Монадные и диадные Периодические системы

К 175-летию со дня рождения Дмитрия Ивановича Менделеева
К 150-летию спектрального анализа Густава Кирхгофа и Роберта Бунзена
К 140-летию открытия Периодического закона химических элементов

Две парадигмы Периодической системы химических элементов: Боровская (монадная) и диадная модели электронного строения атома

Рязанцев Г.Б., Хасков М.А.

Ибо мы отчасти знаем и
отчасти пророчествуем;
Когда же настанет совер-
шенное, тогда то, что
отчасти прекратится.
Павел, 1-е Коринф.13:9,10

Полное научное объяснение Периодическая система химических
элементов получила на основе квантовой механики

Парадигма (от греч. Paradeigma – пример, образец)
исходная концептуальная схема, модель постановки
проблем и их решения, господствующих в течение опре-
деленного исторического периода в научном сообществе
Новый энциклопедический словарь

В природе глубоко скрыто еще много тайн,
и чтобы их открыть, нужно идти к цели без
предубеждения, потому что такая обобщающая
классификация, какой является система периодов,
может представлять известную опасность,
создавая ложное мнение, что «все совершенно ясно»
В. Клемм

Скоро столетие Боровской квантовой модели строения атома (1913г.) и все эти почти 100 лет физики и химики были полностью под влиянием этой великой парадигмы! Неужели это «единственно верное учение» и других просто нет? Мы хорошо знаем, что так не бывает и всегда, как правило, существуют и другие парадигмы, но абсолютное доминирование Боровской парадигмы блокирует все другие модели.



 

Известно, что первоначальная модель Нильса Бора была усовершенствована (Зоммерфельд, 1919г.), и было показано, что Боровские постулаты - следствие квантовой механики (Шредингер, 1926г.) и модель часто уже даже не носит его имени, но можно утверждать, что все развитие квантовой химии было задано именно Боровской парадигмой (назовем ее монадной в противоположность альтернативной диадной).



Существующие общепринятые формы Периодической системы химических элементов построены именно под эту монадную парадигму. Все другие альтернативные формы просто игнорируются, хотя время от времени предлагаются различными авторами, как у нас, так и за рубежом, но зачастую остаются без всякого внимания. Общая ситуация еще усложняется тем, что существует множество разных вариантов Периодической системы (до нескольких сотен) и у многих сформировалась усталость от этого многообразия, которое сейчас вызывает энтузиазм только у школьников и студентов младших курсов. В пользу Боровской модели даже забыты идеи Д.И. Менделеева как якобы устаревшие (нулевые группа и период, принцип непрерывности и целостности Периодической системы). Любое настойчивое их пропагандирование сталкивается с очень ожесточенной конфронтацией. Среди широкой естественнонаучной общественности сложилось устойчивое мнение, что всякие новые, тем более изощренные формы Периодической системы, есть в лучшем случае род «научного чудачества», а в худшем, просто проявление «нездорового честолюбия» или даже «покушение на лавры» великого Менделеева. Многие редакции научных и даже научно-популярных журналов приняли негласные решения просто с порога отвергать все статьи на эту тему, примерно также как на тему о «вечном двигателе» или на «опровержение теории относительности». Между тем объективный подход к проблеме требует справедливого рассмотрения всех альтернатив и первое, что можно сделать – это разделить все многообразие систем на две группы – одно отвечающая Боровской парадигме и вторая - это системы принципиально отличающиеся от нее. Это тем более необходимо потому что, Боровская модель была успешна только для атома водорода и совершенно произвольно перенесена на все остальные атомы. Похоже, мы были направлены по этому пути именно из-за первоначального, несомненно, убедительного успеха этой модели для первого атома Периодической системы и автоматически перенеся ее на все остальные, оказались, возможно, в тупике, попав в своеобразную «интеллектуальную ловушку». Все квантово-механические расчеты, основанные на монадной модели для всех атомов, кроме водорода и водородоподобных, не могут быть признаны удовлетворительными. Более того, монопольное внедрение в научную практику и естественнонаучное образование единственно этой модели породило целую систему квантово-механического «мифотворчества» в теоретической химии.



 

Может уже настало время оторваться от «боровской колыбели», и спокойно рассмотреть другие модели, вместо того, чтобы упорно от них отворачиваться, только потому, что нас с «детства» к ним не приучили. Похоже, здесь проблема чисто «психологическая» и если все-таки удастся преодолеть этот барьер и привлечь внимание высококлассных специалистов к другим моделям, то возможен успешный прорыв и выход из тупика.



