Периодическая система элементов Менделеева

Принцип Паули, лежащий в основе систе­матики заполнения электронных состоя­ний в атомах, позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д. И. Менде­леева (1869) - фундаментальный закон природы, являющегося основой современ­ной химии, атомной и ядерной физики (см. таблицу 3.2).

Таблица 3.2 - Систе­матика заполнения электронных состояний в атомах

Д. И. Менделеев ввел понятие поряд­кового номера Zхимического элемента, равного числу протонов в ядре и соответ­ственно общему числу электронов в элек­тронной оболочке атома. Расположив хи­мические элементы по мере возрастания порядковых номеров, он получил перио­дичность в изменении химических свойств элементов. Однако для известных в то время 64 химических элементов некоторые клетки таблицы оказались незаполненны­ми, так как соответствующие им элементы (например, Gа, Se, Gе) тогда еще не были известны. Д. И. Менделеев, таким обра­зом, не только правильно расположил из­вестные элементы, но и предсказал су­ществование новых, еще не открытых, эле­ментов и их основные свойства. Кроме того, Д. И. Менделееву удалось уточнить атомные веса некоторых элементов. На­пример, атомные веса Ве и U, вычислен­ные на основе таблицы Менделеева, ока­зались правильными, а полученные ранее экспериментально - ошибочными.

Так как химические и некоторые физи­ческие свойства элементов объясняются внешними (валентными) электронами в атомах, то периодичность свойств хими­ческих элементов должна быть связана с определенной периодичностью в распо­ложении электронов в атомах. Поэтому для объяснения таблицы будем считать, что каждый последующий элемент образо­ван из предыдущего прибавлением к ядру одного протона и соответственно прибав­лением одного электрона в электронной оболочке атома. Взаимодействием элек­тронов пренебрегаем, внося, где это не­обходимо, соответствующие поправки. Рассмотрим атомы химических элементов, находящиеся в основном состоянии.

Единственный электрон атома водоро­да находится в состоянии 1s, характеризу­емом квантовыми числами n=1, l = 0, m_l = 0 и m_s= ± ½ (ориентация его спина произвольна). Оба электрона атома Не находятся в состоянии 1s, но с антипа­раллельной ориентацией спина. Электрон­ная конфигурация для атома Не записы­вается как 1s² (два 1s-электрона). На атоме Не заканчивается заполнение К-оболочки, что соответствует заверше­нию I периода Периодической системы элементов Менделеева (см. таблицу 3.2).

Третий электрон атома Li (Z=3), со­гласно принципу Паули, уже не может разместиться в целиком заполненной K-оболочке и занимает низшее энерге­тическое состояние с n=2 (L-оболочка), т. е. 2s-состояние. Электронная конфигу­рация для атома Li: 1s²2s. Атомом Li начинается II период Периодической системы элементов. Четвертым электроном Ве (Z = 4) заканчивается заполнение подоболочки 2s. У следующих шести элементов от В (Z=5)до Nе (Z=10) идет заполнение подоболочки 2р. II период Пери­одической системы заканчивается нео­ном - инертным газом, для которого подоболочка 2р полностью заполнена.

Одиннадцатый электрон Na (Z=11) размещается в М-оболочке (n=3), зани­мая низшее состояние 3s. Электронная конфигурация имеет вид 1s²2s²2р⁶3s. 3s-электрон (как и 2s-электрон Li) является валентным электроном, поэтому оптиче­ские свойства Na подобны свойствам Li. С Z=12 идет последовательное запол­нение М-оболочки. Аr (Z=18) оказывается подобным Не и Ne: в его наружной обо­лочке все s- и р-состояния заполнены. Аr является химически инертным и заверша­ет III период Периодической системы.

Девятнадцатый электрон К (Z=19) должен был бы занять 3d-состояние в М-оболочке. Однако и в оптическом, и в химическом отношениях атом К схож с атомами Li и Nа, которые имеют внеш­ний валентный электрон в s-состоянии. Поэтому 19-й валентный электрон К дол­жен также находиться в s-состоянии, но это может быть только s-состояние но­вой оболочки (N-оболочки), т.е. заполне­ние N-оболочки для К начинается при незаполненной М-оболочке. Это означает, что в результате взаимодействия электро­нов состояние n = 4, l = 0 имеет меньшую энергию, чем состояние n = 3, l = 2. Спек­троскопические и химические свойства Са (Z=20) показывают, что его 20-й электрон также находится в 4s-состоянии N-обо­лочки. В последующих элементах происхо­дит заполнение М-оболочки (от Sс (Z=21) до Zn (Z=30)). Далее N-оболочка запол­няется до Кr (Z=36), у которого опять-таки, как и в случае Nе и Аr, s- и р-со­стояния наружной оболочки заполнены полностью. Криптоном заканчивается IV период Периодической системы.

Подобные рассуждения применимы и к остальным элементам таблицы Менде­леева, однако эти данные можно найти в справочниках. Отметим лишь, что и на­чальные элементы последующих периодов Rb, Сs, Fr являются щелочными металла­ми, а их последний электрон находится в s-состоянии. Кроме того, атомы инерт­ных газов (Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn) зани­мают в таблице особое положение - в каждом из них s- и р-состояния на­ружной оболочки полностью заполнены, и ими завершаются очередные периоды Периодической системы.

Каждую из двух групп элементов - лантаниды (от лантана (Z=57) до люте­ция (Z=71)) и актиниды (от актиния (Z=89) до лоуренсия (Z=103)) - приходится помещать в одну клетку таблицы, так как химические свойства элементов в пре­делах этих групп очень близки. Это объяс­няется тем, что для лантанидов запол­нение подоболочки 4f, которая может со­держать 14 электронов, начинается лишь после того, как полностью заполнятся подоболочки 5s, 5р и 6s. Поэтому для этих элементов внешняя Р-оболочка (6s²) ока­зывается одинаковой. Аналогично, одина­ковой для актинидов является Q-оболочка (7s²).

Таким образом, открытая Менделее­вым периодичность в химических свойст­вах элементов объясняется повторяемо­стью в структуре внешних оболочек у ато­мов родственных элементов. Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов (заполненные s- и р-состояния); во внешней оболочке щелочных металлов (Li, Na, К, Rb, Сs, Fr) имеется лишь один s-электрон; во внешней обо­лочке щелочно-земельных металлов (Ве, Мg, Са, Sr, Ва, Rа) имеется два s-электрона; галоиды (F, Сl, Вr, I, Аt) имеют внешние оболочки, в которых недостает одного электрона до оболочки инертного газа, и т. д.

Лекция 4