Периодическая система элементов и электронная структура атомов

Положение элемента в периодической системе определяется электронным строением его атома (электронной формулой его основного состояния).

Например, в первом периоде первый элемент - водород. Его единственный электрон располагается на самом низком по энергии s-подуровне 1-го энергетического уровня. Его электронная формула: 1s¹. На орбитали 1s может быть размещен согласно принципу Паули еще один электрон с противоположным спином. Это наблюдается у атома гелия: 1s². Первый электронный слой в атоме Не является завершенным, т.к. на 1-ом энергетическом уровне может находиться только два электрона. Гелием заканчивается первый период системы.

У элементов второго периода электроны заполняют 2-й энергетический уровень, имея на 1-ом завершенную структуру атома Не. На 2-ом уровне может находиться не более восьми электронов, и период содержит восемь элементов. По принципу минимальной энергии электроны заполняют сначала s-подуровень, а затем р-подуровень 2-го уровня. Заполнение р-подуровня по правилу Хунда показывают графические электронные формулы элементов (табл. 3). Второй электронный слой в атоме Ne является завершенным, неоном заканчивается второй период системы.

Таблица 3. Электронные формулы элементов второго периода

Элемент	Полная формула	Сокращенная формула	Графическая формула
3Li	1s22s1	[Не] 2s1	2s ↑  1s  ↑↓
4Be	1s22s2	[Не] 2s2	2p       2s ↑↓  1s ↑↓
5В	1s22s22р1	[Не] 2s22р1	2p  ↑     2s  ↑↓ 1s  ↑↓
6С	1s22s22р2	[Не] 2s22р2	2p  ↑ ↑    2s ↑↓  1s  ↑↓
7N	1s22s22р3	[Не] 2s22р3	2p  ↑  ↑  ↑ 2s ↑↓  1s  ↑↓
8О	1s22s22р4	[Не] 2s22р4	2p  ↑↓ ↑   ↑ 2s  ↑↓ 1s  ↑↓
9F	1s22s22р5	[Не] 2s22р5	2p  ↑↓  ↑↓  ↑ 2s  ↑↓ 1s  ↑↓
10Ne	1s22s22р6	[Не] 2s22р6	2p  ↑↓  ↑↓  ↑↓ 2s  ↑↓ 1s ↑↓

В атомах элементов третьего периода формируется 3-й электронный слой над завершенной структурой неона. В 3-ем слое может находиться до 18 электронов. Вначале заполняется 3s-подуровень, потом 3р-подуровень. Заполнения 3d-подуровня не происходит в основном состоянии атомов, поэтому период содержит не 18, а 8 элементов:

₁₁Na 1s²2s²2р⁶3s¹ , или [Nе] 3s¹

₁₂Mg 1s²2s²2р⁶3s² , или [Nе] 3s²

₁₃Al 1s²2s²2р⁶3s²3p¹ , или [Nе] 3s²3p¹

₁₄Si 1s²2s²2р⁶3s²3p² , или [Nе] 3s²3p²

₁₅P 1s²2s²2р⁶3s²3p³ , или [Nе] 3s²3p³

₁₆S 1s²2s²2р⁶3s²3p⁴ , или [Nе] 3s²3p⁴

₁₇Cl 1s²2s²2р⁶3s²3p⁵ , или [Nе] 3s²3p⁵

₁₈Ar 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶ , или [Nе] 3s²3p⁶

В атоме аргона внешний уровень завершен, аргоном заканчивается третий период системы. У элементов третьего периода повторяются электронные структуры внешних оболочек элементов второго периода.

