19.15. Періодична система хімічних елементів
На підставі викладених міркувань щодо квантових стаціонарних станів багато електронних атомів удалося теоретично обґрунтувати періодичний закон Менделєєва та дати пояснення будови періодичної системи хімічних елементів
порядковий номер хімічного елемента дорівнює загальному числу електронів у його атомі;
стан електронів в атомі визначається набором чотирьох квантових чисел n,l,m,ms;
електрони в оболонках та підоболонках атомів послідовно розміщуються на енергетичних рівнях у відповідності з принципом Паулі так, щоб потенціальна енергія атома була мінімальною;
періодичність у хімічних властивостях елементів пояснюється повторюваністю в структурі зовнішніх оболонок в атомах споріднених елементів.
Енергетичні рівні оболонок та підоболонок позначаються так, як це показано в наведеній вище таблиці. Наприклад, атом натрію Na має таку електронну конфігурацію
1S22s22p63s,
а в атомі криптону Kr
1S22s22p63s23p63d104s24p6.
Повторюваність у структурі зовнішніх оболонок в атомах споріднених елементів полягає в тому, що, наприклад, в атомах інертних газів (He,Ne,Ar,Kr,Xe) однакові зовнішні оболонки з 8 електронів (повністю заповнені s- та р-стани), в зовнішніх оболонках лужних металів (Lі,Na,K,Rb,Cs,Fr) є лише один s-електрон , в лужноземельних елементів (Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra) два s-електрона, а в галоїдів (F,Cl,Br,І,At) невистачає одного електрона до оболонки інертних газів.
Таблиця.
Розподіл електронів по енергетичних рівнях
|
Оболонка |
Головне квантове число n |
кількість електронів в оболонці |
l |
ml |
ms |
Підоболонка і кількість електронів у ній |
|
К |
1 |
2 |
0стан s |
0 |
|
K(1s)2 |
|
|
|
|
0стан s |
|
|
L1(2s)2 |
|
L |
2 |
8 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 стан p |
0 |
|
L2(2p)6 |
|
|
|
|
|
+1 |
|
|
|
|
|
|
0 стан s |
0 |
|
M1(3s)2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 стан p |
0 |
|
M2(3p)6 |
|
|
|
|
|
+1 |
|
|
|
M |
3 |
18 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 стан d |
0 |
|
M3(3d)10 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0стан s |
0 |
|
N1(4s)2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 стан p |
0 |
|
N2(4p)6 |
|
|
|
|
|
+1 |
|
|
|
|
|
|
|
-2 |
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
|
|
|
|
|
|
2 стан d |
0 |
|
N3(4d)10 |
|
N |
4 |
32 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
|
|
|
|
|
|
|
-2 |
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
|
|
|
|
|
|
3 стан d |
|
|
N4(4f)14 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
Характеристики періодичної системи елементів (ПСЕ). Номер періоду (горизонтальний рядок) дорівнює головному квантовому числу n оболонки, яка почала забудовуватися. В першому періоді забудовується перша оболонка Н(1s1) і He (1s2). У другому періоді йде забудова другої оболонки, що містить вісім елементів: від Lі (1s22s1) до Ne(1s22s22p6). Третій період подібний другому. Іде забудова 3-ої оболонки восьми елементів: від Na(1s22s22p63s1) до Ar(1s22s22p63s13p6). Починаючи з четвертого, періоди розміщуються у двох рядках. У першому рядку елементи (неперехідні) у клітинці таблиці пишуться ліворуч, а в другому (перехідні елементи) праворуч. В першому рядку четвертого періоду забудовується спочатку підоболонка 4s у K і Ca (енергія таких станів менша ніж енергія при послідовній забудові підоболонки 3d), а далі забудовується 3d підоболонка (10 елементів) від Sc до Zn. З цих десяти елементів у міді Cu(1s22s22p63s13p63d104s1) підоболонка 4s містить лише один електрон (як у Sc). Другий рядок четвертого періоду (перехідні елементи) починається з міді Cu і закінчується криптоном Kr. П’ятий період будується аналогічно четвертому.
В шостому періоді аналогія послідовності забудови четвертого та п’ятого періодів порушується. Після лантану La виділяється окрема група із 14 елементів із заповненою підоболонкою 6s, в котрих послідовно заповнюється підоболонка 4f. У двох елементів гадолінію Gd та лютецію Lu по одному електрону розміщується в підоболонці 5d. Елементи цієї групи називаються лантаноїдами або рідкоземельними, а їх властивості дуже схожі. У сьомому періоді у франція Fr і радія Ra заповнюється підоболонка 7s, потім в актинія Ас та торія Th починає заповнюватися підоболонка 6d (два електрони) і, починаючи з проактинія, забудовується підоболонка 5f. Починаючи з торію Th і, закінчуючи лоуренсієм (14 елементів), утворюється група подібних за властивостями елементів, які називаються актиноїдами.
