Строение атома и периодический закон

Распределение электронов по уровням и подуровням атома подчиняется рассмотренным выше принципам и правилам распределения электронов многоэлектронных атомов.

Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атома.

Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Минимальное значение энергии для единственного электрона водорода соответствует энергетическому уровню (n = 1), т.е. состоянию 1s. У гелия два электрона, которые занимают положение 1s². Водород и гелий относятся к s –элементам.

Начиная с лития формируется второй энергетический уровень (n = 2), который завершается у неона, у которого заполнены 2s - и 2р -подуровни:

₃Li 1s² 2s¹ ₁₀Ne 1s²2s²2p⁶

У первых двух элементов Li и Be формируется 2s – подуровень, поэтому они относятся к s – элементам. Остальные шесть элементов периода входят в число р – элементов.

От натрия до аргона комплектуется третий уровень:

₁₁Na 1s²2s² 2р⁶ 3s¹ ₁₈Ar 1s²2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

Хотя после заполнения 3s- и Зр- подуровней в третьем энергетическом уровне остается свободным весь 3d- подуровень, его заполнение не происходит, он останется пока свободным, т.к. в соответствие с правилом Клечковского подуровень 4s характеризуется более низкой энергией, чем подуровень 3d.

Следующие за аргоном калий K и кальций Ca открывают четвертый период. У них начинает заполняться четвертый энергетический уровень, и только со скандия возобновляется достройка третьего уровня (формирование 3d - подуровня). Заполнение 3d – подуровня в декаде Sc - Zn осуществляется не вполне регулярно: у атома хрома Cr и меди Cu происходит «проскок» внешнего s – электрона на предшествующую d –орбиталь. «Проскок» электрона в атоме хрома приводит к заполнению d –подуровня наполовину (конфигурация d⁵), а у меди – к его полному комплектованию (конфигурация d¹⁰). Аналогичные неравномерности в застройке d-, а затем и в f –подуровнях наблюдаются и в следующих периодах. После цинка, вплоть до криптона, продолжается заполнение четвертого энергетического уровня (4р - подуровень). Таким образом, четвертый (большой) период содержит 18 элементов:

₁₉К 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶4s¹

…………………

₂₁Sc 1s² 2s² 2p⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹

.……………….

₂₄Cr 1s² 2s² 2p⁶ 3s ² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵

₂₅Mn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵

…………………

₂₉Cu 1s² 2s² 2p⁶ 3s² Зр⁶ 4s¹ 3d¹⁰

…………………

₃₆Кr 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶

Заполнение энергетических подуровней у элементов пятого периода аналогично заполнению их у элементов четвертого периода: вслед за рубидием и стронцием на протяжении декады Y- Cd с несколькими «проскоками» (Nb, Mo, Тс, Ru, Rh, Ag, Pd) комплектуется 4d- подуровень. Энергетические подуровни 5s и 4d очень близки, и часто один электрон с 5s – подуровня переходит на 4d – подуровень. Поэтому у элементов Nb, Mo, Тс, Ru, Rh, Ag на 5s – подуровне находится только один электрон (5s¹), а у палладия Pd вообще в невозбужденном состоянии 5s – подуровень не заполнен (это единственный элемент периодической системы, не имеющий s- электронов на внешнем уровне - 5s⁰). Затем последовательность нарушается, и электроны поступают на р - подуровень пятого уровня, хотя свободны все 4f- орбитали.

Шестой период. Дальнейшая застройка сопровождается уже двумя нарушениями последовательности в пределах одного периода. Цезий Cs и барий Ba имеют заполненный 6s – подуровень. У лантана La, расположенного непосредственно после бария, появляется 5d - электрон, так что его электронная структура соответствует формуле:

₅₇La 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 5d¹.

У следующего за лантаном элемента - церия Се начинается застройка 4 f - подуровня:

₅₈Се 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f ²

и заканчивается у лютеция Lu:

₇₁Lu 1s² 2s² 2р⁶ 3s² Зр⁶ 4s² 3d¹⁰ 4р⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶6s² 4f ¹⁴ 5d¹.

Изменение числа электронов на третьем снаружи 4f - подуровне слабо отражается на химических свойствах элементов. Поэтому все f – элементы очень похожи друг на друга. Все лантаноиды проявляют валентное состояние 3, которое для них наиболее характерно. Наиболее устойчиво это валентное состояние у лантана, гадолиния и лютеция.

