Периодичната система (наричана още Менделеева таблица) представлява класификация на химичните елементи по техния атомен номер (тоест броя на протоните), електронната конфигурация и повтарящите се химични свойства. Таблицата е графичен израз на периодичния закон, открит и публикуван от руския химик Дмитрий Менделеев през 1869 г. Въз основа на периодичния закон Менделеев успешно предсказва свойствата на неизвестни дотогава химични елементи.
В първоначалния си вариант таблицата е представяла свойствата на елементите в зависимост от атомното им тегло (в съвременната интерпретация това е атомната маса). С развитието на теорията за строежа на атома се установява, че най-важната характеристика на атомите е не тяхната маса, а броят на протоните в ядрата им. Това дава възможност да се уточни формулировката на периодичния закон.
Преди Менделеев са предлагани стотици начини за изобразяване на периодичната система с аналитични криви, таблици, геометрични фигури и др. В. М. Потапов, Г. Н. Хомченко „Химия“, М. 1982 (стр. 26). Никой от тези начини не притежава достойнствата на системата, предложена от Менделеев – простота, естественост и удобство.
В съвременния вариант периодичната система се изобразява като двумерна таблица. Всеки стълб (наричан група) се състои от химични елементи с подобно поведение и свойства. Всеки ред (наричан период) съдържа елементи с един и същи брой електронни обвивки (слоеве). Всеки период започва с метали и завършва с неметали. Много от групите имат както имена, така и номера. Например група VII A е групата на халогените, а група VIII A – на благородните газове.
Всеки елемент в таблицата има точно определен пореден номер Z, равен на броя на протоните в атомното ядро, и точно определени координати в периодичната система – период и група. Между мястото на елемента в периодичната система (съответно строежа на атомите му) и неговия химичен характер съществува зависимост. Тя може да се използва, за да се предвиди химичният характер на елемента и поведението на съответните прости вещества и съединения. Първите 94 елемента съществуват в природата, въпреки че някои са открити само в малки количества, синтезирани в лаборатории, преди да бъдат открити в природата.
История В древността Древните философи са първите, стремели се да създадат единна теория на цялата природа и да обяснят нейния произход, строеж и многообразие. Гръцкият философ Демокрит смятал, че всички природни вещества се състоят от малки неделими и несвиващи се частици – атоми, с различна форма и размер, но с еднакъв състав. Първите опити да обобщи нещата в природата е направил древногръцкият философ Аристотел с негово учение за първоматерията и нейните начала, чрез съчетанията на които могат да се получат петте основни елемента – земя, вода, въздух, огън и ефир. Атомите и елементите в учението на древните философи били възприемани като умозаключения и били представяни като абстрактни понятия, без да се базират на резултати от опита.
Първи опити за систематизиране До XVIII век са познати и описани само 15 елемента – металите желязо, мед, олово, бисмут, арсен, цинк, калай, антимон, платина, сребро, живак, злато и неметалите въглерод, сяра и фосфор.
През 1789 г. Антоан Лавоазие в своята книга „Елементарен курс по химия“ включва първата в новата история на химичните елементи, наречен „Таблица на простите вещества“. Той публикува списък с 33 химични елемента, групирайки ги в газове, метали, неметали и земни. Наред с известните дотогава химични елементи, той отъждествява като прости вещества и въглищата, светлината, топлината и редица оксиди. Лавоазие приема като критерий за определяне на елемент това, което се основава на опита (емпиричен метод), непритежаващ никакви разсъждения за съществуването на атоми и молекули, които не е възможно да се докажат експериментално.
Химиците прекарват следващия век в търсене на по-точна класификация.
В началото на XIX век английският химик и физик Джон Далтон въвежда понятието „атомно тегло“, изчислявайки атомното тегло на редица елементи, с което поставя началото на изучаването на атомния строеж на веществото. Далтон първи показва, че атомното тегло е най-важното свойство на елемента, определящо неговите химични свойства.
През 1814 г. шведският химик Берцелиус публикува таблица с атомните маси на 41 прости вещества, приемайки за единица за сравнение кислорода, атомната маса на който приема за 100 и доказва, че атомната маса не е цяло число.
Към средата на XIX век са установени химичните свойства на редица елементи и някои закономерности в изменение на стойностите на техните атомни маси. Първи опити за известна систематизация прави Йохан Волфганг Дьоберайнер през 1829 г. Той отбелязва, че много от елементите могат да бъдат групирани в триади въз основа на химичните свойства. Литият, натрият и калият например образуват триадата на меките реактивни метали. Същият учен открива, че атомните тегла на елементите във всяка триада образуват аритметична прогресия.Ball, p. 100 Това правило става известно като закон на триадите. Систематизацията му се изчерпвала с този закон, без да са направени някакви други изводи.
Германският химик Леополд Гмелин работи с тази система и до 1843 г. идентифицира десет триади, три групи от четири и една група от пет елемента. В публикация от 1857 г. Жан-Батист Дюма описва взаимоотношенията между различните групи метали. Въпреки тези частични успехи, по онова време все още е липсвала единна схема, която да обхваща всички закономерности.
През 1857 г. английският химик Уилям Олдинг разполага 48 елемента в 13 групи по сходство на химичните им свойства и по атомните им тегла във всяка група, но не и систематизирани с атомните им тегла между групите. Той не намира място на 11 елемента, включително на въглерода и водорода.
През 1857 г. германският химик Фридрих Август Кекуле отбелязва, че въглеродът често има четири други атома, свързани с него. Метанът например има един въглероден атом и четири водородни атома. Тази концепция става известна като валентност: Атомите на всеки химичен елемент проявяват склонност да се свързват в точно определени пропорции.