Стовпці таблиці Менделєєва називають групами, неперехідні елементи утворюють головну підгрупу, а перехідні побічну. Елементи підгруп одної групи схожі за своїми хімічними властивостями.
|
|
Z
|
Символ та назва елемента
|
|
| |
|
I
|
1
|
H
|
водень
|
|
13,54
|
|
|
2
|
Не
|
гелій
|
|
24,45
|
|
II
|
3
|
Li
|
літій
|
(Не)+
|
5,37
|
|
4 |
Be |
берилій |
(Не)+ |
9.48 | |
|
5 |
В |
бор |
(Не)+
|
8,4 | |
|
6 |
С |
вуглець |
(Не)+
|
11.22 | |
|
7 |
N |
азот |
(Не)+
|
14.47 | |
|
8 |
0 |
кисень |
(Не)+
|
13.56 | |
|
9 |
F |
фтор |
(Не)
+
|
18.6 | |
|
10 |
Ne |
неон |
(Не)
+ |
21.48 | |
|
III
|
11
|
Na
|
натрій
|
(Ne)+ —3s1 |
5.12
|
|
|
12 |
Mg |
магній |
(Ne)
+ |
7.61 |
|
13 |
Al |
алюміній |
(Ne)+
|
5.96 | |
|
14 |
Si |
кремній |
(Ne)+
|
7.39 | |
|
15 |
P |
фосфор |
(Ne)+
|
10.3 | |
|
16 |
S |
сірка |
(Ne)+
|
10,31 | |
|
17 |
Cl |
хлор |
(Ne)+
|
12,96 | |
|
18 |
Ar |
аргон |
(Ne)+ |
15.69 | |
|
IV
|
19 |
К |
калій |
(Аг)+ |
4.32 |
|
20 |
Ca |
кальцій |
(Ar)+ |
6.09 | |
|
21 |
Sc |
скандій |
(Лг)+
|
6,57 | |
|
22 |
Ti |
титан |
(Ar)+
|
6,80 | |
|
23 |
V |
ванадій |
(Ar)+
|
6,76 | |
|
24 |
Cr |
хром |
(Ar)+
|
6.74 | |
|
25 |
Mn |
марганец |
(Ar)+
|
7.40 | |
|
Перехідні елементи |
26 |
Fe |
залізо |
(Ar)
+ |
7,83 |
|
27 |
Co |
кобальт |
(Ar)+
|
7,81 | |
|
28 |
Ni |
нікель |
(Ar)+
|
7.61 | |
|
|
29 |
Cu |
мідь |
(Ar)+
|
7.62 |
|
30 |
Zn |
цинк |
(Аг)+
|
9.35 | |
|
31 |
Ga |
галій |
(Ar)+
|
5.27 | |
|
32 |
Ge |
германій |
(Ar)+
|
7,85 | |
|
33 |
As |
мишяк |
(Ar)+
|
9,4 | |
|
34 |
Se |
селен |
(Ar)+
|
9.75 | |
|
35 |
Br |
бром |
(Ar)+
|
11.8 | |
|
36 |
Кг |
криптон |
(Ar)+
|
13,94 | |
|
V
|
37
|
Rb |
рубідій |
(Кг)
+
|
4,16 |
|
38 |
Sr |
стронцій |
(Кг)
+
|
5,67 | |
|
39 |
Y |
ітрій |
(Кг)
+
|
6,5 | |
|
40 |
Zr |
цирконій |
(Кг)
+
|
6.84 | |
|
41 |
Nb |
ніобій |
(Кг)
+
|
6,88 | |
|
42 |
Mo |
молібден |
(Кг)
+ |
7,65 | |
|
43 |
Tc |
технецій |
(Кг)
+
|
7,28 | |
|
Перехідні елементи |
44 |
Ru |
рутеній |
(Кг)
+
|
7,7 |
|
45 |
Rh |
родій |
(Кг)
+
|
7,7 | |
|
46 |
Pd |
паладій |
(Кг)
+
|
8,5 | |
|
|
47 |
Ag |
срібло |
(Кг)
+
|
7,54 |
|
48 |
Cd |
кадмій |
(Кг)
+
|
8,95 | |
|
49 |
In |
індій |
(Кг)
+
|
5,76 | |
|
50 |
Sn |
олово |
(Kr)+ |
7,37 | |
|
51 |
Sb |
сурьма |
(Кг)
+
|
8,5 | |
|
52 |
Те |
телур |
(Кг)
+
|
9,1 | |