После лютеция от гафния Hf до ртути Hg заканчивается застройка 5d -подуровня, а начиная от таллия Tl и, кончая радоном Rn, продолжается застройка шестого уровня (6р - подуровень). Шестой период содержит 32 элемента.

Седьмой период аналогичен шестому, но он не завершен. 7-й период содержит четырнадцать элементов с заполняющимся 5f –подуровнем, образующие семейство актиноидов. По химическим свойствам актиноиды похожи как друг на друга, так и на лантаноиды, что объясняется в большинстве случаев строением трех наружных уровней.

При рассмотрении электронных структур атомов элементов становится очевидной связь расположения атомов в периодической системе с их строением.

Таким образом, можно отметить следующие закономерности:

1. Все элементы располагаются в порядке возрастания порядкового номера, т.е. в порядке увеличения числа протонов в ядре. Периодическая повторяемость внутриядерных структур, составленных из протонов и нейтронов, отражается на периодически повторяющихся электронных структурах.

2. Начало периода совпадает с началом нового энергетического уровня. Период представляет собой последовательный ряд элементов. Электронная конфигурация элементов в периодах изменяется от ns¹ до ns²np⁶ (или до ns² у первого периода). Периоды начинаются с s – элемента и заканчиваются р – элементом ( у первого периода - s - элементом). Каждый период завершается инертным газом, у которых (кроме Не) внешний уровень состоит из восьми электронов.

Элементы с особо ярко выраженным сходством следуют один за другим сначала через 8, затем через 18 и через 32 порядковых номера. Поэтому различают малые и большие периоды. Длина периода определяется числом подуровней, заполняющихся при формировании периода: 1-й период – s- подуровень – 2 элемента; 2-й и 3-й периоды - s - и p – подуровни – 8 элементов; 4-й и 5-й периоды -s -, p – и d – подуровни - 18 элементов; 6-й и (7-й) периоды - s -, p -, d - и f – подуровни – 32 элемента.

3. В подгруппы каждой группы объединены элементы, сходные по строению внешнего энергетического уровня их атомов.

Главная подгруппа (подгруппа А) содержит элементы s- и p- электронных семейств, атомы которых имеют на внешнем уровне число электронов, равное номеру группы. Эти электроны называются валентными и участвуют в образовании химических связей.

Побочная подгруппа (подгруппа В) включает элементы d - и f – электронных семейств, атомы которых имеют на внешнем уровне 1-2 электрона. У этих элементов валентными являются электроны внешнего (n – уровня) и часть электронов внутренних (n –1) и (n –2) уровней. Этим и объясняется отличие в свойствах элементов главных и побочных подгрупп.

Элементы побочных подгрупп (В - подгрупп) составляют три вставные декады d –элементов 21(Sc) – 30(Zn); 39(Y) – 48(Cd); 72(Hf) – 80(Hg) и начало 4–й вставной декады в незаконченном 7 –м периоде. К побочным подгруппам также относятся элементы f - электронного семейства - лантаноиды и актиноиды .

Отличие в строении атома обусловливает различие в свойствах элементов разных подгрупп. Например, у галогенов на внешнем уровне - 7 электронов (VII А - группа), а у элементов подгруппы марганца (VII В - группа) - 2 электрона на внешнем уровне и 5 электронов на d –подуровне (n –1) уровня. Галогены - типичные неметаллы, элементы подгруппы марганца в основном проявляют металлические свойства. Но у них есть и общие признаки. Они могут максимально выделять 7 электронов на образование химических связей в молекулах. Только у элементов подгруппы марганца 2 электрона при этом выделяются с внешнего (n) уровня и 5 электронов с (n –1) уровня, а у галогена, например хлора все 7 электронов - с внешнего n - уровня.

Сходство элементов главных и побочных подгрупп заключается в величине проявляемой максимальной валентности. Таким образом, номер группы указывает на максимально возможное число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей.

Высшая валентность элементов главных подгрупп по кислороду и водороду

Высшая валентность	I A	II A	III A	IV A	V A	VI A	VII A
По кислороду	1 Na2O	2 MgO	3 Al2O3	4 SiO2	5 P2O5	6 SO3	7 Cl2O7
По водороду	1 NaH	2 MgH2	3 AlH3	4 SiH4	3 PH3	2 H2S	1 HCl

В отличие от элементов главных подгрупп, элементы побочных погрупп в большинстве соединений не проявляют высшую валентность, равную номеру группы.