Пособие по неорганической химии
Шрифт:
Далее у атомов C, N, F идет заполнение 2р-орбиталей, которое заканчивается у атома Ne.
Начиная с элементов третьего периода у атомов идет заполнение третьего M-уровня (n = 3), состоящего из 3s-, 3p-, 3d-подуровней.
Порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней теоретически обосновывает периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.
Теоретическое обоснование периодического закона
Современная формулировка периодического закона следующая:
свойства атомов химических элементов, а также состав и свойства образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.
Сущность
Период представляет собой последовательный ряд элементов, заряд ядер которых возрастает каждый раз на единицу. Очередной период начинается щелочным элементом (s-элементом) и заканчивается инертным (благородным) газом (р-элементом) с завершенной конфигурацией р-уровня.
В периодах с увеличением заряда ядра металлические свойства убывают и нарастают неметаллические свойства.
Первый период содержит два элемента: водород и гелий, у них заполняется первый электронный слой: 1Н 1s1, 2Не 1s2.
Во 2 периоде 8 элементов, и заполняется второй электронный слой:
6С 1s2222p2; 8O 1s22s22p4; 10Ne 1s22s22p5; 9F 1s22s22p5.
Третий период начинается с натрия (Na), электроны заполняют третий энергетический уровень: 11Na1s22s22p63s1. Завершается его заполнение у инертного газа аргона: 18Ar 1s22s22p63s23p6.
Четвертый период начинается калием (19К 1s22s22p63s23p64s1), его 19-й электрон занял 4s-подуровень, энергия которого ниже энергии 4d-подуровня.
В конце периода находится элемент, у которого внешний электронный слой атома заполнен. Его конфигурация включает восемь электронов.
Таким образом, с увеличением заряда ядра наблюдается периодическая повторяемость электронных конфигураций внешнего слоя атомов s- и р-элементов.
Малые периоды отличаются от больших прежде всего числом элементов, а значит и их строением. Разное число элементов в периодах объясняется закономерностью заполнения электронных оболочек атомов.
Первые три периода малые (1–2 электрона, 2 и 3–8 электронов).
В 4-ом периоде 18 элементов, два первых – это s-элементы (К, Са), в атомах которых заполняется внешний электронный слой (4 s-орбиталь). Последние 6 элементов – это р-элементы. В их атомах заполняется внешний слой (4р-орбиталь). Между s- и р-элементами расположены 10 d-элементов. В их атомах заполняются d-орбитали предвнешнего электронного слоя.
Подобная же картина наблюдается в 5-ом периоде, состоящем из 18 элементов. В нем также 2 s-элемента, 10 d-элементов
Шестой период состоит из 32 элементов. Это 2 s-элемента, 10 d-элементов, 6 р-элементов и 14 f-элементов, которые вынесены за пределы таблицы.
Седьмой период незавершенный. Заполнение электронами электронных уровней аналогично 6-ому периоду. После заполнения 7s-подуровня у франция (Z=87) и радия (Z=88) электрон актиния поступает на 6d-подуровень, после которого начинается заполнение 5f-подуровня 14 электронами. Это происходит у атомов элементов актиноидов с Z=90…103. После 103-го элемента идет заполнение 6d-подуровня: у резерфордия (Z=104), дубния (Z=105), сиборгия (Z=106), бория (Z=107) и т.д. Актиноиды, как и лантоноиды, обладают многими сходными химическими свойствами.
От всех других групп отличается VIII группа. Помимо главной подгруппы имеется побочная подгруппа, состоящая и из 9 элементов: семейство железа (Fe, Co, Ni) и семейство платины (Ru, Rh, Pb, Os, Ir, Pt).
В главную подгруппу входят s- и р-элементы, а в побочную d-элементы.
Таким образом, структура периодической системы связана с электронной структурой элементов. В периодической системе все химические элементы располагаются в порядке возрастания атомных номеров элементов. Величина атомного номера соответствует положительному заряду ядра атома соответствующего элемента. В периодической системе 7 периодов и 18 групп (8 групп А и 10 групп В). С увеличением зарядов ядер происходит постепенное заполнение электронных структур атомов в соответствии с принципами заполнения. Следовательно, структура периодической системы связана с электронной структурой элементов.
В зависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронами последним, различают четыре типа элементов:
1) s-элементы (завершается s-подуровень),
2) р-элементы (заполняется р-подуровень),
3) d-элементы (заполняется d-подуровень предвнешнего энергетического уровня) и
4) f-элементы (заполняется предпредвнешний энергетический уровень, f-подуровень).
Номер периода указывает на число энергетических уровней, на которых находятся электроны в атомах конкретного элемента, и именно в этом заключается физический смысл номера периода. В периоде с увеличением заряда ядра атомов наблюдается постепенное изменение свойств от металлических к неметаллическим. Такое изменение свойств объясняется увеличением числа электронов на внешнем энергетическом уровне атомов. Первые три периода содержат только s- и р-элементы, последующие три включают в свой состав также также d-и f-элементы, которые образуют В-группы (побочные).
В группах объединены элементы, которые имеют сходное электронное строение внешнего энергетического уровня.
Номер группы, в которой находится элемент, указывает на максимальное число электронов, которое может участвовать в образовании химических связей, т.е. валентных электронов. В этом состоит физический смысл номера группы.
Связь периодической системы элементов с теорией строения атомов
1. Порядковый номер элемента соответствует значению заряда ядра (количество протонов) и числу электронов на энергетических уровнях в его атоме.
Возрастание положительных зарядов атомных ядер от 1 до 107 приводит к периодическому повторению строения электронных оболочек атомов, от чего зависят химические свойства элементов.
2. Номер периода соответствует числу энергетических уровней в атомах данного элемента.
3. Периодичность изменения химических свойств элементов зависит от периодичности расположения электронов по энергетическим уровням.
4. Возрастание высших степеней окисления в соединениях с кислородом и уменьшение степеней окисления в соединениях с водородом в периодах слева направо объясняется увеличением числа электронов на внешних энергетических уровнях.