14.2. Періодична система елементів

Розглянемо зміни електронної конфігурації при збільшенні атомного номера . Енергія електронів у атомі залежить від квантових чисел , причому вона зростає як при збільшенні так і .

Правило заповнення електронних оболонок було сформульовано Маделунгом,яке виконується в основному в загальних рисах . Заповнення оболонок іде в порядку зростання суми квантових чисел , причому для кожного значення суми в міру зростання квантового числа . Чим менше головне квантове число , тим більша енергія зв’язку, тобто тим нижче на шкалі енергії знаходиться електрон, бо , коли . Тому спочатку будуть заповнюватись шари і із квантовими числами і 2, що відповідає першому та другому періодам періодичної системи елементів.

У першому періоді знаходиться 2 елементи і , бо заповнюється К-шар з , у якому є лише одна оболонка з станами.

У другому періоді заповнюється -шар з з двома і оболонками, у якому може бути лише станів. Тому другий період містить 8 елементів: 2 стани на оболонці й 6 станів на оболонці ( ). Згідно принципу Паулі, в цих станах, принаймні, одне із квантових чисел або повинно бути для двох станів різним.

Нажаль, точно не можливо вказати, які із цих станів дійсно заповнені електронами, бо модель атома дуже наближена. Вона не враховує тонкощі у взаємодії електронів багатоелектронних атомів, що не дозволяє використовувати принцип мінімуму енергії. Тому для визначення електронної конфігурації, як і у випадку встановлення енергетичної ієрархії термів (розділ 11.3), використовують емпіричні правила Хунда (Гунда). Згідно правилам Хунда, найменшу енергію мають стани з найбільшим сумарним спіновим числом і сумарним орбітальним числом . Число набуває значень, що дорівнюють , коли оболонка заповнена менше ніж наполовину, і , коли вона заповнена більш ніж наполовину та коли рівне половиніі. На рис.14.2 наведена схема послідовності заповнення електронами оболонки .

Спочатку заповнюються стани з і різними а потім стани з і різними значеннями

Рис.14.2. Заповнення станів 2р оболонки з конфігурацією 2рⁿ, n=1…6.

Основні стани атомів визначаються за емпіричними правилами Хунда, наприклад, основний стан атому вуглецю, у якого на р оболонці 2 електрони має сумарне спінове число і основний стан становить . В атомі азоту і основний стан . Якщо оболонка заповнена більше чим на половину для визначення основних станів можна використовувати правило еквівалентних електронів. Наприклад, для атома кисню, у якого на р оболонці 4 електрони, потрібно використати 2 еквівалентних електрони, що призводить то терму . Електронні конфігурації елементів перших двох періодів періодичної системи елементів наведені в таблиці 14.3.

Таблиця 14.3. Електронні конфігурації елементів перших двох періодів таблиці Менделєєва.

Пе- ріод	Елемент	електронна конфігурація				Основний стан	Потенціал іонізації eVi
		К	L
1	1 H водень	1s1				2S1/2	13,54 еВ
	2 He гелій	1s2				1S0	24,58
	3 Li літій	1s2	2s1			2S1/2	5,37
	4 Be берилій	1s2	2s2			1S0	9,32
	5 B бор	1s2	2s2	2p1		2P1/2	8,4
2	6 C вуглець	1s2	2s2	2p2		3P0	11,22
	7 N азот	1s2	2s2	2p3		4S3/2	14,53
	8 О кисень	1s2	2s2	2p4		3P2	13,61
	9 F фтор	1s2	2s2	2p5		2P3/2	17,42
	10Ne неон	1s2	2s2	2p6		1S0	21,56