Голямото затруднение в опитите да се систематизират елементите може да се обясни с неточните стойности на техните атомни тегла и с отсъствието по това време на определенията и понятията в химията. Началото на премахването на това несъответствие слага Първият конгрес на химиците в Карлсруе, Германия, през септември 1860 г., където присъствал и Менделеев. Голяма роля в установяването на общи двойки има италианският химик Станислао Канцаро и в частност точното определяне на атомните и молекулните тегла. Идеите, изказани на конгреса, оказват съществено влияние на химиците за разширяване на възможностите в систематизацията на елементите и довеждат до нови хипотези и таблици, повече или по-малко спорни, но приближаващи се до първоначалните варианти на Периодичната система.
В края на 60-те години на XIX век се наброяват около 50 опита за систематизация на химичните елементи. Най-често извежданите примери са тези на Шанкуртоа, Нюландс и Майер.
През 1862 г. френският геолог Александър Емил Бегуйе дьо Шанкуртоа публикува ранна форма на периодична таблица, която нарича телурова спирала или винт. Той е първият човек, който забелязва периодичността на елементите. Тази система се основава на хипотезата, че всяко целочислено значение на атомното тегло отговаря на един елемент. Елементите са разделени на групи по 16 броя, като атомните тегла на завършващите групата са кратни на 16. Системата е изобразена по повърхността на цилиндър. Успоредно на основата на цилиндъра са прекарани вертикални линии, означени от 0 до 16. Прекарани са спирални линии под ъгъл 45°, започващи от горния край с числата на атомните тегла, кратни на 16 по вертикала, на които линии са нанесени сходни по свойства елементи на местата, отговарящи на атомните им тегла. Шанкуртоа е искал да въведе някаква периодичност в системата, като например поставя кислорода, сярата, селена и телура в една от образуващите, но намиращите се в тази група мед и титан нямат никакво отношение към тази група. Заедно с въглерода и силиция в една група са и кобалтът, церият и среброто, а в групата на алкалните метали стои манганът. Неговата диаграма включва някои йони и съединения в допълнение на елементите. Тъй като разположението на елементите завършва с телура, системата получава названието „телурен винт“. Таблицата използва геоложки, а не химически термини и не включва диаграма, в резултат на което получава малко внимание.
През 1864 г. германският химик Лотар Майер публикува таблица с 44 елемента, използваща приблизително еднаква разлика в атомите на елементите, разположени хоризонтално, а вертикално в колони елементите са подредени за първи път по валентност. Не всички приведени валентности отговарят на действителността, но Майер не се усъмнил в правилността на атомните тегла на някои елементи. В таблицата не намират място водород, бор, алуминий и други. Желязото и манганът заемат едно и също място в един от вариантите на таблицата. Таблицата показва, че елементите с подобни свойства често имат една и съща валентност.Venable, pp. 85 – 86; 97 По същото време английският химик Уилям Одлинг публикува таблица с 57 елемента, наредени по атомно тегло, и споменава идеята за периодичен закон, но не я прокарва последователно и впоследствие предлага класификация на елементите според тяхната валентност.
След 4 години Майер публикува нова форма на таблицата, в която за първи път са показани периоди. В таблицата са отбелязани 17 групи, но някои от тях са пропуснати. В таблицата не е показан първият период и не съществува някаква завършена класификация на елементите.
Английският химик Джон Александър Рейна Нюлендс публикува серия от статии от 1863 г. до 1866 г., в които отбелязва, че когато елементите са изброени в реда на нарастване на атомното тегло, подобни физични и химични свойства се повтарят на интервали от осем. Той приравнява тази периодичност към октавите на музиката. Нюлендс нарича това правило „закон на октавите“. Елементите са наредени подред според атомните им тегла от водорода до тория. Използваните от него елементи са 62, а местата в таблицата – 56, затова се наложило на 6 места да слага по два елемента. Той е осмиван от съвременниците си и химичното общество отказва да публикува откритията му. Въпреки това Нюлендс изготвя таблица на елементите и я използва, за да предвиди съществуването на липсващи елементи като германия.Scerri 2007, p. 306 Химичното общество признава значението на откритията пет години след като признава Менделеев. През 1867 г. германският химик Густав Хинрикс публикува в Америка спирална периодична система, основаваща се на атомните спектри и тегла и на химичните сходства на елементите.
Периодичен закон на Менделеев
Към края на 1860-те нараства необходимостта от създаването на система на елементите, основана на принципа на закономерност и включваща всички известни елементи.
През последните 15 години, предшестващи откритието на Менделеев (1854 – 1869 г.), научната му дейност била насочена към изучаването в различните страни на измеримите свойства на елементите и взаимодействията между тях. Изучаването на съотношението на атомните тегла на елементите привлича вниманието на Менделеев, особено след Първия конгрес на химиците. Така той трупа опит в резултат на свои собствени наблюдения от огромна маса емпиричен материал, подлежащ на теоретично обобщение и систематична обработка. За разлика от много химици, които се занимават с този въпрос през 1860-те години, като въвеждат частично периодичността, но се ограничават в тясна област на проблема, Менделеев разглежда въпроса в по-широк мащаб, включвайки всички елементи и имайки предвид всички техни свойства и характеристики, откривайки взаимната им връзка.
Работейки над своя труд „Основи на химията“, Д. И. Менделеев открива през 1869 г. един от фундаменталните природни закони – периодичния закон на химичните елементи.