Д. И. Менделеева и строение атомов элементов.

Семейства s-, p-, d-, f -элементов

В 1869 г. Д.И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. К настоящему времени предложено большое число версий расположения элементов. Наиболее удобным является длиннопериодный вариант периодической системыД. И. Менделеева.

 

2.2.1. Структура Периодической системы. Существует более 400 способов расположения элементов. Наиболее употребимы коротко- и длиннопериодные варианты.

Периодическая система состоит из семи периодов (период – последовательный ряд элементов, атомы которых различаются числом электронов в наружном слое):

три периода (I, II, III) – малые, однорядные; остальные (IV, V, VI) – большие, VII – большой неполный. Периоды содержат соответственно 2, 8, 8, 18, 18, 32 … элементов. IV и V периоды содержат вставные декады элементов; VI, VII имеют две вставки.

Номер периода = число заполненных уровней = номер внешнего уровня.

На сегодня зарегистрировано 111 элементов, из них более 80 – металлы, остальные полуметаллы и неметаллы. Линия Цинтля Al – Ge – Sb – Po отделяет металлы от неметаллов.

Каждый период, за исключением первого, начинается типичным металлом (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr – щелочные) и заканчивается инертным газом (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), которому предшествует типичный неметалл (F, Cl, Br, I, At – галогены). По периоду происходит постепенное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических свойств.

В периодической системе 8 групп (вертикальные ряды). Каждая группа подразделяется на главную (А) и побочную (В) подгруппы.

Номер главной подгруппы = число внешних электронов.

Порядковый № = численный заряд ядра = число протонов = число электронов.

 

2.2.2. Порядок заполнения электронных слоев в атомах элементов Периодической системы. Семейства s-, p-, d-, f- элементов. Установим связь между строением атома и его положением в Периодической системе.

При переходе от одного элемента к другому заряд ядра возрастает на единицу и один электрон добавляется в конфигурацию, окружающую ядро.

I период

I энергетический уровень, n =1 1 s

Первый элемент таблицы – водород, имеет порядковый номер 1, соответственно заряд ядра =1.

В соответствии с принципом Паули появляется второй электрон на орбитали:

II период

II энергетический уровень, n =2, содержит четыре орбитали:

s-элементы – элементы, у которых происходит заполнение s -подуровня внешнего уровня, а валентными электронами являются n s ^1-2.

p-элементы – элементы, у которых происходит заполнение p -подуровня внешнего уровня, а валентными электронами являются n s ² n p ^1-6.

III период

III энергетический уровень, n =3

 

Закончился III период, 3 d -подуровень остается свободным.

Нарушение последовательности заполнения электронных оболочек 3 p ⁶ ® 4 s ² ® 3 d ¹⁰, вместо 3 p ⁶ ® 3 d ¹⁰ ® 4 s ², обусловлено эффектом экранирования, то есть заслонением ядра плотным и симметричным слоем внутренних электронов (3 s ²3 p ⁶). За счет взаимодействия между электронами для 19 электрона калия и 20 электрона кальция оказывается энергетически более выгодным 4 s -состояние и только затем достигается энергия 3 d -состояния и далее 4 p -состояния.

IV период

IV энергетический уровень, n =4.

Со скандия ₂₁ Sc возобновляется достройка третьего уровня.

..........................

d-элементы – элементы, у которых происходит заполнение d -подуровня предвнешнего уровня, а валентными электронами являются n s ² (n-1) d ^1-10.

После цинка (₃₀ Zn 4 s ²3 d ¹⁰,), вплоть до криптона (₃₆ Kr 4 s ²4 p ⁶), заполняется четвертый уровень (p -подуровень).

V период

Заполнение электронных уровней у последующих элементов (₃₇ Rb – ₅₄ Xe) аналогично IV периоду (5 s ² ® 4 d ¹⁰ ® 5 p ⁶).

VI период

Запишем электронную формулу ₅₇ Laв порядке заполнения электронных слоев (см энергетическую диаграмму уровней и подуровней):

₅₇ La 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ⁶5 s ²4 d ¹⁰5 p ⁶6 s ²5 d ¹. Лантан d -элемент и валентными электронами являются 6 s ²5 d ¹.

Для элемента гафния ₇₂ Hf валентными электронами являются:

но его порядковый № = 72. То есть попадание электронов в недостроенный 5 d -подуровень на лантане временно прекращается и создается 4 f -подуровень: церий – лютеций (₅₈ Ce – ₇₁ Lu). Поскольку они подобны лантану, их называют лантаноиды.

f-элементы – элементы, у которых происходит заполнение f -подуровня (n -2) внешнего уровня, а валентными электронами являются n s²(n -1) d ¹(n -2) f ^1-14.

После лютеция ₇₁ Lu, от гафния ₇₂ Hf (5 d ²) до ртути ₈₀ Hg (5 d ¹⁰), заполняется 5 d -подуровень, а от таллия ₈₁ Tl до радона ₈₆ Rn – 6 p -подуровень. ₈₆ Rn инертный газ – завершает VI период.

VII период

Вслед за 7 s -элементами (₈₇ Fr, ₈₈ Ra) начинается вставная декада актиния 6 d ¹, которая прерывается вставкой из 14 актиноидов, от тория ₉₀ Th до лоуренсия ₁₀₃ Lr. После них возобновляется заполнение вставной декады 6 d. Седьмой период не завершен.

 

Таким образом:

1) начало периода периодической системы совпадает с началом образования нового электронного уровня,

2) каждый период завершается инертным газом, у которого, кроме гелия, внешний слой состоит из 8 электронов: n s ² n p ⁶,

3) Периодическую систему можно представить состоящей из четырех семейств элементов: s-, p-, d-, f-.

Следовательно, чтобы записать электронную формулу элемента, валентные электроны и определить семейство, к которому относится данный элемент, пользуемся общей формулой распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням: 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ²3 d ¹⁰4 p ⁶5 s ²4 d ¹⁰5 p ⁶6 s ²5 d ¹4 f ¹⁴5 d ^2-106 p ⁶7 s ²6 d ¹5 f ¹⁴6 d ^2-10.., и представленной ниже схемой (рис. 2.4), на которой показаны валентные электроны для каждого из семейств элементов.

 

 

Рис. 2.4. Схема распределения валентных электронов для атомов элементов в семействах (s, p, d, f):

n – номер периода, цифрами указано возможное количество валентных электронов

Последовательность заполнения электронами энергетических подуровней выражается правилом В. Клечковского, которое заключается в следующем: увеличение энергии и соответственно заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы квантовых чисел n + l, а при равной сумме в порядке возрастания главного квантового числа n.