Структура периодической системы элементов

Периодическая система элементов является графическим выражением Периодического закона. Структурными фрагментами периодической системы являются совокупности элементов, свойства которых изменяются монотонно, и совокупности элементов аналогичных по свойствам. Периодическая система построена из периодов, групп и подгрупп элементов. Квантово-механическая теория позволила дать исчерпывающие определения этим понятиям, вскрыв их физический смысл.

Период - это совокупность элементов, расположенных в порядке возрастания зарядов их ядер, в атомах которых электроны распределены по одному и тому же числу энергетических уровней. Число уровней, на которых распределяются электроны, равно номеру периода. Поскольку для находящихся в невозбужденном состоянии атомов известных элементов электроны заполняют энергетические уровни от первого до седьмого, периодическая система включает семь периодов. Каждый период содержит определенное число элементов, регламентируемое принципом Паули и правилами Клечковского.

Период открывается щелочным металлом потому, что в атомах этих элементов начинается построение нового энергетического уровня (конфигурация ns¹). Период завершается благородным газом, так как благородные газы имеют завершенную конфигурацию 1s² или ns²np⁶. На протяжении каждого периода электронные конфигурации изменяются монотонно без повторения сходных электронных структур; соответственно и свойства элементов в периоде меняются закономерно от щелочного металла до галогена и благородного газа. Исключением является первый период, содержащий кроме благородного газа гелия, лишь один элемент - водород. Первый, второй и третий периоды, состоящие из двух или восьми элементов, называют малыми; четвертый, пятый и шестой, содержащие 18 или 32 элемента - большими. Седьмой период по своей структуре также является большим, однако не все элементы этого периода открыты, в силу чего он является незавершенным. В зависимости от того, подуровни какого типа застраиваются у данного атома, различают s-, p-, d- и f-элементы.

Сопоставление электронных структур атомов элементов, расположенных в порядке возрастания зарядов их ядер, позволяет установить причину периодичности. Периодичность изменения свойств химических элементов является следствием периодичного повторения сходных электронных конфигураций с возрастанием заряда атомных ядер. Это положение может рассматриваться как еще одна формулировка Периодического закона.

Периодичность в повторении сходных электронных конфигураций приводит к появлению совокупности элементов, обладающих сходными свойствами. Наиболее широким типом подобных совокупностей являются группы периодической системы. Группа - это совокупность элементов с одинаковым числом валентных электронов, т.е. электронов на орбиталях высшего уровня и на недостроенных внутренних подуровнях.

В периодической системе короткой формы можно выделить семь групп, отвечающих приведенному выше определению. Номер группы совпадает с числом валентных электронов; группы открываются такими элементами как литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор. К первой группе по числу валентных электронов следовало бы отнести также водород, однако этот элемент по физическим и химическим свойствам стоит ближе к галогенам, чем к щелочным металлам. С галогенами водород сближает то, что для построения структуры благородного газа ему не хватает одного электрона. В силу этого водород относят как к I-ой, так и к VII группе. Лантаниды и актиниды по группам не распределяют, а выносят из системы в виде отдельной двухрядной таблицы.

Особое положение в периодической системе занимает VIII группа. Для элементов этой группы число валентных электронов может быть равно восьми (благородные газы, начиная с неона, железо, рутений и осмий), может быть больше (например, у кобальта и никеля) или меньше восьми (гелий). Таким образом, VIII группа не укладывается в принятое определение группы и является таковой лишь формально.

У элементов IV-VII периодов происходит как построение внешнего, так и достройка внутренних слоев, в результате чего одно и то же число валентных электронов может быть достигнуто двумя путями и от каждого периода в группу попадают два элемента. Так, например, селен ([Ar]¹⁸3d¹⁰4s²4p⁴) и хром ([Ar]¹⁸3d⁵4s¹) относятся к VI группе, так как число валентных электронов у них одинаково и равно 6. В случае селена эти электроны находятся на 4s- и 4p-орбиталях, а в случае хрома - на 3d- и 4s-орбиталях.

Свойства элементов, у которых идет застройка внутреннего (n-1)d-подуровня или только внешних ns- и sp-подуровней, существенно отличаются. В связи с этим группы элементов подразделяются на подгруппы. Подгруппа - это совокупность элементов с одинаковым числом валентных электронов, распределенных на орбиталях одного и того же типа. Подгруппы, образованные s- и p-элементами, называются А-подгруппами. Периодическая система включает восемь А-подгрупп, открывающихся литием, бериллием, бором, углеродом, азотом, кислородом, фтором и неоном. Подгруппы, образованные d-элементами, называются В-подгруппами; их в периодической системе 10. f-Элементы формируют 14 С-подгрупп, в каждую подгруппу попадает один лантанид и один актинид.

Существует более сотни вариантов представления периодической системы. Остановимся на наиболее часто используемых на практике формах. В зависимости от того, является ли основным структурным элементом периодической системы группа или подгруппа, различают короткую и длинную формы периодической системы. Короткая форма подробно рассматривалась выше, она более компактна, в ней легче выделить совокупности элементов с одинаковым числом валентных электронов. Длинная (длиннопериодная) форма системы состоит из 32 вертикальных столбцов, отвечающих 32 подгруппам. Эта форма позволяет лучше проследить за связью между электронной формулой элементов и их положением в периодической системе. В настоящее время Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) рекомендована к всеобщему пользованию периодическая система, состоящая из 18 вертикальных столбцов, соответствующих А- и В-подгруппам; эти столбцы называются группами. Лантаниды и актиниды помещают внизу таблицы в два ряда.