Элементы в периодической системе располагаются в последовательности возрастания порядковых номеров Z от 1 до 110. Порядковый номер элемента Z соответствует заряду ядра его атома, а также числу движущихся в поле ядра электронов.
Химические элементы по структуре невозбужденных атомов подразделяются на естественные совокупности, что отражено в периодической системе в виде горизонтальных и вертикальных рядов – периодов и групп.
Период представляет собой последовательный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа энергетических уровней (электронных слоев). Номер периода указывает на число электронных слоев в атомах элементов. Периоды начинаются s-элементами, в атомах которых на новом уровне появляется первый s – электрон с новым значением главного квантового числа n (водород и щелочные металлы), а заканчиваются р – элементами, атомами благородных газов, имеющих устойчивую электронную структуру внешнего уровня ns 2 np 6 (у первого периода – s – элементом 2 He).
Различие в последовательности заполнения электронных слоев (внешних и более близких к ядру) объясняет причину различной длины периодов. 1,2,3 периоды – малые, 4,5,6,7 – большие периоды. Малые периоды содержат 2 и 8 элементов, большие периоды – 18 и 32 элемента, седьмой период остается незавершенным, хотя конструктивно он построен аналогично шестому периоду.
В соответствии с максимальным числом электронов на внешнем уровне невозбужденных атомов элементы периодической системы подразделяются на восемь групп. Группы элементов – это совокупность элементов с одинаковым количеством валентных электронов в атоме. Номер группы равен числу валентных электронов.
Положение в группах s- и p- элементов определяется общим числом электронов внешнего слоя. Например, фосфор (), имеющий на внешнем слое пять электронов, относится кV группе, аргон () – кVIII, кальций () – коII группе и т. д.
Положение в группах d – элементов обусловливается общим числом s – электронов внешнего и d – электронов предвнешнего уровня. По этому признаку первые шесть элементов каждого семейства d – элементов располагаются в одной из соответствующих групп: скандий вIII, марганец вVII, железо вVIII и т. д. Цинк , у которого предвнешний слой завершен и внешними являются- электроны, относится коII группе. В атомах d – элементов, как правило, на внешнем уровне содержится по два электрона, за исключением Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Pt, Au. У последних наблюдается энергетически выгодный «провал» одного электрона с внешнего уровня на d – подуровень предвнешнего уровня, что происходит при достройке этого подуровня до пяти (половинная емкость) или десяти электронов (максимальная емкость), т. е. до состояния, когда все орбитали заняты каждая одним электроном или когда они заняты каждая парой электронов. В атоме палладия (Pd) происходит «двойной провал» электронов.
По наличию на внешнем слое лишь одного электрона (за счет «провала» одного из s – электронов внешнего слоя в предвнешний d – подслой) медь (), а также сереброи золотоотносят кI группе. Кобальт и никель, родийи палладий, иридийи платинувместе сFe, Ru, и Os обычно помещают в VIII группу.
В соответствии с особенностями электронных структур семейства 4f – (лантаноиды) и 5f – (актиноиды) элементов помещают в III группу.
Группы делятся на подгруппы: главные (подгруппы А) и побочные (подгруппы В). Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами (элементы - аналоги). s - и р – элементы составляют так называемую главную подгруппу, или подгруппу А, d – элементы – побочную, или подгруппу В.
Например, IV группа периодической системы состоит из следующих подгрупп:
|
Элементы главной подгруппы (А) |
Состоит из вертикальных рядов (групп) и горизонтальных рядов (периодов). Для лучшего понимания принципов объединения элементов в группы и периоды, рассмотрим нескольких элементов, скажем, первой, четвертой и седьмой групп.
Из приведенных выше электронных конфигураций видно, что внешние (самые высокие по энергии) электронные оболочки атомов одной группы заполнены электронами одинаково. К одной группе принадлежат элементы, расположенные в одном вертикальном столбце таблицы. Элементы IVA группы периодической системы имеет два электрона на s-орбитали и два электрона на р-орбиталях. Конфигурация внешней электронной оболочки атомов фтора F, хлора Сl и брома Вг также одинакова (два s- и пять р-электронов). И эти элементы относятся к одной группе (VIIA). Атомы элементов одной группы имеют одинаковое строение внешней электронной оболочки. Именно поэтому такие элементы имеют сходные химические свойства. Химические свойства каждого элемента определяются электронным строением атомов этого элемента . Это основополагающий принцип современной химии. Именно он лежит в основе периодической системы.
