Размещение элементов по подгруппам в ПС

Группа	Подгруппа	Валентные электроны	Элементы	Семейства
	IA	ns1	(1H), 3Li – 87Fr	s
	IIA	ns2	4Be – 88Ra
	IIIB	(n-1)d1ns2	21Sc – 89Ac	d
	IVB	(n-1)d2ns2	22Ti – 104Db
	VB	(n-1)d3ns2	23V – 105Jl
	VIB	(n-1)d4ns2	24Cr – 106Rf
	VIIB	(n-1)d5ns2	25Mn – 107Bh
	VIIIB (элементы триад)	(n-1)d6ns2	26Fe – 108Hn
	(n-1)d7ns2	27Co – 109Mt
	(n-1)d8ns2	28Ni – 110Э
	IB	(n-1)d10ns1	29Cu – 79Au
	IIB	(n-1)d10ns2	30Zn – 80Hg
	IIIA	ns2np1	5B – 81Tl	p
	IVA	ns2np2	6C – 82Pb
	VA	ns2np3	7N – 83Bi
	VIA	ns2np4	8O – 84Po
	VIIA	ns2np5	(1H), 9F – 85At
	VIIIA	ns2np6	2He – 86Rn

Встречаются и другие исключения из правил заполнения электронных конфигураций. Их в ПС около десятка. Самое важное – металлы подгруппы IB (Cu, Ag, Au), у которых фактически имеются электронные конфигурации (n ‑ 1)d¹⁰ns¹, а не «теоретические» (n ‑ 1)d⁹ns². Исключения связаны с тем, что энергии (n – 2)f, (n – 1)d и ns-электронов мало отличаются, а заполненные и полузаполненные подуровни (d¹⁰, f¹⁴, d⁵, f⁷) имеют повышенную устойчивость[§].

В длинной (развернутой) форме ПС 18 столбцов по количеству международных групп и 7 строк по количеству периодов, в сверхдлинной – 32 столбца, ns²(n–2)f¹⁴(n–1)d¹⁰np⁶ – по максимальному количеству внешних электронов.

В короткой форме ПС объединяют в один столбец элементы главной и соответствующей побочной подгрупп, причем элементы триад (групп 8–10 или подгруппы VIIIВ) помещают в один восьмой столбец, и столбцов получается восемь. Но начиная с 4-го периода в каждом из первых семи столбцов оказывается по два элемента главной и побочной подгрупп. Поэтому периоды с 4-го по 6-й делят на два ряда каждый – непереходных и переходных элементов; строчки также делят на две, и всего их получается 10: первые три соответствуют первым трем периодам; строки 4–5, 6–7, 8–9 – периодам 4-му, 5-му, 6-му; десятая строка – 7-му периоду, пока неполному. При этом приходится каждый ряд размещать в двух строках. Например, в первом ряду d-элементов, элементы от ₂₁Sc до ₂₈Ni оказываются в 4‑й строке, а ₂₉Cu и ₃₀Zn в пятой. Непереходные элементы периодов «разрываются» десяткой d-элементов и тоже попадают в разные строки: s-элементы (₁₉K, ₂₀Ca) – в четвертую, p-элементы (от ₃₁Ga до ₃₆Kr) – в пятую.

Семейства лантаноидов и актиноидов обычно помещают отдельно, вне таблицы ПС. Сверхдлинная форма включает семейства f-элементов в саму таблицу, которая насчитывает тогда 2 + 6 + 10 + 14 = 32 столбца и 7 строк по числу периодов, но такая форма неудобна для типографского воспроизведения. У каждой формы ПС есть свои достоинства и недостатки, но сверхдлинная форма точнее отражает электронное строение атомов.

От положения элемента в ПС полностью зависят его физико-химические свойства, причем изменяются они с ростом Z периодически. Например, размер атома.

Как уже говорилось, это условное понятие. Для иллюстрации периодичности свойств удобнее всего орбитальные радиусы атомов, R_орб., – расстояния от ядра до наиболее удаленного от него максимума электронной плотности. Для Н R_орб. равен боровскому радиусу, ~ 0,5 Å. Для Не возрастают заряд ядра и соответственно притяжение электронов к ядру, что должно уменьшать R_орб.. Но в противоположную сторону действует межэлектронное отталкивание (экранирование), которое должно уменьшать притяжение электронов к ядру и увеличивать их среднее расстояние от ядра. Более сильным оказывается первый эффект (в п. 2.2.2 приводилась оценка Z*_Не » 1,7). Таким образом, R_орб.(Не) < R_орб.(Н). При переходе к Li более существенным оказывается увеличение числа электронных слоев с 1 до 2 – электроны с n = 2 оказываются более удаленными от ядра, чем для n = 1 не только для атомов Н (см. рис. 4), но и для многоэлектронных частиц.

Рис. 12. Орбитальные радиусы атомов (в Å)

Зависимость R_орб. от Z приведена на рис. 12. Здесь важно усвоить две тенденции. Внутри периода орбитальные радиусы уменьшаются слева направо,вследствие того что в пределах одного электронного слоя увеличение заряда ядра преобладает над межэлектронным отталкиванием. По подгруппе R_орб. увеличиваются сверху вниз,вследствие того что увеличение числа электронных слоев доминирует над увеличением Z. От этих тенденций имеются незначительные отклонения, связанные главным образом с большей устойчивостью полузаполненных оболочек, о чем уже упоминалось ранее. Хотя данные рис. 12 – расчетные и далеко не для всех атомов можно экспериментально проверить эти расчеты, в целом указанные тенденции не вызывают никаких сомнений и подтверждаются реальными измерениями атомных и ионных радиусов (о чем пойдет речь в разд. 5) и крайне важны для понимания строения многих веществ и их химических свойств.

