Периодическая система элементов Д.И.Менделеева

С. КОФ т.3 §27 с128-130, 1989г.; Тр.§228 с.365-367, 1990г.; Д.Я.§39.6 с.463-466, 1989г.

Принцип Паули позволяет объяснить периодичность свойств атомов и принцип построения периодической системы элементов, составленной задолго до создания квантовой механики в 1869 году русским учёным Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Периодическая система элементов является фундаментальным законом природы, на котором базируется современная химия, атомная и ядерная физика.

Менделеев расположил известные в то время 64 химических элемента в порядке возрастания их атомных масс. Периодически через правильные промежутки, названные периодами, элементы, оказавшиеся в таблице Менделеева в одном вертикальном ряду - в группе элементов, обнаруживают сходные физико-химические свойства. Однако иногда Менделееву приходилось отступать от принципа возрастания масс и он ввёл понятие порядкового номера. Периодичность свойств полностью соответствовала периодичности расположения элементов в таблице, но часть клеток оказалась незаполненной. В дальнейшем были открыты новые элементы, свойства некоторых из них были предсказаны Менделеевым. В настоящее время таблица полностью заполнена.

Теория периодической системы основана на законах квантовой механики. Основные принципы её таковы:

1) порядковый номер химического элемента равен числу элементарных положительных зарядов ядра;

2) состояние электронов в атоме определяется набором квантовых чисел n, l, m, m_s;

3) распределение электронов по состояниям удовлетворяет принципу минимума потенциальной энергии;

4) заполнение электронных энергетических состояний в атоме происходит в соответствии с принципом Паули;

5) химические и ряд физических свойств элементов объясняется поведением внешних валентных электронов в атоме.

Электроны, занимающие в атоме состояния с одинаковым n, образуют электронную оболочку (слой): K -, L -, M -...-оболочки (в соответствии с табл.6). В каждой оболочке электроны располагаются по подоболочкам, соответствующим определённым квантовым числам l.

Если заданы квантовые числа n и l, то говорят, что задана электронная конфигурация. Символическая формула электронной конфигурации: nl^Z (n - главное квантовое число, l - символическое обозначение орбитального квантового числа l в соответствии с табл.1, Z - количество электронов в атоме с данным набором значений n и l. Например, электронная конфигурация алюминия (), имеющего Z = 13 - 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ¹.

Сначала заполняются состояния с наименьшей энергией, а затем большей. Идеальная периодическая таблица элементов должна была бы полностью соответствовать табл.7 (см. выше). Однако реальная периодическая система Менделеева отличается от идеальной. Это связано с тем, что энергетические уровни многоэлектронных атомов расщеплены, и у тяжёлых атомов некоторые энергетические уровни с бóльшим n и малым l располагаются ниже, чем уровни с меньшим n и большим l. Поэтому имеются химические элементы, у которых происходит достройка последующих оболочек при недостроенной предыдущей.

В атомах химических элементов, находящихся в основном состоянии до аргона (), имеющего Z = 18, последовательность заполнения электронами оболочек соответствует идеальной таблице (см. табл.7). Но уже для следующих элементов калия () и кальция () энергетически более выгодным оказывается состояние не 3 d в M -оболочке, а 4 s в N -оболочке.

Начиная со скандия (), возобновляется нормальное заполнение 3d -подоболочки, которое заканчивается у меди (). Химические элементы, у которых происходит достройка предыдущей оболочки при уже частично заполненной последующей, называются переходными элементами.

Далее до криптона () происходит нормальное заполнение N -оболочки.

Начиная с рубидия (), при незаполненных 4 d - и 4 f -подоболочках (N -оболочка) начинается заполнение 5 s -подоболочки следующей О -оболочки. Но уже у иттрия () и до палладия () при заполненной 5 s -подоболочке начинается достройка 4 d -подоболочки, причём в 5 s -подоболочке число электронов меняется от 2 до 0. У серебра () и () вновь застраивается 5 s -подоболочка. Начиная с индия () и до ксенона (), завершающего пятый период, происходит застройка 5 р -подоболочки.

У цезия начинается заполнение Р -оболочки (n = 6).

У группы редкоземельных элементов: от лантана () до лютеция (), называемых лантонидами, 6 s² -подоболочка заполнена полностью, а более глубокая 4 f -подоболочка не заполнена. У лантонидов от церия () до лютеция () происходит заполнение 4 f -подоболочки, а внешняя 6 s -подоболочка остаётся без изменения. Этим объясняется сходство физико-химических свойств лантонидов.

Начиная с гафния (), происходит застройка 5 d -подоболочки, которая заканчивается у золота (), у которого на 6 s -подоболочке один электрон, а затем у ртути на 6 s -подоболочке достраивается второй электрон.

У талия () и далее до радона () происходит заполнение 6 р -подоболочки.

У франция () и радия () заполняется 7 s -подоболочка Q -оболочки.

Второй группой редкоземельных элементов являются актиниды. Это группа элементов, начиная от актиния () и до конца периодической таблицы до элемента нильсбория (). В этой группе происходит достраивание 5 f - и 6 d -подоболочек.

Из вышеизложенного следует, что периодичность физико-химических свойств элементов объясняется повторяемостью электронной конфигурации во внешних s- и р-подоболочках (l=0 и l=1). Электроны, которые в оболочке с наибольшим n входят в состав s - и р -подоболочек, называются внешними или валентными электронами. Эти электроны и определяют химические и оптические свойства атомов. Общее число электронов в s - и р -подоболочках равно 8. Столько же групп в таблице Менделеева. В химических реакциях атомы с числом валентных электронов меньшим 4 склонны отдавать свои валентные электроны, а атомы с числом валентных электронов большим 4 склонны присоединять электроны других атомов.

Дата добавления: 2015-07-08