Принцип Паули. Периодическая система элементов Менделеева

Состояние электрона в атоме определяется с помощью четырех квантовых чисел n, l, m, s. Физические величины, определяемые этими числами, и возможные их значения приведены в табл. 31.1.

Таблица 31.1

В 1925 г. В._Паули установил принцип: в любом атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором квантовых чисел, т.е. электроны должны отличаться друг от друга хотя бы одним квантовым числом.

Пользуясь принципом Паули, можно найти максимальное число электронов с одинаковым значением главного квантового числа и отличающихся друг от друга хотя бы одним квантовым числом l, m, s. Различные состояния атома, характеризующиеся значением главного квантового числа n=1 и n=2, приведены в табл. 31.2. Видно, что максимальное число электронов, находящихся в состоянии с n=1, равно двум, а при n=2 это число равно восьми. В общем случае максимальное число электронов, которые находятся в состоянии со значением главного квантового числа n, равно 2n².

Электроны с одинаковым значением главного квантового числа образуют оболочки, которые обозначаются буквами K (n=1), L (n=2), M (n=3) и т.д. В каждой из оболочек электроны распределяются по подоболочкам, соответствующим значению орбитального квантового числа l. Число подоболочек равно порядковому номеру n оболочки. Максимальное число электронов в подоболочке с данным l равно 2(2l+1). В порядке возрастания орбитального квантового числа l=0, 1, 2, 3, 4,... подоболочки обозначаются буквами соответственно s, p, d, e, f.

Таблица 31.2

Теоретическое обоснование периодической системы элементов Менделеева основано на трех положениях.

1. Общее число электронов в атоме данного элемента равно его порядковому номеру в таблице Менделеева. Это означает, что суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра и поэтому атом в целом электронейтрален.

2. При заполнении электронных оболочек должен выполняться принцип минимума энергии, который состоит в том, что при переходе от одного элемента к другому, т.е. при присоединении к атому нового электрона, в первую очередь заполняются состояния с наименьшей энергией.

3. Заполнение электронами энергетических состояний в атоме происходит в соответствии с принципом Паули.

Исходя из этих принципов, рассмотрим теперь строение начальных периодов таблицы Менделеева.

Первый период содержит два элемента — водород и гелий. В атоме водорода имеется один электрон, который заполняет состояние с квантовыми числами n=1, l=0, m=0, s=+1/2 или –1/2. В атоме гелия два электрона имеют одинаковые числа n=1, l=0, m=0, но разные значения спиновых квантовых чисел: для одного из них s=+1/2, а для другого s=–1/2. Эти два электрона полностью заполняют наинизшую K-оболочку.

Второй период начинается с атома лития, который имеет три электрона: два из них образуют K-оболочку, а третий находится на L-оболочке, соответствующей значению главного квантового числа n=2. Следующие далее по мере возрастания номеров элементы Be, B, C, N, O, F, Ne также имеют полностью заполненную K-оболочку, а остальные электроны заполняют L-обо­лочку, причем сначала заполняется подоболочка s (Li, Be), а затем подоболочка p — остальные элементы второго периода. Заполнение p-оболочки заканчивается на атоме неона и им же завершается второй период периодической системы.

C третьего периода, т.е. со щелочного элемента натрия, начинается заполнение M-оболочки (n=3): сначала заполняется s-подоболочка (Na, Mg), а затем p-подоболочка. Заканчивается период инертным газом аргоном, у которого p-подоболочка полностью заполнена.

В соответствии с принципом минимума энергии оболочки должны быть последовательно заполнены одна за другой, а в пределах каждой оболочки - сначала s-подоболочка, затем p-, d-, f-подоболочки. Однако, начиная с четвертого периода такой порядок нарушается: сначала заполняется более высокая подоболочка, а затем более низкая. Как показывают строгие квантово-механические расчеты, это связано с тем, что энергия электрона зависит не только от главного квантового числа, но и от орбитального. Поэтому энергетически более выгодным может оказаться состояние с большим n, но меньшим l.

Группу элементов от лантана (La₅₇) до лютеция (Lu₇₁) называют лантаноидами или редкоземельными элементами. У них происходит заполнение внутренних оболочек при практически неизменных внешних оболочках, поэтому лантаноиды характеризуются близкими химическими свойствами, подобным образом ведут себя актиноиды — группа элементов от актиния (Ac₈₉) до лоуренсия (Lr₁₀₃) в седьмом периоде.