Ещё в средние века химики обратили внимание, что некоторые химические элементы похожи друг на друга по ряду свойств и по составу образуемых ими соединений. Постепенно из всего множества элементов удалось выделить естественные семейства, объединяющие родственные элементы. Таковыми явились, например, семейство щелочных металлов и семейство галогенов. В течение XIX века обнаруживались всё новые и новые закономерности в свойствах элементов, и химики стали предпринимать попытки соединить в одну систему всё множество известных элементов.

И.В. Дёберейнер в 1829 году первым привязал закономерности в свойствах элементов к их относительным атомным массам; вслед за ним попытки систематизации предпринимали Л. Гмелин, А. де Шанкуртуа, Дж. Ньюлендс, У. Олдинг и Л. Мейер. Однако исторический шаг к фундаментальному закону природы первым сделал Дмитрий Иванович Менделеев. В своей статье «Периодическая законность химических элементов», опубликованной в 1871 году, он указал на то, что атомная масса предопределяет свойства элемента, и в соответствии с этим внёс правки в общепринятые на то время значения атомных масс, а также предсказал свойства ещё не открытых элементов.

Натуральный ряд химических элементов, в котором они упорядочены по возрастанию атомного номера Z, великому учёному удалось получить, исходя из значений атомных масс элементов, которые в этом ряду также, как правило, возрастают. Опираясь на периодичность свойств, наблюдавшуюся в натуральном ряду, Д. И. Менделеев сформулировал периодический закон и завершил систематизацию элементов. Современная формулировка периодического закона такова: «Свойства химических элементов, а также состав и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер».

Гениальность открытия Д. И. Менделеева заключается в том, что учёному удалось уловить естественность взаимосвязи атомного номера и химических свойств, не имея никакой возможности её объяснить, так как ничего в то время не было известно ни об атомных ядрах, ни об электронных оболочках, ни о валентных электронах.

Так родилась периодическая система химических элементов, охватывающая и систематизирующая все элементы без исключения. Известно огромное число вариантов графического отображения этой системы, но наиболее часто встречается табличный вариант. Его современный вид представлен на следующем рисунке.

Натуральный ряд химических элементов расположен в таблице Менделеева в семь горизонтальных строк, которые называются периодами и нумеруются цифрами от 1 до 7 (лантаноиды и актиноиды принадлежат шестому и седьмому периоду соответственно и вынесены отдельными строками из соображений удобства). Первые три периода называют малыми, потому что они содержат небольшое число элементов (2 или 8); остальные периоды называют большими, так как в каждом из них расположено большое число элементов (18 или 32).

Естественные семейства элементов оказываются расположенными в вертикальных столбцах таблицы — группах. Помимо сквозной нумерации групп числами от 1 до 18, используется обозначение римскими цифрами от I до VIII и буквами A (главная) либо B (побочная). Например, семейство щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) оказывается в группе IA, а так называемые монетные металлы (Cu, Ag, Au) — в группе IB; семейство галогенов (F, Cl, Br, I, At) принадлежит группе VIIA, а благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) относятся к группе VIIIA.

Интересно знать! Первоначальный вариант таблицы элементов включал вдвое меньшее число элементов, и некоторые из них располагались по-другому. По мере открытия новых элементов и развития представлений о строении атома периодическая система уточнялась и развивалась, и история эта насчитывает множество загадок и открытий. Даже в настоящее время положение некоторых элементов в системе продолжает уточняться: например, семейства лантаноидов и актиноидов традиционно относят к группе IIIB вместе с лютецием (Lu) и лоуренсием (Lr), однако непосредственно в колонку IIIB вместо Lu и Lr могут помещать соответственно лантан (La) и актиний (Ac).

Лишь через полвека после открытия периодического закона учёным удалось пролить свет на внутреннее устройство атома и объяснить периодичность в свойствах элементов. Благодаря успехам фундаментальной физики мы теперь знаем, что причиной периодического закона является слоистая структура электронных оболочек атомов.

В натуральном ряду химических элементов последовательно возрастает заряд ядра Z, а значит, и число электронов в атоме. При этом в электронном облаке формируются слои, которые последовательно заполняются этими электронами. После того, как на внешнем слое накапливается восемь электронов (а для первого слоя достаточно двух), начинает заполняться следующий слой, и уже он становится внешним. Таким образом, сценарий заполнения внешнего слоя периодически повторяется, а поскольку электроны внешнего слоя являются валентными, то и химические свойства, и состав соединений также периодически повторяются при возрастании Z.

Как только начинает заполняться электронами следующий слой, в таблице Менделеева мы переходим на следующую строку, то есть к следующему периоду. Поэтому номер периода, в котором находится элемент, равен числу электронных слоёв в атоме данного элемента и совпадает с номером внешнего электронного слоя. Например, у элементов первого периода (H, He) электроны формируют лишь первый слой; у элементов второго периода (Li, Be, B, C, N, O, F, Ne) они формируют два слоя, из которых внешним является второй; и так далее.

В одну группу при этом попадают элементы, у которых одинаковое число валентных электронов. Для элементов A-групп валентными являются только электроны внешнего слоя, и их число увеличивается от одного до восьми в пределах каждого периода (кроме первого). Поэтому номер A-группы (обозначаемый римской цифрой), в которой находится элемент, равен числу электронов на внешнем слое в атоме данного элемента. Единственным исключением из этого правила является гелий: в его атоме всего два электрона на внешнем слое, но его помещают в группу VIIIA, поскольку заполненный внешний слой придаёт гелию свойства благородного газа.

Систематизируя элементы, Д. И. Менделеев отталкивался в первую очередь от состава и свойств простых веществ и соединений с кислородом и водородом. Эти соединения во многом характеризуют природу элемента, поэтому их часто называют характеристическими соединениями. К ним традиционно относят оксиды, гидроксиды и водородные соединения. На примере элементов третьего периода можно проследить, как число валентных электронов влияет на состав и свойства этих соединений (аргон их не образует и поэтому в таблицу не включён):

В ряду высших оксидов и соответствующих им гидроксидов слева направо ослабевают основные и усиливаются кислотные свойства, причём в оксидах растёт содержание кислорода. Среди водородных соединений отдельно рассматривают летучие водородные соединения, образуемые элементами групп IVA — VIIA: в их молекулах число атомов водорода дополняет номер A-группы до восьми, поэтому слева направо в ряду летучих водородных соединений содержание водорода понижается.

Итак, элементы одной группы имеют похожие состояния валентных электронов в атомах, поэтому их химические свойства и состав соединений близки. Однако у элементов одной группы разное число электронных слоёв, и этим объясняются наблюдаемые различия в их химических свойствах.

Интересно знать! У элементов B-групп происходит заполнение внутренних слоёв, электроны на которых также становятся валентными, поэтому закономерности в их свойствах проследить сложнее. Все они, однако, располагаются перед группой IIIA, поэтому на внешнем слое у элементов B-групп находится менее трёх электронов (обычно два).