2.12. Периодическая система д.И. Менделеева и электронная структура атомов

Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атомов. У каждого последующего элемента периодической системы на один электрон больше, чем у предыдущего. Полные записи электронных конфигураций (формул) первых двух периодов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Электронные конфигурации элементов первых двух периодов

Атомный номер	Элемент	Электронная конфигурация
1	Водород
2	Гелий
3	Литий
4	Бериллий
5	Бор	1s22s22p1
6	Углерод	1s22s22p2
7	Азот	1s22s22p3
8	Кислород	1s22s22p4
9	Фтор	1s22s22p5
10	Неон	1s22s22p6

Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия (Z=2). Оба элемента являются s-элементами. Атомом гелия заканчивается формирование первого уровня (K-оболочки; n = 1) атома, обозначим её [He].

У элементов второго периода формируется второй энергетический уровень (L – оболочка; n = 2), заполняются s- и p- подуровни. Li (Z = 3) и Be (Z=4) относятся к s –элементам, остальные шесть элементов периода входят в число p-элементов. У элемента Ne (Z=10) полностью заполнен 2p –подуровень, обозначим его электронную конфигурацию как [Ne]. Электронные конфигурации элементов в основном состоянии в краткой записи представлены в приложении 1(запись электронной конфигурации полностью заполненных подуровней предыдущих периодов не приводится).

У элементов 3-го периода заполняется третий уровень (оболочка М; n=3), состоящий из 3s-, 3p- и 3d-орбиталей. Начинается период с натрия (Z=11),электронная конфигурация которого , и заканчивается аргоном (Z=18), с электронной конфигурацией . Натрий – аналог лития, аргон – неона. В третьем периоде, так же, как и во втором, восемь элементов, из них два первых элемента Na(Z=11) и Mg(Z=12) являются s-элементами, шесть последних (Al - Ar) – p-элементами.

Хотя в третьем уровне (оболочка М) имеется подуровень 3d, который остается незаконченным, в четвертом периоде начинает формироваться следующий уровень- четвертый (оболочка N; n=4) и период начинается с s- элемента калия (Z=19).

Внешний 4s - электрон придает элементу свойства, сходные со свойствами натрия. Появление электрона в 4s-состоянии при наличии свободных 3d-орбиталей обусловливается экранированием (заслонением) ядра плотным и симметричным электронным слоем . В связи с отталкиванием от этого слоя для 19-го электрона атома калия и 20-го электрона атома кальция энергетически выгодным оказывается 4s- состояние:

,

.

То есть энергия 4s–подуровня несколько ниже, чем энергия 3d–подуровня (см. рис. 2.4). В соответствии с правилом Клечковского, (n+ℓ) у 4s(4) ниже, чем (n+ℓ) у 3d (5). С элемента скандия (Z=21) начинается заполнение 3d-подуровня, так как он энергетически более выгоден, чем 4p-подуровень. Пять орбиталей 3d-подуровня могут быть заняты десятью электронами, что осуществляется у атомов от скандия до цинка (Z=30). Элементы от до относятся к d-элементам. У d - элементов 4-го периода, следовательно, достраивается слой М (третий уровень; n=3) до 18 электронов. В связи с этим важно отметить, что физические и химические свойства элементов в первую очередь определяются структурой внешнего энергетического слоя их атомов и лишь в меньшей степени зависят от строения предшествующих (внутренних) электронных слоёв. У атомов всех d-элементов внешний слой образован одним, двумя s-электронами, поэтому химические свойства d-элементов с увеличением порядкового номера изменяются не так резко, как свойства s- и p-элементов. Все d-элементы принадлежат к металлам, тогда как заполнение внешнего p-подуровня приводит к переходу от металла к типичному неметаллу и, наконец, к благородному (инертному) газу.

После заполнения 3d-орбиталей у последующих шести элементов (Ga-Kr) заполняются p-орбитали внешнего слоя. Четвертый период завершается формированием подуровня 4р у криптона – [Ar] или [Kr], являющегося аналогом аргона. Всего в четвертом периоде 18 элементов. Таким образом, четвертый период начинается двумя s-элементами и заканчивается шестью р-элементами, но в отличие от второго и третьего периодов между s- и p-элементами располагаются десять d-элементов (вставная декада большого периода; переходные элементы).

В пятом периоде заполнение электронных уровней и подуровней происходит, как и в четвертом периоде, а именно: у двух первых элементов (s-элементов ₃₇Rb и ₃₈Sr) и шести последних (р - элементов ) заполняется внешний слой. Между s- и р - элементами располагаются десять d – элементов ( ), у которых заполняются d – орбитали предвнешнего уровня (4d - подуровень). Всего в пятом периоде 18 элементов.

Шестой период содержит 32 элемента (см. приложение 1) и тоже начинается двумя s – элементами ( и ). Далее у лантана начинает заполняться d – орбиталь предвнешнего уровня (5d - подуровень):

.

После чего заполнение этого подуровня приостанавливается, а начинает заполняться энергетически более выгодный 4f – подуровень (рис. 2.4), семь орбиталей которого могут быть заняты 14 электронами. Это происходит у 14 атомов элементов лантаноидов , относящихся к f – элементам. Поскольку у этих элементов заполняется глубинный 4f – подуровень третьего снаружи уровня, они обладают близкими химическими свойствами. С гафния (Z=72) возобновляется заполнение 5d подуровня и заканчивается у ртути (Z=80), после чего электроны заполняют 6р – подуровень: шестой период, как и пятый, завершается шестью р – элементами . В шестом периоде 32 элемента, из них: два s – элемента, шесть р – элементов, десять d – элементов и четырнадцать f – элементов.

В седьмом периоде имеются два s – элемента , за ними следуют d – элемент и четырнадцать f – элементов - актиноидов , далее снова d – элементы ( , элементы 106 - 110).Актиноиды, как и лантаноиды, обладают многими сходными химическими свойствами. В противоположность предыдущим, 7-й период не завершён.

Изложенное показывает, что по мере роста заряда ядра происходит закономерная периодическая повторяемость сходных электронных структур элементов, а следовательно, и повторяемость их свойств, зависящих от строения электронных оболочек атомов.

Периодическая система Д. И. Менделеева отражает периодический закон, является естественной классификацией химических элементов по электронной структуре их атомов.