мест для неоткрытых элементов, хотя он не давал подробных прогнозов их свойств. В общей сложности он предсказал восемнадцать элементов, хотя только половина из них соответствовали элементам, которые были открыты позднее. Хотя это признание не было всеобщим. В 1881 году Менделеев и Майер вступили в спор, обменявшись статьями в британском журнале Chemical News, касательно приоритета открытия периодической таблицы, который включал статью Менделеева, статью Майера, критику концепции периодичности и множество других материалов. В 1882 году Королевское общество в Лондоне присудило медаль Дэви как Менделееву, так и Майеру за их работу по классификации элементов; хотя к тому времени два предсказанных Менделеевым элемента уже были открыты, предсказания Менделеева вообще не были упомянуты в обосновании награды. Эка-алюминий Менделеева был открыт в 1875 году и получил название галлий; эка-бор и эка-силиций были открыты в 1879 и 1886 годах соответственно и получили названия скандий и германий. Некоторые современные химики не были убеждены этими открытиями, отмечая различия между новыми элементами и предсказаниями или утверждая, что существующие сходства были случайными. Однако успех предсказаний Менделеева способствовал распространению информации о его периодической таблице. Позднее химики использовали успех этих предсказаний Менделеева для обоснования его таблицы.

Even as Mendeleev corrected positions of some elements, he thought that some relationships that he could find in his grand scheme of periodicity could not be found because some elements were still undiscovered, and that the properties of such undiscovered elements could be deduced from their expected relationships with other elements. In 1870, he first tried to characterize the yet undiscovered elements, and he gave detailed predictions for three elements, which he termed eka boron, eka aluminium, and eka silicium; he also more briefly noted a few other expectations. It has been proposed that the prefixes eka, dvi, and tri, Sanskrit for one, two, and three, respectively, are a tribute to Pāṇini and other ancient Sanskrit grammarians for their invention of a periodic alphabet. This row would begin with a trivalent lanthanum, a tetravalent cerium, and a pentavalent didymium. However, the higher valency for didymium had not been established, and Mendeleev tried to do so himself. Having had no success in that, he abandoned his attempts to incorporate the rare earth metals in late 1871 and embarked on his grand idea of luminiferous ether. His idea was carried on by Austrian Hungarian chemist Bohuslav Brauner, who sought to find a place in the periodic table for the rare earth metals; Mendeleev later referred to him as to "one of the true consolidators of the periodic law". In addition to the predictions of scandium, gallium, and germanium that were quickly realized, Mendeleev's 1871 table left many more spaces for undiscovered elements, though he did not provide detailed predictions of their properties. In total, he predicted eighteen elements, though only half corresponded to elements that were later discovered. although such appreciation was not universal. In 1881, Mendeleev and Meyer had an argument via an exchange of articles in British journal Chemical News over priority of the periodic table, which included an article from Mendeleev, one from Meyer, one of critique of the notion of periodicity, and many more. In 1882, the Royal Society in London awarded the Davy Medal to both Mendeleev and Meyer for their work to classify the elements; although two of Mendeleev's predicted elements had been discovered by then, Mendeleev's predictions were not at all mentioned in the prize rationale. Mendeleev's eka aluminium was discovered in 1875 and became known as gallium; eka boron and eka silicium were discovered in 1879 and 1886, respectively, and were named scandium and germanium. Some contemporary chemists were not convinced by these discoveries, noting the dissimilarities between the new elements and the predictions or claiming those similarities that did exist were coincidental. However, success of Mendeleev's predictions helped spread the word about his periodic table. Later, chemists used the successes of these Mendeleev's predictions to justify his table.

Инертные газы и эфир

Большое значение обобщения Ньюленда, Менделеева и Лотара Майера, известного как периодическая система элементов, общепризнанно. Однако изучение этой системы, следует признать, доставляет некоторое смутное удовольствие; ведь, хотя свойства элементов, несомненно, качественно изменяются и, более того, демонстрируют приблизительные количественные соотношения с их положением в периодической таблице, всё же существуют необъяснимые отклонения от закономерности, которые вселяют надежду на открытие ещё более фундаментального обобщения. Каким именно может быть это обобщение, пока не представляется возможным предсказать, но то, что оно должно лежать в основе известных фактов и дать ключ к объяснению этих отклонений, не подлежит сомнению. | источник = обсуждение британских химиков Уильяма Рамзая и Морриса Трэверса в 1900 году, касающееся их исследований новых инертных газов.

