Система элементов Д.И. Менделеева

Электронное строение атомов и периодическая

Глава 3. Периодическая система и изменение свойств элементов.

Построение периодической системы и ее формы. Периодическая система элементов была установлена в 1869 г. Д.И. Менделеевым на основе химического опыта задолго до разработки электронной теории атома. Он установил закономерность, состоящую в том, что свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от их атомных масс.

В отличии от предшественников и современников (И. Деберейнер –1829 г., Дж. Ньюленус – 1865 г., Л. Мейер – 1869 г. и др.) Д.И. Менделеев руководствовался при построении Периодической системы не одним признаком (например, атомной массой), а их совокупностью: он изменил порядок ряда элементов, основываясь на их химических свойствах. Такой разносторонний подход позволил ему предсказать существование еще не открытых элементов, и эти предсказания очень скоро были подтверждены. Эта предсказательная сила Периодической системы и привела к всемирному признанию авторства Д.И. Менделеева.

Современный периодический закон отличается от установленного Д.И. Менделеевым лишь тем, что свойства элементов и их соединений ставятся в зависимости от заряда ядра, а не от атомной массы.

Периодическая система в современном понимании является отражением электронного строения атомов. В ней период соответствует постепенному заполнению электронами электронного уровня, характеризуемого главным квантовым числом n (равным номеру периода). Периоды состоят из семейств s-, р-, d-, f-элементов. Периоды располагают в параллельных строках так, чтобы элементы с одинаковым строением (одинаковые l и число электронов внешних подуровней n_вэ) располагались друг под другом, образуя группы и подгруппы (одинаковые n_вэ и l). Таким образом, в периодах при увеличении номера элемента Z происходит заполнение электронами подоболочек (подуровней) s, p, d, f, а в подгруппах элементы имеют одинаковое электронное строение внешнего уровня и, следовательно, похожие физические и химические свойства. Периодичность изменения свойств состоит в их постепенном изменении в периодах и рядах, резком изменении при переходе к новому периоду и повторению в нем свойств элементов предшествующего периода. Форм периодической системы предложено очень много (порядка 500), однако основными являются две:

1. Короткопериодный вариант (8-клеточный), совпадающий в основных чертах с таблицей, предложенной Д.И. Менделеевым (см. переднюю обложку пособия). В этой таблице элементы с одинаковым n_вэ расположены в группе: при этом разные типы элементов s, p и d образуют разные подгруппы, f-элементы вынесены в виде двух 14-элементных рядов и считаются принадлежащими одной клетке таблицы каждый: лантан и лантаноиды (III группа, 6-й период) и актиний и актиноиды (III группа, 7-й период). Эта форма весьма популярна из - за своей компактности. Основной ее недостаток состоит в том, что в одной группе оказываются элементы разного типа, иногда с разным числом валентных электронов (VIII и I группы).

2. В промежуточном, полудлиннопериодном варианте (задняя обложка), который в настоящее время признается (IUPAC) основным, все элементы располагаются в группах с одинаковым электронным строением, но f-элементы выносятся за пределы основной таблицы в виде 2-х рядов. Таким образом, в этом случае имеется 18 групп, что считается приемлемым.

Однако в настоящем пособии (и многих других) отдается предпочтение короткопериодному варианту – как вследствие его компактности, так и в силу традиции, ведущей к тому же свое начало от первооткрывателя – Д.И. Менделеева. Отметим также, что менделеевская традиция, использованная при построении Периодической системы химических свойств элементов, осталась и сейчас, когда известно их электронное строение, именно поэтому s-элементы Н (1s¹) и He (1s²) часто помещают в седьмую и восьмую группу короткопериодного варианта и в 17 и 18-ю – полудлинного, соответственно.

Периодическая система элементов отражает электронное строение атомов в виде периодов и групп. Каждый период начинается элементом, в атоме которого появляется электрон с новым значением главного квантового числа n. При этом номер периода совпадает со значением "n" внешнего энергетического уровня.

В соответствии с числом электронов на внешнем уровне элементы подразделяются на группы. Группы состоят из главных и побочных подгрупп. Отличие элементов главных и побочных подгрупп состоит в том, что в главных подгруппах элементы имеют валентные s- и р-электроны, а в побочных - d - и f-электроны.

Соответственно, элементы, имеющие в качестве валентных электронов только s-электроны, называют s-элементами (например, Li -...2s¹, Ca -...4s²). Элементы, имеющие в качестве валентных s- и р- электроны, являются р-элементами (например, N -….2s²2p³, S -...3s²3p⁴). Элементы с валентными s- и d-электронами - d-элементы (например, Sc -..4s²3d¹, Mo -..5s²4d⁴) а с s- и f-электронами -
f-элементы (Nd -...6s²4f⁴, U - …7s²5f⁴).

От строения электронной оболочки атомов зависят такие свойства, как размер атомов (r), энергия ионизации (Е_И), электроотрицательность (c), а от этих физических свойств зависят химические свойства: кислотно-основные, окислительно-восстановительные, устойчивость соединений. Физические характеристики r, Е_И и c определяются строением атома, устойчивостью его электронной конфигурации, то есть энергией связи внешних электронов с ядром. Решение волнового уравнения даёт в этом отношении результаты, которые на качественном уровне можно представить следующим образом.

Устойчивость орбитальных электронных конфигураций. Правила заполнения электронных подуровней Клечковского не являются точными, они нарушаются у некоторых элементов. Например, каноническая электронная формула Cr (хром) - 4s²3d⁴, а в действительности – 4s¹3d⁵.

Эти нарушения объясняются особой устойчивостью некоторых электронных конфигураций. Качественно можно сформулировать следующие закономерности: