7.4.3.3. Периодическая система элементов д.И.Менделеева

Периодическая система элементов Д.И.Менделеева (1869 г.) – система химических элементов, отражающая периодический закон Менделеева – периодическую зависимость физических и химических свойств элементов от их атомного веса (в современной формулировке – от заряда ядра элемента, т.е. от атомного номера элемента в периодической системе элементов). Полное научное объяснение периодической системы элементов осуществлено на основе квантовой механики.

Принцип Паули дает объяснение периодической повторяемости свойств элементов. В соответствии с принципами наименьшей энергии и запрета Паули электроны в атоме распределяются по слоям и оболочкам. Структура периодической системы элементов полностью отвечает порядку заполнения электронных оболочек и слоев в атоме. Порядок заполнения электронных состояний в слоях, а в пределах одного слоя – в оболочках, следует порядку расположения энергетических уровней с данными и . Сначала заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, затем состояния со все более высокой энергией. Этот порядок соответствует тому, что сначала заполняется слой с меньшим и лишь затем начинается заполнение электронами следующего слоя. В пределах одного слоя сначала заполняются состояния с 0, а затем состояния с большими , до В таблице для 22 элементов таблицы Менделеева показан порядок заполнения электронами слоев и оболочек с ростом порядкового номера элемента в периодической системе элементов. В таблице вместо обозначений применены символы ↑ и ↓. В полностью заполненных оболочках укзано число электронов в оболочке. Заполненные слои выделены серым цветом.

№ эле- мента	Символ элемента	СЛОИ И ОБОЛОЧКИ
		К	L		M			N
		1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p	4d	4f
1	H	↑
2	He	↑↓
3	Li	2	↑
4	Be	2	↑↓
5	B	2	2	↑
6	C	2	2	↑↓
7	N	2	2	↑↓↑
8	O	2	2	↑↓↑↓
9	F	2	2	↑↓↑↓↑
10	Ne	2	2	↑↓↑↓↑↓
11	Na	2	2	↑↓↑↓↑↓	↑
12	Mg	2	2	6	↑↓
13	Al	2	2	6	2	↑
14	Si	2	2	6	2	↑↓
15	P	2	2	6	2	↑↓↑
16	S	2	2	6	2	↑↓↑↓
17	Cl	2	2	6	2	↑↓↑↓↑
18	Ar	2	2	6	2	↑↓↑↓↑↓
19	K	2	2	6	2	6	-	↑
20	Ca	2	2	6	2	6	-	↑↓
21	Sc	2	2	6	2	6	↑	↑↓
22	Ti	2	2	6	2	6	↑↓	↑↓

Начиная с калия ( 19) указанный порядок заполнения электронных слоев часто нарушается. Оказывается, что состояния электронов с большими значениями могут иметь меньшую энергию, чем состояния с меньшим

и большим . В результате - и - оболочки следующего слоя начинают заполняться раньше, чем - и - оболочки предыдущего слоя.

Валентными (внешними) электронами атома называют электроны, входящие в состав - и - оболочек слоя с наибольшим числом для данного атома. В таблице они расположены над выделенными серым цветом слоями. Число валентных электронов с ростом порядкового номера элементов периодически повторяется. Например, у элементов и др. по одному валентному электрону; у элементов и др. – по два и т.д. Валентные электроны определяют химические и оптические свойства атомов. Периодическая повторяемость электронных конфигураций сверх полностью заполненных слоев (или оболочек) обусловливает периодическую повторяемость химических и оптических свойств элементов.

Максимальное суммарное число электронов в - - оболочках равно 8. В основе большинства химических реакций лежит механизм отдачи или присоединения атомами валентных электронов. Энергетически оказывается выгодными отдача валентных электронов атомами с менее чем наполовину заполненными - - оболочками и присоединение электронов атомами с более чем наполовину заполненными - - оболочками. Атомы с наполовину заполненными - - оболочками могут в зависимости от ряда условий либо отдавать, либо присоединять электроны. Атомы с полностью заполненными - - оболочками являются инертными газами

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Перечислить квантовые числа. Что характеризуют квантовые числа? Какие значения они могут принимать?

2. Что такое спин электрона?

3. Сформулируйте принцип запрета Паули.

4. Как распределяются электроны в атоме по состояниям?