Третій період починається з лужного металу натрію, в якому 11-й електрон починає заповнювати 3-й період, тобто М-шар із головним квантовим числом . На трьох оболонках цього шару може бути розміщено 18 електронів, бо найбільша кількість можливих станів цього шару є . Проте третій період включає, як це видно з таблиці Менделєєва, лише 8 елементів. Тут уперше зустрічається розбіжність між експериментом і моделлю атома. Основною причиною цієї розбіжності є те, що в моделі не врахований енергетичний внесок орбітального руху електронів. Він залежить від - «відцентрової енергії електронів», де - відстань електрона від ядра. Кулонівська й «відцентрова» енергії мають різні знаки (дивись радіальну частину рівняння Шредінґера формула (8.48)), тому внесок «відцентрової» енергії може порушити плавне зменшення енергії електронів зі збільшенням . Він відіграє більш важливу роль при більших зарядах ядра , бо при більших можливі стани з більшими орбітальними квантовими числами . Ця обставина є причиною того, що після заповнення оболонки 3p у атомі аргону , наступний 19-й електрон в атомі калію починає заповнювати оболонку , а не оболонку. Електронна конфігурація елементів третього періоду наведена в таблиці 14.4.

Таблиця 14.4. Електронна конфігурація елементів 3-го періоду

Період

Елемент

електр.конфігур. Ne

Основний

K

L

M

стан

Vi еВ

1s

2s

2p

3s

3p

3d

11 Na натрій

1s2

2s2

2p6

3s1

2S1/2

5,14

12 Mg магній

1s2

2s2

2p6

3s2

1S0

7,61

13 Al алюміній

1s2

2s2

2p6

3s2

3p1

2P1/2

5,96

3

14 Si кремній (сіліцій)

1s2

2s2

2p6

3s2

3p2

3P0

8,15

15 P фосфор

1s2

2s2

2p6

3s2

3p3

4S3/2

10,48

16 S сірка

1s2

2s2

2p6

3s2

3p4

3P2

10,36

17 Cl хлор

1s2

2s2

2p6

3s2

3p5

2P3/2

13,01

18 Ar аргон

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

1S0

15,76

Четвертий період. Дев’ятнадцятий електрон починає заповнювати - шар із квантовим числом з 4-ми оболонками 4s, 4p, 4d, 4f, на яких може розміститись 32 електрона. Проте, залишилась ще незаповненою - оболонка, на якій може розміститись ще 10 електронів. Тому 4-й період розпочинається заповненням - оболонки (це і )), а потім після її заповнення починає забудовуватися незаповнена – оболонка, яка утворює групу з 10-ти перехідних елементів (від до і, нарешті, після її забудови починає заповнюватись оболонка (елементи від до Період закінчується утворенням симетричної замкненої структури електронних оболонок інертного газу криптону. На цьому закінчується 4-й період, хоча залишилися ще незаповнені і оболонки. Електронна конфігурація атомів 4-го періоду наведена в таблиці 14.5.

Таблиця 14.5. Електронна конфігурація елементів 4-го періоду.

Пер	елемент	Електронна конфігурація					Основ. стан	Vi еВ
			M		N
		конфіг. Ne	3p	3d		4s
	19 K калій	1s22s23s23p6				4s1	2S1/2	4,32
	20 Ca кальцій	(................)				4s2	1S0	6,11
	21 Sc скандій	(................)		3d1		4s2	2D1/2	6,54
	22 Ti титан	(................)		3d2		4s2	3F2	6,82
	23 V ванадій	(................)		3d3		4s2	4F3/2	6,74
4	24 Cr хром	(................)		3d5		4s1	7S3	6,76
	25 Mn марганець	(................)		3d5		4s2	6S5/2	7,43
	26 Fe залізо	(................)		3d6		4s2	5D4	7,87
	27 Co кобальт	(................)		3d7		4s2	4F9/2	7,86
	28 Ni нікель	(................)		3d8		4s2	3F4	7,63
	29 Cu мідь	(................)		3d10		4s1	2S1/2	7,72
	30 Zn цинк	(................)		3d10		4s2	1S0	9,39
	31 Ga галій 32 Ge германій	(................) (................)	4p1 4p2	3d10 3d10		4s2 4s2	2P1/2 3P0	5,27 7,88
	33 As арсен	(................)	4p3	3d10		4s2	4S3/2	9,81
	34 Se селен 35 Br бром 36 Kr криптон	(................) (................) (................)	4p4 4p5 4p6	3d10 3d10 3d10		4s2 4s2 4s2	3P2 2P3/2 1S0	9,75 11,84 14

З 37-го елемента починається 5-й період періодичної системи елементів. 37 елемент утворюється при заповненні О-шару із квантовим числом . Цей шар має 4 оболонки , на яких можна розмістити 50 електронів.

Спочатку в 5-тому періоді починає заповнюватись - оболонка, утворюючи лужний і лужноземельний елементи. Потім, як і в попередньому 4-му періоді, починає заповнювати 10 станів незаповненої оболонки, утворюючи підгрупу перехідних -металів із 10-ти елементів до й лише після цього забудовується оболонка, утворюючи елементи . П’ятий період закінчується 54 елементом ксеноном.

Усього п’ятий період має, як і попередній 4-й період, 18 елементів. Електронна конфігурація елементів 5-го періоду наведена в таблиці 14.6.

Таблиця 14.6. Електронна конфігурація елементів 5-го періоду

період	Елемент	електрон. конфіг.				Основний стан		Vi еВ
		конфіг. Kr	N	О
			4d	5s	5p
	37 Rb рубідій			5s1			2S1/2		4,18
5	38 Sr стронцій			5s2			1S0		5,69
	39 Y ітрій		4d1	5s2			2D3/2		6,22
	40 Zr цирконій		4d2	5s2			3F2		6,84
	41 Nb ніобій		4d4	5s1			6D1/2		6,88
	42 Mo молібден		4d5	5s1			7S2		7,10
	43 Tc технецій		4d5	5s2			6S5/2		7,28
	44 Ru рутеній		4d7	5s1			5F5		7,36
	45 Rh родій		4d8	5s1			4F9/2		7,46
	46 Pd паладій		4d10				1S0		8,33
	47 Ag срібло		4d10	5s1			2S1/2		7,57
	48 Cd кадмій		4d10	5s2			1S0		8,99
	49 In індій		4d10	5s2	5p1		2P1/2		5,76
	50 Sn олово		4d10	5s2	5p2		3P0		7,37
	51 Sb сурма(стибій)		4d10	5s2	5p3		4S3/2		8,64
	52 Te телур		4d10	5s2	5p4		3P2		9,01
	53 I йод		4d10	5s2	5p5		2P3/2		10,44
	54 Xe ксенон		4d10	5s2	5p6		1S0		12,13

Після ксенону починається 6-й період. Він починається з 55 елемента лужного металу цезію, у якого заповнюється оболонка - шару із квантовим числом . Наступним елементом за нам є лужноземельний елемент , у якому заповнюється оболонка . Після цього починає, так як і в 5-му періоді забудовуватись незаповнена оболонка, на якій може бути 10 електронів. Проте електрону, починаючи з Z=58, енергетично вигідніше займати незаповнену оболонку, на якій може розміститись 14 електронів. Таким чином, утворюються елементи, що отримали назву лантанідів. Лише після заповнення оболонки продовжує забудовуватись оболонка , після заповнення якої, починаючи з (талій), забудовуватись 6p – оболонка . З 87 елементу починає заповнюватись -шар з квантовим числом (таблиця 14.8). Починається 7-й період системи елементів. Спочатку в ньому заповнюються стани і . При цьому утворюються елементи лужний метал францій і лужноземельний метал радій. З починає заповнюватись 6d¹ оболонка , а з торію , іде заповнення оболонки, і утворюється група з 14 елементів, що отримала назву актинідів ( ).

Таблиця 14.7. Електронна конфігурація елементів 6-го періоду

пе-рі-од

Елемент

електрон. конфіг.