У элементов четвертого периода происходит электронная достройка над завершенной структурой аргона, у которого остались свободными пять орбиталей 3d-подуровня. Согласно правилу Клечковского энергия 4s-подуровня меньше, чем энергия 3d-подуровня, поэтому у первых двух элементов (калия и кальция) электронами заполняется 4s-подуровень. Затем у десяти элементов (от Sc до Zn) происходит заполнение 3d-подуровня, энергетически более выгодного (более низкого по энергии), чем 4р-подуровень. У последних шести элементов (от Ga до Kr) заполняется 4р-подуровень. Всего в периоде 18 элементов:

₁₉K 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s¹, или [Ar] 4s¹

₂₀Ca 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s², или [Ar] 4s²

₂₁Sc 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹, или [Ar] 4s²3d¹

₂₂Ti 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d², или [Ar] 4s²3d²

₂₃V 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d³, или [Ar] 4s²3d³

₂₄Cr 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵, или [Ar] 4s¹3d⁵

₂₅Mn 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d⁵, или [Ar] 4s²3d⁵

₂₆Fe 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d⁶, или [Ar] 4s²3d⁶

₂₇Co 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d⁷, или [Ar] 4s²3d⁷

₂₈Ni 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d⁸, или [Ar] 4s²3d⁸

₂₉Cu 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s¹3d¹⁰, или [Ar] 4s¹3d¹⁰

₃₀Zn 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰, или [Ar] 4s²3d¹⁰

₃₁Ga 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p¹, или [Ar] 4s²3d¹⁰4p¹

₃₂Ge 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p², или [Ar] 4s²3d¹⁰4p²

₃₃As 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p³, или [Ar] 4s²3d¹⁰4p³

₃₄Se 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴, или [Ar] 4s²3d¹⁰4p⁴

₃₅Br 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵, или [Ar] 4s²3d¹⁰4p⁵

₃₆Kr 1s²2s²2р⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶, или [Ar] 4s²3d¹⁰4p⁶

В атомах хрома и меди наблюдается явление "провала" ("проскока") электрона с 4s- на 3d-подоболочку, обусловленное более низкой энергией образующейся конфигурации.

У 18 элементов пятого периода повторяется та же последовательность заполнения 5s-, 4d- и 5р-подуровней, что и в предыдущем периоде, при этом остается незаполненным 4f-подуровень.

В шестом периоде после заполнения 6s-подуровня у Cs и Ba начинается заполнение 5d-подуровня у лантана, но у следующих 14 элементов от Ce доLu происходит более энергетически выгодное формирование 4f-подуровня. Это лантаноиды, похожие по свойствам на лантан, вынесенные в отдельный ряд внизу периодической системы. Затем до Hg продолжается заполнение оставшихся орбиталей 5d-подуровня. И у последних шести элементов от Tl до Rn идет заполнение 6р-подуровня. Всего в периоде 32 элемента.

Седьмой период формируется аналогично шестому, но не завершен, имеет пока 25 элементов.

Элементы называются s-, p-, d- или f-элементами в соответствии с заполнением в их атомах s-, p-, d- или f-подоболочек внешних или предвнешних электронных слоев.

Сравнение электронных формул элементов показывает, что на внешней оболочке любого атома находится от 1 до 8 электронов. Наиболее устойчивые состояния атомов возникают либо при полностью заполненной восьмиэлектронной, либо совсем не заполненной электронами внешней оболочке.

Установление электронных конфигураций атомов подтвердило правильность положения элементов в периодической системе. Они были расположены Менделеевым в порядке заполнения электронами оболочек и подоболочек.

Наиболее часто используются две формы таблицы Менделеева, отличающиеся количеством групп: традиционная менделеевская "короткая" (8 групп) и утвержденная в 1989 г. IUPAC официальная "длинная" (18 групп) (приложения 1, 2). Структура периодической системы в сравнении этих форм может быть представлена следующим образом.

1. В периодической системе элементы расположены в порядке увеличения заряда ядра, т.е. в порядке увеличения числа протонов в ядре и равного ему числа электронов в нейтральном атоме. От элемента к элементу число протонов и число электронов увеличивается на 1.

2. Периоды в таблице Менделеева - это горизонтальные отрезки общей последовательности элементов, в которых происходит изменение свойств от типичных металлов к типичным неметаллам.

