Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и электронная структура атомов

В 1869 г. Д.И. Менделеевым был открыт периодический закон: "Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов".

Физический смысл периодического закона подтвердило развитие учения о строении атома. В связи с этим произошло уточнение формулировки периодического закона Д.И. Менделеева: "Свойства элементов, а также их соединений находятся в периодической зависимости от величин заряда ядер атомов элементов".

Периодическая система (ПС) - графическое отображение этого закона, таблица, в которой расположены все известные химические элементы.

Наиболее общепринятыми являются короткая (с. 17) и длиннопериодная формы периодической системы.

В периодической системе элементы расположены в порядке возрастания зарядов ядер их атомов. Порядковый номер элемента равен

заряду ядра атома и, соответственно, общему количеству электронов этого атома.

Периодическая система (с.17) элементов состоит из периодов, групп и подгрупп.

Горизонтальные ряды химических элементов в таблице Д.И. Менделеева, в пределах которых последовательно изменяются их химические свойства, называются периодами. Периодическая система содержит 7 периодов.

Первые три периода называются малыми. В первом периоде только два элемента: водород Н и гелий Не. Второй и третий- содержат по восемь элементов. Второй период - это элементы от № 3 (литий Li - щелочной металл) до № 10 (неон Ne - инертный газ). Третий период - это элементы от № 11 (натрий Na - щелочной металл) до № 18 (аргон Ar - инертный газ).

Начиная с четвертого, периоды называются большими. В четвертом и пятом периодах находятся по 18 элементов. Для этих периодов характерно то, что более или менее полное повторение свойств наблюдаются через 18, а не через 8 элементов. Шестой период - это 32 элемента от щелочного металла - цезия (Cs - № 55) до инертного газа - радона (Rn - № 86), 14 элементов в этом периоде, следующие за лантаном (La - № 57), очень сходны по своим свойствам, они называются лантаноидами. Поскольку различие в химических свойствах этих элементов очень мало, они вынесены из таблицы в отдельную строку. Седьмой период незакончен.

Вертикальные ряды в таблице называются группами. В периодической системе - 8 групп, что соответствует максимальному числу электронов во внешних оболочках. Каждая группа делится на главную и побочную подгруппы. Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами и сходными химическими свойствами.

Главные подгруппы (подгруппы А)составляют элементы малых и больших периодов.

Побочные подгруппы (подгруппы В) - элементы только больших периодов. К побочным подгруппам принадлежат d – и f – элементы.

Периодический закон и периодическая система оказали большое влияние на дальнейшее развитие химии и смежных с ней естественных наук. Руководствуясь периодическим законом, Д.И. Менделеев предсказал несколько новых элементов, с большой точностью обосновал их свойства и указал те места, которые должны занять эти элементы в периодической системе уже известных элементов. Последующее открытие существующих в природе элементов скандия Sc, галлия Ga и германия Ge подтвердило предвидение Д.И. Менделеева. Намного позже в природе были обнаружены элементы полоний Po и рений Re и искусственно получен радиоактивный элемент технеций Tc, также предсказанные Д.И. Менделеевым.

Распределение электронов по уровням и подуровням атома подчиняется рассмотренным выше принципам и правилам распределения электронов многоэлектронных атомов.

Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атома.

Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Минимальное значение энергии для единственного электрона водорода соответствует энергетическому уровню (n = 1), т.е. состоянию 1 s. У гелия два электрона, которые занимают положение 1 s². Водород и гелий относятся к s – элементам.

Начиная с лития, формируется второй период (n = 2). Период завершается неоном, у которого заполнены 2 s - и 2 р - подуровни:

₃Li 1s² 2s¹ ₁₀Ne 1s²2s²2p⁶.

У первых двух элементов Li и Be формируется 2 s – подуровень, поэтому они относятся к s – элементам. Остальные шесть элементов периода входят в число р – элементов.

От натрия до аргона комплектуется третий период:

₁₁Na 1s²2s² 2р⁶ 3s¹ ₁₈Ar 1s²2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.

Хотя после заполнения 3 s - и З р - подуровней в третьем энергетическом уровне остается свободным весь 3 d - подуровень, его заполнение не происходит, он останется пока свободным, т.к. в соответствие с правилом Клечковского подуровень 4 s характеризуется более низкой энергией, чем подуровень 3 d.

Следующие за аргоном калий K и кальций Ca открывают четвертый период. У них начинает заполняться четвертый энергетический уровень, и только со скандия возобновляется достройка третьего уровня (формирование 3 d - подуровня). Заполнение 3 d – подуровня в декаде Sc - Zn осуществляется не вполне регулярно: у атома хрома Cr и меди Cu происходит «проскок» внешнего s – электрона на предшествующую d –орбиталь. «Проскок» электрона в атоме хрома приводит к заполнению d –подуровня наполовину (конфигурация d⁵), а у меди – к его полному комплектованию (конфигурация d¹⁰). Аналогичные неравномерности в застройке d -, а затем и в f –подуровнях наблюдаются и в следующих периодах. После цинка, вплоть до криптона, продолжается заполнение четвертого энергетического уровня (4 р - подуровень). Таким образом, четвертый (большой) период содержит 18 элементов:

₁₉К 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶4s¹

…………………

₂₁Sc 1s² 2s² 2p⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹

.……………….

