Б.В. Гусев,
Президент Международной и Российской инженерных академий, член Международного Комитета TANG PRIZE Foundation, член РАН, д.т.н., профессор

А.А. Сперанский,
вице-президент РИА, директор Института наукоёмких инженерных технологий РИА, председатель Комиссии ММИФ, DEхpert ISCED, профессор, академик МИА и РИА

Ш.М.Пенг,
профессор Тайваньского университета, академик академии наук Синикиа

Предисловие

Химия, как фундаментальная наука, является основой естествознания. За последние несколько десятилетий химия разительно изменилась благодаря тесному взаимодействию с физической химией, физикой твёрдого тела, ядерной физикой, органической химией, биохимией, а также применению современных инструментальных методов исследования. Необыкновенно расширился круг объектов, входящих в компетенцию изучения неорганической химии. К ним теперь причисляют не только соединения, но и материалы, причём помимо неорганической составляющей они часто содержат органические, полимерные или биополимерные фрагменты. Именно это даёт простор для создания самых разных материалов с заданными и управляемыми свойствами. В настоящее время химическая промышленность – это огромная отрасль, в которой производятся минеральные и органические вещества, объем которых исчисляется в тысячах миллиардах тонн.

В основе самой химии заложено изучение свойств химических элементов и их взаимодействие при получении новых веществ и материалов. В связи с этим невозможно переоценить значение величайшего открытия нашего соотечественника Дмитрия Ивановича Менделеева – Периодического закона (1869 г.), который лежит в основе всего многообразия проявлений и превращений химических веществ. По мере развития науки закон совершенствуется и видоизменяется, открываются новые вещества и возможности их применения. В начале 2019 года в Париже по инициативе ООН под эгидой ЮНЕСКО состоится Съезд, посвящённый 150-летию публикации Периодической системы химических элементов.

О таблице Д.И. Менделеева написано большое количество статей и монографий. На её основе в Международной практике широко используется длиннопериодная таблица IUPAK, которая более удобна для понимания химических процессов, происходящих в электронных оболочках (табл.1 и 2). Однако, по мнению Нобелевского лауреата академика Н.Н. Семёнова, главные недостатки этих табличных форм состоят в незаполненных клетках таблиц, их асимметричности, а также вынесенные за пределы таблиц лантаноиды и актиноиды.

Таблица 1. Периодическая таблица Д.И. Менделеева

Таблица 2. Длиннопериодная периодическая система химических элементов IUPAK

Авторы согласны с этим и считают, что совершенство матричных форм и повышение мерности может стать основным элементом завершённости модели периодической системы материального мира. Представляется целесообразным стремиться к симметричности при дальнейшем развитии модели периодического закона в виде таблиц или матриц.

Объемная матрица химических элементов

При изучении проблем периодичности в качестве авторской идеи были сформулированы достаточно очевидные положения. Мир многомерен и, как правило, рассматривается в пространственных измерениях, а таблица – двухмерная. Далее была сформулирована более убедительная идея рассмотрения химических элементов с позиции их происхождения в качестве материалов Вселенной (атомы – это звёздная материя). При образовании и развитии Вселенной, на первом этапе существовали только водород (H) и гелий (Не), и они должны быть во главе таблицы или, что более образно, объёмной матрицы. Затем возникли лёгкие элементы и только звёзды с их высокими температурами и давлениями могли синтезировать тяжёлые ядра. В качестве следующего предположения было принято, что создание элементов так же происходило по спирали, как развивается Вселенная.

На объёмно-каркасной матрице представлены номера химических элементов в виде непрерывного ряда натуральных чисел от 1 до 118 и далее, равномерно распределённых по спирали сверху вниз. Порядковый номер элемента совпадает с величиной заряда ядра и таким же суммарным количеством энергетически уравновешивающих электронов на орбиталях оболочек. Подход универсален как по отношению к короткопериодной таблице Д.И. Менделеева, как и длиннопериодной таблице IUPAK.