Нам кажется парадоксальной сложившаяся ситуация: может оказаться, что теория строения атома Бора почти на 100 лет увела развитие науки в сторону от основного пути и это только на первый взгляд кажется невероятным, вспомните теорию доктора Георга Шталя (теория флогистона сформулирована в 1697-1703гг.), столетие успешно морочившей головы всем естествоиспытателям тоже в силу своей очевидной убедительности и стройности!

 

Но даже если парадигма Бора и верна, а она, конечно же, в чем-то верна (это уже доказывает почти столетнее ее господство), то все-таки недостойно с предубеждением и пренебрежением отвергать все другие альтернативы и они, безусловно, имеют право на справедливое обсуждение, а может быть и на осуждение, но только не замалчивание и полное игнорирование, как это происходит сейчас. Возможно, теория Бора изначально была лишь одним частным случаем (первый элемент - единственный электрон) более общей теории строения атома, которую нам предстоит только вскрыть, но вследствие уж очень удачного описания частного случая (водород – первый элемент, но хорошо известно, что первый член гомологического ряда, как правило, сильно отличается от всех последующих и редко может служить характеристикой всего ряда) вскружившего головы, была незаконно обобщена на все атомы. Об этом многие говорили и писали, а среди них были и большие авторитеты:

…можно заключить, что современная волновая механика не внесла достаточной ясности в детали периодической системы
Ч. Коулсон

Попытка распространить правила квантования на атомы с несколькими электронами была безуспешной…



В случае атома с несколькими электронами, строго говоря, нельзя приписать квантовые числа отдельным электронам: существует состояние атома в целом, а не набор состояний отдельных электронов.



Представление об одноэлектронных состояниях не отвечает точной постановке квантовомеханического описания и носит приближенный характер.
М.Г. Веселов

Как видно, недостатки теории Бора и вытекающих из нее других кванто-механических описаний атомов никто не скрывал, но упорно все-таки держались Боровской парадигмы, т.к. других якобы не было. Но, другие-то есть! Так, давайте же, все-таки обратим на них наше внимание!

Итак, диадная модель, что это такое?

Диадная модель

Математически точной диадной модели электронного строения атома еще нет - это дело будущего, надеемся скорого, и высококлассных специалистов, в которых тоже недостатка нет, лишь бы они обратили хотя бы какое-то внимание этой парадигме.



Пока можно дать только лишь качественное описание диадной модели:
главное, чем отличается диадная модель от Боровской – это то, что если в традиционной, каждый энергетический уровень включает по одному (моно-) подуровню одного типа (s, p, d, f):


1-й уровень - 1 s подуровень,



 

2-й уровень - 1 s и 1 p подуровни,



3-й уровень - 1 s, 1 p и 1 d подуровни,



 

4-й уровень - 1 s, 1 p, 1 d и 1 f подуровни и т.д.



и каждый уровень качественно отличается один от другого, встречается в единственном числе, поэтому, ее можно назвать монадной моделью, тогда как в диадной модели каждый уровень повторяется дважды и подобные уровни образуют одну диаду, каждая из которых содержит по два (ди-) подуровня одного типа (s, p, d, f):


I -я диада - 2 s подуровня,



II -я диада - 2 s и 2 p подуровня,



 

III-я диада - 2 s, 2 p и 2 d подуровня,



IV-я диада - 2 s, 2 p, 2 d и 2 f подуровня и т.д.

В этой Системе строго следовали порядку заполнения атома электронами, но не соблюдали принцип непрерывности, так-что, диадность просматривается, но несколько затушевана. Нетрудно видеть, что эта Система легко может быть преобразована в Систему Ш. Жанета, если строго следовать не только порядку заполнения, но и принципу непрерывности.

Рис. 1 Монадная и диадная системы деления на уровни и подуровни

На рис.1 показано подразделение на уровни как в первом (монадном, справа), так и во втором (диадном, слева) варианте. Казалось бы, какая между ними принципиальная разница, кроме того, что в диадной модели уровни не пересекаются и нет той путаницы, что наблюдается в монадной модели и порядок заполнения разных подуровней в одном уровне у них противоположный; в диадной модели порядок заполнения подуровней: f, d, p, s, причем, строго последовательно, а не s, p, d, f, как в монадной, да еще и с исключениями из правил, которым надо придумывать всякие искусственные объяснения!

Ведь физическая сущность уровней и подуровней не меняется и энергетическая стратификация та же, но мы и не утверждаем, что меняем природу атома, предлагается всего лишь другая его модель, которая может оказаться только более удобной, чем традиционная, а главное, возможно, более плодотворной, если бы специалисты уделили ей хотя бы самое малое внимание.

Можно еще раз сказать: все это всего лишь формализм, какая принципиальная разница? Но разница все-таки есть – в диадной системе разбиение на уровни строго соответствует реальному порядку заполнения атома электронами и именно диадность позволяет строить целостные Периодические Системы!



