Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
Топ:
Оснащения врачебно-сестринской бригады.
Установка замедленного коксования: Чем выше температура и ниже давление, тем место разрыва углеродной цепи всё больше смещается к её концу и значительно возрастает...
Определение места расположения распределительного центра: Фирма реализует продукцию на рынках сбыта и имеет постоянных поставщиков в разных регионах. Увеличение объема продаж...
Интересное:
Уполаживание и террасирование склонов: Если глубина оврага более 5 м необходимо устройство берм. Варианты использования оврагов для градостроительных целей...
Средства для ингаляционного наркоза: Наркоз наступает в результате вдыхания (ингаляции) средств, которое осуществляют или с помощью маски...
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными...
Дисциплины:
2017-12-12 | 381 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Рассмотрим связь между электронным строением элементов и их положением в периодической системе (ПС) (табл. 1.1).
Первый период (n = 1, ℓ = 0) прост. В нём всего два элемента: водород Н 1 s 1 и гелий He 1 s 2 и т.о. первый энергетический уровень завершён. ПС построена таким образом, что заселение нового энергетического уровня совпадает с началом нового периода.
Таблица 1.1. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева | |||||||||||
группы | |||||||||||
I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | ||||
ПЕРИОДЫ | I | 1H | химические элементы | 2He | |||||||
1,00795 | 4,002602 | ||||||||||
водород | гелий | ||||||||||
II | 3Li | 4Be | 5B | 6С | 7N | 8O | 9F | 10Ne | |||
6,9412 | 9,01218 | 10,812 | 12,0108 | 14,0067 | 15,9994 | 18,9984 | 20,179 | ||||
литий | бериллий | бор | углерод | азот | кислород | фтор | неон | ||||
III | 11Na | 12Mg | 13Al | 14Si | 15P | 16S | 17Cl | 18Ar | |||
22,9898 | 24,305 | 26,98154 | 28,086 | 30,9738 | 32,06 | 35,453 | 39,948 | ||||
натрий | магний | алюминий | кремний | фосфор | сера | хлор | аргон | ||||
IV | 19K | 20Ca | 21Sc | 22Ti | 23V | 24Cr | 25Mn | 26Fe | 27Co | 28Ni | |
39,0983 | 40,08 | 44,9559 | 47,9 | 50,9415 | 51,996 | 54,938 | 55,847 | 58,9332 | 58,7 | ||
калий | кальций | скандий | титан | ванадий | хром | марганец | железо | кобальт | никель | ||
29Cu | 30Zn | 31Ga | 32Ge | 33As | 34Se | 35Br | 36Kr | ||||
63,546 | 65,38 | 69,72 | 72,59 | 74,9216 | 78,96 | 79,904 | 83,8 | ||||
медь | цинк | галлий | германий | мышьяк | селен | бром | криптон | ||||
V | 37Rb | 38Sr | 39Y | 40Zr | 41Nb | 42Mo | 43Tc | 44Ru | 45Rh | 46Pd | |
85,4678 | 87,62 | 88,9059 | 91,22 | 92,9064 | 95,94 | 98,9062 | 101,07 | 102,906 | 106,4 | ||
рубидий | стронций | иттрий | цирконий | ниобий | молибден | технеций | рутений | родий | палладий | ||
47Ag | 48Cd | 49In | 50Sn | 51Sb | 52Te | 53I | 54Xe | ||||
107,868 | 112,41 | 114,82 | 118,69 | 121,75 | 127,6 | 126,905 | 131,3 | ||||
серебро | кадмий | индий | олово | сурьма | теллур | иод | ксенон | ||||
VI | 55Cs | 56Ba | 57La | 72Hf | 73Ta | 74W | 75Re | 76Os | 77Ir | 78Pt | |
132,905 | 137,33 | 138,9 | 178,49 | 180,948 | 183,85 | 186,207 | 190,2 | 192,22 | 195,09 | ||
цезий | барий | лантан × | гафний | тантал | вольфрам | рений | осмий | иридий | платина | ||
79Au | 80Hg | 81Tl | 82Pb | 83Bi | 84Po | 85At | 86Rn | ||||
196,967 | 200,59 | 204,37 | 207,2 | 208,9 | |||||||
