Периодический закон и электронное строение атомов элементов

Основой современной формулировки периодического закона Д.И. Менделеева является представление о величине заряда ядра как определяющем свойстве атома.

Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими соединений, находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Эта формулировка объяснила кажущееся нарушение принципа расстановки элементов в периодической системе в порядке возрастания атомных масс четырёх пар элементов: Ar – K, Co – Ni, Te – J и Th – Pa. Они выявили истинную причину периодического повторения свойств элементов – периодическое повторение строения электронных оболочек атомов. Остановимся на этом вопросе, имея ориентиром написанный выше энергетический ряд атомных орбиталей (с. 21).

Наиболее простая электронная формула у атома водорода: 1s¹; за ним идет гелий: 1s². На этом завершён первый слой и соответственно первый период. Напомним, что запись 1s² эквивалентна записи К.

Второй период открывается щелочным металлом Li K2s¹; 2s-оболочка заполняется у бериллия: Be K2s². У последующих шести элементов в атомах идет заполнение 2р-оболочки: B K2s²2р¹; C K2s²2р²; N K2s²2р³; O K2s²2р⁴; F K2s²2р⁵ и Ne K2s²2р⁶ или KL. Второй период, как и первый, завершается благородным газом.

Сходным образом идёт заполнение электронных оболочек атомов элементов третьего периода: Na KL3s¹; Mg KL3s²; Al KL3s²3р¹; Si KL3s²3р²; P KL3s²3р³; S KL3s²3р⁴; Cl KL3s²3р⁵; Ar KL3s²3р⁶. Третий период (как и второй) начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом.

В четвёртом периоде после заполнения 4s-оболочки (K KL3s²3р⁶4s¹; Ca KL3s²3р⁶4s²) в соответствии с энергетическим рядом атомных орбиталей заполняется 3d-оболочка. Поскольку её ёмкость десять электронов, то атомов с заполняющейся 3d-оболочкой будет десять. При написании электронных формул атомов этих элементов следует иметь в виду следующее. Состояния 3d и 4s близки по энергии, и добавление электронов в 3d-оболочку может вызвать перемену взаимного расположения этих подуровней. Поэтому концовку электронных формул этих атомов можно записать 4s²3dⁿ или 3dⁿ4s². Поскольку при образовании из этих атомов катионов первыми “уходят” 4s-электроны, вторую запись следует признать предпочтительной. Это же обстоятельство следует иметь в виду и при написании электронных формул последующих d- и f-элементов. 3d-оболочка полностью заполняется у цинка: Zn KL3s²3р⁶3d¹⁰4s² или KLM 4s². Затем идёт заполнение 4р-оболочки: Ga KLM4s²4р¹; Ge KLM4s²4р²; As KLM4s²4р³; Se KLM4s²4р⁴; Br KLM4s²4р⁵; Kr KLM4s²4р⁶.

Полностью или наполовину заполненная электронная оболочка обладает повышенной стабильностью. Эта закономерность объясняет наличие электронных “провалов” у атомов хрома и меди: Cr KL3s²3р⁶3d⁵4s¹ вместо … 3d⁴4s²; Cu KL3s²3р⁶3d¹⁰4s¹ вместо … 3d⁹4s².

Сходным образом идёт заполнение электронных оболочек атомов элементов пятого периода: после заполнения 5s-оболочки (Sr) идет вставка из 10 d-элементов (заканчивается Cd), а затем заполняется 5р-оболочка (In – Xe). Пятый период завершается благородным газом. По причинам, обозначенным выше, у молибдена и серебра отмечается электронный “провал”.

