Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА И СТРОЕНИЕ АТОМОВ

§ 2.8. Теоретическое обоснование периодической системы элементов Д. И. Менделеева

Порядок заполнения электронами энергетических уровней (электронных слоев) и подуровней (підшарів) теоретически обосновывает периодическую систему элементов Д. И. Менделеева. Уже из рассмотрения электронных формул элементов i И II периодов (см. § 2.7) легко прийти к выводу, что период начинается элементом, в атоме которого на внешнем уровне находится один s-электрон: в i периоде это водород, в остальных - щелочные металлы. Завершается период благородным газом: первый - гелием (1s ), остальные периодов - элементами, атомы которых на внешнем уровне имеют электронную конфигурацию ns²np⁶.

Итак, I период содержит два элемента: водород (Z = 1) и гелий (Z = 2). II период начинается с элемента лития (Z = 3) и завершается неоном (Z = 10). Во втором периоде восемь элементов. III период начинается с натрия (Z = 11), электронная конфигурация которого 1s²2s²2p⁶3s¹. С него началось заполнение третьего энергетического уровня. Завершается оно в благородного газа аргона (Z = 18), 3s- и Зр-подуровни которого полностью заполнены. Электронная формула аргона: 1s²2s²2р⁶3s²Зр⁶ . Натрий - аналог лития, аргон - неона. В III периоде, как и в II, восемь элементов.

IV период начинается с калия (Z = 19), электронное строение которого выражается формуле: 1s²2s²2р⁶ 3s²3p⁶4s¹. Его 19-й электрон занял 4s-подуровень, энергия которого ниже, чем энергия 3d-подуровня (см. рис. 2.3). Внешний 4s-электрон предоставляет элементу свойств, подобных свойствам натрия. У кальция (Z= 20) 4s-подуровень заполнен двумя электронами: 1s²2s2p⁶3s²3p⁶4s . С элемента скандия (Z= 21) начинается заполнение Сd-подуровня, поскольку энергетически он выгоднее, чем 4р-подуровень (см. рис. 2.3). Пять орбиталей 3d- подуровня могут быть заняты десятью электронами, осуществляется в атомов от скандия до цинка (Z = 30). Поэтому электронное строение Sc соответствует формуле 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s², а цинка¹ - 1s²2s²2р⁶3s²Зр⁶ 3d¹⁰4s². В атомах следующих элементов к благородного газа криптона (Z = 36) включительно происходит заполнение 4р-подуровня. В IV периоде 18 элементов.

¹ Хоть 3d-подуровень заполняется после -4s-подуровня, в формуле его ставят раньше, потому что последовательно записывают все подуровни данного уровня.

V период содержит элементы от рубидия (Z = 37) к инертного газа ксенона (Z = 54). Заполнение их энергетических уровней происходит так же, как у элементов IV периода: после Rb и Sr в десяти элементов от иттрия (Z = 39) до кадмия (Z = 48) 4 заполняетсяd-подуровень, после чего электроны занимают 5р - подуровень. В V периоде, как и в IV, 18 элементов. В атомах элементов VI периода цезия (Z = 55) и бария (Z = 56) 6 заполняетсяs-подуровень. У лантана (Z = 57) один электрон поступает на 5d-подуровень, после чего заполнение этого подуровня прекращается, а начинается заполнение 4f- подуровня, семь орбиталей которого могут занять 14 электронов. Это происходит у атомов элементов лантаноидов с Z = 58...71. Поскольку в этих элементов заполняется глубинный 4f-подуровень третьего снаружи уровня, они проявляют достаточно близкие химические свойства. Из гафния (Z = 72) возобновляется заполнение d- подуровня и заканчивается в меркурию (Z = 80), после чего электроны заполняют бр-подуровень. Заполнение уровня заканчивается у благородного газа радона (Z = 86). В VI периоде 32 элементы.

VII период - незаконченный. Заполнение электронами электронных уровней аналогичное VI периода. После заполнения 7 s- подуровня во францию (Z = 87) и радия (Z = 88) электрон актинію поступает на бd-подуровень, после которого начинает заполняться 5f-подуровень 14 электронами. Это происходит у атомов элементов актиноидов с Z = 90...103. После 103-го элемента происходит заполнение 6d-подуровня: в курчатовію (Z = 104), нільсборію (Z = 105), элементов с Z = 106 и Z = 107. Актиноїди, как и лантаноїди, имеют много подобных химических свойств.

В зависимости от того, какой уровень последним заполняется электронами, все элементы делятся на четыре типа (семьи).

1. s-Элементы; заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. К ним относятся первые два элемента каждого периода.

2. р-Элементы; заполняется электронами р-подуровень внешнего уровня. Это последние 6 элементов каждого периода (кроме i И VII).

3. d-Элементы; заполняется электронами d-подуровень второго снаружи уровня, а на внешнем уровне остается один или два электрона (в Pd - ноль). К ним относятся элементы вставных декад больших периодов, расположенных между s- и р-элементами (их также называют переходными элементами).

4. f-Элементы; заполняется электронами f-подуровень третьего снаружи уровня, а на внешнем уровне остается два электрона. Это - лантаноїди и актиноїди.

В периодической системе 14 s-элементов, 30 р-элементов, 35 (f-элементов, 28 f-элементов. Элементы одного типа обнаруживают ряд общих химических свойств.

Следовательно, периодическая система Д. И. Менделеева является естественной классификацией химических элементов по электронной структурой их атомов. Про электронную структуру атома, а значит, и о свойства элемента судят по положению элемента в соответствующих периоде и подгруппе периодической системы. Закономерностями заполнения электронных уровней объясняется различное число элементов в периодах.