Периодическая система Д. И. Менделеева и электронная структура атомов. В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. Наглядным выражением закона служит периодическая система Д. И. Менделеева.
Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атомов. У каждого последующего элемента периодической системы на один электрон больше, чем у предыдущего. Полные записи электронных конфигураций первых двух периодов приведены в табл. 1.1.
Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Атомом гелия заканчивается формирование К-оболочки атома, обозначим ее [He]. Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим, и элемент относится к группе, называемой по формирующему электрону. В данном случае оба элемента имеют формирующие s-электроны и соответственно называются s-элементами.
|
|
Таблица 1.1. Электронные конфигурации элементов первых двух периодов
Атомный номер | Элемент | Электронная конфигурация |
| Атомный номер | Элемент | Электронная конфигурация |
1 | Водород | 1s1 | 6 | Углерод | 1s22s22p2 | |
2 | Гелий | 1s2 | 7 | Азот | 1s22s22p3 | |
3 | Литий | 1s22s1 | 8 | Кислород | 1s22s22p4 | |
4 | Бериллий | 1s22s2 | 9 | Фтор | 1s22s22p5 | |
5 | Бор | 1s22s22p1 | 10 | Неон | 1s22s22p6 |
У элементов второго периода формируется L-оболочка, заполняются s- и p-подоболочки. Формирующими электронами у первых двух элементов являются s-электроны, поэтому Li и Be относятся к s-элементам. Остальные шесть элементов периода входят в число р-элементов, так как формирование их орбиталей заканчивается р-электроном. У элемента Ne полностью заполнена подоболочка, обозначим его электронную конфигурацию как [Ne]. В табл. 1.2 даны в краткой записи электронные конфигурации элементов в основном состоянии. При этом не приводится полная запись электронной конфигурации полностью заполненных подоболочек предыдущих периодов.
Таблица 1.2. Электронные конфигурации элементов
Период | Порядковый номер | Элемент | Электронная кофигурация |
| Период | Порядковый номер | Элемент | Электронная конфигурация |
1 | 1 | H | 1s1 | 56 | Ba | 6s2 | ||
2 | He | 1s2 | 57 | La | 5d16s2 | |||
3 | Li | [He]2s1 | 58 | Ce | 4f26s2 | |||
4 | Be | 2s2 | 59 | Pr | 4f36s2 | |||
5 | B | 2s22p1 | 60 | Nd | 4f46s2 | |||
2 | 6 | C | 2s22p2 | 61 | Pm | 4f56s2 | ||
7 | N | 2s22p3 | 62 | Sm | 4f66s2 | |||
8 | O | 2s22p4 | 63 | Eu | 4f76s2 | |||
9 | F | 2s22p5 | 64 | Gd | 4f75d16s2 | |||
10 | Ne | 2s22p6 | 65 | Tb | 4f96s2 | |||
11 | Na | [Ne]3s1 | 66 | Dy | 4f106s2 | |||
12 | Mg | 3s2 | 67 | Ho | 4f116s2 | |||
13 | Al | 3s23p1 | 68 | Er | 4f126s2 | |||
3 | 14 | Si | 3s23p2 | 69 | Tm | 4f136s2 | ||
15 | P | 3s23p3 | 70 | Yb | 4f146s2 | |||
16 | S | 3s23p4 | 6 | 71 | Lu | 4f145d16s2 | ||
17 | Cl | 3s23p5 | 72 | Hf | 5d26s2 | |||
18 | Ar | 3s23p6 | 73 | Ta | 5d36s2 | |||
19 | K | [Ar]4s1 | 74 | W | 5d46s2 | |||
20 | Ca | 4s2 | 75 | Re | 5d56s2 | |||
21 | Sc | 3d14s2 | 76 | Os | 5d66s2 | |||
22 | Ti | 3d24s2 | 77 | Ir | 5d76s2 | |||
23 | V | 3d34s2 | 78 | Pt | 5d96s1 | |||
24 | Cr | 3d54s1 | 79 | Au | 5d106s1 | |||
25 | Mn | 3d54s2 | 80 | Hg | 5d106s2 | |||
26 | Fe | 3d64s2 | 81 | Tl | 5d106s26p1 | |||
4 | 27 | Co | 3d74s2 | 82 | Pb | 5d106s26p2 | ||
28 | Ni | 3d84s2 | 83 | Bi | 5d106s26p3 | |||
29 | Cu | 3d104s1 | 84 | Po | 5d106s26p4 | |||
30 | Zn | 3d104s2 | 85 | At | 5d106s26p5 | |||
31 | Ga | 3d104s24p1 | 86 | Rn | 5d106s26p6 | |||
32 | Ge | 3d104s24p2 | 87 | Fr | [Rn]7s1 | |||
33 | As | 3d104s24p3 | 88 | Ra | 7s2 | |||
34 | Se | 3d104s24p4 | 89 | Ac | 6d17s2 | |||
35 | Br | 3d104s24p5 | 90 | Th | 6d27s2 | |||
36 | Kr | 3d104s24p6 | 91 | Pa | 5f27d17s2 | |||
37 | Rb | [Kr]5s1 | 92 | U | 5f37d17s2 | |||
38 | Sr | 5s2 | 93 | Np | 5f47d17s2 | |||
39 | Y | 4d15s2 | 94 | Pu | 5f67s2 | |||
40 | Zr | 4d25s2 | 95 | Am | 5f77s2 | |||
41 | Nb | 4d45s1 | 96 | Cm | 5f77d17s2 | |||
42 | Mo | 4d55s1 | 97 | Bk | 5f87d17s2 | |||
43 | Tc | 4d55s2 | 7 | 98 | Cf | 5f107s2 | ||
44 | Ru | 4d75s1 | 99 | Es | 5f117s2 | |||
5 | 45 | Rh | 4d85s1 | 100 | Fm | 5f127s2 | ||
46 | Pd | 4d105s0 | 101 | Md | 5f137s2 | |||
47 | Ag | 4d105s1 | 102 | (No) | 5f147s2 | |||
48 | Cd | 4d105s2 | 103 | (Lr) | 5f146d17s2 | |||