На наш взгляд она просто более естественна!



В химии и физике совершенно справедливо укоренилось мнение, что Периодическая система должна отражать электронное строение атома и наоборот.



Так вот, диадность просто следует из натуральных (естественных), а не искусственных форм Периодической системы. Что мы называем натуральными формами? Это те формы, которым старался строго следовать Дмитрий Иванович Менделеев и которые строят Периодическую систему по принципам целостности. Как уже отмечалось другими ранее [1], Дмитрий Иванович Менделеев основывался на следующих принципах, которые можно назвать парадигмой Менделеева:





1. На «принципе дискретности», согласно которому предполагается, что в определенном интервале шкалы атомных весов имеется конечное число элементов (принцип дискретности),



2. Каждый элемент может занимать в Периодической системе только определенное место (принцип однозначности),



3. Система должна быть заполнена элементами полностью без пропусков (принцип непрерывности - целостности).





Первые два принципа (дискретности и однозначности) в некоторой степени тривиальны (хотя именно они строго выполняются в общепринятых традиционных системах, но бывают и редкие исключения: например для Водорода- I или VII группы), а вот третий является просто основополагающим (если придерживаться целостности) и натуральная гармоническая Периодическая система без него просто не может существовать (а именно им пренебрегают в настоящее время и о нем сразу же забыли после смерти великого химика).



Дмитрий Иванович Менделеев строго следовал всем этим принципам и поэтому ни одна из форм, существовавших в его время его полностью не удовлетворяла. Он был против разрывов в Периодической системе и тем более против выноса целых рядов элементов за пределы единой системы.



Так вот, если строить Периодические системы, строго следуя Менделеевским принципам, то получаются формы, в которых диадность очевидно проявляется. Но как раз такие формы Периодической системы не укладываются в Боровскую парадигму и, как правило, игнорируются химиками, хотя именно они отвечают парадигме Менделеева!

Первой такой системой, известной нам, была форма предложенная еще в 1929г. Шарлем Жанетом (Charles Janet ) [2,3] и им же введен термин диад.

В системе Жанета соблюдены все три принципа и четко видна двойственность (диадность) всех периодов. Каждая диада включает в себя по два подобных периода. Интересна особенность этой системы – она в разное время была независимо открыта разными авторами [2, 3, 4] и каждый, конечно, давал ей свое имя, не избежали этого и мы [4], это на наш взгляд только подчеркивает глубинный смысл этой системы, которая очевидно не укладывается в Боровскую парадигму и поэтому игнорируется широкой научной общественностью. Приоритет в открытии этой системы принадлежит Ш. Жанету, а все последующие независимые ее открытия подтверждают неслучайный характер этой формы и только вдохновляют на дальнейший поиск в этом направлении.

 

О диадности совершенно определенно говорили многие химики [2, 3, 4, 5, 6, 7], но монадные шоры были так сильны и плотны, а «досадное многообразие» всех возможных форм Периодической системы так всех утомило (мы тоже не ставим перед собой цель – показать все существующие формы), что этих исследователей остальные химики даже в упор не видели и не хотели слушать, это происходит и в настоящее время.



Наша цель – показать существование разных парадигм Периодической системы химических элементов, из которых одна в настоящее время полностью доминирует, а другая совершенно замалчивается! Мы попытались прорвать завесу молчания и построили пространственную форму Периодической системы по принципам непрерывности и целостности, о которой еще говорил Дмитрий Иванович Менделеев, называя ее «телесной формой» [8]. Общеупотребимые и широкоиспользуемые периодические таблицы (как короткую, так тем более и длинную формы), которые называют именем Менделеева, Дмитрий Иванович вряд ли бы одобрил. Более того, можно утверждать о наличии, в некотором смысле, «научного подлога», в котором приняли участие многие ученые, пусть зачастую и неосознанно и из самых благих побуждений!



Мы убеждены, что и Дмитрий Иванович чувствовал, что «беспредельность» Периодического закона не может быть адекватно выражена в плоской прямоугольной таблице! Но разве тогда были другие способы графического отображения? Не только чувствовал, но и говорил об этом и, кажется, даже просто тосковал об иных более совершенных формах. Ученый предвидел, что «…система требует телесной формы, допускающей сближение по всем направлениям» и ему представлялось возможным математическое выражение Периодического закона – геометрического, в точках пересечения «сплошных кривых», или аналитического, в «теории чисел». Отсутствие математического выражения для периодического закона Менделеев объясняет тем, что закон относится к области, еще очень новой для математической обработки. «Он рисуется ныне в виде новой, отчасти только раскрытой глубинной тайны природы, в которой нам дана возможность постигать законы, но очень мало возможности постигать истинную природу законов» [9].