золото | ртуть | таллий | свинец | висмут | полоний | астат | радон | ||||
VII | 87Fr | 88Ra | 89Ac** | 104Rf | 105Db | 106Sg | 107Bh | 108Hs | 109Mt | 110Ds | |
франций | радий | актиний | резерфордий | дубний | сиборгий | борий | хассий | мейтнерий | дармштадтий |
|
ЛАНТАНОИДЫ* И АКТИНОИДЫ**
58Ce | 59Pr | 60Nd | 61Pm | 62Sm | 63Eu | 64Gd | 65Tb | 66Dy | 67Ho | 68Er | 69Tm | 70Yb | 71Lu |
140,9 | 150,4 | 151,9 | 157,3 | 158,9 | 162,5 | 164,9 | 167,3 | 168,9 | 174,9 | ||||
церий | празеодим | неодим | прометий | самарий | европий | гадолиний | тербий | диспрозий | гольмий | эрбий | тулий | иттербий | лютеций |
90Th | 91Pa | 92U | 93Np | 94Pu | 95Am | 96Cm | 97Bk | 98Cf | 99Es | 100Fm | 101Md | 102No | 103Lr |
торий | протактиний | уран | нептуний | плутоний | америций | кюрий | берклий | калифорний | эйнштейний | фермий | менделевий | нобелий | лоуренсий |
Во втором периоде (n = 2, ℓ = 0, 1) идёт заполнение
второго энергетического уровня: сначала более низких поэнергии s - орбиталей (s - элементы литий Li [He]2 s 1 и
бериллий Be 2 s 2), затем последовательно трёх p - орбиталей (р -элементы от бора до неона с общей электронной конфигурацией [He]2 s 22 р 1-6).
Число элементов во втором периоде – 8 − соответствует максимально возможному числу электронов во втором слое (два s- + шесть р-).
В третьем периоде заполняется третий слой (n = 3, l = 0, 1`, 2)), состоящий из 3 s -, 3 p - и 3 d - подуровней. Однако, в нём всего восемь элементов − электронных аналогов второго периода: два s - (Na [Ne]3 s 1 и Mg 3s2) и шесть р - элементов от алюминия Al до аргона Ar, 13 - 18Э[Ne]3s23 р 1-6 ). Благородный газ аргон 18Аr [Ne]3 s 2 3p6 завершает третий период, при этом пять d – орбиталей (ℓ = 2) третьего энергетического уровня остаются незаселёнными.
Следующие за аргоном калий и кальций попадают в четвёртый период. У них электроны заселяют 4 s - орбиталь. Появление 4 s - электронов при наличии свободных 3 d - орбиталей обусловлено экранированием ядра плотным 3 s 23 p 6 электронным слоем с малым радиусом (Аr 3 s 23 p 6). В связи с отталкиванием от этого слоя внешних электронов для калия и кальция реализуются 19К[18Ar]3 d 04 s ¹ - и 20Ca[Ar]3d04s²- состояния. Сходство К и Са с Na и Mg соответственно, являясь чисто «химическим» обоснованием, подтверждается также электронными спектрами.
|
При дальнейшем увеличении заряда ядра у следующих после кальция элементов от Sc до Zn 3 d - состояние энергетически более выгодно, чем 4 р, и это определяет заселение 3 d - подуровня (рис. 1.3).
Из анализа зависимости энергии электрона от порядкового номера элемента В.М. Клечковский сформулировал правило, согласно которому, сначала заполняются орбитали с меньшей суммой (n + ℓ). При равенстве сумм сначала заполняется подуровень с меньшим n. Так, у К и Са заполняется 4 s – орбиталь (n + l = 4 + 0 =4), а у Sc один электрон занимает 3 d – орбиталь (n + l = 3 + 2 = 5), а не 4 р (n + l = 4 + 1 = 5).
В ПС появляется первый d -элемент Sc [Ar] 3 d 14 s ², таким образом, d - орбиталь, отвечающая 3му энергетическому слою, начинает заселяться лишьв IV периоде, т.е. с отставанием на 1 период. Соответственно 4 d -орбиталь будет заселяться в 5 периоде, 5 d - в шестом, 6 d - в седьмом.
Элементы, у которых заполняются внутренние d- оболочки, образуют вставные декады и называются d- элементами.
