Периодическая система элементов

Атом представляет собой сложную микросистему, состоящую из ядра и движущихся вокруг него электронов. Число электронов в атоме равно заряду его ядра и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической системе. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме. Пространство, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называют атомной орбиталью. Энергетическое состояние электрона в изолированном атоме описывается четырьмя квантовыми числами: главным n, орбитальным l, магнитным m_l, спиновым m_s.

Главное квантовое число n определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значения 1, 2, 3, 4, 5, …- и характеризует оболочку или энергетический уровень. Чем больше n, тем выше энергия. Переходы электронов с одной оболочки (уровня) на другую сопровождаются выделением квантов энергии.

Орбитальное квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Орбитальные квантовые числа принимают целочисленные значения от 0 до(n- 1). Электроны с орбитальным квантовым числом 0 называются s-электронами. Орбитали и электронные облака имеют сферическую форму.

Электроны с орбитальным квантовым числом 1 называются р-электронами. Орбитали и соответствующие электронные облака имеют форму, напоминающую гантель.

Электроны с орбитальным квантовым числом 2 называют d -электронами. Орбитали имеют более сложную форму, чем р-орбитали.

Электроны с орбитальным квантовым числом 3 получили название f- орбиталей. Форма их орбиталей ещё сложнее, чем у d- орбиталей.

Магнитное квантовое число m характеризует ориентацию орбитали в пространстве. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от – l до + l, включая 0. Соответственно, для s-подуровня имеется одна орбиталь (m_l=0), у р-подуровня – три орбитали (m_l=-1, 0, +1), у d-подуровня – пять орбиталей (m_l=-2, -1, 0, +1, +2).

Каждый электрон характеризуется также собственным механическим моментом движения, называемым спином.

Спиновое квантовое число m_s имеет только два значения +1/2 и -1/2. Положительные и отрицательные значения спина связаны с его направлением.

Запись распределения электронов в атоме по уровням, подуровням и орбиталям называют электронной конфигурацией элемента. Обычно электронная конфигурация приводится для основного состояния атома. В случае, когда один или несколько электронов находятся в возбужденном состоянии, то и электронная конфигурация характеризует возбужденное состояние атома.

Заполнение энергетических уровней электронами в многоэлектронных атомах подчиняется трём принципам:

1. Принцип Паули. В любой атомной или молекулярной системе не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.

↑↓

Следствие: В любой атомной орбитали может быть только два электрона с противоположными спинами

2. Принцип наименьшей энергии. Электроны при заполнении орбиталей занимают прежде всего те орбитали, энергия которых меньше (энергия же орбиталей определяется значением главного n и орбитального l квантовых чисел). Последовательность заполнения атомных орбиталей очередными электронами в соответствии с принципом наименьшей энергии следующая:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→5d¹→+4f→5d^2-10→ 6p→7s→6d¹→5f→6d²…

3. Правило Гунда. Все орбитали заполняются электронами по возможности по одному, и только после этого электроны спариваются.

В соответствии с тем, какая орбиталь заполняется очередным электроном, отличающим данный элемент от предыдущего в периодической системе, все элементы делятся на s-, p-, d- и f- семейства. К s- семейству относятся элементы главных подгрупп I и II групп периодической системы, а также водород и гелий; к p - семейству – элементы главных подгрупп III – VIII групп, к d- семейству – элементы побочных подгрупп, к f- семейству – лантаноиды и актиноиды.

Для составления электронной формулы атома данного элемента необходимо знать положение его в периодической системе. Порядковый номер указывает на заряд ядра его атома, а, следовательно, и на общее число электронов в атоме. Номер периода соответствует количеству энергетических уровней в атоме. Номер группы отвечает числу валентных электронов (электронов, участвующих в образовании химических связей). В атомах элементов главных подгрупп валентные электроны заполняют наружный энергетический уровень (s- или s- и p- состояния). В атомах элементов побочных подгрупп валентные электроны находятся в s- состоянии внешнего энергетического уровня и в d- состоянии предыдущего уровня.

Электронными аналогами называются элементы, у которых валентные электроны расположены на орбиталях, описываемых общей для всех элементов формулой. В периодической системе элементов электронные аналоги входят в состав одной подгруппы.

