Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Периодическая система Д. И. Менделеева и электронная структура атомов. В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. Наглядным выражением закона служит периодическая система Д. И. Менделеева.

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 первых двух периодов приведены в табл. 1.1.

Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Атомом гелия заканчивается формирование К-оболочки атома, обозначим ее [He]. Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим, и элемент относится к группе, называемой по формирующему электрону. В данном случае оба элемента имеют формирующие s-электроны и соответственно называются s-элементами.

Таблица 1.1. Электронные конфигурации элементов первых двух периодов

У элементов второго периода формируется L-оболочка, заполняются s- и p-подоболочки. Формирующими электронами у первых двух элементов являются s-электроны, поэтому Li и Be относятся к s-элементам. Остальные шесть элементов периода входят в число р-элементов, так как формирование их орбиталей заканчивается р-электроном. У элемента Ne полностью заполнена подоболочка, обозначим его электронную конфигурацию как [Ne]. В табл. 1.2 даны в краткой записи электронные конфигурации элементов в основном состоянии. При этом не приводится полная запись электронной конфигурации полностью заполненных подоболочек предыдущих периодов.

Таблица 1.2. Электронные конфигурации элементов

Третий период начинается с натрия, электронная конфигурация которого 1s²2s²2p⁶3s¹ и заканчивается аргоном с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s¹3р⁶ [Ar]. Хотя в третьм уровне (оболочка М) имеется подоболочка 3d, которая остается незаполненной, в четвертом периоде начинает формироваться следующая оболочка N (n = 4) и период начинается с s-элемента калия, [Ar]4s¹. Это обусловлено тем, что энергия подуровня 4s несколько ниже, чем энергия подуровня 3d (см. рис. 1.3).

В соответствии с правилом Клечковского n+1 у 4s (4) ниже, чем n+1 у 3d (5). После заполнения 4s-подоболочки заполняется 3d-подоболочка. Элементы, начиная со Sc [Ar]3d¹4s² до Zn [Ar]3d¹⁰4s², имеющие формирующие d-электроны, относятся к d-элементам. Как видно из табл. 1.2, у хрома на 4s-подоболочек остается один электрон, а на 3d-подоболочке вместо четырех оказывается пять d-электронов. Такое явление получило название «провала» электрона c s- на d-подоболочку. Это обусловлено более низкой энергией кофигурации 3d⁵4s². «Провал» электронов наблюдается и других атомов, например, у атомов Cu, Nb, Mo, Pt, Pd (табл. 1.2).

Четвертый период завершается формированием подоболочки 4р у криптона [Ar]3d¹⁰4s²4p⁶ или [Kr]. Всего в четвертом периоде 18 элементов.

Пятый период аналогичен четвертому периоду. Он начинается с s-элемента рубидия [Kr]5s¹ и заканчивается р-элементом ксеноном [Kr]4d¹⁰5s²5p⁶ или [Xe] и включает в себя десять 4d-элементов от иттрия до кадмия. Всего в пятом периоде 18 элементов.

В шестом периоде, как и в пятом, после заполнения s-подоболочки начинается формирование d-подоболочки предвнешнего уровня у лантана. Однако у следующего элемента энергетически выгоднее формирование 4f-подоболочки по сравнению с 5d-подоболочкой. Поэтому после лантана следует 14 лантаноидов с формирующими f-электронами, т.е. f –элементов от церия Се [Xe]4f²5d⁰6s² до лутеция Lu [Xe]4f¹⁴5d¹6s². Затем продолжается заполнениеоставшихся орбиталей в 5d-подоболочке и 6р-подоболочке. Период завершает радон [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶ или [Rn]. Таким образом, период имеет 32 элемента: два s-элемента, шесть р-элементов, десять d-элементов и четырнадцать f-элементов.

Седьмой период начинается и продолжается аналогично шестому периоду, однако формирование его не завершено. Он также имеет вставную декаду из d-элементов и четырнадцать 5f-элементов (актиноидов). Элементы, начиная со 105 номера, пока не имеют официального названия.

Структура периодической системы. Периодическая структура элементов состоит из периодов, групп и подгрупп. Периодом называется последовательный ряд элементов, размещенных в порядке возрастания заряда ядра атомов, электронная конфигурация которых изменяется от ns¹ до ns²np⁶ (или до ns² у первого периода). Периоды начинаются с s-элемента и заканчиваются р-элементом (у первого периода s-элементом). Малые периоды содержат 2 и 8 элементов, большие периоды 18 и 32 элемента, седьмой период остается незавершенным.

В системе имеется восемь групп, что соответствует максимальному числу электронов во внешних подоболочках. Группы делятся на главные (основные) и побочные подгруппы. Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами (элементы – аналоги). К главным подгруппам (подгруппам А) относятся подгруппы элементов второго периода: Li, Be, B, C, N, O, F и подгруппа благородных газов. К побочным подгруппам (подгруппам В) принадлежат d- и f-элементы. Первые шесть d-элементов (от Sc до Fe) начинают соответствующие подгруппы от подгруппы III (Sc) до подгруппы VIII (Fe). В подгруппу VIII также включаются все элементы семейства железа (Fe, Co, Ni) и их аналоги – платиновые металлы. Медь и ее аналоги, имеющие во внешней s-подоболочке по одному электрону, образуют первую побочную подгруппу, а цинк и его аналоги – вторую побочную подгруппу. Лантаноиды и актиноиды (f-элементы) находятся в III подгруппе в соответствии с особенностями их электронных конфигураций.