основний стан

Vi еВ

N

O

P

Xe +

4f

5d

6s

6p

55 Сs цезій

6s1

2S1/2

3,89

56 Ba барій

6s2

1S0

5,2

57 La лантан

5d1

6s2

2D3/2

5,61

58 Ce церій

4f2

6s2

3І4

6,91

59 Pr празеодим

4f3

6s2

4Н9/2

5,76

60 Nd неодим

4f4

6s2

5I4

6,31

61 Pm прометій

4f5

6s2

6H5\2

6,3

62 Sm самарій

4f6

6s2

7F0

5,7

63 Eu європій

4f7

6s2

8S7/2

5,66

6

64 Gd гадоліній

4f7

5d1

6s2

9D2

5,98

65 Tb тербій

4f9

6H15/2

5,85

66 Dy диспрозій

4f10

6s2

5I8

5,93

67 Ho гольмій

4f11

6s2

4I15/2

6,02

68 Er ербій

4f12

6s2

3H6

6,10

69 Tm тулій

4f13

6s2

2F7/2

6,18

70 Yb ітербій

4f14

6s2

1S0

6,25

71 Lu лютецій

4f14

5d1

6s2

2D3/2

5,48

72 Hf гафній

4f14

5d2

6s2

3F2

7,5

73 Ta тантал

4f14

5d3

6s2

4F3/2

7,89

74 W вольфрам

4f14

5d4

6s2

5D0

7,98

75 Re реній

4f14

5d5

6s2

6S5/2

7,87

76 Os осмій

4f14

5d7

6s1

5D4

8,7

77 Ir іридій

4f14

5d7

6s2

4F9/2

9,1

78 Pt платина

4f14

5d9

6s2

3D3

8,96

79 Au золото

4f14

5d10

6s1

2S1/2

9,23

80 Hg ртуть

4f14

5d10

6s2

1S0

10,43

81 Tl талій

4f14

5d10

6s2

6p1

2P1/2

6,1

82 Pb свинець

4f14

5d10

6s2

6p2

3P0

7,42

83 Bi вісмут

4f14

5d10

6s2

6p3

4S3/2

7,29

84 Po полоній

4f14

5d10

6s2

6p4

3P2

8,43

85 At астат

4f14

5d10

6s2

6p5

2P3/2

9,5

86 Rn радон

4f14

5d10

6s2

6p6

1S0

10,75

Таблиця 14.8. Електронна конфігурація елементів 7-го періоду

Пе-рі- од

Елемент

конфігурація Xe +

Vi еВ

87 Fr францій

7s1

2S1/2

3,98

88 Ra радій

7s2

1S0

5.98

89 Ac актиній

7s2 6d1

2D3/2

6,9

90 Th торій

7s2 6d25f1

3F2

5,7

91 Pa протакт.

7s2 6d15f2

4K11/2

5,7

92 U уран

7s2 6d15f3

5L6

4

93 Np нептуній

7s2 6d15f4

6L11/2

5,9

7

94 Pu плутоній

7s25f6

7F6

5,71

95 Am америц.

7s25f7

8S7/2

5,19

96 Cm кюрій

7s25f76d1

9D2

6,09

97 Bk верклій

7s215f86d1

8H17/2

6,3

98 Cf каліфор.

7s25f10

5I8

6,41

99Esейнштейн.

7s25f11

4I15/2

6,8

100 Fm фермій

7s25f12

3H6

6,7

101 Md менделевій

7s25f13

2F7/2

6,5

102 No нобелй

7s25f14

1S0

6,84

103 Lr лоуренцій

7s25f146d1

2D3/2

5,83

104 Rf резерфордій

7s25f146d2

3F2

105 Db дубній

7s25f146d3

4F3/2

106 Sg сіборгій 107 Bh борій 108 Hs хасій 109 Mt мейтнерій 110 Ds дармштадтій

7s25f146d4 7s25f146d5 7s25f146d6 7s25f146d7 7s15f146d9

Ця група елементів аналогічна за своїми властивостями групі елементів, у якій заповнюються оболонка, і які називаються лантанідами (лантаноїдами). Після 105 елемента стійких елементів у природі не існує. Неможливість стабільного існування важких елементів пояснюється тим, що сили кулонівського відштовхування протонів в атомному ядрі не можуть бути врівноважені ядерними силами притяжіння і ядро стає нестійким. Перевага сил кулонівського відштовхування протонів у ядрі над силами між нуклонами ядра обумовлюється дальнодіючим характером кулонівських сил.

В 1994р. в Центрі дослідження важких іонів в Дармштадті (Германія) були штучно синтезовані хімічні елементи з =111 та 112. Перший елемент отримав назву рентгеній , другий –копернікий. Елемент з =112 офіційно признаний Міжнародним інститутом теоретичної та прикладної хімії і напевно буде введений в періодичну таблицю Менделєєва Синтез елементів з більше 112 активно розробляється і досліджується в провідних спеціалізованих центрах Росії ( Об’єднаний інститут ядерних досліджень,Дубна), Германії (Центр дослідження важких іонів, Дармштадт) , США(Національна лабораторія Лоренс Лівермор , Каліфорнія).

