3350

Таблица 3

Электронные конфигурации элементов

43

Продолжение табл. 3

44

Из табл. 3 видно, что в некоторых элементах последовательность заполнения 3d – АО происходит перемещение электрона с более высокого уровня на еще незаполненный подуровень более низкого уровня (так называемый ''провал'' электрона). Так, например, в атоме хрома в место казалось бы, нормального размещения электронов по формуле [Ar] 3d44s2, фактически размещение электронов выражается конфигурацией [Ar] 3d54s1. Подобные отступления наблюдаются также и у атомов меди, ниобия и некоторых других элементов.

В пятом периоде, содержащем 18 элементов, как и в четвертом периоде, вначале заполняется 5s – AO, затем 4d – AO, а завершается период заполнением 5p – AO.

Шестой период содержит 32 элемента и начинается, как и предыдущие с s – элементов (цезий, барий). Затем в соответствии с правилом Клечковского происходит заполнение 4f – AO (n = 4, l = 3). Элементы с семью 4f – AO, заселяемыми электронами от лантана до иттербия, называют лантаноидами, что означает – подобные лантану. В седьмом периоде появляются 5 – элементы от актиния до жолиотия, известные под общим названием актиноиды – подобные актинию.

Седьмой период еще не завершен, он должен заканчиваться элементом с z = 118, экардоном.

2.8. Периодический закон Д. И. Менделеева

Одним из фундаментальных законов природы является Периодический закон, который был открыт Д. И. Менделеевым в 1869 г. Этот закон явился обобщением сведений об элементах, известных в то время. Ко времени открытия периодического закона было известно 63 элемента, определены их атомные веса, изучены свойства.

Попытки классифицировать химические элементы имело место и до Менделеева. Предшественники Менделеева, замечая сходства некоторых элементов, объединили их в отдельные группы, выделяя, например триады элементов (И. Деберейнер).

45

Впервые мысль о периодичности свойств элементов высказал в 1862 г. Бегье де Шанкуртуа, а сходство между каждым 8-м элементом обнаружил в 1866 г. Ньюлендс, который назвал свою закономерность законом октав. Однако ему не удалось объяснить найденную закономерность, а в его таблице не нашлось места новым элементам, а в некоторые вертикальные столбцы попались элементы, различающиеся по свойствам.

Созданный Менделеевым закон и периодическая система были лишены этих недостатков. Расположив элементы по возрастанию атомных весов, Менделеев установил периодичность в изменении свойств элементов и сформулировал закон:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных масс элементов.

Предложенная Менделеевым периодическая система элементов имела четкую структуру в виде групп и периодов (рядов). В этой структуре нашлось место не только для всех известных в то время элементов, но были оставлены пустые места для еще не открытых элементов.

Выдающимся достижением Д.И. Менделеева является то, что он не только классифицировал уже открытые элементы, но предсказал существование неизвестных в то время элементов и охарактеризовал их ожидаемые свойства. Используя свою систему, Менделеев предсказал в 1871 г. существование трех неизвестных элементов: экабора (Sс), экаалюминия (Ga) и экасилиция (Ge). Первым был открыт галлий в 1875 г. Лекоком де Буабодреном, который обнаружил этот элемент в минерале сералерите ZnS, а затем выделил его в виде металла. Свойства галлия оказались тождественными свойствами неизвестного экаалюминия, предсказанными Менделеевым. В 1879 г. Л. Нильсоном в Швейцарии был выделен из некоторых минералов триоксид дииттербия и оксид нового элемента, названного им скандием. Этот элемент по своим свойствам, атомной массе соответствовал экабору.

46

В 1886 г. в Германии Винклер обнаружил в редком минерале аргиродите новый элемент германий, свойства которого совпали со свойствами экасилиция.

Открытие этих элементов было величайшим триумфом периодического закона.