Номер группы периодической системы соответствует числу электронов на внешней электронной оболочке
атомов элементов этой группы. Номер периода (горизонтального ряда периодической таблицы) совпадает с номером высшей занятой электронной орбитали.
Например, натрий и хлор — оба элементы 3-го периода и у обоих типов атомов высший, заполненный электронами,уровень - третий.
Строго говоря, число электронов на внешней электронной оболочке определяет номер группы только для так называемых непереходных элементов, расположенных в группах с буквенным индексом А.
Электронное строение атомов определяет химические и физические свойства элементов. А т.к электронное строение атомов повторяется через период, то и свойства элементов также повторяются периодически.
Периодический закон Д. И. Менделеева имеет следующую формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов» .
Размеры атомов
Нам следует остановиться еще на двух видах информации, получаемой из периодической системы. Первый из них — вопрос о размере (радиусе) атомов. Если двигаться вниз в пределах данной группы, переход к каждому следующему элементу означает заполнение электронами следующего, все более высокого уровня. В группе IA внешний электрон атома натрия находится на Зs-орбитали, калия — на 4s-орбитали, рубидия - 5s-орбитали и т. д. Поскольку 4s-орбиталь больше по размеру, чем Зs-орбиталь, атом калия имеет большие размеры, чем атом натрия. По этой же причине в каждой группе размеры атомов возрастают сверху вниз .
При движении направо по периоду атомные массы возрастают, но размеры атомов, как правило, уменьшаются. Во 2-м периоде, например, атом неона Ne имеет меньший размер, чем атом фтора, который, в свою очередь, меньше атома кислорода.
Электроотрицательность
Другая тенденция, выявляемая с помощью периодической таблицы,- закономерное изменение злектроотрицательности элементов, т. е. относительной способности атомов притягивать электроны, образующие связи с другими атомами. Например, атомы инертных газов не склонны приобретать или терять электроны, тогда как атомы металлов легко отдают электроны, а атомы неметаллов охотно их принимают. Электроотрицательность (способность притягивать, приобретать электроны) возрастает слева направо в пределах периода и снизу вверх в пределах группы. Последняя группа (инертные газы) выпадает из этих закономерностей.
Фтор F, расположенный в правом верхнем углу периодической системы, - наиболее электроотрицательный элемент, а франций Fr, находящийся в левом нижнем углу, наименее электроотрицателен. Изменение электроотрицательности также показано стрелками на рисунке.
Пользуясь этой закономерностью, можно, например, утверждать, что кислород более электроотрицательный элемент, чем углерод или сера. Это значит, что атомы кислорода сильнее притягивают к себе электроны, чем атомы углерода и серы.
Первая и широко известная шкала относительных атомных электроотрицательностей Полинга охватывает значения от 0,7 для атомов франция до 4,0 для атомов фтора. 
Электронное строение инертных газов
Элементы последней группы периодической системы называются инертными (благородными) газами. В атомах этих элементов, кроме гелия Не, на внешней электронной оболочке имеется восемь электронов. Инертные газы не вступают в химические реакции и не образуют никаких соединений с другими элементами (кроме очень немногих исключений). Это связано с тем, что конфигурация из восьми электронов на внешней электронной оболочке чрезвычайно стабильна.
Атомы других элементов образуют химические связи таким образом, чтобы на их внешней оболочке оказалось восемь электронов. Это положение часто называют правилом октета
.
Периодическая система химических элементов - естественная классификация химических элементов, которая является графическим (табличным) выражением периодического закона химических элементов. Структура её, во многом сходная с современной, разработана Д. И. Менделеевым на основе периодического закона в 1869-1871 гг.
Прообразом периодической системы был "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом родстве", составленный Д. И. Менделеевым 1 марта 1869 г. На протяжении двух лет учёный непрерывно совершенствовал "Опыт системы", ввёл представление о группах, рядах и периодах элементов. В результате структура периодической системы приобрела во многом современные очертания.
Важным для её эволюции стало понятие о месте элемента в системе, определяемом номерами группы и периода. Опираясь на это понятие, Менделеев пришёл к выводу, что необходимо изменить атомные массы некоторых элементов: урана, индия, церия и его спутников. Это было первое практическое применение периодической системы. Менделеев также впервые предсказал существование нескольких неизвестных элементов. Учёный описал важнейшие свойства экаалюминия (будущего галлия), экабора (скандия) и экасилиция (германия). Кроме того, он предсказал существование аналогов марганца (будущих технеция и рения), теллура (полония), иода (астата), цезия (франция), бария (радия), тантала (протактиния). Прогнозы учёного в отношении данных элементов носили общий характер, поскольку эти элементы располагались в малоизученных областях периодической системы.
