
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 элементасовпадает 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:
Порядковый номер элемента
равен числу электронов в данном атоме.
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.
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 называется совокупность
электронных состояний с одинаковыми
значениями главного квантового числа
(
,
,
,
— оболочки). Номер периода равен главному
квантовому числу слоя, который начал
заполняться. Внутри оболочки различают
состояния с одинаковыми значениями
орбитального квантового числа
—оболочки
или подгуппы (
—оболочки).
В зависимости от количества внешних
(валентных электронов) элементы
группируются в таблице Менделеева по
подгруппам. Номер подгруппы соответствует
суммарному числу внешних электронов
и
оболочек (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 оболочках 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, если
подгруппа
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
вместо
должен был быть
).
Это объясняется тем, что при достаточно
больших значениях главного квантового
числа
в
результате взаимодействия электрона
с другими электронами состояния с
большим
и меньшим
могут иметь меньшую энергию (т.е. быть
энергетически более выгодными) чем
состояния с меньшим
и большим
.
Химические элементы, у которых происходит достройка предыдущих оболочек при уже частично заполненных последующих оболочках, называются переходными элементами.
Например, от скандия
до цинка
у
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.