Со временем изменилась формулировка этого закона, но при этом оно не изменила его содержание. Это изменение было обусловлено открытием в 1915 г. закона Мозли. При исследовании рентгеновских лучей, испускаемых антикатодами, сделанными из различных материалов, наблюдается подобие спектров испускания этих металлов. Чем больше атомный вес металла, из которого сделан антикатод, тем больше длина волны таких полос испускания. Мозли установил простое соотношение между длиной волны и атомными номерами элементов:

1/ = aZ + в, где Z - атомный номер элемента, соответствующий заряду ядра; а и в – постоянные; - длина волны. Открытие этого закона позволило утвердить фундаментальное значение атомного номера и соответственно заряда элемента. При классификации элементов существенным фактором должен быть не атомный вес, а заряд ядра. Поэтому современная формулировка периодического закона следующая: свойства простых веществ, а также форма и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.

2.9. Структура периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева

Периодическая система химических элементов – это строго упорядоченное множество химических элементов, их естественная классификация, являющаяся табличным или другим графическим выражением периодического закона.

Известно большое число различных вариантов таблиц периодической системы. Однако наиболее широкое применение получили только те из них, которые оказались близкими к

47

таблице составленной Д.И. Менделеевым. В настоящее время применяют преимущественно две формы периодической системы: длиннопериодную и короткопериодную.

Вертикальные графы периодической системы называются группами, а горизонтальные – периодами. Короткопериодная форма состоит из восьми групп и семи периодов. Семейства лантаноидов и актиноидов расположены под таблицей.

Период - последовательный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение электронами одинакового числа энергетических уровней (число уровней равно номеру периода). Периоды содержат 2, 8, 8, 18, 32 и 32 элементов. Последний период незавершен. Разное число элементов в периодах объясняется различной последовательностью заполнения энергетических подуровней. Элементы, у которых электронами заполняется s- подуровень, называются s- элементами, у которых заполняется р- подуровень – р- элементами, у которых заполняется d- и f- подуровни - соответственно d- и f- элементами. Периоды начинаются щелочными металлами, в атомах которых на новом электронном уровне появляется s- электрон. Заканчиваются периоды элементами, в атомах которых полностью заполнен p- подуровень внешнего уровня шестью электронами (инертные газы), кроме первого периода, заканчивающегося гелием, у которого уровень застраивается 2-мя s- электронами. В 4-ом и 5-ом периодах между s- и p- элементами помещены 10 d- элементов, а в 6-ом и 7-ом периодах10 d- элементов и 14 f-элементов.

Периодическая система состоит из 8-ми групп (или из 32 групп в длиннопериодном варианте системы). Группы обозначаются римскими цифрами I - VIII и состоят из двух подгрупп:

А и Б.

Каждая группа состоит из элементов, атомы которых имеют подобное строение электронных оболочек. Например, у калия [Ar] 4s1 (IA), а меди - [Ar] 3d10 4s1 (I Б). У этих элементов на внешнем 4s- подуровне имеется по одному электрону. Эле-

48

менты, входящие в состав одной группы, называются элек-

тронными аналогами.

Элементы, входящие в состав одной подгруппы, являют-

ся полными электронными аналогами, так как имеют одинако-

вое строение электронных уровней. Например, элементы I A

группы имеют общую формулу ns1, а элементы I Б - (n-1) d10 ns1.

С момента опубликования периодической системы элементов в ней появилось более 40 новых элементов. На основе периодического закона были получены искусственным путем трансурановые элементы с атомными номерами от 93 до 105 (всего 15). Их получение основано на использовании самого тяжелого из существующих на Земле элемента - урана-238, ядра которого ― надстраивают ― путем бомбардировки нейтронами. Так получают элементы до фермия 100 Fm257 в ядерных реакторах. Так же образуются трансураниды и при термоядерных взрывах.

Все элементы с атомными номерами более 100 получают в ускорителях. Тяжелые атомные ядра (мишени) бомбардируются тяжелыми ионами. Те и другие после испускания нейтронов сливаются, образуя новые элементы с суммой атомных номеров компонентов. Периодическая система развивается, открываются новые элементы. По теории вероятности, рассчитанной с помощью современной вычислительной техники, предсказывается, что в 8-ом периоде должно содержаться 50 элементов, среди которых будет находиться новая группа химически близких элементов, состоящая из 18 элементов, называемых пока октадеканоидами (Z = 121-138). Верхняя граница возможной стабильности, как ее позволяет определить современный уровень знаний, находится близко к атомному номеру 174. Однако и это не предел, так как, например, из диаграммы стабильности химических элементов по Сиборгу, возможно существование элементов с атомными номерами до 500.

