Періодична система елементів Менделєєва (1869 р.)

Хімічні й фізичні властивості елементів пояснюються схожістю забудови електронних оболонок їх атомів, що здійснюється за двома принципами (таб. 2.2):

1) принцип Паулі;

2) принцип мінімальної енергії електрона.

Таблиця 2.2

Найважливіше при побудові періодичної системи − зарядове число (порядок зростання ).

Кожен період починається із забудови наступної електронної оболонки. У деяких випадках буває недобудованою зовнішня оболонка, оскільки електрони в атомі розташовані таким чином, що вся система повинна мати мінімальну кількість енергії (як і будь-яка система). Виконується принцип Паулі: в атомі жодні два електрони не можуть мати всі співпадаючі квантові числа.

Про те, що система прямує до мінімальної енергії, говорить той факт, що в періодичній системі є два типи елементів: лантаноїди та актиноїди (в лантаноїдах добудовується 4 шар; щодо актиноїдів, має 32 електрони в четвертому шарі).

Розглянемо послідовність заповнення електронами станів в атомах деяких хімічних елементів, які перебувають в основному стані.

Z = 1. Атом водню. В атомі водню єдиний електрон перебуває у стані 1 s, який характеризується квантовими числами n = 1, l = 0, m = 0, .

Z = 2. Атом гелію. В атомі гелію існує два електрони. Другий електрон цього атома також може перебувати у стані 1 s, тобто n = 1, l = 0, m = 0, але спін другого електрона має бути орієнтований протилежно спіну першого: для одного з них , а для другого – . Так цілком заповнюється K - оболонка, що відповідає завершенню першого періоду системи Менделєєва.

Z = 3. Атом літію. Атом літію має три електрони. Однак за принципом Паулі третій електрон атома літію не може розміститися на K - оболонці і займає найнижчий енергетичний стан на L - оболонці. Таким станом є стан 2 s: n = 2, l = 0, m = 0. Літій розпочинає другий період періодичної системи.

Z = 4 – 10. Четвертий електрон берилію (Z = 4) перебуває також у стані 2 s, а п'ятий електрон бору (Z = 5) має набути високого енергетичного стану 2 р, тобто n = 2, l = 1. До неону (Z = 10) електрони всіх атомів розміщуються в підоболонці з l = 1 і n = 2. У неону максимально можлива кількість таких електронів у цьому стані дорівнює 6. Таким чином, L - оболонку неону цілком заповнено, і на цьому завершується другий період періодичної системи Менделєєва.

Z = 11. Атом натрію. Одинадцятий електрон натрію розміщується вже в М - оболонці і набуває найнижчого стану 3 s. Далі послідовно заповнюється M - оболонка, і в аргону (Z = 18) закінчується заповнення всіх станів підоболонки З р. На цьому завершується третій період періодичної системи.

Z = 19. Атом калію. Дев'ятнадцятий електрон калію мав би перебувати у стані 3d в M - оболонці. Однак хімічні та оптичні властивості калію, як показує дослід, аналогічні властивостям літію і натрію, валентний електрон яких перебуває в s -стані. Отже, починаючи з калію, коли ще не заповнено 3 d підоболонку М - оболонки, уже заповнюється N - оболонка. Це означає, що енергія електрона у стані 4 s менша, ніж у стані 3 d. Спектроскопічні та хімічні властивості кальцію (Z = 20) показують, що його двадцятий електрон також перебуває у стані 4 s N - оболонки. Починаючи зі скандію (Z = 21), поновлюється нормальне заповнення підоболонки 3 d, яке закінчується у міді (Z = 29). Далі, до криптону (Z = 36) відбувається нормальне заповнення N - оболонки. Криптон завершує четвертий період періодичної системи елементів.

Далі аналогічно починає заповнюватися стан 5 s О - оболонки, коли не заповнено N - оболонку. Починаючи з ітрію (Z = 39) і до паладію (Z = 46), заповнюється підоболонка 4 d.

Описані закономірності щодо послідовності заповнення електронних підоболонок і оболонок в атомах хімічних елементів повторюються далі в кожному періоді.

Отже, періодичність хімічних властивостей елементів пояснюється повторюваністю електронних конфігурацій у зовнішніх електронних підоболонках в атомах сімей елементів.

Теоретичне пояснення періодичного закону Менделєєва – це найвидатніше досягнення квантової фізики.

Поиск по сайту: