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.

Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru I период

I энергетический уровень, n=1 1s

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

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

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

В соответствии с принципом Паули появляется второй электрон на орбитали:

II период

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

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

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

s-элементы – элементы, у которых происходит заполнение s-подуровня внешнего уровня, а валентными электронами являются ns1-2.

p-элементы – элементы, у которых происходит заполнение p-подуровня внешнего уровня, а валентными электронами являются n s2 n p1-6.

III период

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

III энергетический уровень, n=3

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

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.

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

Со скандия 21Sc возобновляется достройка третьего уровня.

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

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

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

d-элементы – элементы, у которых происходит заполнение d-подуровня предвнешнего уровня, а валентными электронами являются ns2 (n-1)d1-10.

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

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

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

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

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

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)f1-14.

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: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s25d14f145d2-106p67s26d15f146d2-10.., и представленной ниже схемой (рис. 2.4), на которой показаны валентные электроны для каждого из семейств элементов.

 
  Д. И. Менделеева и строение атомов элементов. - student2.ru

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.

Наши рекомендации