Первые варианты периодической системы во многом представляли лишь эмпирическое обобщение. Ведь был неясен физический смысл периодического закона, отсутствовало объяснение причин периодического изменения свойств элементов в зависимости от возрастания атомных масс. В связи с этим оставались нерешёнными многие проблемы. Есть ли границы периодической системы? Можно ли определить точное количество существующих элементов? Оставалась неясной структура шестого периода - каково точное количество редкоземельных элементов. Было неизвестно, существуют ли ещё элементы между водородом и литием, какова структура первого периода. Поэтому вплоть до физического обоснования периодического закона и разработки теории периодической системы перед ней не раз возникали серьёзные трудности. Неожиданным было открытие в 1894-1898 гг. плеяды инертных газов, которым, казалось, не находилось места в периодической системе. Эта трудность была устранена благодаря идее включить в структуру периодической системы самостоятельную нулевую группу. Массовое открытие радиоэлементов на стыке XIX и XX вв. (к 1910 г. их число составляло около 40) привело к резкому противоречию между необходимостью их размещения в периодической системе и её сложившейся структурой. Для них было только 7 вакантных мест в шестом и седьмом периодах. Эта проблема была решена в результате установления правил сдвига и открытия изотопов.
Одна из главных причин невозможности объяснить физический смысл периодического закона и структуру периодической системы состояла в том, что было неизвестно, как построен атом. Важнейшей вехой на пути развития периодической системы явилось создание атомной модели Э. Резерфордом (1911). На её основе голландский учёный А. Ван ден Брук (1913) высказал предположение, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома (Z). Это экспериментально подтвердил английский ученый Г. Мозли (1913). Периодический закон получил физическое обоснование: периодичность изменения свойств элементов стала рассматриваться в зависимости от Z-заряда ядра атома элемента, а не от атомной массы.
В результате структура периодической системы значительно упрочилась. Была определена нижняя граница системы. Это водород - элемент с минимальным Z = 1. Стало возможным точно оценить количество элементов между водородом и ураном. Были определены "пробелы" в периодической системе, соответствующие неизвестным элементам с Z = 43, 61, 72, 75, 85, 87. Однако оставались неясными вопросы о точном количестве редкоземельных элементов и, что особенно важно, не были вскрыты причины периодичности изменения свойств элементов в зависимости от Z.
Опираясь на сложившуюся структуру периодической системы и результаты изучения атомных спектров, датский учёный Н. Бор в 1918-1921 гг. развил представления о последовательности построения электронных оболочек и подоболочек в атомах. Учёный пришёл к выводу, что сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются. Таким образом, было показано, что периодичность изменения свойств химических элементов объясняется существованием периодичности в построении электронных оболочек и подоболочек атомов.
В настоящее время периодическая система охватывает 126 элементов. Из них все трансурановые элементы (Z = 93-107), а также элементы с Z = 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат), 87 (франций) получены искусственно. За всю историю существования периодической системы было предложено большое количество (> 500) вариантов ее графического изображения, преимущественно в виде таблиц, а также в виде различных геометрических фигур (пространственных и плоскостных), аналитических кривых (спиралей и пр.) и т. д. Наибольшее распространение получили короткая, длинная и лестничная формы таблиц.
В настоящее время предпочтение отдается короткой.
Фундаментальным принципом построения периодической системы является её подразделение на группы и периоды. Менделеевское понятие рядов элементов ныне не употребляется, поскольку лишено физического смысла. Группы, в свою очередь, подразделяются на главную (а) и побочную (b) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы - химические аналоги. Элементы а- и b-подгрупп в большинстве групп также обнаруживают между собой определённое сходство, главным образом в высших степенях окисления, которые, как правило, равны номеру группы. Периодом называется совокупность элементов, которая начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом (особый случай - первый период). Каждый период содержит строго определённое количество элементов. Периодическая система состоит из восьми групп и восьми периодов.