Пример 1. Составить электронную формулу атома магния Mg (элемент s-семейства).

Порядковый номер магния 12, значит, в атоме двенадцать электронов. Магний – элемент III периода – три энергетических уровня в атоме. Элемент главной подгруппы II группы, следовательно, два валентных электрона в s-состоянии находятся в наружном, третьем, энергетическом уровне. Отсюда электронная формула атома магния: 1s²2s²2p⁶3s².

Пример 2. Составить электронную формулу атома углерода С (элемент p- семейства).

Порядковый номер 6 – 6 электронов. Период II – два энергетических уровня. Главная подгруппа IV группы – 4 валентных электрона в s- и p- состояниях внешнего энергетического уровня. Электронная формула атома С: 1s²2s²2p²

Пример 3. Составить электронную формулу титана (элемент d- семейства).

Порядковый номер 22 – двадцать два электрона. IV период – четыре энергетических уровня. Побочная подгруппа IV группы - четыре валентных электрона (два в s-состоянии наружного четвёртого энергетического уровня и два в d-состоянии третьего энергетического уровня). Электронная формула атома титана: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s².

Пример 4. Составить электронную формулу атома гадолиния (элемент f- семейства).

Порядковый номер 64 – шестьдесят четыре электрона. VI период – шесть энергетических уровней. Побочная подгруппа III группы – три валентных электрона (два в s-состоянии шестого энергетического уровня и один в d-состоянии пятого энергетического уровня). Очередной электрон, отличающий атом гадолиния от атома предыдущего элемента, заполняет 4f-орбитали: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f⁷5s²5d¹6s².

Пример 5. На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов? Почему их помещают в разных подгруппах?

Электронные конфигурации атомов: Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ ;

Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²

Валентные электроны хлора - 3s²3p⁵ , а марганца - 3d⁵4s² ; таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов – 7. На этом основании оба элемента помещают в одну и ту же седьмую группу периодической системы, но в разные подгруппы.

Пример 6. Укажите квантовые числа формирующего электрона для элемента с символом 17.

Решение. Элемент №17 (атом хлора) расположен в 3-ем периоде и VII А -подгруппе. Электронная конфигурация атома Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

_{валентные электроны}

Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим и элемент относится к группе, называемой по формирующему электрону.

Следовательно: а) внешние электроны расположены на 3-ем энергетическом слое (главное квантовое число n = 3):

б) электронная конфигурация указывает на расположение пяти электронов (в том числе и формирующего) на p-орбиталях внешнем (третьего) уровня (орбитальное квантовое число l = 1);

в) магнитное квантовое число характеризующее ориентацию орбитали в пространстве можно найти, если графически укажем валентные электроны.

Последний неспаренный электрон (формирующий электрон) находится на р-орбитали с магнитным квантовым числом m _l = +1.

в) спиновое квантовое число m_s = +1/2.

Задания для самостоятельного решения

Задача 1. Ответьте на следующие вопросы (см. таблицу):

1. запишите краткую электронную конфигурацию по порядковому номеру в периодической системе элементов, графически укажите валентные электроны в нормальном и возбужденном состояниях; определите устойчивые степени окисления в нормальном и возбужденном состояниях;

2. укажите квантовые числа формирующего электрона для элемента с символом;

3. назовите аналоги электронной структуры элемента по формирующему электрону;

Номер варианта	Вопрос
		Pt	5р^6
		Fe	4f^7
		Xe	2s^1
Номер варианта	Вопрос
		Mo	3d^5
		Pu	6р^1
		Ti	4s^2
		Am	5d^1
		Fr	2р^2
		Mn	5f^14
		Ru	4d^3
		Sc	6s^2
		Y	2р^3
		Zr	3d^2
		At	6s^1
		Th	6р^3
		Mg	3d^10
		Ва	2р^4
		U	7s^2
		Hg	5f^7
		Pb	4d^9
		Br	3р^4
		Сs	3s^1
		Ро	3d^8
		La	5d^4
		Hf	6р^1
		Ge	4d^7
		Сf	3s^2
		Rn	4d^5
		Si	2р^2
		K	4s^1

Дата добавления: 2014-11-16