|
53 |
I |
йод |
(Кг)
+ |
10,44 | |
|
54 |
Xe |
ксенон |
(Кг)
+
|
12,08 | |
|
VI |
55 |
Cs |
цезій |
(Xe)
+
|
3,88 |
|
56 |
Ba |
барій |
(Хс)
+
|
5,19 | |
|
57 |
La |
латан |
(Xe)
+
|
5,57 | |
|
Ланта-ноїди
|
-58 |
Ce |
церій |
(Xe)
+
|
5,51: |
|
59 |
Pr |
празеодим |
(Xe)
+
|
5,46 | |
|
60 |
Nd |
неодим |
(Xe)
+
|
5,52 | |
|
61 |
Pm |
прометій |
(Xe)
+
|
5,55 | |
|
62 |
Sm |
самарій |
(Xe)
+
|
5,64 | |
|
63 |
Eu |
европій |
(Xe)
+
|
5,67 | |
|
64 |
Gd |
гадоліній |
(Xe)
+
|
6,15 | |
|
65 |
Tb |
тербій |
(Xe)
+
|
5,86 | |
|
66 |
Dy |
диспрозій |
(Xe)
+
|
5,94 | |
|
67 |
Ho |
гольмій |
(Xe)
+
|
6,02 | |
|
68 |
Er |
ербій |
(Xe)
+ |
6,11 | |
|
69 |
Tm |
тулій |
(Xe)
+
|
6,18 | |
|
70 |
Yb |
ітербій |
(Xe)
+
|
6,25 | |
|
71 |
Lu |
лютецій |
(Xc)+ |
5,42 | |
|
|
72 |
Hf |
гафній |
(Xe)+ |
7,5 |
|
73 |
Та |
тантал |
(Xe)
+ |
7,89 | |
|
74 |
W |
вольфрам |
(Xfc)
+ |
7,98 | |
|
75 |
Re |
реній |
(Xe)
+
|
7,88 | |
|
Перехідні елементи |
76 |
Os |
осмій |
(Xe)
+
|
8,73 |
|
77 |
Ir |
іридій |
(Xe)
+ |
9,05 | |
|
78 |
Pt |
платина |
(Хс)
+
|
8,96 | |
|
|
79 |
Au |
золото |
(Xe)+ |
9,22 |
|
80 |
Hg |
ртуть |
(Xe)
+ |
9.20 | |
|
81 |
Tl |
талій |
(Xe)+ |
10,59 | |
|
82 |
Pb |
свинец |
(Xe\}+ |
7,39 | |
|
83 |
Bi |
вісмут |
(Xe)
+ |
8.0 | |
|
84 |
Po |
полоній |
(Xe)
+ |
8,42 | |
|
85 |
At |
астат |
(Xe)+ |
9,0 | |
|
86 |
Rn |
радон |
(Хе)
+
|
10.69 | |
|
VII |
87 |
Fr |
францій |
(Rn)
+
|
4.0 |
|
88 |
Ra |
радій |
(Rn)
+
|
5,28 | |
|
89 |
Ac |
актиній |
(Rn)
+ |
5,6 | |
|
Акти-ноїди
|
90 |
Th |
торій |
(Rn)
+ |
6.1 |
|
91 |
Pa |
проактиній |
(Rn)
+ |
6.0 | |
|
92 |
U |
уран |
{Rn)
+
|
6,0 | |
|
93 |
Np |
нептуній |
(Rn)
+ |
6.2 | |
|
94 |
Pu |
плутоній |
(Rn)
+ |
6,06 | |
|
95 |
Am |
америцій |
(Rn)
+ |
6,0 | |
|
96 |
Cm |
кюрій |
(Rn)+ |
6,02 | |
|
97 |
Bk |
берклій |
(Rn)
+
|
| |
|
98 |
Cf |
каліфорній |
(Rn)
+ |
| |
|
99 |
Es |
ейнштейній |
(Rn)
+ |
| |
|
100 |
Fin |
фермій |
(Rn)+ |
| |
|
101 |
Mu |
менделевій |
(Rn)
+ |
| |
|
102 |
No |
нобелій |
(Rn)
+ |
| |
|
103 |
Lr |
лоуренсій |
(Rn)
+ |
| |
|
|
104 |
(Ku |
курчатовій) |
(Rn)
+ |
|
|
105 |
(Ns |
нільсборій) |
(^П)+ |
| |
|
106 |
EW |
ека вольфрам |
(Rn)
+ |
| |
|
107 |
ERe |
екареній |
(Rn)
+
|
| |
|
108 |
|
|
(Rn)
+ |
| |
|
109 |
|
|
(Rn)
+ |
| |