Инертные газы

Британский химик Генри Кавендиш, открывший водород в 1766 году, обнаружил, что воздух состоит из большего количества газов, чем азот и кислород. Он зафиксировал эти результаты в 1784 и 1785 годах; среди них он обнаружил тогда неизвестный газ, менее реакционноспособный, чем азот. Гелий был впервые зарегистрирован в 1868 году; сообщение основывалось на новой методике спектроскопии; некоторые спектральные линии в свете, испускаемом Солнцем, не соответствовали линиям ни одного из известных элементов. Менделеев не был убежден этим открытием, поскольку изменение температуры приводило к изменению интенсивности спектральных линий и их положения в спектре; этого мнения придерживались и некоторые другие ученые того времени. Другие полагали, что спектральные линии могут принадлежать элементу, который встречается на Солнце, но отсутствует на Земле; некоторые считали, что он еще не был обнаружен на Земле. В 1894 году британский химик Уильям Рамзи и британский физик лорд Рэлей выделили аргон из воздуха и установили, что это новый элемент. Однако аргон не вступал ни в какие химические реакции и был – что крайне необычно для газа – моноатомным; он не соответствовал периодическому закону и, таким образом, ставил под сомнение само его понятие. Не все ученые сразу приняли это сообщение; первоначальная реакция Менделеева заключалась в том, что аргон является триатомной формой азота, а не самостоятельным элементом. Хотя существовало представление о возможности группы между галогенами и щелочными металлами (некоторые ученые полагали, что не хватает нескольких значений атомного веса между галогенами и щелочными металлами, особенно поскольку места в этой половине группы VIII оставались вакантными), аргон нелегко вписывался в положение между хлором и калием, поскольку его атомный вес превышал атомные веса и хлора, и калия. Были предложены и другие объяснения; например, Рамзи предположил, что аргон может быть смесью различных газов. В течение некоторого времени Рамзи считал, что аргон может быть смесью трех газов с близкими атомными массами; эта триада напоминала бы триаду железа, кобальта и никеля и была бы аналогично расположена в группе VIII. Уверенный в том, что короткие периоды содержат триады газов на своих концах, Рамзи предположил в 1898 году существование газа между гелием и аргоном с атомным весом 20; после его открытия позже в том же году (он был назван неоном) Рамзи продолжал интерпретировать его как член горизонтальной триады в конце этого периода. В 1896 году Рамзи проверил сообщение американского химика Уильяма Фрэнсиса Хильбранда, который обнаружил струю нереактивного газа из образца уранинита. Желая доказать, что это был азот, Рамзи проанализировал другой минерал урана, клевеит, и обнаружил новый элемент, который он назвал криптоном. Это открытие было уточнено британским химиком Уильямом Круксом, который сопоставил его спектр со спектром гелия на Солнце. После этого открытия Рамзи, используя фракционную перегонку для разделения компонентов воздуха, обнаружил еще несколько таких газов в 1898 году: метаргон, криптон, неон и ксенон; детальный спектроскопический анализ первого из них показал, что это аргон, загрязненный углеродсодержащей примесью. Рамзи изначально скептически относился к существованию газов тяжелее аргона, и открытие криптона и ксенона стало для него неожиданностью; однако Рамзи признал свое собственное открытие, и пять недавно обнаруженных инертных газов (ныне благородных газов) были помещены в один столбец в периодической таблице. Хотя таблица Менделеева предсказала несколько неоткрытых элементов, она не предсказала существование таких инертных газов, и Менделеев изначально отвергал и эти результаты.