Номер периода для расположенных в нем элементов равен значению главного квантового числа и указывает число энергетических уровней и номер внешнего уровня, который заполняется электронами в их атомах.

Длина периода определяется числом электронов в заполняющихся подуровнях внешнего и предвнешних уровней. Первый, второй и третий периоды называются малыми, остальные - большими. В атомах элементов первого периода заполняется 1s-подуровень, который может содержать 2 электрона, поэтому в периоде - два элемента. В атомах элементов второго и третьего периодов заполняются соответственно 2s-, 2р- и 3s-, 3р-подуровни, которые могут содержать 8 электронов, поэтому в этих периодах имеется по восемь элементов. В атомах элементов четвертого и пятого периодов заполняются соответствующие s-, р- и d-подуровни, которые в сумме могут содержать 18 электронов, и в этих периодах - по 18 элементов. В шестом и седьмом периодах в заполняющихся s-, p-, d- и f-подуровнях может содержаться 32 электрона. В шестом периоде - 32 элемента, в седьмом - пока 25.

Свойства элементов определяются строением внешней электронной оболочки их атомов. В периодах происходит изменение конфигураций внешних оболочек от ns¹ до ns²np⁶, что отражается в изменении свойств элементов от типичных металлов к типичным неметаллам. Металлические свойства связаны с легкостью отдачи 1-3 электронов атомом, неметаллические - с легкостью принятия электронов для формирования устойчивой восьмиэлектронной оболочки.

В малых периодах происходит изменение внешней оболочки у каждого из атомов, поэтому наблюдается резкое изменение свойств элементов от металлов до неметаллов. В больших периодах заполнение электронами предвнешних (n-1)d-подуровней и вторых снаружи (n-2)f-подуровней оказывает меньшее влияние на изменение свойств атомов, поэтому переход от типичных металлов к типичным неметаллам происходит медленнее, чем в малых периодах. Все d- и f-элементы являются металлами, многие из них - с переменной валентностью.

И "короткая", и "длинная" формы таблицы Менделеева содержат по семь периодов. В "короткой" форме периоды делятся на ряды (четный и нечетный), которые располагаются один под другим.

3. Строение внешних электронных оболочек и подоболочек атомов и связанные с ним химические свойства элементов с ростом заряда ядра периодически повторяются. В этом состоит сущность явления периодичности, суть периодического закона.

Группы в периодической системе содержат элементы, имеющие одинаковую структуру внешних электронных оболочек, т.е. сходные валентные состояния и формулы образуемых соединений.

Номер группы в "короткой" форме указывает число электронов на внешнем уровне атомов, в "длинной" форме - число электронов на внешнем уровне и d-подуровне предвнешнего уровня (если он есть и если он заполняется).

В "короткой" форме таблицы Менделеева восемь групп (I - VIII), что соответствует максимальному числу электронов на внешнем уровне. Каждая группа разделена на две подгруппы. Главные подгруппы (IA - VIIIA) составлены s- и p-элементами, в атомах которых электроны внешнего уровня являются валентными, участвуют в химических взаимодействиях. Побочные подгруппы (IB - VIIIB) содержат d-элементы, у них валентными могут быть электроны внешнего уровня и d-подуровня предпоследнего уровня.

В "длинной" форме таблицы 18 групп, что соответствует максимальному числу электронов на внешнем уровне и d-подуровне предвнешнего уровня. 1-я и 2-я группы содержат s-элементы, 3-12 группы - d-элементы, 13-18 группы - p-элементы.

У элементов одной группы набор валентных состояний может различаться в связи с возможностью перехода атома в возбужденное состояние.

4. Каждая клетка в современных формах периодической системы содержит полную информацию об электронном строении атома: общее число электронов (атомный номер), число электронов на каждом энергетическом уровне (вертикальный столбец цифр) и конфигурацию внешнего уровня и предвнешних d- и f-подуровней (если они заполняются в атоме данного элемента) (приложение 1).

5. Современная формулировка периодического закона: свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями атомов.