49 | In | 4d105s25p1 | 104 | Ku | 6d27s2 | |||
50 | Sn | 4d105s25p2 | 105 | - | 6d37s2 | |||
51 | Sb | 4d105s25p3 | 106 | - | 6d47s2 | |||
52 | Te | 4d105s25p4 | 107 | - | 6d57s2 | |||
53 | I | 4d105s25p5 | 108 | - | 6d67s2 | |||
54 | Xe | 4d105s25p6 | 109 | - | 6d77s2 | |||
55 | Cs | [Xe]6s1 |
Третий период начинается с натрия, электронная конфигурация которого 1s22s22p63s1 и заканчивается аргоном с электронной конфигурацией 1s22s22p63s13р6 [Ar]. Хотя в третьм уровне (оболочка М) имеется подоболочка 3d, которая остается незаполненной, в четвертом периоде начинает формироваться следующая оболочка N (n = 4) и период начинается с s-элемента калия, [Ar]4s1. Это обусловлено тем, что энергия подуровня 4s несколько ниже, чем энергия подуровня 3d (см. рис. 1.3).
|
|
В соответствии с правилом Клечковского n+1 у 4s (4) ниже, чем n+1 у 3d (5). После заполнения 4s-подоболочки заполняется 3d-подоболочка. Элементы, начиная со Sc [Ar]3d14s2 до Zn [Ar]3d104s2, имеющие формирующие d-электроны, относятся к d-элементам. Как видно из табл. 1.2, у хрома на 4s-подоболочек остается один электрон, а на 3d-подоболочке вместо четырех оказывается пять d-электронов. Такое явление получило название «провала» электрона c s- на d-подоболочку. Это обусловлено более низкой энергией кофигурации 3d54s2. «Провал» электронов наблюдается и других атомов, например, у атомов Cu, Nb, Mo, Pt, Pd (табл. 1.2).
Четвертый период завершается формированием подоболочки 4р у криптона [Ar]3d104s24p6 или [Kr]. Всего в четвертом периоде 18 элементов.
Пятый период аналогичен четвертому периоду. Он начинается с s-элемента рубидия [Kr]5s1 и заканчивается р-элементом ксеноном [Kr]4d105s25p6 или [Xe] и включает в себя десять 4d-элементов от иттрия до кадмия. Всего в пятом периоде 18 элементов.
В шестом периоде, как и в пятом, после заполнения s-подоболочки начинается формирование d-подоболочки предвнешнего уровня у лантана. Однако у следующего элемента энергетически выгоднее формирование 4f-подоболочки по сравнению с 5d-подоболочкой. Поэтому после лантана следует 14 лантаноидов с формирующими f-электронами, т.е. f –элементов от церия Се [Xe]4f25d06s2 до лутеция Lu [Xe]4f145d16s2. Затем продолжается заполнениеоставшихся орбиталей в 5d-подоболочке и 6р-подоболочке. Период завершает радон [Xe]4f145d106s26p6 или [Rn]. Таким образом, период имеет 32 элемента: два s-элемента, шесть р-элементов, десять d-элементов и четырнадцать f-элементов.
Седьмой период начинается и продолжается аналогично шестому периоду, однако формирование его не завершено. Он также имеет вставную декаду из d-элементов и четырнадцать 5f-элементов (актиноидов). Элементы, начиная со 105 номера, пока не имеют официального названия.
|
|
Структура периодической системы. Периодическая структура элементов состоит из периодов, групп и подгрупп. Периодом называется последовательный ряд элементов, размещенных в порядке возрастания заряда ядра атомов, электронная конфигурация которых изменяется от ns1 до ns2np6 (или до ns2 у первого периода). Периоды начинаются с s-элемента и заканчиваются р-элементом (у первого периода s-элементом). Малые периоды содержат 2 и 8 элементов, большие периоды 18 и 32 элемента, седьмой период остается незавершенным.
В системе имеется восемь групп, что соответствует максимальному числу электронов во внешних подоболочках. Группы делятся на главные (основные) и побочные подгруппы. Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами (элементы – аналоги). К главным подгруппам (подгруппам А) относятся подгруппы элементов второго периода: Li, Be, B, C, N, O, F и подгруппа благородных газов. К побочным подгруппам (подгруппам В) принадлежат d- и f-элементы. Первые шесть d-элементов (от Sc до Fe) начинают соответствующие подгруппы от подгруппы III (Sc) до подгруппы VIII (Fe). В подгруппу VIII также включаются все элементы семейства железа (Fe, Co, Ni) и их аналоги – платиновые металлы. Медь и ее аналоги, имеющие во внешней s-подоболочке по одному электрону, образуют первую побочную подгруппу, а цинк и его аналоги – вторую побочную подгруппу. Лантаноиды и актиноиды (f-элементы) находятся в III подгруппе в соответствии с особенностями их электронных конфигураций.