British chemist Henry Cavendish, the discoverer of hydrogen in 1766, discovered that air is composed of more gases than nitrogen and oxygen. He recorded these findings in 1784 and 1785; among them, he found a then unidentified gas less reactive than nitrogen. Helium was first reported in 1868; the report was based on the new technique of spectroscopy; some spectral lines in light emitted by the Sun did not match those of any of the known elements. Mendeleev was not convinced by this finding since variance of temperature led to change of intensity of spectral lines and their location on the spectrum; this opinion was held by some other scientists of the day. Others believed the spectral lines could belong to an element that occurred on the Sun but not on Earth; some believed it was yet to be found on Earth. In 1894, British chemist William Ramsay and British physicist Lord Rayleigh isolated argon from air and determined that it was a new element. Argon, however, did not engage in any chemical reactions and was—highly unusually for a gas—monatomic; it did not fit into the periodic law and thus challenged the very notion of it. Not all scientists immediately accepted this report; Mendeleev's original response was that argon was a triatomic form of nitrogen rather than an element of its own. While the notion of a possibility of a group between that of halogens and that of alkali metals had existed (some scientists believed that several atomic weight values between halogens and alkali metals were missing, especially since places in this half of group VIII remained vacant), argon did not easily match the position between chlorine and potassium because its atomic weight exceeded those of both chlorine and potassium. Other explanations were proposed; for example, Ramsay supposed argon could be a mixture of different gases. For a while, Ramsay believed argon could be a mixture of three gases of similar atomic weights; this triad would resemble the triad of iron, cobalt, and nickel, and be similarly placed in group VIII. Certain that shorter periods contain triads of gases at their ends, Ramsay suggested in 1898 the existence of a gas between helium and argon with an atomic weight of 20; after its discovery later that year (it was named neon), Ramsay continued to interpret it as a member of a horizontal triad at the end of that period. In 1896, Ramsay tested a report of American chemist William Francis Hillebrand, who found a stream of an unreactive gas from a sample of uraninite. Wishing to prove it was nitrogen, Ramsay analyzed a different uranium mineral, cleveite, and found a new element, which he named krypton. This finding was corrected by British chemist William Crookes, who matched its spectrum to that of the Sun's helium. Following this discovery, Ramsay, using fractional distillation to separate the components air, discovered several more such gases in 1898: metargon, krypton, neon, and xenon; detailed spectroscopic analysis of the first of these demonstrated it was argon contaminated by a carbon based impurity. Ramsay was initially skeptical about the existence of gases heavier than argon, and the discovery of krypton and xenon came as a surprise to him; however, Ramsay accepted his own discovery, and the five newly discovered inert gases (now noble gases) were placed in a single column in the periodic table. Although Mendeleev's table predicted several undiscovered elements, it did not predict the existence of such inert gases, and Mendeleev originally rejected those findings as well.

Изменения в периодической таблице

Хотя последовательность атомных весов указывала на то, что инертные газы должны располагаться между галогенами и щелочными металлами, и уже с 1895 года поступали предложения поместить их в группу VIII, такое размещение противоречило одному из основополагающих принципов Менделеева, касающемуся высших оксидов. Инертные газы не образовывали оксиды или какие-либо другие соединения, и поэтому их размещение в группе, где элементы должны образовывать тетроксиды, считалось скорее вспомогательным, чем естественным; Менделеев сомневался в целесообразности включения этих элементов в группу VIII. Последующие исследования, особенно британских ученых, были сосредоточены на соответствии инертных газов галогенам слева и щелочным металлам справа. В 1898 году, когда были окончательно установлены только гелий, аргон и криптон, Крукс предложил разместить эти элементы в один столбец между группой водорода и группой фтора. В 1900 году в Прусской академии наук Рамзи и Менделеев обсудили новые инертные газы и их место в периодической таблице; Рамзи предложил поместить эти элементы в новую группу между галогенами и щелочными металлами, с чем Менделеев согласился. Рамзи опубликовал статью после обсуждений с Менделеевым; в таблицах, представленных в ней, галогены располагались слева от инертных газов, а щелочные металлы – справа. За две недели до этого обсуждения бельгийский ботаник Лео Эррера предложил Королевской академии наук, литературы и изящных искусств Бельгии поместить эти элементы в новую группу 0. В 1902 году Менделеев писал, что эти элементы следует поместить в новую группу 0, отмечая, что эта идея соответствовала предложению Рамзи и ссылаясь на Эрреру как на первого, кто ее выдвинул. Сам Менделеев добавил эти элементы в таблицу в качестве группы 0 в 1902 году, не нарушая базовой концепции периодической системы. В 1905 году швейцарский химик Альфред Вернер заполнил «пустое место» в таблице Менделеева. Он установил, что в этом промежутке находятся редкоземельные элементы (лантаноиды), 13 из которых были известны на тот момент. Хотя Менделеев знал о лантане, церии и эрбии, они ранее не были учтены в таблице, поскольку их общее количество и точный порядок были неизвестны; Менделеев не смог включить их в свою таблицу даже к 1901 году. Это открытие привело к реструктуризации таблицы и первому появлению ее 32-столбцовой формы.