С. Рис. 1.3. Приближенные энергетические уровни в зависимости от атомных номеров элементов
Относительная энергия и заселение подуровней определяется их взаимным влиянием и зависит от заряда ядра Z. Так, для всех элементов с Z ≥ 21 энергия 3 d - подуровня становится ниже, чем 4 s- (рис.1.3), и, несмотря на превосходящую проникающую способность 4 s - электронов, большая часть плотности вероятности для 4 s - орбитали оказывается в среднем дальше от ядра, чем у 3 d - орбитали. Другими словами энергия заселённой 3 d - орбитали, в соответствии с её положением, в общем случае ниже энергии 4 s - орбиталии существенно ниже энергии 4 р - орбитали.
Однако у Sc 3 d - и 4 s - орбитали имеют ≈ равную энергию и Sc проявляет единственно устойчивую степеньокисления +3: Sc+3 [Ar]3 d 04 s 0.
От скандия до цинка идёт постепенное заселение 3 d - подуровня, сопровождающееся понижением энергии и, как следствие, уменьшением химической активности 3 d -электронов.
Во внешем слое у всех d- элементов заполнен 4 s - подуровень. Поэтому в четвертом периоде в ряду Sс − Ζn все десять 3 d - элементов – металлы с низшей степенью окисления, как правило, 2 за счет внешних 4 s - электронов. Общая электронная формула этих элементов Э[18Ar]3 d 1–10 4 s 1–2]. Для хрома и меди наблюдается проскок (или провал) одного 4 s - электрона на 3 d – подуровень: 24Cr [18Ar]3 d 54 s 1, 29Сu [18Ar]3 d 104 s 1, что объясняется стабильностью наполовину и полностью заполненного 3 d- подуровня.
|
Образование катионов d- элементов связано с потерей прежде всего внешних ns- электронов с более высокой энергией (рис. 1.3.) и только затем (n–1) d - электронов. Например:
– 2ē – 1 ē
22Ti [18Ar]3 d 24 s 2 → Ti2+ 3 d 2 → Ti 3+ 3 d 1
– 2 ē – 2 ē
25Mn [18Ar]3 d 54 s 2 → Mn2+ 3 d 5 → Mn4+ 3 d 3
Далее в четвертом периоде после десяти d - элементов появляются 4 р - элементы от 31Gа [18Ar]3 d 10 4 s 24 р 1 до 36Кr [18Ar]3 d 104 s 24 p 6. Заполненный десятью электронами предшествующий 3 d - подуровень у них невалентен. Благородный газ криптон завершает четвёртый период. Незаселёнными остаются 4 d - и 4 f - подуровни. Всего в четвёртом периоде восемнадцать элементов.
В пятом периоде расположены также 18 элементов − электронных аналогов элементов 4 периода: два − 5 s -, десять − 4 d - (39 -48 Э [36Kr] 4 d 1-10 (4 f 0) 5 s 1-2) и шесть − 5 р - (49 -54 Э [36Kr] 4 d 10 5 s 25р1-6) элементов.
Однако, в электронных конфигурациях, проявляемых степенях окисления и свойствах 3 d - и 4 d - элементов наряду со сходством наблюдаются некоторые различия из-за наличия у последних вакантного 4 f - подуровня. Это ослабляет межэлектронное взаимодействие на 4 d - подуровне и приводит к провалу на него электронов с 5 s - орбитали у всех (кроме технеция, 43Тс[36Kr]4 d 54 f 05 s 2]) d - элементов 5 периода, начиная с ниобия. При этом у Nb, Mo, Ru, Ro, Ag с 5 s - на 4 d - орбиталь переходит один из s - электронов, а у палладия сразу оба: 46Pd [36Kr]4 d 104 f 05 s 0. Таким образом, палладий является единственным элементом ПС, у которого отсутствуют электроны, отвечающие за свой период. Палладий относится к редкоземельным металлам и, подобно никелю, чаще проявляет степень окисления +2.
Следующее за палладием серебро 47Ag [36Kr]4 d 10 (4 f 0)5 s 1 также испытывает влияние 4 f 0- подуровня, которое проявляется в особой устойчивости для серебра степени окисления +1 → Ag+1 [36Kr]4 d 10 (4 f 0)5 s 0.