Интересно, что зависимость экспериментально измеренных энергий ионизации от Z имеет противоположный характер по сравнению с R_орб.(Z) (рис. 13). Это понятно, так как причины этой периодической зависимости те же – чем дальше находится валентный электрон от ядра и чем меньше эффективный заряд ядра, тем меньшая энергия тратится на его отрыв от атома. Поэтому наименьшая энергия ионизации в периоде всегда у элементов подгруппы IА (щелочных металлов), наибольшая – для VIIIА (благородных газов). По подгруппе потенциалы ионизации уменьшаются сверху вниз, от Li к Fr, О к Ро, F к Аt, и т. п.

Зависимость сродства к электрону Е_е от Z сложнее, но можно выделить главное. Энергетически выгодно присоединение электрона к таким атомам, для которых при этом будет завершаться электронный слой (или стремиться к завершению, а также будет образовываться полузаполненный подуровень). Прежде всего, это атомы галогенов (группа VIIА), для которых Е_е составляет приблизительно ‑3 эВ (минимальная величина для Cl и F около –3,5 эВ); сродство к электрону отрицательно (т. е. его присоединение энергетически выгодно) также для Н, О, Р и многих других атомов.

Отметим, что изотопы любого элемента, естественно, имеют одинаковую электронную конфигурацию и определяемые ей свойства, включая химические (от размера атомов, потенциала ионизации и расположения энергетических уровней до стехиометрии соединений). Различия проявляются только в свойствах, связанных с массой атомов, например в скоростях протекания реакций – изотопный эффект (наиболее существен для изотопов водорода, у которых массы отличаются в 2–3 раза, и незначителен для других элементов), и в магнитных свойствах, связанных со спином атомных ядер.

Рис. 13. Потенциалы ионизации атомов

В природе не обнаружено до настоящего времени элементов с Z > 92 (трансурановых), а также практически не встречаются технеций ₄₃Tc, прометий ₆₁Pm, астат ₈₅At и ₈₇Fr франций. Эти элементы получены искусственным путем, с помощью ядерных реакций. Однако их электронное строение и физико-химические свойства полностью соответствуют изложенным закономерностям ПС.

Ядра некоторых природных изотопов и всех искусственно полученных неустойчивы, эти изотопы радиоактивны (разд. 1). При Z > 92 становятся неустойчивыми все ядра, причем чем больше Z, тем неустойчивее. Современные физические методы исследования позволяют регистрировать буквально единичные ядра таких элементов, полученных в ускорителях при условиях, далеких от нормальных; времена жизни таких частиц составляют от минут до долей секунды. Новые элементы синтезируют иногда по несколько изотопов в год, поэтому трудно точно сказать, на котором элементе обрывается сегодня ПС. Вряд ли пока можно говорить о химии этих элементов из-за очень малого, буквально в штуках атомов, их количества, короткого времени жизни и как следствие неизученности свойств.

Будут ли ₁₂₁Э–₁₃₈Э g-элементами? Ответа на этот вопрос пока нет. Скорее всего он риторический, так как пока что с ростом Z я́дра оказываются все менее стабильными. Впрочем, не опровергнута гипотеза о существовании «острова» стабильности для дважды магических ядер с Z = 114 или 126 (см. разд. 1).

Очень интересно, сколько новых элементов еще может быть получено? Современные теоретические расчеты показывают, что ПС должна закончиться примерно при Z = 150–168. При дальнейшем росте Z резко возрастает размер ядра и теоретики предсказывают электронный захват К- и L-электронов ядром, вместо синтеза новых элементов будут образовываться изотопы известных.

Пока синтез новых элементов и изотопов не выявил отклонений от изложенных закономерностей электронного строения атомов. Так что можно смело размещать ₁₁₀Э в подгруппу VIIIB, ₁₁₁Э в IB и т. п.

Вопросы для самопроверки

1. Запишите электронную конфигурацию элемента группы 14 (подгруппы VIIB) 4-го периода в основном состоянии.

2. Сколько элементов и почему содержится в каждом периоде?

3. У элементов каких подгрупп суммарный спин атома в основном состоянии равен 4?

4. Почему электронная конфигурация Cr отлична от предсказанной?

5. Что можно определить, зная атомный номер элемента?

6. Какая информация заложена в номере периода, группы, подгруппы?

7. Предскажите электронную конфигурацию ₁₁₂Э.

8. Расположите в порядке возрастания радиусы F, F⁺ и F^–.

9. Расположите в порядке возрастания радиусы Cl^–, Ar, K.

10. Какие потенциалы ионизации больше – О или S; О или N?

11. Перечислите достоинства и недостатки (с Вашей точки зрения) разных форм записи периодической системы

.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА (длинная форма)

Периоды

Группы элементов

IA

IIA

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

VIIIB

IB

IIB

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

VIIIA

(1H)

1H

2He

3Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba

57La*

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

87Fr

88Ra

89Ac**

104Db

105Jl

106Rf

107Bh

108Hn

109Mt

110

111

112

…

…

s1

s2

d1

d2

d3

d4

d5

d6

d7

d8

d9

d10

p1

p2

p3

p4

p5

p6

s

d

p