Although the sequence of atomic weights suggested that inert gases should be located between halogens and alkali metals, and there were suggestions to put them into group VIII coming from as early as 1895, such placement contradicted one of Mendeleev's basic considerations, that of the highest oxides. Inert gases did not form any oxides, and no other compounds at all, and as such, their placement in a group where elements should form tetroxides was seen as merely auxiliary and not natural; Mendeleev doubted inclusion of those elements in group VIII. Later developments, particularly by British scientists, focused on correspondence of inert gases with halogens to their left and alkali metals to their right. In 1898, when only helium, argon, and krypton were definitively known, Crookes suggested these elements be placed in a single column between the hydrogen group and the fluorine group. In 1900, at the Prussian Academy of Sciences, Ramsay and Mendeleev discussed the new inert gases and their location in the periodic table; Ramsay proposed that these elements be put in a new group between halogens and alkali metals, to which Mendeleev agreed. Ramsay published an article after his discussions with Mendeleev; the tables in it featured halogens to the left of inert gases and alkali metals to the right. Two weeks before that discussion, Belgian botanist Léo Errera had proposed to the Royal Academy of Science, Letters and Fine Arts of Belgium to put those elements in a new group 0. In 1902, Mendeleev wrote that those elements should be put in a new group 0; he said this idea was consistent with what Ramsay suggested to him and referred to Errera as to the first person to suggest the idea. Mendeleev himself added these elements to the table as group 0 in 1902, without disturbing the basic concept of the periodic table. In 1905, Swiss chemist Alfred Werner resolved the dead zone of Mendeleev's table. He determined that the rare earth elements (lanthanides), 13 of which were known, lay within that gap. Although Mendeleev knew of lanthanum, cerium, and erbium, they were previously unaccounted for in the table because their total number and exact order were not known; Mendeleev still could not fit them in his table by 1901. This discovery led to a restructuring of the table and the first appearance of the 32 column form.

Эфир

К 1904 году таблица Менделеева претерпела изменения в расположении нескольких элементов и включила в себя благородные газы, а также большинство других недавно открытых элементов. В ней по-прежнему присутствовала "мертвая зона", а над водородом и гелием была добавлена нулевая строка для включения корония и эфира, которые в то время широко считались элементами. Менделеев полагал, что это очень легкий газ с атомным весом на несколько порядков меньше, чем у водорода. Он также предположил, что он будет редко взаимодействовать с другими элементами, подобно благородным газам его нулевой группы, и вместо этого будет проникать в вещества со скоростью [значение] в секунду. Менделеева не удовлетворяло отсутствие понимания природы этой периодичности, и он считал, что это станет возможным только при понимании строения атома. Однако Менделеев твердо верил, что будущее лишь разовьет эту концепцию, а не подвергнет ее сомнению, и подтвердил свою уверенность в этом в письме 1902 года.

