2.4. Правило Хунда.

Правило Хунда используется для определения порядка заполнения АО энергетических подуровней ато­ма: атомные орбитали энергетического подуровня заполняются электронами так, чтобы было обеспечено максимальное значение суммарного спина. Например, в выше рассмотренном атоме железа для обеспечения максимального значения суммарного спина электронов 3d-подуровня вначале происходит последовательное за­полнение пяти АО данного подуровня электронами с параллельными спинами и лишь после этого остающийся последний электрон поступает в одну из уже занятых АО. Данной электронной конфигурации 3d-подуровня от­вечает значение суммарного спина, равное по абсолютной величине двум; при всех прочих электронных конфи­гурациях 3d-подуровня значение суммарного спина меньше двух.

3. Периодическая система химических элементов д.И. Менделеева.

(Задачи №№ 2140)

3.1. Связь между строением атомов и периодической системой химических элементов.

Периодическая система включает все известные химические элементы, расположенные в порядке воз­ра­с­тания величины заряда их атомных ядер (в порядке возрастания числа электронов). Таким образом, порядковый номер химического элемента в периодической системе определяет число электронов в его атомах.

Графическим выражением периодической системы химических элементов является периодическая таб­лица в её двух основных формах: короткой и длинной. Структурно периодическая таблица состоит из гори­зонтальных рядов элементов – периодов и вертикальных – групп. Периоды с 1-го по 3-й называются ма­лыми, с 4-го по 6-й – большими; 7-й период является незаконченным. Группы, в свою очередь, делятся на главные подгруппы (А–группы) и побочные (В–группы). В периодической таблице элементы одной и той же подгруппы расположены строго по вертикали. Отличительным признаком главных подгрупп является нахожде­ние в них т.н. «типических» элементов – элементов малых периодов. Например, в группе II главная подгруппа (IIA–группа) включает Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra; остальные элементы – Zn, Cd, Hg – образуют побочную подгруппу (IIB–группу).

Положение элемента в периодической таблице и электронное строение его атомов взаимосвязаны. Но­мер периода однозначно указывает на число электронных слоёв в атомах его элементов; номер группы для многих химических элементов соответствует количеству валентных электронов, т.е. определяет зна­чение максимальной валентности (максимальной степени окисления).

Пример 3.1.1. Связь между периодической системой и строением атомов элементов 4-го периода Ca, Sc, Ga.

Записываем электронные формулы атомов:

₂₀Ca[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²]; ₂₁Sc[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²], ₃₁Ga[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹].

Из электронных формул видно, что в атомах всех трёх элементов имеется 4 электронных слоя соот­ветственно номеру 4-го периода. Видно также, что в атомах скандия и галлия -–элементов группы III – по 3 валентных электрона (валентные подуровни подчёркнуты) соответственно номеру группы.

Находясь в одной и той же группе, атомы Sc и Ga принадлежат к различным подгруппам: Sc – к побоч­ной подгруппе (к IIIB-группе), Ga – к главной (к IIIA-группе). Причина этого различия, как видно из электронных формул, заключается в различном строении валентных подуровней. Sc – элемент побочной подгруппы – отно­сится к d-электронному семейству; его валентные электроны расположены не только во внешнем слое, но и в d-подуровне предвнешнего слоя; Ga – элемент главной подгруппы – относится к p-электронному семейству и все его валентные электроны находятся во внешнем слое.

Различие в электронном строении валентных подуровней, аналогичное рассмотренному, имеют элемен­ты главных и побочных подгрупп периодической системы. Элементы побочных подгрупп – это d-элементы. В атомах данных элементов (за исключением IIB–группы) валентными являются электроны внешнего слоя и неспаренные электроны d-подуровня предвнешнего слоя. Элементы главных подгрупп относятся или к р-элек­тронному семейству (элементы IIIA  VIIIA–групп), или же являются s-элементами (элементы IA– и IIA–груп­пы). В атомах этих элементов валентные электроны расположены только во внешнем слое.

Элементы одной группы, имея одинаковое количество валентных электронов, обнаруживают ряд сходных свойств. Это сходство проявляется, в частности, в одинаковом значении максимальной валентности (мак­симальной степени окисления). Так, рассмотренные в примере 3.1.1. атомы Sc и Ga в соединениях имеют мак­симальную степень окисления, равную трём.

Элементы одной подгруппы не просто сходны, а родственны по большинству химических свойств, т.к. их атомы при одинаковом числе валентных электронов имеют также одинаковое электронное стро­е­ние валентных подуровней.

Пример 3.1.2. Электронное строение валентных подуровней элементов IIIB–группы: скандия и иттрия.

Записываем электронные формулы атомов и определяем валентные подуровни:

₂₁Sc[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²], ₃₉Y[1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹5s²].

Из электронных формул видно, что атомы рассматриваемых элементов имеют аналогичное строение валентных подуровне, которое для них (и остальных элементов подгруппы) может быть выражено одной общей формулой: (n-1)d¹ns², где n – номер внешнего электронного слоя (номер периода).

Т.к. положение в периодической системе и электронное строение атомов любого элемента взаимосвя­за­ны, по месту элемента в периодической таблице можно охарактеризовать электронное строение его ато­мов, не записывая полную электронную формулу.

Пример 3.1.3. характеристика электронного строения атомов свинца.

Порядковый номер свинца – 82, следовательно атом Pb содержит 83 электронов. Т.к. Pb – элемент 6-го периода, его электроны образуют 6 электронных слоёв.

Pb является элементом главной подгруппы четвёртой группы. Следовательно, его валентные электро­ны расположены во внешнем 6-м электронном слое, а электронное строение его валентных подуровней такое же, что и у остальных элементов подгруппы, в т.ч., аналогично электронному строению валентных под­уров­ней первого элемента подгруппы – углерода. Электронная формула атома углерода проста: ₆C[1s²2s²2p²]. Из электронной формулы углерода вытекает, что электронное строение валентных подуровней элементов IVA–группы выражается общей формулой ns²np². В соответствии с этим, записываем формулу для валентных под­уровней атома свинца: ₈₂Pb[…6s²6p²].