Периодическая система элементов Менделеева

Периодический закон (Менделеева) гласит: изменение химических и физических свойств элементов зависит от их атомных весов. Если расположить химические элементы в порядке возрастания их атомных весов, то периодически через правильные промежутки (называемые периодами) элементы, оказавшиеся в таблице Менделеева в одном вертикальном ряду (группа элементов), обнаруживают сходные физико-химические свойства. Порядковый номера элемента совпадает с числом протонов в ядре (определяет положительный заряд ядра в единицах элементарного заряда) и равен количеству электронов в атоме.

Химические и ряд физических свойств атомов объясняется поведением внешних (валентных) электронов. Эти свойства могут быть рассчитаны квантовой механикой с достаточно большой точностью. С этой точки зрения, квантовая механика является обоснованием и фундаментом химии. С точки зрения физики, периодичность свойств химических элементов связана с периодичностью в расположении электронов в атомах по квантово механическим состояниям.

Основные положения теории периодической системы Менделеева:

1. Порядковый номер элемента равен числу электронов в данном атоме.

2. Распределение электронов в атоме по квантово механическим (энергетическим) состояниям (которые определяются набором квантовых чисел .) должно удовлетворятьпринципу минимума потенциальной энергии. Атом устойчив тогда, когда находится в состоянии с наименьшей возможной энергией. С возрастанием числа электронов каждый следующий электрон должен занимать состояние с наименьшей энергией.

3. Заполнение электронами квантово механических состояний должно происходить в соответствии с принципом запрета Паули. В атоме может существовать только один электрон в состоянии, которое характеризуется данным набором четырех квантовых чисел.

Электронным слоем (электронной оболочкой) называется совокупность электронных состояний с одинаковыми значениями главного квантового числа (,,,— оболочки). Номер периода равен главному квантовому числу слоя, который начал заполнятся. Внутри оболочки различают состояния с одинаковыми значениями орбитального квантового числа—подоболочки или подгуппы (—подоболочки). В зависимости от количества внешних (валентных электронов) элементы группируются в таблице Менделеева по подгруппам. Номер подгруппы соответствует суммарному числу внешних электроновиподоболочек (за исключением переходных элементов). Поскольку максимальное число электронов на этих оболочках равно 8, то число подгрупп также равно 8. Непереходные элементы формируют главную подгруппу, а переходные побочную подгруппу.

Таким образом, вначале должны заполнятся оболочки с меньшими . Внутри оболочки первыми заполняются состояния с меньшими, затем с большими. Следует отметить, что в силу вышеуказанного принципа заполнения, суммарная проекция на выделенное направление механического и магнитного момента импульса оболочки с четным числом электронов должна равняться нулю (поскольку при данном, а). Т.е. механические и магнитные моменты электронов попарно компенсируют друг друга.

Например:

Замечание 1.

Периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью электронных конфигураций во внешних электронных подоболочках у атомов родственных элементов. В основе большинства химических реакций лежит отдача или присоединение внешних (или валентных электронов). Если у атома имеется менее чем наполовину занятая подгруппа состояний, то для него более энергетически выгодной будет отдача валентных электронов и наоборот, еслиподгруппа состояний занята более чем наполовину то более выгодным оказывается присоединение электронов.

Замечание 2.

Начиная с калия (), в периодической системе имеет место нарушение порядка последовательного заполнения электронами оболочек (в соответствии с вышеизложенными правилами вместодолжен был быть). Это объясняется тем, что при достаточно больших значениях главного квантового числав результате взаимодействия электрона с другими электронами состояния с большими меньшиммогут иметь меньшую энергию (т.е. быть энергетически более выгодными) чем состояния с меньшими большим.

Химические элементы, у которых происходит достройка предыдущих оболочек при уже частично заполненных последующих оболочках, называются переходными элементами.

Например, от скандия до цинкау десяти элементов идет заполнение подгруппы. Их свойства с увеличением порядкового номера изменяются иначе, чем у элементов второго и третьего периода (с обычным порядком заполнения). Они определяются электронами наружной оболочки.

Задача о движении электрона в поле ядра и других электронов является очень сложной и решается приближенными методами.

4