Радиоактивность и изотопы

В 1907 году было обнаружено, что торий и радиоторий, продукты радиоактивного распада, физически различны, но химически идентичны; это привело Фредерика Содди к предложению в 1910 году, что они являются одним и тем же элементом, но с разными атомными массами. Содди позже предложил называть эти элементы с полной химической идентичностью "изотопами". Проблема размещения изотопов в периодической таблице возникла еще в 1900 году, когда были известны четыре радиоактивных элемента: радий, актиний, торий и уран. Эти радиоактивные элементы (называемые "радиоэлементами") соответственно помещались в нижнюю часть периодической таблицы, поскольку, как было известно, они имели больший атомный вес, чем стабильные элементы, хотя их точный порядок был неизвестен. Исследователи полагали, что еще предстоит открыть больше радиоактивных элементов, и в течение следующего десятилетия цепочки распада тория и урана были тщательно изучены. Было обнаружено множество новых радиоактивных веществ, в том числе благородный газ радон, и исследованы их химические свойства. Например, между свинцом и ураном не хватало места для размещения всех этих открытий, даже если предположить, что некоторые из них были дубликатами или неверными идентификациями. Также считалось, что радиоактивный распад противоречит одному из основополагающих принципов периодической таблицы, а именно тому, что химические элементы не могут подвергаться трансмутациям и всегда обладают уникальной идентичностью. Многие из этих веществ были идентичны по своим химическим характеристикам и, следовательно, занимали одно и то же место в периодической таблице. Они стали известны как изотопы, от греческого isos topos ("одно и то же место"). Австрийский химик Фридрих Панет провел различие между "реальными элементами" (элементами) и "простыми веществами" (изотопами), а также установил, что существование различных изотопов в основном не влияет на определение химических свойств. Значение этих атомных свойств было установлено в экспериментах Гейгера-Марсдена, в ходе которых были открыты атомное ядро и его заряд, проведенных в период с 1908 по 1913 год.

In 1907 it was discovered that thorium and radiothorium, products of radioactive decay, were physically different but chemically identical; this led Frederick Soddy to propose in 1910 that they were the same element but with different atomic weights. Soddy later proposed to call these elements with complete chemical identity "isotopes". The problem of placing isotopes in the periodic table had arisen beginning in 1900 when four radioactive elements were known: radium, actinium, thorium, and uranium. These radioactive elements (termed "radioelements") were accordingly placed at the bottom of the periodic table, as they were known to have greater atomic weights than stable elements, although their exact order was not known. Researchers believed there were still more radioactive elements yet to be discovered, and during the next decade, the decay chains of thorium and uranium were extensively studied. Many new radioactive substances were found, including the noble gas radon, and their chemical properties were investigated. For example, there was not enough room between lead and uranium to accommodate these discoveries, even assuming that some discoveries were duplicates or incorrect identifications. It was also believed that radioactive decay violated one of the central principles of the periodic table, namely that chemical elements could not undergo transmutations and always had unique identities. many of these substances were identical in their chemical characteristics, so shared the same place in the periodic table. They became known as isotopes, from the Greek isos topos ("same place"). Austrian chemist Friedrich Paneth cited a difference between "real elements" (elements) and "simple substances" (isotopes), also determining that the existence of different isotopes was mostly irrelevant in determining chemical properties. The significance of these atomic properties was determined in the Geiger–Marsden experiments, in which the atomic nucleus and its charge were discovered, conducted between 1908 and 1913.