3D-спирально пространственная расходящаяся система каркаса матрицы химических элементов имеет 4 блока периодичности (рис. 1):

- первый блок А химических элементов образуют всего два химических элемента: водород-Н¹ и гелий-Не² ;

- второй блок В составляют химические элементы от лития-Li³ до аргона-Аr¹⁸;

- третий блок С состоит из элементы от калия-К¹⁹ до ксенона-Х⁵⁴;

- четвертый блок химических элементов D имеет элементы от цезия-Сs⁵⁵ до оганесона Og¹¹⁸ (рис.1).

Рис.1. Объемная периодическая матрица химических элементов

Из рис.1 следует, что в первом блоке А представлены первые элементы народившейся Вселенной: водород (H) и гелий (He).

Второй блок В образуют два одинаковых периода из восьми элементов от лития

(Li) до неона (Ne) и от натрия (Na) до аргона (Ar).

В блоке С появились два дополнительных кластерных образования: железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni) и рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd).

В блок D дополнительно включились семейства лантаноидов (La) и актиноидов (Ac), а также два кластера: осмий (Os), иридий (Ir), платина (Pt) и хассий (Hs), майтнерий (Mt), дармштадтий (Ds).

Матрица поливалентностей блочной структуры химических элементов

Свойства элементов и соединений, помимо связи с порядковым номером (величиной заряда ядра атома), находятся в существенной зависимости от распределения электронов и активности электронных, особенно валентных, орбиталей оболочек ядер атомов химических элементов. Блочная структура поливалентной матрицы сформулирована на основе периодической длиннопериодной таблицы IUPAK.

Структура периодичности представлена в Сводной Матрице Поливалентностей (рис.2). Структурирование энергетических уровней матрицы поливалентностей выполнено следующим образом:

- периоду 1 соответствует одноуровневый блок А;

- периодам 2 и 3 соответствует блок В;

- периодам 4 и 5 соответствует блок С;

- периодам 6 и 7 соответствует блок D.

Рис.2. Валентность химических элементов в зависимости от заряда ядра и структуры электронной оболочки атома

При этом циклическая периодичность просматривается в электронном строении оболочек атомов химических элементов, её максимальных и минимальных валентностей по каждому блоку. Так для блока А имеет место одна максимальная валентность, для блока В – две максимальные валентности, для блока С – четыре, а для блока D – шесть максимальных валентностей. Имеют место также отрицательные валентности от -4 и -3.

Закономерности заполнения электронных уровней и орбиталей электронной оболочки по мере удаления от ядра атома усложняются, что приводит к сбоям в заполнении уровней и подуровней. Причиной может быть выравнивание энергетических уровней соседних подуровней, при которых электроны начинают перескакивать между подуровнями и даже на соседний уровень без изменения их общего количества в атоме.

Универсальность объёмной матрицы состоит в том, что помимо обязательного порядкового номера и строгой координатной привязки химических элементов по группам, появляются широкие возможности структурного анализа физико-химических свойств элементов и закономерностей их взаимодействий. Описание элементов в системе координат может характеризоваться набором аналитических параметров в представленной структуре матрицы.

Основные выводы

1. Предложенная авторами Объёмная Периодическая Матрица имеет вид расходящейся спирали и непрерывную последовательность в расположении элементов от водорода (1) и гелия (2) до оганесона (118) с включением в неё лантаноидов и актиноидов и даже с возможностью включения изотопов или другой информации с сохранением расположения групп элементов относительно каркаса матрицы. Это обеспечит возможность цифрового описания новых структур в химии и материаловедении.

2. Сформулирована закономерность о наличии 4-х уровней блочной периодичности структуры в пространственной системе химических элементов, которая очевидно соответствует периодам развития Вселенной. По отдельным блокам включены дополнительные кластерные образования, а также семейства лантаноидов и актиноидов. Получены новые закономерности циклической периодичности по увеличению количества максимальных валентностей в блочной матричной структуре химических элементов от блока А до блока D.

3. Пространственная матрица химических элементов, помимо дополнительной информации о структуре (строении) электронных оболочек для известных элементов 4-х блоков, позволяет в виде электронно-орбитальных формул проектировать структуры неизвестных пока элементов 5-го и последующих блоков периодической системы в пределах 119-168 элементов 8-го периода и в пределах 169-218 элементов 9-го периода блока Е.