В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойство 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.
Структура периодической системы. Периодическая система 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 p- 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 B) 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 актиниды (f-элементы) находятся в III подгруппе, соответствуя особенностям их электронных конфигураций.
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.
Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Атомом гелия заканчивается формирование К-оболочки атома, обозначают ее [Не]. Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим, и элемент относится к группе, называемой по формирующему электрону. В данном случае оба электрона имеют формирующие s-электроны и, соответственно, называются s-элементами.
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 p-элементов, так как формирование их орбиталей заканчивается p-электроном. У элемента Ne полностью заполнена 2p-подоболочка, его электронную конфигурацию обозначают как [Ne]. При этом не приводится полная запись электронной конфигурации полностью заполненных подоболочек предыдущих периодов.
Третий период начинается с Na, электронная конфигурация которого 1s22s22p63s1 и заканчивается Ar (аргоном) c электронной конфигурацией 1s22s22p63s23p6. Хотя в третьем 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. В соответствие с правилом Клечковского n + l у 4s(4) ниже, чем у n + l 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. У хрома на 4s-подоболочке остается один электрон, а на 3d-подоболочке вместо четырех оказывается пять d-электронов. Такое явление получило название «провала» электрона с s- на d-подоболочку. Это обусловлено более низкой энергией конфигурации 3d54s1 по сравнению с конфигурацией 3d44s2. «Провал» электронов наблюдается и у других атомов, например у атомов Cu, Nb, Mo, Pt, Pd.
Четвертый период завершается формированием подоболочки 4p 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 p-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 цезия Се [Хе]4f25d06s2 до лютеция Lu [Хе]4f 145d16s2. Затем продолжается заполнение оставшихся орбиталей в 5d-подоболочке и 6p-подоболочке. Период завершает радон [Хе]4f 145d106s26p6 или [Rn]. Таким образом, период имеет 32 элемента: два s-элемента, шесть p-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). К настоящему времени известно 109 элементов, в том числе семь 6d-элементов. Элементы, начиная со 105 номера, пока не имеют официального названия.
Вопросы для самоконтроля:
1. В чем состоят модели строения атома Дж.Томсона и Бора.
2. Сформулировать современную теорию строения атома.
3. В чем заключается двойственная природа электрона?
4. Что такое орбиталь? Каков ее физический смысл?
5. Что описывает главное квантовое число n?
6. Что определяет орбитальное квантовое число l?
7. Что характеризует магнитное квантовое число ml?
8. Что такое атомная орбиталь?
9. Что характеризует спиновое квантовое число ms?
10. В чем заключается правило В. Клечковского.
11. В чем заключается принцип минимальной энергии.
12. В чем заключается принцип запрета Паули.
13. В чем заключается правило Гунда.
14. Какой электрон называется формирующим?
15. Какие атомы относятся к s-, p- и d-элементам?
16. Что такое энергия ионизации? Как она изменяется у различных элементов?
17. Что такое сродство к электрону? Как оно изменяется у различных элементов?
18. Что такое электроотрицательность? Как она изменяется у различных элементов?
19. Как изменяются атомные радиусы в периодах и группах?
20. Что такое провал электронов? У каких атомов он наблюдается?
Литература:
1. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк. – 1990, 560 с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Высш. шк. – 1983, 650 с.
3. Глинка Н.Л. Сборник задач и упражнений по общей химии. – М.: Высш. шк. – 1983, 230 с.
4. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая шк. – 2003, 743 с.
5. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - М.: Высш. шк. – 1997, 550 с.