Модель Резерфорда и атомный номер

В 1913 году голландский физик-любитель Антониус ван ден Брук первым предположил, что атомный номер (ядерный заряд) определяет положение элементов в периодической таблице. Он правильно определил атомный номер всех элементов до атомного номера 50 (олова), хотя допустил несколько ошибок с более тяжелыми элементами. Однако у Ван ден Брук не было метода экспериментальной проверки атомных номеров элементов; таким образом, они по-прежнему считались следствием атомной массы, которая оставалась в использовании для упорядочения элементов. Благодаря этому Мозли получил первые точные измерения атомных номеров и определил абсолютную последовательность элементов, что позволило ему реструктурировать периодическую таблицу. Исследования Мозли немедленно разрешили расхождения между атомной массой и химическими свойствами, когда последовательное упорядочение исключительно по атомной массе приводило бы к группам с противоречивыми химическими свойствами. Например, его измерения длин волн рентгеновского излучения позволили ему правильно расположить аргон (Z = 18) перед калием (Z = 19), кобальт (Z = 27) перед никелем (Z = 28), а также теллур (Z = 52) перед йодом (Z = 53), в соответствии с периодическими закономерностями. Определение атомных номеров также прояснило порядок химически сходных редкоземельных элементов; оно также использовалось для подтверждения того, что заявленное открытие Жоржем Урбеном нового редкоземельного элемента (цельция) было недействительным, что принесло Мозли признание за эту технику. Шведский физик Йоханнес Ридберг, опираясь на формулу Бальмера 1885 года, заметил, что атомные номера благородных газов равны удвоенной сумме квадратов простых чисел: 2 = 2·12, 10 = 2(12 + 22), 18 = 2(12 + 22 + 22), 36 = 2(12 + 22 + 22 + 32), 54 = 2(12 + 22 + 22 + 32 + 32), 86 = 2(12 + 22 + 22 + 32 + 32 + 42). Это открытие было принято в качестве объяснения фиксированной длины периодов и привело к перемещению благородных газов с левого края таблицы, в группе 0, вправо, в группу VIII. Среди заметных работ, установивших важность периодичности восьми, были теория валентной связи, опубликованная в 1916 году американским химиком Гилбертом Н. Льюисом, и теория октета химической связи, опубликованная в 1919 году американским химиком Ирвингом Лэнгмуиром. Подход химиков в период Старой квантовой теории (1913–1925 гг.) был включен в понимание электронных оболочек и орбиталей в рамках современной квантовой механики. Настоящим пионером, заложившим основу для нашей современной модели электронов, является Ирвинг Лэнгмуир. В своей статье 1919 года он постулировал существование «ячеек», которые мы теперь называем орбиталями, каждая из которых могла содержать только два электрона, и они были расположены в «равноудаленных слоях», которые мы теперь называем оболочками. Он сделал исключение для первой оболочки, которая может содержать только два электрона. Эти постулаты были введены на основе правила Ридберга, которое Нильс Бор использовал не в химии, а в физике, для применения к орбитам электронов вокруг ядра. В статье Лэнгмура он представил правило в виде 2N2, где N — положительное целое число. Химик Чарльз Рагли Бери сделал следующий важный шаг к нашей современной теории в 1921 году, предположив, что восемь и восемнадцать электронов в оболочке образуют стабильные конфигурации. Схема Бери была построена на основе ранее разработанных химиками и представляла собой химическую модель. Бери предположил, что электронные конфигурации переходных элементов зависят от валентных электронов во внешней оболочке. В некоторых ранних работах модель называлась «Атом Бор-Бери». Он ввел термин «переходный» для описания элементов, теперь известных как переходные металлы или переходные элементы. В 1910-х и 1920-х годах новаторские исследования в области квантовой механики привели к новым разработкам в атомной теории и незначительным изменениям в периодической таблице. В XIX веке Менделеев уже утверждал о существовании фиксированной периодичности восьми и ожидал математической корреляции между атомным номером и химическими свойствами. Модель Бора была разработана начиная с 1913 года и отстаивала идею электронных конфигураций, определяющих химические свойства. Бор предположил, что элементы в одной группе ведут себя одинаково, потому что у них одинаковые электронные конфигурации, и что у благородных газов заполнены валентные оболочки; это лежит в основе современного правила октета. Исследования Бора по спектроскопии и химии не были типичными для теоретических физиков-атомщиков. Даже Рзефорд сказал Бору, что ему трудно «представить, как вы приходите к своим выводам». Это связано с тем, что ни одно из уравнений квантовой механики не описывает количество электронов на оболочке и орбитали. Бор признал, что на него повлияла работа Вальтера Косселя, который в 1916 году первым установил важную связь между квантовым атомом и периодической таблицей. Он заметил, что разница между атомными номерами 2, 10, 18 первых трех благородных газов — гелия, неона, аргона — составляет 8, и утверждал, что электроны в таких атомах вращаются в «закрытых оболочках». Первая содержит только 2 электрона, вторая и третья — по 8 электронов каждая. Исследования Бора затем привели австрийского физика Вольфганга Паули к изучению длины периодов в периодической таблице в 1924 году. Паули показал, что это не так. Вместо этого был разработан принцип исключения Паули, не на математической основе, а на основе предыдущих разработок в соответствии с химией. Это правило гласит, что в одном квантовом состоянии не могут сосуществовать два электрона, и показало, в сочетании с эмпирическими наблюдениями, существование четырех квантовых чисел и их влияние на порядок заполнения оболочек.