Особенность первого периода заключается в том, что он содержит всего 2 элемента: водород и гелий. Место водорода в системе неоднозначно. Поскольку он проявляет свойства, общие со щелочными металлами и с галогенами, то его помещают либо в Iаα-, либо в VIIaα - подгруппу, причем последний вариант употребляется чаще. Гелий - первый представитель VIIIa - подгруппы. Долгое время гелий и все инертные газы выделяли в самостоятельную нулевую группу. Это положение потребовало пересмотра после синтеза химических соединений криптона, ксенона и радона. В результате инертные газы и элементы бывшей VIII группы (железо, кобальт, никель и платиновые металлы) были объединены в рамках одной группы. Этот вариант не безупречен, так как инертность гелия и неона не вызывает сомнений.
Второй период содержит 8 элементов. Он начинается щелочным металлом литием, единственная степень окисления которого +1. Далее следует бериллий (металл, степень окисления +2). Бор проявляет уже слабо выраженный металлический характер и является неметаллом (степень окисления +3). Следующий за бором углерод - типичный неметалл, который проявляет степень окисления как +4, так и -4. Азот, кислород, фтор и неон - все неметаллы, причём у азота высшая степень окисления +5 соответствует номеру группы; для фтора известна степень окисления +7. Инертный газ неон завершает период.
Третий период (натрий - аргон) также содержит 8 элементов. Характер изменения их свойств во многом аналогичен тому, который наблюдался для элементов второго периода. Но здесь есть и своя специфика. Так, магний в отличие от бериллия более металличен, так же как и алюминий по сравнению с бором. Кремний, фосфор, сера, хлор, аргон - всё это типичные неметаллы. И все они, кроме аргона, проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы.
Как видим, в обоих периодах по мере увеличения Z наблюдается ослабление металлических и усиление неметаллических свойств элементов. Д. И. Менделеев называл элементы второго и третьего периодов (по его словам, малых) типическими. Элементы малых периодов принадлежат к числу самых распространённых в природе. Углерод, азот и кислород (наряду с водородом) - органогены, т.е. основные элементы органической материи.
Все элементы первого-третьего периодов размещаются в аα-подгруппах.
Четвёртый период (калий - криптон) содержит 18 элементов. По Менделееву, это первый большой период. После щелочного металла калия и щелочноземельного металла кальция следует ряд элементов, состоящий из 10 так называемых переходных металлов (скандий - цинк). Все они входят в b-подгруппы. Большинство переходных металлов проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы, кроме железа, кобальта и никеля. Элементы, начиная с галлия и кончая криптоном, принадлежат к а-подгруппам. Криптон в отличие от предшествующих инертных газов может образовывать химические соединения.
Пятый период (рубидий - ксенон) по своему построению аналогичен четвёртому. В нём также содержится вставка из 10 переходных металлов (иттрий - кадмий). У элементов этого периода есть свои особенности. В триаде рутений - родий - палладий для рутения известны соединения, где он проявляет степень окисления +8. Все элементы а-подгрупп проявляют высшие степени окисления, равные номеру группы, исключая ксенон. Можно заметить, что особенности изменения свойств у элементов четвёртого и пятого периодов по мере роста Z имеют по сравнению со вторым и третьим периодами более сложный характер.
Шестой период (цезий - радон) включает 32 элемента. В этом периоде кроме 10 переходных металлов (лантан, гафний - ртуть) содержится ещё и совокупность из 14 лантаноидов - от церия до лютеция. Элементы от церия до лютеция химически очень похожи, и на этом основании их давно включают в семейство редкоземельных элементов. В короткой форме периодической системы ряд лантаноидов включают в клетку лантана и расшифровку этого ряда дают внизу таблицы.
В чём состоит специфика элементов шестого периода? В триаде осмий - иридий - платина для осмия известна степень окисления +8. Астат имеет достаточно выраженный металлический характер. Радон, по всей вероятности, обладает наибольшей реакционной способностью из всех инертных газов. К сожалению, из-за того, что он сильно радиоактивен, его химия мало изучена.
Седьмой период начинается с франция. Подобно шестому, он также должен содержит 32 элемента. Франций и радий соответственно являются элементами Iaα- и IIаα-подгрупп, актиний принадлежит к III b-подгруппе. Наиболее распространено представление о семействе актиноидов, которое включает элементы от тория до лоуренсия и аналогично лантаноидам. Расшифровка этого ряда элементов также дается внизу таблицы.
Теперь посмотрим, как изменяются свойства химических элементов в подгруппах периодической системы. Основная закономерность этого изменения заключается в усилении металлического характера элементов по мере роста Z. Особенно отчётливо эта закономерность проявляется в IIIаα- VIIaα-подгруппах. Для металлов Iaα-IIIаα-подгрупп наблюдается рост химической активности. У элементов IVаα - VIIaα-подгрупп по мере увеличения Z наблюдается ослабление химической активности элементов. У элементов b-подгрупп изменение химической активности более сложно.
Теория периодической системы была разработана Н. Бором и другими учёными в 20-х гг. XX в. и основана на реальной схеме формирования электронных конфигураций атомов. Согласно этой теории, по мере роста Z заполнение электронных оболочек и подоболочек в атомах элементов, входящих в периоды периодической системы, происходит в следующей последовательности:
Номера периодов
На основании теории периодической системы можно дать следующее определение периода: период есть совокупность элементов, начинающаяся элементом со значением n, равным номеру периода, и l = 0 (s-элементы) и заканчивающаяся элементом с тем же значением n и l = 1 (р-элементы). Исключение составляет первый период, содержащий только 1s-элементы. Из теории периодической системы следуют и числа элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32...
На приложенной цветной вкладке символы элементов каждого типа (s-, р-, d- и f-элементы) изображены на определённом цветовом фоне: s-элементы - на красном, р-элементы - на оранжевом, d-элементы - на синем, f-элементы - на зелёном. В каждой клетке приведены порядковые номера и атомные массы элементов, а также электронные конфигурации внешних электронных оболочек, которые в основном и определяют химические свойства элементов.
Из теории периодической системы следует, что к а-подгруппам принадлежат элементы с n, равным номеру периода, и l = 0 и 1. К b-подгруппам относятся те элементы, в атомах которых происходит достройка оболочек, ранее остававшихся незавершёнными. Именно поэтому первый, второй и третий периоды не содержат элементов b-подгрупп.
Структура периодической системы элементов тесно связана со строением атомов химических элементов. По мере роста Z периодически повторяются сходные типы конфигурации внешних электронных оболочек. А именно они определяют основные особенности химического поведения элементов. Эти особенности по-разному проявляются для элементов а-подгрупп (s- и р-элементы), для элементов b-подгрупп (переходные d-элементы) и элементов f-семейств - лантаноидов и актиноидов. Особый случай представляют элементы первого периода - водород и гелий. Для водорода характерна высокая химическая активность, потому что его единственный 1s-электрон легко отщепляется. В то же время конфигурация гелия (1s 2) весьма устойчива, что обусловливает его полную химическую бездеятельность.
У элементов а-подгрупп происходит заполнение внешних электронных оболочек (с n, равным номеру периода); поэтому свойства этих элементов заметно изменяются по мере роста Z. Так, во втором периоде литий (конфигурация 2s) - активный металл, легко теряющий единственный валентный электрон; бериллий (2s 2) - также металл, но менее активный вследствие того, что его внешние электроны более прочно связаны с ядром. Далее, бор (2s 2 р) имеет слабо выраженный металлический характер, а все последующие элементы второго периода, у которых происходит построение 2р-подоболочки, являются уже неметаллами. Восьмиэлектронная конфигурация внешней электронной оболочки неона (2s 2 р 6) - инертного газа - очень прочна.
Химические свойства элементов второго периода объясняются стремлением их атомов приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа (конфигурацию гелия - для элементов от лития до углерода или конфигурацию неона - для элементов от углерода до фтора). Вот почему, например, кислород не может проявлять высшей степени окисления, равной номеру группы: ведь ему легче достичь конфигурации неона путём приобретения дополнительных электронов. Такой же характер изменения свойств проявляется у элементов третьего периода и у s- и р-элементов всех последующих периодов. В то же время ослабление прочности связи внешних электронов с ядром в а-подгруппах по мере роста Z проявляется в свойствах соответствующих элементов. Так, для s-элементов отмечается заметный рост химической активности по мере роста Z, а для р-элементов - нарастание металлических свойств.
В атомах переходных d-элементов достраиваются не завершенные ранее оболочки со значением главного квантового числа n, на единицу меньшим номера периода. За отдельными исключениями, конфигурация внешних электронных оболочек атомов переходных элементов - ns 2 . Поэтому все d-элементы являются металлами, и именно поэтому изменения свойств d-элементов по мере роста Z не так резки, как мы это видели у s-и р-элементов. В высших степенях окисления d-элементы проявляют определенное сходство с р-элементами соответствующих групп периодической системы.
