Периодическая система элементов

Ранее мы показали, что данному фиксированному n соответствует n² состояний, отличающихся и . Спиновое квантовое число принимает два значения. Следовательно, в состоянии с данным n могут находится не более 2n² электронов, - 2 электрона; - 8 электронов и т.д.

Совокупность электронов, имеющих одинаковые значения n, образуют оболочку. Оболочки подразделяются на подоболочки, отличающиеся значением орбитального квантового числа .

В соответствии со значением n оболочкам дают обозначения, заимствованные из спектроскопии:

n	1	2	3	4	5	6	…
Обозначение	K	L	M	N	O	P	…

Обозначение обычно заменяют . В таблице приведено распределение электронов в трех первых оболочках: K, L, M, число электронов в подоболочках, а также электронная конфигурация заполненных подоболочек (показывающая, сколько электронов находится в данном состоянии, например - - шесть электронов в состоянии ). Как показано в таблице, подоболочки могут обозначаться двумя способами.

Начнем рассмотрение периодической системы с атома водорода, имеющего один электрон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра на единицу и добавляя один электрон, помещая его в состояние согласно принципу Паули.

В атоме водорода имеется всего один электрон в состоянии - 1s с произвольной ориентацией спина. Т.е.: . Соответственно, основной терм имеет вид: .

Оболочка					Подоболочка	Число электронов	Электронная конфигурация
K	1	0	0			2
L	2	0	0			2
		1	1			6
			0
			-1
M	3	0	0			2
		1	1			6
			0
			-1
		2	2			10
			1
			0
			-1
			-2

Гелий. Оба электрона могут находиться в К-оболочке, но должны иметь антипараллельную ориентацию спина, рис.52. Тогда можно записать электронную конфигурацию атома: 1s² (два электрона в состояни1s).Основным термом будет (L=0, S=0, J=0): .

Литий. Третий электрон может заполнять лишь уровень 3s, поскольку оболочка К занята полностью. Электронная конфигурация лития запишется: 1s² 2s. Основное состояние определяется из L=0;S=1/2;J=1/2 и записано на рис.53. Третий электрон слабее связан с ядром и определяет оптические и химические свойства атома.

Бериллий. Электронная конфигурация - 1s ² 2s ² и основной терм на рис.53.

У последующих шести элементов (бор, углерод и т.д.) происходит заполнение электронами подоболочки 2p, неон имеет уже полностью заполненные оболочки K и L, образующие устойчивую систему, подобную системе гелия, что обуславливает специфические свойства инертных газов.

Заполнение подоболочек с точки зрения принципа Паули можно представить следующим образом:

Н апример, 2р - подоболочка. Возможно наличие шести электронов. Тогда можно представить себе три "ячейки", отличающиеся хотя бы одним из квантовых чисел (кроме спинового), рис.54. В каждой такой ячейке может находиться два электрона с антипараллельными спинами. Сначала идет заполнение ячеек по одному электрону и лишь затем по второму. Следом за неоном идет натрий, который кроме полностью заполненных К и L оболочек имеет один электрон в подоболочке 3s. Его (Na) электронная конфигурация: 1s ²2s² 2p⁶ 3s . Основной терм натрия будет: .

Электрон 3s - валентный, оптический. В связи с этим свойства натрия подобны свойствам лития.

Когда начинает заполняться p-оболочка определение терма основного состояния естественно затрудняется. При этом необходимо использовать эмпирические правила Хунда:

Н аименьшей энергией обладает состояние с наибольшим возможным значением S и с наибольшим возможном при таком значении S значением L. При этом квантовое число J равно L–S , если заполнено не более половины подоболочки, и равно L+S в остальных случаях.

На рис.55 показаны шесть возможных состояний в р-подоболочке. Используя показанные конфигурации, можно определить термы основного состояния при заполнении p-подоболочки (от углерода до неона).

С Z=12 идет последовательное заполнение оболочки М. Аргон сходен по свойствам с Ne. Калий (Z=19). Электрон должен бы заполнять 3d-состояние в М оболочке. Однако в оптическом и химическом отношениях атом калия схож с литием и натрием, которые имеют валентный электрон в s - состоянии. Т.е., 19-й электрон тоже в s (4s)-состоянии. Т.е., заполнение N-оболочки начинается у калия при незаполненной М-оболочке. Это означает, что в результате взаимодействия электронов состояние с n=4, =0 имеет меньшую энергию, чем состояние с n=3, =2. Для кальция также электрон оказывается в s-состоянии.

В последующих элементах происходит заполнение М-оболочки. Далее N-оболочка заполняется до криптона (Z=36), у которого опять (как у неона и аргона) s и р-состояния наружной оболочки заполнены полностью. Криптоном заканчивается четвертый период.

Подобные рассуждения применимы и к другим элементам. Отметим, что и начальные элементы последующих периодов: Rb; Cs; Fr являются щелочными металлами, а их последний электрон в s-состоянии.

Завершаются периоды инертными газами. Для лантаноидов (Лантан, Z=57) до лютеция (Z=71) заполнение подоболочки 4f, которая может содержать 14 электронов, начинается после того, как полностью заполняются подоболочки 5s;5p;6s. Поэтому внешняя р-оболочка (6s²) оказывается постоянной. Аналогично для актинидов (Z=89 до Z=103) одинакова Q-оболочка (7s²).

Таким образом, родственными атомами являются:

1. Инертные газы - одинаковые внешние оболочки из восьми электронов (заполненные s и р-состояния)

2. Щелочные металлы - один валентный электрон в s -состоянии.

3. Щелочно – земельные металлы - два s- электрона во внешней оболочке.

Причиной отступления от «правильного» порядка заполнения электронных оболочек является экранирование ядра атома внутренними электронами. Кроме того, мы рассмотрели только случай слабого спин-орбитального взаимодействия, связь осталась за пределами данного курса.