5.3.3 Элементы III периода (Na – Ar)

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня невозбуждённых атомов элементов III периода такая же, как и у элементов соответствующих групп II периода. Различие состоит лишь в том, что у элементов III периода заполняются орбитали третьего энергетического уровня (n = 3). В этом случае орбитальное квантовое число l может принимать три значения: 0; 1; 2. Следовательно, третий энергетический уровень образован орбиталями трёх типов: одной s-орбиталью, тремя p-орбиталями, пятью d-орбиталями.

Элемент второго периода: Элемент третьего периода:

Таким образом, номер периода, в котором находится элемент, равен главному квантовому числу, которое характеризует электроны внешнего энергетического уровня.

У атомов всех элементов III периода, находящихся в невозбуждённом состоянии, 3d-орбитали являются вакантными (т.е. незаполненными электронами). При возбуждении атома, которое происходит в результате передачи атому извне дополнительной энергии, спаренные электроны, находящиеся на 3p-подуровне (а также на 3s-подуровне), могут расспариваться и переходить на более высокий по энергии 3d-подуровень.

н евозбуждённое

состояние

возбуждённое состояние

возбуждённое

состояние

Как известно, ковалентная химическая связь может образоваться при взаимодействии неспаренных электронов двух атомов; в результате такого взаимодействия образуется общая электронная пара, принадлежащая обоим атомам. Поэтому число неспаренных электронов в атоме равно числу химических связей, которые может образовать данный атом. У s- и p-элементов валентными электронами являются электроны внешнего энергетического уровня; таким образом, валентность s- или p-элемента определяется числом внешних неспаренных электронов. Так, атом серы в невозбуждённом состоянии двухвалентен; возбуждение атома серы позволяет реализовать четырёхвалентное и шестивалентное состояния.

4. Элементы IV периода (k – Kr)

У последнего элемента III периода – аргона – полностью заполнены 3s- и 3p-подуровни, но свободны все 3d-орбитали. Однако, у следующих за аргоном элементов – калия и кальция – заполнение третьего электронного слоя временно прекращается и начинает формироваться s-подуровень внешнего четвёртого энергетического уровня:

K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s¹ Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s² .

В обеих электронных формулах жирным шрифтом выделены внешние электроны. Причина такой непоследовательности заполнения энергетических уровней связана с тем, что в многоэлектронном атоме энергия электрона определяется не только значением главного квантового числа n, но и значением орбитального квантового числа l, вследствие чего 4s-орбиталь имеет более низкую энергию, чем вакантные 3d-орбитали.

Последовательность заполнения атомных орбиталей в зависимости от значений главного и орбитального квантовых чисел определяется правилами Клечковского:

1) при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронами атомных орбиталей происходит от орбиталей с меньшей величиной суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l) к орбиталям с большим значением этой суммы;

2) при одинаковых величинах суммы (n + l) заполнение орбиталей происходит в направлении возрастания значения главного квантового числа n (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Последовательность заполнения атомных орбиталей электронами

Энергия орбитали	1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d<
Сумма n + l	1	2	3	3	4	4	5	5	5	6

---------------------------------------------------------------------

Энергия орбитали	<5p < 6s < 4f ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈ 6d < 7p
Сумма n + l	6	6	7	7	7	7	8	8	8

Таким образом, хотя 3d-орбитали появляются уже у элементов третьего периода, заполнение 3d-орбиталей происходит только после заполнения 4s-орбиталей, т.е. у элементов четвёртого периода. Точно так же, свободные f-орбитали есть уже у элементов четвёртого периода (n = 4, l = 0; 1; 2; 3), но заполнение этих 4f-орбиталей происходит только после заполнения 6s-орбиталей, т.е. у элементов шестого периода. Из сказанного следует, что после кальция появляется ряд из десяти d-элементов (Sc – Zn), у которых заполняются 3d-орбитали.

Sc 3d14s2
T i 3d24s2
V 3d34s2
Cr 3d54s1

Особенность электронной конфигурации атома хрома в том, что ему соответствует формула 3d⁵4s¹, а не 3d⁴4s², что связано с «проскоком» одного электрона с 4s-орбитали на 3d-орбиталь. Это объясняется тем, что в результате «проскока» электрона образуется наполовину заполненный электронами 3d-подуровень, обладающий повышенной устойчивостью. Повышенной устойчивостью обладают также полностью заполненные электронами подуровни, вследствие чего «проскок» электрона происходит также у атома меди. Следует отметить, что отсутствие химической активности у инертных газов также объясняется устойчивостью полностью заполненных электронных уровней.

Mn 3d54s2

Fe 3d64s2

Co 3d74s2

Ni 3d84s2

C u 3d104s1, а не 3d94s2; («проскок электрона»)

Zn 3d104s2

После ряда d-элементов в четвёртом периоде идёт заполнение p-орбиталей у элементов Ga – Kr, электронная конфигурация которых аналогична электронной конфигурации p-элементов B – Ne или Al – Ar. Следует отметить, что все d-элементы являются металлами.