Особенности свойств элементов триад (VIII b-подгруппа) объясняются тем, что d-подоболочки близки к завершению. Вот почему железо, кобальт, никель и платиновые металлы, как правило, не склонны давать соединения высших степеней окисления. Исключение составляют лишь рутений и осмий, дающие оксиды RuO 4 и OsO 4 . У элементов Ib- и IIb-подгрупп d-подоболочка фактически оказывается завершенной. Поэтому они проявляют степени окисления, равные номеру группы.
В атомах лантаноидов и актиноидов (все они металлы) происходит достройка ранее не завершенных электронных оболочек со значением главного квантового числа n на две единицы меньше номера периода. В атомах этих элементов конфигурация внешней электронной оболочки (ns 2) сохраняется неизменной. В то же время f-электроны фактически не оказывают влияния на химические свойства. Вот почему лантаноиды так сходны.
У актиноидов дело обстоит гораздо сложнее. В интервале зарядов ядер Z = 90 - 95 электроны 6d и 5f могут принимать участие в химических взаимодействиях. А отсюда следует, что актиноиды проявляют гораздо более широкий диапазон степеней окисления. Например, для нептуния, плутония и америция известны соединения, где эти элементы выступают в семивалентном состоянии. Только у элементов, начиная с кюрия (Z = = 96), становится устойчивым трехвалентное состояние. Таким образом, свойства актиноидов значительно отличаются от свойств лантаноидов, и оба семейства поэтому нельзя считать подобными.
Семейство актиноидов заканчивается элементом с Z = 103 (лоуренсий). Оценка химических свойств курчатовия (Z = 104) и нильсбория (Z = 105) показывает, что эти элементы должны быть аналогами соответственно гафния и тантала. Поэтому ученые полагают, что после семейства актиноидов в атомах начинается систематическое заполнение 6d-подоболочки.
Конечное число элементов, которое охватывает периодическая система, неизвестно. Проблема её верхней границы - это, пожалуй, основная загадка периодической системы. Наиболее тяжёлый элемент, который удалось обнаружить в природе, - это плутоний (Z = 94). Достигнутый предел искусственного ядерного синтеза - элемент с порядковым номером 118. Остается открытым вопрос: удастся ли получить элементы с большими порядковыми номерами, какие и сколько? На него нельзя пока ответить сколь-либо определённо.
С помощью сложнейших расчетов, выполненных на электронных вычислительных машинах, ученые попытались определить строение атомов и оценить важнейшие свойства таких "сверхэлементов", вплоть до огромных порядковых номеров (Z = 172 и даже Z = 184). Полученные результаты оказались весьма неожиданными. Например, в атоме элемента с Z = 121 предполагается появление 8р-электрона; это после того, как в атомах c Z = 119 и 120 завершилось формирование 85-подоболочки. А ведь появление р-электронов вслед за s-электронами наблюдается только в атомах элементов второго и третьего периодов. Расчёты показывают также, что у элементов гипотетического восьмого периода заполнение электронных оболочек и подоболочек атомов происходит в очень сложной и своеобразной последовательности. Поэтому оценить свойства соответствующих элементов - проблема весьма сложная. Казалось бы, восьмой период должен содержать 50 элементов (Z = 119-168), но согласно расчетам, он должен завершаться у элемента с Z = 164, т. е. на 4 порядковых номера раньше. А "экзотический" девятый период, оказывается, должен состоять из 8 элементов. Вот его "электронная" запись: 9s 2 8p 4 9p 2 . Иными словами, он содержал бы всего 8 элементов, как второй и третий периоды.
Трудно сказать, насколько соответствовали бы истине расчёты, проделанные с помощью ЭВМ. Однако если бы они были подтверждены, то пришлось бы серьезно пересмотреть закономерности, лежащие в основе периодической системы элементов и её структуры.
Периодическая система сыграла и продолжает играть огромную роль в развитии различных областей естествознания. Она явилась важнейшим достижением атомно-молекулярного учения, способствовала появлению современного понятия "химический элемент" и уточнению понятий о простых веществах и соединениях.