₂₄Cr 1s² 2s² 2p⁶ 3s ² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵

₂₅Mn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵

…………………

₂₉ Cu 1s² 2s² 2p⁶ 3s² Зр⁶ 4s¹ 3d¹⁰

₃₀Zn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰

………………….

₃₃As 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p³

…………………

₃₆Кr 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶

Заполнение энергетических подуровней у элементов пятого периода аналогично заполнению их у элементов четвертого периода: вслед за рубидием и стронцием на протяжении декады Y - Cd с несколькими «проскоками» (Nb, Mo, Тс, Ru, Rh, Ag, Pd) комплектуется 4 d - подуровень. Энергетические подуровни 5 s и 4d очень близки, и часто один электрон с 5 s – подуровня переходит на 4d – подуровень. Поэтому у элементов Nb, Mo, Тс, Ru, Rh, Ag на 5 s – подуровне находится только один электрон (5 s ¹). У палладия Pd в невозбужденном состоянии 5 s – подуровень вообще не заполнен (это единственный элемент ПС, не имеющий s - электронов на внешнем уровне - 5 s ^о). Затем последовательность нарушается, и электроны поступают на р - подуровень пятого уровня, хотя свободны все 4 f- о рбитали.

Шестой период. Дальнейшая застройка сопровождается уже двумя нарушениями последовательности в пределах одного периода. Цезий Cs и барий Ba имеют заполненный 6 s – подуровень. У лантана La, расположенного непосредственно после бария, появляется 5 d - электрон, так что его электронная структура соответствует формуле:

₅₇La 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 5d¹.

У следующего за лантаном элемента - церия Се начинается застройка 4 f - подуровня:

₅₈Се 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f ²

и заканчивается у лютеция Lu:

₇₁Lu 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶6s² 4f ¹⁴ 5d¹.

Изменение числа электронов на третьем снаружи 4 f - подуровне слабо отражается на химических свойствах элементов. Поэтому все f – элементы очень похожи друг на друга. Все лантаноиды проявляют валентное состояние 3, которое для них наиболее характерно. Наиболее устойчиво это валентное состояние у лантана, гадолиния и лютеция.

После лютеция от гафния Hf до ртути Hg заканчивается застройка 5 d -подуровня, а начиная от таллия Tl и кончая радоном Rn, продолжается застройка шестого уровня (6 р - подуровень). Шестой период содержит 32 элемента.

Седьмой период аналогичен шестому, но он не завершен. 7-й период содержит четырнадцать элементов с заполняющимся 5 f –подуровнем, образующих семейство актиноидов. По химическим свойствам актиноиды похожи как друг на друга, так и на лантаноиды, что объясняется в большинстве случаев строением трех наружных уровней.

Все рассмотренные примеры показывают, что с ростом заряда ядра периодически повторяются сходные электронные структуры и, следовательно, свойства элементов. При рассмотрении электронных структур атомов элементов становится очевидной связь расположения атомов в периодической системе с их строением.

Таким образом, можно отметить следующие закономерности:

1. Все элементы располагаются в порядке возрастания порядкового номера, т.е. в порядке увеличения числа протонов в ядре. Периодическая повторяемость внутриядерных структур, составленных из протонов и нейтронов, отражается на периодически повторяющихся электронных структурах.

2. Начало периода совпадает с началом нового энергетического уровня. Период представляет собой последовательный ряд элементов. Электронная конфигурация элементов в периодах изменяется от ns ¹ до ns ² np ⁶ (или до ns ² у первого периода). Периоды начинаются с s – элемента и заканчиваются р – элементом (у первого периода - s - элементом). Каждый период завершается инертным газом, у которых (кроме Не) внешний уровень состоит из восьми электронов.

Элементы с особо ярко выраженным сходством следуют один за другим сначала через 8, затем через 18 и через 32 порядковых номера. Поэтому различают малые и большие периоды. Длина периода определяется числом подуровней, заполняющихся при формировании периода: 1-й период – s- подуровень – 2 элемента; 2 - ой и 3 - й периоды - s – и p – подуровни – 8 элементов; 4 - й и 5 - й периоды - s -, p – и d – подуровни - 18 элементов; 6-й и (7-й) периоды - s -, p -, d - и f – подуровни – 32 элемента.

3. В подгруппы каждой группы объединены элементы, сходные по строению внешнего энергетического уровня их атомов.