In 1913, amateur Dutch physicist Antonius van den Broek was the first to propose that the atomic number (nuclear charge) determined the placement of elements in the periodic table. He correctly determined the atomic number of all elements up to atomic number 50 (tin), though he made several errors with heavier elements. However, Van den Broek did not have any method to experimentally verify the atomic numbers of elements; thus, they were still believed to be a consequence of atomic weight, which remained in use in ordering elements. With this, Moseley obtained the first accurate measurements of atomic numbers and determined an absolute sequence to the elements, allowing him to restructure the periodic table. Moseley's research immediately resolved discrepancies between atomic weight and chemical properties, where sequencing strictly by atomic weight would result in groups with inconsistent chemical properties. For example, his measurements of X ray wavelengths enabled him to correctly place argon (Z = 18) before potassium (Z = 19), cobalt (Z = 27) before nickel (Z = 28), as well as tellurium (Z = 52) before iodine (Z = 53), in line with periodic trends. The determination of atomic numbers also clarified the order of chemically similar rare earth elements; it was also used to confirm that Georges Urbain's claimed discovery of a new rare earth element (celtium) was invalid, earning Moseley acclamation for this technique. Swedish physicist Johannes Rydberg working from the 1885 Balmer formula noticed that the atomic numbers of the noble gases was equal to doubled sums of squares of simple numbers: 2 = 2·12, 10 = 2(12 + 22), 18 = 2(12 + 22 + 22), 36 = 2(12 + 22 + 22 + 32), 54 = 2(12 + 22 + 22 + 32 + 32), 86 = 2(12 + 22 + 22 + 32 + 32 + 42). This finding was accepted as an explanation of the fixed lengths of periods and led to repositioning of the noble gases from the left edge of the table, in group 0, to the right, in group VIII. Among the notable works that established the importance of the periodicity of eight were the valence bond theory, published in 1916 by American chemist Gilbert N. Lewis and the octet theory of chemical bonding, published in 1919 by American chemist Irving Langmuir. The chemists' approach during the period of the Old Quantum Theory (1913 to 1925) was incorporated into the understanding of the electron shells and orbitals under current quantum mechanics. A real pioneer who gave us the foundation for our current model of electrons is Irving Langmuir. In his 1919 paper, he postulated the existence of "cells", which we now call orbitals, which could each only contain two electrons, and these were arranged in "equidistant layers" which we now call shells. He made an exception for the first shell to only contain two electrons. These postulates were introduced on the basis of Rydberg's rule which Niels Bohr had used not in chemistry, but in physics, to apply to the orbits of electrons around the nucleus. In the Langmuir paper, he introduced the rule as 2N2 where N was a positive integer. The chemist Charles Rugeley Bury made the next major step toward our modern theory in 1921, by suggesting that eight and eighteen electrons in a shell form stable configurations. Bury's scheme was built upon that of earlier chemists and was a chemical model. Bury proposed that the electron configurations in transitional elements depended upon the valency electrons in their outer shell. In some early papers, the model was called the "Bohr Bury Atom". He introduced the word transition to describe the elements now known as transition metals or transition elements. In the 1910s and 1920s, pioneering research into quantum mechanics led to new developments in atomic theory and small changes to the periodic table. In the 19th century, Mendeleev had already asserted that there was a fixed periodicity of eight, and expected a mathematical correlation between atomic number and chemical properties. The Bohr model was developed beginning 1913, and championed the idea of electron configurations that determine chemical properties. Bohr proposed that elements in the same group behaved similarly because they have similar electron configurations, and that noble gases had filled valence shells; this forms the basis of the modern octet rule. Bohr's study of spectroscopy and chemistry was not usual among theoretical atomic physicists. Even Rutherford told Bohr that he was struggling "to form an idea of how you arrive at your conclusions". This is because none of the quantum mechanical equations describe the number of electrons per shell and orbital. Bohr acknowledged that he was influenced by the work of Walther Kossel, who in 1916 was the first to establish an important connection between the quantum atom and the periodic table. He noticed that the difference between the atomic numbers 2, 10, 18 of the first three noble gases, helium, neon, argon, was 8, and argued that the electrons in such atoms orbited in "closed shells". The first contained only 2 electrons, the second and third, 8 each. Bohr's research then led Austrian physicist Wolfgang Pauli to investigate the length of periods in the periodic table in 1924. Pauli demonstrated that this was not the case. Instead, the Pauli exclusion principle was developed, not upon a mathematical basis, but upon the previous developments in alignment with chemistry. This rule states that no electrons can coexist in the same quantum state, and showed, in conjunction with empirical observations, the existence of four quantum numbers and the consequence on the order of shell filling.