Отдадим же должное основным принципам Д.И.Менделеева (Менделеевской парадигме) и последуем за ним. Забудем про группы, не будем спорить, с чего начинаются периоды, а просто последовательно и непрерывно выстроим все элементы в один ряд в порядке возрастания и закрутим этот ряд в пространственную спираль, в «телесную форму, допускающую сближение» подобных химических элементов по вертикали!

Рис. 2 Таблица химических элементов Шарля Жанета

Рис. 3 «Цветок Менделеева»

Вот мы и получили «телесную» форму Периодической системы Менделеева. Представленная аналоговая модель «телесной» Периодической системы, которая получилась в виде «прекрасного цветка», прямо вытекает из основных принципов Д.И. Менделеева и является целостной естественной формой и не содержит ничего внешнего и придуманного, предлагаем ее назвать «Цветком Менделеева» [4, 10].



Возможно, более справедливо дать название «Цветок Менделеева-Шанкуртуа», т.к. пространственная спиралевидная форма впервые была предложена французским ученым Александром Эмилем де Шанкуртуа [1], одним из предшественников Д.И. Менделеева в открытии Периодического закона. Безусловная заслуга Эмиля де Шанкуртуа состоит в предвидении пространственной спиралевидности Периодической системы, а недостаток - это опять же стремление расположить все элементы на плоскости, пусть и цилиндрической, но все-таки плоскости, когда как «сущностная» форма принципиально «телесная» и не может быть без ущерба отображена на плоскости. В этой форме (рис. 3) и ее модификациях (рис. 4, 5, 6) четко просматривается диадность, также как и в системе Ш. Жанета (рис. 2) и других систетах альтернативных Боровской [5, 6, 7].

Рис. 4 Широкополосная модификация «Цветка Менделеева-Шанкуртуа» (наш вариант, прототипом ему может служить менее совершенный и эстетически привлекательный, но ранее предложенный вариант системы Р.Александера (Roy Alexander ) [11].

Наша модель отличается от модели Шанкуртуа всего лишь тем, что если он пытался разместить все элементы на одном цилиндре, то у нас несколько цилиндров, каждый из которых соответствует определенному типу элементов (s, p, d, f). Таким образом, мы совсем недалеко отошли от идеи Шанкуртуа, просто в его время еще не знали об s, p, d, f-элементах, но принцип то же самый.

Рис. 5 Пространственная табличная модификация (наш вариант, но впервые подобная форма была предложена П.Жигуром (Paul Giguere) [12].

В этой системе элементы привычно располагаются в прямоугольных таблицах, но не в одной плоскости, а в трехмерном пространстве, причем, одни таблицы попарно компланарны, а другие ортогональны.



Диадность четко просматривается в целостных Периодических системах, а также в Системах построенных на строгом следовании порядку заполнения атома электронами, например [13]:
Периодическая система элементов в форме, показывающей заполнение электронных слоев и оболочек

И наконец, диадность все-таки просматривается и в традиционных Периодических системах, если обратить внимание на ряд, состоящий из чисел элементов входящих в периоды: (?);2; 8;8; 18;18; 32;32. Исключение из диадной закономерности наблюдается только вначале ряда, но диадная закономерность была так сильна что, интуиция подталкивала многих авторов даже на введение нулевого периода и на поиск доводородных элементов [1, 4, 14], кстати, первым автором, кто двигался в этом направлении был сам Д.И. Менделеев (Ньютоний и Короний) [15].



Одной из основных причин неприятия диадных систем является, то что в них нарушается или затушевывается один из наиболее привычных «предрассудков» массово внушаемых чуть ли не в ранних школьных классах: «период начинается с щелочного металла и заканчивается инертным газом». Хотя математически хорошо понятно, что для периодических функций совершенно неважно с чего начинается отсчет периода, но вот для химиков «тотальная школьная гипнопедия» оказывается психологически практически непреодолимой и вызывает рефлекторное отторжение диадной парадигмы!



Итак, диадность на множестве примеров просто невозможно не заметить, мы призываем химиков-теоретиков и специалистов по квантовой механике внимательнее отнестись к явлению диадности и построить ее математическую модель. Возможно, здесь скрывается выход из того тупика в теоретической химии, в котором мы оказались сейчас! Возможно, именно диадная модель подскажет еще неизвестную нам область решений волнового уравнения, описывающего многоэлектронный атом, и внесет дополнительную ясность в интерпретацию атомных спектров.

Диадность также хорошо просматривается в системе ADOMAH

Рис. 6 Сборно-разборная форма

ЛИТЕРАТУРА