Кадмий 48Сd[36Kr]4 d 105 s 2 ─ последний из 4 d - элементов.
|
Пятый период завершается шестью р -элементами 49-54Э [36Kr]4 d 10 5 s 25 p 1-6. Вакантными остаются 4 f -, 5 d -, и 5 f - подуровни.
Шестой период также начинается с двух s- элементов: цезия 55Cs [54Xe]6 s 1 и бария 56Ва [54Xe]6 s 2. В нём с отставанием на два периода начинает заселяться f - орбиталь четвёртого слоя. Однако, в лантане 57La[54Xe]5 d 16 s 2, стоящем в ПС после бария, 4 f - орбиталь энергетически менее выгодна, чем 5 d (влияние экранирования и межэлектронного взаимодействия), и первый f - электрон появляется только у церия: 58Се[54Xe]4 f 1 5d 16 s 2, причём 4 f - и 5 d - орбитали атома церия имеют приблизительно равную энергию. После церия возросший заряд ядра стабилизирует 4 f - орбиталь и празиодиму соответствует электронная конфигурация 59Pr [54Xe]
4 f 35 d 06 s 2. У последующих элементов продолжается заполнение 4 f -орбиталей. У атома гадолиния 64Gd[54Xe]4 f 7 5d 16 s 2 один электрон заселяет 5 d - орбиталь, т.к. при этом сохраняется устойчивая конфигурация f 7.
Элементы ПС, у которых наблюдается заполнение электронами f- орбиталей, называют f- элементами. В шестом периоде мы имеем 14 f - элементов от церия до лютеция 71Lu[54Xe] 4 f 145 d 16 s 2, хотя последний правильнее относить к d - элементам, так как он не содержит на f- орбитали валентных электронов.
Все 4 f - элементы, включая лютеций, по своим свойствам сходны с лантаном и поэтому получили название лантаноидов (подобные лантану) или лантанидов (следующие за лантаном). Поскольку идет заполнение глубоколежащего невалентного (n‑2) f - подуровня, свойства этих элементов очень близки. Электронная конфигурация атомов лантаноидов может быть выражена общей формулой 58-71Э[54Xe]4 f 1-145 d 0-1 6 s2. В короткопериодном варианте таблицы они отнесены к 3 группе (подгруппа скандия) и помещены в низу таблицы. Это металлы с устойчивой степенью окисления +3.. В некоторых случаях, в основном, когда на 4 f - орбитали образуется устойчивая электронная конфигурация 4 f 0, 4 f 7, 4 f 14, лантаноиды могут проявлять степени окисления +2 и +4.
При образовании катионов 4 f – элементов электроны снимаются сначала с внешнего 6 s -, затем с предвнешнего 5 d- и только потом с более глубокого 4 f - подуровня, что согласуется с их энергиями (см. с.19, рис. 1.3).
65Tb [54Xe] 4 f 95 d 06 s 2 → Tb+3 4 f 85 d 06 s 0 → Tb+4 4 f 75 d 06 s 0
После лютеция в шестом периоде от гафния 72Hf [54Xe] 4 f 145 d 2 6 s 2 до ртути 80Hg [54Xe] 4 f 145 d 10 6 s 2 продолжается заполнение 5 d - орбиталей. У d - элементов шестого периода наблюдается большое сходство с соответствующими d - элементами пятого периода из-за близости орбитальных радиусов под влиянием 4 f - сжатия. В то же время следует отметить некоторые особенности в электронных конфигурациях и свойствах 5 d - элементов, объясняющиея влиянием полностью заселённого электронами 4 f - подуровня. Так, в отличие от 4 d - элементов, у 5 d - элементов практически отсутствуют провалы электронов с внешнего s - на предвнешний d - подуровень. Их нет у W, Os, Ir. Исключение составляют платина 78Pt [54Xe] 4 f 145 d 9 6 s 1 и золото Au[54Xe] 4 f 145 d 106 s 1.
|
Влиянием заполненного 4 f - подуровня и близостью энергий 5 d- и 6 s - орбиталей в результате проникновения последних во внутренние слои можно объяснить, например, что для Hf, Ta, W, Re высшая степень окисления − единственно устойчивая (Hf+4, Ta+5, W+6, Re+7).
Устойчивость высших и нестабильность низших степеней окисления переходных металлов возрастает в группе: 3d < 4d < 5d.