49

2.10.Свойства атомов элементов

впериодической системе

Атомы и атомные радиусы. Вследствие волновой природы электрона атом не имеет строго определенных границ. Измерить абсолютные радиусы атомов невозможно, поэтому определяют расстояние от ядра до последнего максимума электронной плотности, которое называют орбитальным радиусом (R). Зависимость размеров атомных и ионных радиусов от заряда ядра носит периодический характер.

Вкаждом периоде с увеличением заряда ядра (Z) радиусы уменьшаются, что объясняется увеличивающимся притяжением электронов внешнего слоя к ядру при возрастании Z.

Впределах семейств d- и f- элементов наблюдается плавное уменьшение радиуса, т.к. происходит заполнение внутренних энергетических уровней. Уменьшение R вследствие заполнения f- подуровня называется лантаноидным сжатием или лантаноидной контракцией.

Вгруппах s- и р- элементов и в группе IIIВ - d- элементов радиусы атомов возрастают сверху вниз (т.е. усиливается восстановительная активность). В подгруппах d- элементов, кроме IIIВ, R изменяется не монотонно: от первого элемента ко второму R атома несколько увеличивается, а от II

кIII - ему практически не изменяется вследствие лантаноидного сжатия.

При графическом изображении зависимости размера радиуса атома от порядкового номера она имеет ярко выраженный периодический характер; периодическими кривыми выражается и зависимость от порядкового номера таких энергетических характеристик атома, как ионизационный потенциал, сродство к электрону и электроотрицательность.

Ионизационные потенциалы. Если вырвать из атома электроны, то атом становится положительным ионом, или катионом. Например, атом калия дает ион К+ согласно процессу: К → К++ ē .Энергия ионизации (потенциал ионизации) - это энергия, необходимая для отрыва внешнего электрона и об-

50

разования соответствующего катиона. Энергия ионизации приводится в основном в электрон - вольтах: электронвольт - это энергия, которую приобретает ускоряющийся электрон при разности потенциалов 1 В (1 ЭВ = 1,6·10-19Дж).

Первым потенциалом ионизации называется энергия, необходимая для отрыва от изолированного атома в газообразном состоянии электрона, слабее других связанного с ядром.

Энергия ионизации главным образом зависит от R и Z. Она увеличивается с уменьшением R и увеличением Z. В группах А наибольшее влияние на величину энергии ионизации оказывает изменение радиуса, а в группах В - изменение заряда ядра. Поэтому, в главных подгруппах и IIIВ сверху вниз энергия ионизации уменьшается, а в побочных - увеличивается (табл.4).

Эта закономерность, например, для элементов А группы связана с возрастанием радиуса атомов. Кроме того, увеличение числа промежуточных слоев, расположенных между ядром атома и внешними электронами, приводит к более сильному экранированию ядра, т.е. к уменьшению его эффективного заряда. Оба эти фактора приводят к уменьшению потенциала ионизации.

Таблица 4 Атомные радиусы и потенциалы ионизации

элементов одной группы

51

Второй, третий и т.д. ионизационные потенциалы получаются при отрыве электронов от однозарядного, двухзарядного и т.д. положительных ионов. Энергия удаления электронов возрастает с числом отрываемых электронов, поскольку образующийся катион имеет положительный заряд и притягивает оставшиеся электроны с большей силой. Из табл. 4 видно, что энергия ионизации возрастает слева направо для элементов одного периода, поскольку увеличивается заряд ядра и уменьшается радиус.

Следует отметить, что величина энергии ионизации связана помимо заряда ядра и радиуса атома с энергетическим состоянием электрона: первый потенциал ионизации бора ниже, чем бериллия, т.к. удаляется 2р- электрон, более подвижный, чем 2s- электрон бериллия. То же самое наблюдается в случае алюминия и магния.

Таблица 5

Атомные радиусы и потенциалы ионизации элементов одного периода

52