Периодическая система элементов Менделеева

Принцип Паули

Одним из важнейших законов квантовой физики является принцип Паули (1925 г.): в одном и том же атоме (или другой квантовой системе) не может быть двух электронов (либо других частиц со спином ), обладающих одинаковой совокупностью квантовых чисел (в одном и том же состоянии не могут находиться одновременно два электрона).

Состояние электронов в атоме однозначно определяется набором четырех квантовых чисел:

главного n (n = 1, 2, 3,…),

орбитального l (l = 0, 1, 2, …, n – 1),

магнитного m (m = 0, ± 1, ±2, …, ± l),

магнитного спинового ().

Таким образом, принцип Паули утверждает, что два электрона, находящихся в атоме, различаются значениями, по крайней мере, одного квантового числа.

Каждому n соответствует состояний, отличающихся значениями l и m. Квантовое число может принимать лишь два значения . Поэтому в состоянии с данным n может находиться не более электронов.

Совокупность электронов, имеющих одно и то же значение n, образует электронный слой (оболочку). В каждой из оболочек электроны распределяются по подоболочкам, соответствующим данному l. Так как l принимает значения от 0 до n – 1, число подоболочек равно n. Количество электронов в подоболочке определяется магнитным и магнитным спиновым квантовыми числами: максимальное число электронов в подоболочке с данным l равно 2 (2 l + 1). В соответствии со значением n оболочки обозначают большими буквами латинского алфавита.

n

Символ оболочки

K

L

M

N

O

Максимальное число электронов в оболочке

l

Символ подоболочки

1 s

2 s

2 p

3 s

3 p

3 d

4 s

4 p

4 d

4 f

5 s

5 p

5 d

5 f

5 g

Максимальное число электронов в подоболочке

Принцип Паули дает объяснение периодической повторяемости свойств атомов. В 1869 г. Д.И. Менделеев расположил известные в то время 63 химических элемента в порядке возрастания атомных масс и обнаружил периодичность в изменении их химических свойств. Некоторые клетки таблицы оказались незаполненными, так как соответствующие им элементы тогда еще не были открыты. Менделеев, таким образом, не только правильно расположил известные элементы, но и предсказал существование новых.

Положение элемента в периодической системе определяется количеством электронов и их распределением по квантовым состояниям. Переход к последующему атому сопровождается добавлением к его электронной конфигурации одного электрона, который занимает согласно принципу Паули состояние с наименьшей энергией.

Энергия отдельного электрона в атоме зависит от квантовых чисел n и l. Если бы электроны не взаимодействовали между собой, то электронные слои заполнялись бы последовательно, начиная с K, а подоболочки, начиная с s. При этом идеализированная таблица состояла бы из периодов, содержащих соответственно 2, 8, 18, 32, 50 электронов. В действительности же периоды содержат 2, 8, 8, 18, 18, 32 элементов, не считая элементов 7-го периода. Отступление от идеализированной системы объясняется взаимодействием электронов, которое тем существеннее, чем больше их число. Расхождения с идеализированной системой начинаются с K (Z = 19): 19-ый электрон этого атома попадает не на оболочку 3 d, а на 4 s. В этом случае полная внутренняя энергия атома K оказывается минимальной. Таблица элементов Менделеева состоит из 6 завершенных и 7-го незавершенного периода. Каждая из 8-ми групп таблицы образована двумя подгруппами элементов. Наличие подгрупп обязано своим происхождением тем элементам 4-го и 7-го периодов, у которых происходит соответственно заполнение 3 d и 6 d оболочек.

Следует отметить существенные различия физико-химических свойств у элементов разных подгрупп, но одной и той же группу. Примером могут служить железо Fe (Z = 26) и аргон Ar (Z = 18) относящиеся к 8-ой группе.

Особые группы образуют 14 элементов следующих за лантаном La (Z =57) и 14 элементов следующих за актинием Ac (Z = 89). Первые из них называют лантаноидами, а вторые – актиноидами. У лантаноидов происходит заполнение электронами 4 f -оболочки, а у актиноидов – 5 f -оболочки. Для названных элементов эти оболочки являются внутренними, и число содержащихся на них электронов никак не отражается на химических свойствах этих элементов. Таким образом, чтобы в основной части таблицы не нарушалась периодичность в повторяемости химических свойств элементов, лантаноиды и актиноиды выписываются отдельно.

Дата добавления: 2014-01-13