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.

Наши рекомендации