Протон и нейтрон

Открытие протона и нейтрона показало, что атом делится, что сделало определение химического элемента, данное Лавуазье, устаревшим. Химический элемент сегодня определяется как вид атомов с постоянным числом протонов, которое теперь точно известно как атомный номер элемента. Это открытие также объяснило механизм нескольких типов радиоактивного распада, например, альфа-распада. В конечном итоге было предложено, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками; их открытие объяснило превращение нейтронов в протоны при бета-распаде.

Из короткой формы в длинную (в группы -А и -В)

Около 1925 года периодическая таблица изменилась, переместив некоторые ряды (серии) вправо, в дополнительный набор столбцов (групп). Первоначальные группы I–VII были повторены, с добавлением обозначений "A" и "B" для их различения. Группа VIII (с тремя столбцами) осталась без изменений. Таким образом, ряды 4 и 5 были перемещены и вместе образовали новый период 4 с группами IA–VIIA, VIII, IB–VIIB.

Позднее расширение и конец периодической таблицы

Мы уже чувствуем, что приблизились к моменту, когда этот периодический закон начнет меняться и будет меняться быстро.

Актиниды

Уже в 1913 году исследования Бора по электронной структуре привели физиков, таких как Йоханнес Ридберг, к экстраполяции свойств неоткрытых элементов, тяжелее урана. Многие согласились, что следующий благородный газ после радона, скорее всего, будет иметь атомный номер 118, из чего следовало, что переходные ряды в седьмом периоде должны быть похожи на ряды в шестом. Хотя считалось, что эти переходные ряды будут включать ряд, аналогичный редкоземельным элементам, характеризующийся заполнением 5f-оболочки, было неизвестно, с какого атомного номера начинается этот ряд. Прогнозы варьировались от 90 (тория) до 99, многие из которых предполагали начало за пределами известных элементов (на или после атомного номера 93). Вместо этого элементы от актиния до урана считались частью четвертой серии переходных металлов из-за их высокой степени окисления и, соответственно, были помещены в группы 3–6. В 1940 году нептуний и плутоний стали первыми открытыми трансурановыми элементами и были помещены последовательно под рением и осмием. Однако предварительные исследования их химии показали большее сходство с ураном, чем с более легкими переходными металлами, что поставило под сомнение их место в периодической таблице. В 1945 году, вопреки советам коллег, он предложил значительное изменение таблицы Менделеева: актинидный ряд. Концепция актинидов Сиборга об электронной структуре тяжелых элементов предполагала, что актиниды образуют внутренний переходный ряд, аналогичный рядам лантаноидов редкоземельных элементов – они составят второй ряд f-блока (5f-серию), в то время как лантаноиды образуют 4f-серию. Это облегчило химическую идентификацию америция и курия.

В свете этих наблюдений и очевидного объяснения химии трансурановых элементов, и несмотря на опасения коллег, что это радикальная идея, способная разрушить его репутацию, Сиборг все же представил ее в журнале Chemical & Engineering News, где она получила широкое признание. Новые периодические таблицы, таким образом, поместили актиниды под лантаноидами. Это также подтвердилось экспериментальными данными о тенденции к степени окисления +3 у элементов после америция – тенденции, наблюдаемой в аналогичной 4f-серии. Однако модель Сиборга не учитывала релятивистские эффекты, возникающие из-за высокого атомного номера и скорости электронов на орбите. Буркхард Фрике в 1971 году и Пекка Пююккё в 2010 году использовали компьютерное моделирование для расчета положений элементов до Z = 172 и обнаружили, что положения некоторых элементов отличаются от предсказанных Сиборгом. Хотя модели Пююккё и Фрике обычно помещают элемент 172 в качестве следующего благородного газа, нет единого мнения относительно электронной конфигурации элементов после 120 и, следовательно, их размещения в расширенной периодической таблице. В настоящее время считается, что из-за релятивистских эффектов такое расширение будет включать элементы, нарушающие периодичность известных элементов, что создает еще одно препятствие для будущих конструкций периодической таблицы.