В шестом периоде после заполнения 6s-оболочки (Ва) перед элементами, у атомов которых формируется 5d-оболочка, появляется вставка из 14 элементов, в электронных оболочках которых идёт преимущественное заполнение 4f-оболочки. Обычно эти элементы выносят вниз периодической таблицы отдельной строкой, это лантаноиды. Правда у родоначальника этого семейства последний электрон оказывается на 5d-оболочке, в результате электронная “макушка” этого атома оказывается: La …5d¹6s². Но уже у следующего за лантаном церия этот электрон, как и последний, оказывается на 4f-подуровне. У тринадцатого лантаноида, иттербия, полностью заполняется 4f-оболочка, его электронная конфигурация: Yb KLM4s²4р⁶4d¹⁰4f¹⁴5s²5р⁶6s² или KLMN5s²5p⁶6s². Естественно у последнего из лантаноидов – лютеция опять появляется электрон на 5d-подуровне, как было у лантана: Lu KLMN5s²5p⁶5d¹6s². Вслед за 4f-оболочкой строится 5d-оболочка (Hf – Hg), а затем – 6p-оболочка (Tℓ – Rn). Шестой период завершается благородным газом (Rn).

В седьмом периоде, являющимся незавершённым, заполняется 7s-оболочка (Fr, Ra); у актиния очередной электрон, как у лантана, оказывается в 6d-оболочке. Последующие 14 элементов, у атомов которых идёт заполнение 5f-оболочки, также как и лантаноиды, выносятся из таблицы и располагаются под лантаноидами. Это актиноиды. Полностью заполненной 5f-оболочка оказывается у нобелия. Изотопы всех последующих элементов, у атомов которых заполняется 6d-оболочка, получены в настоящее время, названия соответствующим элементам даны пока только до 110-го номера. Есть предварительная информация о получении изотопов под номерами 114 и 116. В атомах этих элементов заполняется уже 7p-оболочка.

По сходности строения электронных слоёв и оболочек атомов все элементы периодической системы подразделяют на четыре семейства: s-, p-, d- и f-элементы. В свете учения о строении атома становится понятным расположение всех элементов в семи периодах. Номер периода соответствует числу энергетических слоёв, а порядок распределения электронов по энергетическим слоям позволяет объяснить падение металлических свойств и усиление неметаллических свойств по периоду. Легко объяснимо и то, почему изменение химических свойств элементов больших периодов (4, 5 и 6) от типичных металлов до неметаллов происходит значительно медленнее, чем в малых. Это обусловлено тем, что в чётных рядах больших периодов по мере увеличения положительного заряда ядра количество электронов во внешнем слое остаётся постоянным (два или реже один). Именно этим, в первую очередь, определяются металлические свойства переходных металлов – так называют d- и f- элементы.

В чётных рядах больших периодов, где заполнение предпоследнего электронного слоя уже закончено, происходит достройка внешнего слоя до восьми электронов; по мере увеличения заряда ядра и числа электронов в наружном слое металлические свойства переходят в неметаллические, как и в малых периодах.

На различии в заполнении электронных энергетических уровней основано деление групп на подгруппы. У элементов главных подгрупп заполняются s- или p-оболочки внешних слоёв. У элементов побочных подгрупп заполняются более глубоко расположенные d- или f-оболочки. В результате в каждой подгруппе объединены элементы, атомы которых имеют сходное строение внешнего электронного слоя. При этом атомы элементов главных подгрупп содержат на внешних оболочках число электронов, равное номеру группы. Атомы элементов побочных подгрупп содержат на внешнем слое один или два электрона. Эти различия в электронном строении обусловливают и различия в свойствах элементов разных подгрупп одной группы.

Электронные формулы катионов легко получить, принимая во внимание тот факт, что наиболее легко отрываемыми являются самые внешние электроны, т. е. электроны последнего слоя, например:

атом Fe KL3s²3р⁶3d⁶4s²,

ион Fe²⁺ KL3s²3р⁶3d⁶,

ион Fe³⁺ KL3s²3р⁶3d⁵,

атом Pb KLMN5s²5р⁶5d¹⁰6s²6p²,

ион Pb²⁺ KLMN5s²5р⁶5d¹⁰6s².

При образовании анионов, наоборот, электроны “садятся” в последний слой, например:

атом S KL3s²3р⁴,

ион S^2– KL3s²3р⁶;

атом Br KLM4s²4р⁵,

ион Br^– KLM4s²4р⁶.

Дата добавления: 2014-01-04