Закономерности, вскрытые периодической системой, оказали существенное влияние на разработку теории строения атомов, открытие изотопов, появление представлений о ядерной периодичности. С периодической системой связана строго научная постановка проблемы прогнозирования в химии. Это проявилось в предсказании существования и свойств неизвестных элементов и новых особенностей химического поведения элементов, уже открытых. Ныне периодическая система представляет фундамент химии, в первую очередь неорганической, существенно помогая решению задачи химического синтеза веществ с заранее заданными свойствами, разработке новых полупроводниковых материалов, подбору специфических катализаторов для различных химических процессов и т.д. И наконец, периодическая система лежит в основе преподавания химии.
Состав атома.
Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки .
Ядро атома состоит из протонов (p + ) и нейтронов (n 0). У большинства атомов водорода ядро состоит из одного протона.
Число протонов N (p + ) равно заряду ядра (Z ) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).
N (p +) = Z
Сумма числа нейтронов N (n 0), обозначаемого просто буквой N , и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А .
A = Z + N
Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е -).
Число электронов N (e -) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.
Масса протона примерно равна массе нейтрона и в 1840 раз больше массы электрона, поэтому масса атома практически равна массе ядра.
Форма атома - сферическая. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома.
Химический элемент - вид атомов (совокупность атомов) с одинаковым зарядом ядра (с одинаковым числом протонов в ядре).
Изотоп - совокупность атомов одного элемента с одинаковым числом нейтронов в ядре (или вид атомов с одинаковым числом протонов и одинаковым числом нейтронов в ядре).
Разные изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов.
Обозначение отдельного атома или изотопа: (Э - символ элемента), например: .
Строение электронной оболочки атома
Атомная орбиталь - состояние электрона в атоме. Условное обозначение орбитали - . Каждой орбитали соответствует электронное облако.
Орбитали реальных атомов в основном (невозбужденном) состоянии бывают четырех типов: s , p , d и f .
Электронное облако - часть пространства, в которой электрон можно обнаружить с вероятностью 90 (или более) процентов.
Примечание : иногда понятия "атомная орбиталь" и "электронное облако" не различают, называя и то, и другое "атомной орбиталью".
Электронная оболочка атома слоистая. Электронный слой образован электронными облаками одинакового размера. Орбитали одного слоя образуют электронный ("энергетический") уровень , их энергии одинаковы у атома водорода, но различаются у других атомов.
Однотипные орбитали одного уровня группируются в электронные (энергетические)
подуровни:
s
-подуровень (состоит из одной s
-орбитали), условное обозначение - .
p
-подуровень (состоит из трех p
d
-подуровень (состоит из пяти d
-орбиталей), условное обозначение - .
f
-подуровень (состоит из семи f
-орбиталей), условное обозначение - .
Энергии орбиталей одного подуровня одинаковы.
При обозначении подуровней к символу подуровня добавляется номер слоя (электронного уровня), например: 2s , 3p , 5d означает s -подуровень второго уровня, p -подуровень третьего уровня, d -подуровень пятого уровня.
Общее число подуровней на одном уровне равно номеру уровня n . Общее число орбиталей на одном уровне равно n 2 . Соответственно этому, общее число облаков в одном слое равно также n 2 .
Обозначения: - свободная орбиталь (без электронов), - орбиталь с неспаренным электроном, - орбиталь с электронной парой (с двумя электронами).
Порядок заполнения электронами орбиталей атома определяется тремя законами природы (формулировки даны упрощенно):
1. Принцип наименьшей энергии - электроны заполняют орбитали в порядке возрастания энергии орбиталей.
2. Принцип Паули - на одной орбитали не может быть больше двух электронов.
3. Правило Хунда - в пределах подуровня электроны сначала заполняют свободные орбитали (по одному), и лишь после этого образуют электронные пары.
Общее число электронов на электронном уровне (или в электронном слое) равно 2n 2 .
Распределение подуровней по энергиям выражается рядом (в прядке увеличения энергии):
1s , 2s , 2p , 3s , 3p , 4s , 3d , 4p , 5s , 4d , 5p , 6s , 4f , 5d , 6p , 7s , 5f , 6d , 7p ...
Наглядно эта последовательность выражается энергетической диаграммой:
Распределение электронов атома по уровням, подуровням и орбиталям (электронная конфигурация атома) может быть изображена в виде электронной формулы, энергетической диаграммы или, упрощенно, в виде схемы электронных слоев ("электронная схема").