Завершают шестой период шесть р -элементов: талий, свинец, висмут, полоний, астат, радон с общей электронной конфигурацией 81-86Э[54Xe] 4f 145 d 106 s2р 1-6. В шестом периоде – 32 элемента.
В седьмом периоде расположены два s - (Fr, Ra), четырнадцать f - (Th – Lr), десять d -(89Ac и 104Rf -109Mt, 110-112Э) элементов.
f -Элементы 7 периода объединены в семейство актиноидов Th – Lr. В отличие от лантаноидов для элементов от тория 90Th до кюрия 96Cm невозможно однозначно определить электронную конфигурацию из-за энергетической близости 5 f- и 6 d- подуровней. В атомах этих актиноидов происходит своеобразное «соревнование» в заполнении 5 f - и 6 d - орбиталей. Они поливалентны. Их можно отнести как к f -, так и к d- элементам.
Все элементы седьмого периода радиоактивны. Время полураспада d - элементов измеряется секундами. Они получены искусственным путём на ядерных установках.
В настоящее время известны шесть р - элементов с номерами 113-118, пока ещё не признанные официально. Седьмой период считается незавершённым.
Таким образом, в Периодической системе Д.И. Менделеева элементы расположены в порядке возрастания заряда ядра (порядкового номера) атома. Заселение электронами атомных орбиталей происходит в порядке возрастания их энергий. В некотором приближении можно составить следующую последовательность заполнения подуровней:
Период I │ II │ III │ IV │ V
Орбитали 1s │< 2 s < 2 p │ < 3 s < 3 p │< 4 s ≈ 3 d < 4 p │‹5 s ≈ 4 d < 5 p ‹
К-во эл. (2 s) │ (2 s +6 p)=8 │ 8 │ (8+10 d)=18 │ 18
Период │ VI │ VII
Орбитали │< 6 s ≈ 4 f ≈ 5 d < 6 p │< 7 s ≈ 5 f ≈ 6 d < 7 p
К-во эл-тов (18+14 f)=32 не завершён
Представленный ряд легко разбить на отдельные секции (периоды), в результате чего получим упрощенную схему Периодической системы. Анализируя её, можно подвести некоторые итоги:
1. Номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего энергетического уровня.
2. Начало каждого периода совпадает с началом нового энергетического уровня.
3. Каждый период начинается с двух s - элементов.
4. Каждый период (кроме первого) завершается шестью р - элементами.
5. Заполнение s- и p- орбиталей происходит во внешнем валентном слое, совпадающем с № периода.
6. d - Подуровень заполняется с отставанием на 1 период (3 d - в 4-м периоде, 4 d – в пятом, 5 d – в шестом и т.д.).
7. d -Элементы в ПС всегда предшествуют р -элементам.
8. f - Подуровень заполняется с отставанием на 2 периода (4 f - в шестом, 5 f- в седьмом периоде).
9. f - Элементы в ПС располагаются перед d - элементами.
10. Энергии (n -2) f -, (n -1) d - и n s -подуровней примерно равны и всегда меньше энергии р - подуровня.
11. В первом периоде расположены два элемента.
Во втором – 8 элементов (два s - и шесть р -элементов, №/№ 3 – 10)
В третьем – 8 элементов (два s - и шесть р -элементов, №/№ 11 – 18)
В четвёртом – 18 элементов (два s-, шесть р - и десять d - элементов, №/№ 19 – 36).
В пятом - 18 элементов (два s-, шесть р - и десять d - элементов, №/№ 37 – 54).
В шестом - 32 элемента (два s -, шесть р-, десять d - и 14 f - элементов, №/№ 55 – 86).
Седьмой период не завершён.
Данная схема ПС (ряд орбиталей) согласуется с эмпирическим правилом Клечковского. Правило Клечковского не является строгим и применять его следует с большой осторожностью.
Электронные формулы атомов и ионов элементов подтверждены спектроскопическими исследованиями (ИК-, ЭПР-, ЭСР-, ЯГР- и др.).
|
|
История создания датчика движения: Первый прибор для обнаружения движения был изобретен немецким физиком Генрихом Герцем...
Своеобразие русской архитектуры: Основной материал – дерево – быстрота постройки, но недолговечность и необходимость деления...
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!