У таблиці 14.9 зведені дані про кількість електронів, що заповнюють різні шари й оболонки. Стрілками вказана послідовність заповнення оболонок з урахуванням «відцентрової» енергії.

Розгляд заповнення електронних оболонок показує, що він відбувається дуже закономірно. В кожній підгрупі періодичної системи знаходяться елементи з однаковою кількістю електронів на зовнішній оболонці. Вони мають однаковий стан і подібні властивості, що, наприклад, ілюструє таблиця 14.10.

Таблиця 14.10. Електронні конфігурації у підгрупах
	s1	s2	s2p1	s2p2	s2p3	S2p4	s2p5	s2p6
2	3Li	4Be	5B	6C	7N	8O	9F	10Ne	1s1
3	11Na	12Mg	13Al	14Si	15P	16S	17Cl	18Ar	2s22p6
4	19K	20Ca	-	-	-	-	-	-	3s23p6
	29Cu	30Zn	31Ga	32Ge	33As	34Se	35Br	36Kr	3d10
5	37Rb	38Sr	-	-	-	-	-	-	4s24p6
	47Ag	48Cd	51In	52Sn	53Sb	54Te	55I	54Xe	3d10
6	55Cs	56Ba	-	-	-	-	-	-	5s25p6
	79Au	80Hg	81Tl	82Pb	83Bi	84Po	85At	86Rn	4f145d10
7	87Fr	88Ra							6s26p6

Таблиця 14.9. Послідовність заповнення атомних оболонок

2S1/2

1S0

2P1/2

3P0

4S3/2

3P2

2P3/2

1S0

Зі зміною спостерігається чергування мультиплетності від парної до не парної і має місце подібність властивостей однократно іонізованого атома з атомом, що має атомний номер на одиницю менший Наприклад, перша група - група водню має один слабко зв’язаний електрон на ns оболонці, а під нею знаходиться - заповнена симетрична сильно зв’язана оболонка. Ця група елементів має однакові властивості, а саме: дублетні терми, одновалентність по відношенню до водню, водневоподібні спектри тощо.

До другої групи належать і лужноземельні метали . Вони мають заповнену оболонку й два електрони на периферійній оболонці. Вони подібні за своїми хімічними та спектральними властивостями: двохвалентні хімічні зв’язки, синглетні терми тощо. Аналогічний розгляд елементів у групах можна було б і продовжити, розглядаючи групи бора (III), вуглецю (IV), азоту (V), кисню (VI), фтору(VI), інертних газів (VII) тощо. Отже можна дійти до висновку, що елементи однієї групи мають однакову будову периферійної електронної оболонки й однакові властивості.

Таблиця 14.11. Електронна конфігурація підгрупи скандію.
	елемент	Ел. конфігурація	Основний стан
4	21Sc	Ar+ 3d14s2	2D3/2
5	39Y	Kr+ 4d15s2	2D3/2
6	57La	Xr+ 5d16s2	2D3/2
7	89Ac	Rn+ 6d17s2	2D3/2

Треба також звернути увагу ще й на те, що в деяких групах є підгрупи, в яких більш глибока оболонка або заповнена. Наприклад, у першій групі є підгрупа металів , у другій групі є підгрупа, в яку входять , у третій групі є підгрупа, у яку входять (таблиця 14.11), тощо. Елементи кожної підгрупи мають однакові властивості й мають подібну будову своїх периферійних електронних оболонок. Таким чином, можна дійти до висновку, що періодичний закон Д.І. Менделєєва відображає періодичність у заповненні електронних оболонок. Атоми з подібною будовою (конфігурацією) електронних оболонок мають подібні властивості. У подальшому буде також показано, що будова найбільш глибоких шарів у всіх елементів подібна й тому вони мають подібні рентгенівські спектри. Усе це і всі інші експериментальні дані свідчать, що квантова механіка задовільно пояснює всі закономірності періодичної системи Менделєєва.