Примеры электронного строения атомов:
Валентные электроны - электроны атома, которые могут принимать участие в образовании химических связей. У любого атома это все внешние электроны плюс те предвнешние электроны, энергия которых больше, чем у внешних. Например: у атома Ca внешние электроны - 4s 2 , они же и валентные; у атома Fe внешние электроны - 4s 2 , но у него есть 3d 6 , следовательно у атома железа 8 валентных электронов. Валентная электронная формула атома кальция - 4s 2 , а атома железа - 4s 2 3d 6 .
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
(естественная система химических элементов)
Периодический закон химических элементов (современная формулировка): свойства химических элементов, а также простых и сложных веществ, ими образуемых, находятся в периодической зависимости от значения заряда из атомных ядер.
Периодическая система - графическое выражение периодического закона.
Естественный ряд химических элементов - ряд химических элементов, выстроенных по возрастанию числа протонов в ядрах их атомов, или, что то же самое, по возрастанию зарядов ядер этих атомов. Порядковый номер элемента в этом ряду равен числу протонов в ядре любого атома этого элемента.
Таблица химических элементов строится путем "разрезания" естественного ряда химических элементов на периоды (горизонтальные строки таблицы) и объединения в группы (вертикальные столбцы таблицы) элементов, со сходным электронным строением атомов.
В зависимости от способа объединения элементов в группы таблица может быть длиннопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом и типом валентных электронов) и короткопериодной (в группы собраны элементы с одинаковым числом валентных электронов).
Группы короткопериодной таблицы делятся на подгруппы (главные и побочные ), совпадающие с группами длиннопериодной таблицы.
У всех атомов элементов одного периода одинаковое число электронных слоев, равное номеру периода.
Число элементов в периодах: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Большинство элементов восьмого периода получены искусственно, последние элементы этого периода еще не синтезированы. Все периоды, кроме первого начинаются с элемента, образующего щелочной металл (Li, Na, K и т. д.), а заканчиваются элементом, образующим благородный газ (He, Ne, Ar, Kr и т. д.).
В короткопериодной таблице - восемь групп, каждая из которых делится на две подгруппы (главную и побочную), в длиннопериодной таблице - шестнадцать групп, которые нумеруются римскими цифрами с буквами А или В, например: IA, IIIB, VIA, VIIB. Группа IA длиннопериодной таблицы соответствует главной подгруппе первой группы короткопериодной таблицы; группа VIIB - побочной подгруппе седьмой группы: остальные - аналогично.
Характеристики химических элементов закономерно изменяются в группах и периодах.
В периодах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается число внешних электронов,
- уменьшается радиус атомов,
- увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),
- увеличивается электроотрицательность,
- усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"),
- ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность"),
- ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,
- возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов.
В группах (с увеличением порядкового номера)
- увеличивается заряд ядра,
- увеличивается радиус атомов (только в А-группах),
- уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в А-группах),
- уменьшается электроотрицательность (только в А-группах),
- ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в А-группах),
- усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в А-группах),
- возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в А-группах),
- снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в А-группах).
Задачи и тесты по теме "Тема 9. "Строение атома. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (ПСХЭ)"."
- Периодический закон - Периодический закон и строение атомов 8–9 класс
Вы должны знать: законы заполнения орбиталей электронами (принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда), структуру периодической системы элементов.Вы должны уметь: определять состав атома по положению элемента в периодической системе, и, наоборот, находить элемент в периодической системе, зная его состав; изображать схему строения, электронную конфигурацию атома, иона, и, наоборот, определять по схеме и электронной конфигурации положение химического элемента в ПСХЭ; давать характеристику элемента и образуемых им веществ по его положению в ПСХЭ; определять изменения радиуса атомов, свойств химических элементов и образуемых ими веществ в пределах одного периода и одной главной подгруппы периодической системы.
Пример 1. Определите количество орбиталей на третьем электронном уровне. Какие это орбитали?
Для определения количества орбиталей воспользуемся формулой N орбиталей = n 2 , где n - номер уровня. N орбиталей = 3 2 = 9. Одна 3s -, три 3p - и пять 3d -орбиталей.Пример 2. Определите, у атома какого элемента электронная формула 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 .
Для того, чтобы определить, кокой это элемент, надо выяснить его порядковый номер, который равен суммарному числу электронов атома. В данном случае: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. Это алюминий.Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий. Желаем успехов.
Рекомендованная литература:- О. С. Габриелян и др. Химия 11 кл. М., Дрофа, 2002;
- Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. Химия 11 кл. М., Просвещение, 2001.
