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 1s

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 ns^1-2.

p-элементы – элементы, у которых происходит заполнение p-подуровня внешнего уровня, а валентными электронами являются n s² n p^1-6.

III период

III энергетический уровень, n=3

Закончился III период, 3d-подуровень остается свободным.

Нарушение последовательности заполнения электронных оболочек 3p⁶ ® 4s² ® 3d¹⁰, вместо 3p⁶ ® 3d¹⁰ ® 4s², обусловлено эффектом экранирования, то есть заслонением ядра плотным и симметричным слоем внутренних электронов (3s²3p⁶). За счет взаимодействия между электронами для 19 электрона калия и 20 электрона кальция оказывается энергетически более выгодным 4s-состояние и только затем достигается энергия 3d-состояния и далее 4p-состояния.

IV период

IV энергетический уровень, n=4.

Со скандия ₂₁Sc возобновляется достройка третьего уровня.

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

d-элементы – элементы, у которых происходит заполнение d-подуровня предвнешнего уровня, а валентными электронами являются ns² (n-1)d^1-10.

После цинка (₃₀Zn 4s²3d¹⁰,), вплоть до криптона (₃₆Kr 4s²4p⁶), заполняется четвертый уровень (p-подуровень).

V период

Заполнение электронных уровней у последующих элементов (₃₇Rb – ₅₄Xe) аналогично IV периоду (5s² ® 4d¹⁰ ® 5p⁶).

VI период

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

₅₇La 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²5d¹. Лантан d-элемент и валентными электронами являются 6s²5d¹.

Для элемента гафния ₇₂Hf валентными электронами являются:

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

f-элементы – элементы, у которых происходит заполнение f-подуровня (n-2) внешнего уровня, а валентными электронами являются ns²(n-1)d¹(n-2)f^1-14.

После лютеция ₇₁Lu, от гафния ₇₂Hf (5d²) до ртути ₈₀Hg (5d¹⁰), заполняется 5d-подуровень, а от таллия ₈₁Tl до радона ₈₆Rn – 6p-подуровень. ₈₆Rn инертный газ – завершает VI период.

VII период

Вслед за 7s-элементами (₈₇Fr, ₈₈Ra) начинается вставная декада актиния 6d¹, которая прерывается вставкой из 14 актиноидов, от тория ₉₀Th до лоуренсия ₁₀₃Lr. После них возобновляется заполнение вставной декады 6d. 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: ns² np⁶,

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

Следовательно, чтобы записать электронную формулу элемента, валентные электроны и определитьсемейство, к которому относится данный элемент, пользуемся общей формулой распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²5d¹4f¹⁴5d^2-106p⁶7s²6d¹5f¹⁴6d^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.