Студопедия — Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и электронная структура атомов
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и электронная структура атомов






В 1869 г. Д.И. Менделеевым был открыт периодический закон: "Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов";.

Физический смысл периодического закона подтвердило развитие учения о строении атома. В связи с этим произошло уточнение формулировки периодического закона Д.И. Менделеева: "Свойства элементов, а также их соединений находятся в периодической зависимости от величин заряда ядер атомов элементов".

Периодическая система (ПС) - графическое отображение этого закона, таблица, в которой расположены все известные химические элементы.

Наиболее общепринятыми являются короткая (с. 17) и длиннопериодная формы периодической системы.

В периодической системе элементы расположены в порядке возрастания зарядов ядер их атомов. Порядковый номер элемента равен

 

заряду ядра атома и, соответственно, общему количеству электронов этого атома.

Периодическая система (с.17) элементов состоит из периодов, групп и подгрупп.

Горизонтальные ряды химических элементов в таблице Д.И. Менделеева, в пределах которых последовательно изменяются их химические свойства, называются периодами. Периодическая система содержит 7 периодов.

Первые три периода называются малыми. В первом периоде только два элемента: водород Н и гелий Не. Второй и третий- содержат по восемь элементов. Второй период - это элементы от № 3 (литий Li - щелочной металл) до № 10 (неон Ne - инертный газ). Третий период - это элементы от № 11 (натрий Na - щелочной металл) до № 18 (аргон Ar - инертный газ).

Начиная с четвертого, периоды называются большими. В четвертом и пятом периодах находятся по 18 элементов. Для этих периодов характерно то, что более или менее полное повторение свойств наблюдаются через 18, а не через 8 элементов. Шестой период - это 32 элемента от щелочного металла - цезия (Cs - № 55) до инертного газа - радона (Rn - № 86), 14 элементов в этом периоде, следующие за лантаном (La - № 57), очень сходны по своим свойствам, они называются лантаноидами. Поскольку различие в химических свойствах этих элементов очень мало, они вынесены из таблицы в отдельную строку. Седьмой период незакончен.

Вертикальные ряды в таблице называются группами. В периодической системе - 8 групп, что соответствует максимальному числу электронов во внешних оболочках. Каждая группа делится на главную и побочную подгруппы. Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами и сходными химическими свойствами.

Главные подгруппы (подгруппы А)составляют элементы малых и больших периодов.

Побочные подгруппы (подгруппы В) - элементы только больших периодов. К побочным подгруппам принадлежат d – и f – элементы.

 

Периодический закон и периодическая система оказали большое влияние на дальнейшее развитие химии и смежных с ней естественных наук. Руководствуясь периодическим законом, Д.И. Менделеев предсказал несколько новых элементов, с большой точностью обосновал их свойства и указал те места, которые должны занять эти элементы в периодической системе уже известных элементов. Последующее открытие существующих в природе элементов скандия Sc, галлия Ga и германия Ge подтвердило предвидение Д.И. Менделеева. Намного позже в природе были обнаружены элементы полоний Po и рений Re и искусственно получен радиоактивный элемент технеций Tc, также предсказанные Д.И. Менделеевым.

Распределение электронов по уровням и подуровням атома подчиняется рассмотренным выше принципам и правилам распределения электронов многоэлектронных атомов.

Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атома.

Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Минимальное значение энергии для единственного электрона водорода соответствует энергетическому уровню (n = 1), т.е. состоянию 1 s. У гелия два электрона, которые занимают положение 1 s2. Водород и гелий относятся к sэлементам.

Начиная с лития, формируется второй период (n = 2). Период завершается неоном, у которого заполнены 2 s - и 2 р - подуровни:

 

3Li 1s2 2s1 10Ne 1s22s22p6.

 

У первых двух элементов Li и Be формируется 2 s – подуровень, поэтому они относятся к sэлементам. Остальные шесть элементов периода входят в число рэлементов.

От натрия до аргона комплектуется третий период:

 

11Na 1s22s26 3s1 18Ar 1s22s2 2p6 3s2 3p6.

 

Хотя после заполнения 3 s - и З р - подуровней в третьем энергетическом уровне остается свободным весь 3 d - подуровень, его заполнение не происходит, он останется пока свободным, т.к. в соответствие с правилом Клечковского подуровень 4 s характеризуется более низкой энергией, чем подуровень 3 d.

Следующие за аргоном калий K и кальций Ca открывают четвертый период. У них начинает заполняться четвертый энергетический уровень, и только со скандия возобновляется достройка третьего уровня (формирование 3 d - подуровня). Заполнение 3 d – подуровня в декаде Sc - Zn осуществляется не вполне регулярно: у атома хрома Cr и меди Cu происходит «проскок» внешнего s – электрона на предшествующую d –орбиталь. «Проскок» электрона в атоме хрома приводит к заполнению d –подуровня наполовину (конфигурация d5), а у меди – к его полному комплектованию (конфигурация d10). Аналогичные неравномерности в застройке d -, а затем и в f –подуровнях наблюдаются и в следующих периодах. После цинка, вплоть до криптона, продолжается заполнение четвертого энергетического уровня (4 р - подуровень). Таким образом, четвертый (большой) период содержит 18 элементов:

 

19К 1s2 2s26 3s2 Зр64s1

…………………

21Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 Зр6 4s2 3d1

.……………….

24Cr 1s2 2s2 2p6 3s 2 3p6 4s1 3d5

25Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5

…………………

29 Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 Зр6 4s1 3d10

 

30Zn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

………………….

33As 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3

…………………

36Кr 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6

 

Заполнение энергетических подуровней у элементов пятого периода аналогично заполнению их у элементов четвертого периода: вслед за рубидием и стронцием на протяжении декады Y - Cd с несколькими «проскоками» (Nb, Mo, Тс, Ru, Rh, Ag, Pd) комплектуется 4 d - подуровень. Энергетические подуровни 5 s и 4d очень близки, и часто один электрон с 5 s – подуровня переходит на 4d – подуровень. Поэтому у элементов Nb, Mo, Тс, Ru, Rh, Ag на 5 s – подуровне находится только один электрон (5 s 1). У палладия Pd в невозбужденном состоянии 5 s – подуровень вообще не заполнен (это единственный элемент ПС, не имеющий s - электронов на внешнем уровне - 5 s о). Затем последовательность нарушается, и электроны поступают на р - подуровень пятого уровня, хотя свободны все 4 f- о рбитали.

Шестой период. Дальнейшая застройка сопровождается уже двумя нарушениями последовательности в пределах одного периода. Цезий Cs и барий Ba имеют заполненный 6 s – подуровень. У лантана La, расположенного непосредственно после бария, появляется 5 d - электрон, так что его электронная структура соответствует формуле:

 

57La 1s2 2s2 6 3s2 Зр6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 5d1.

 

У следующего за лантаном элемента - церия Се начинается застройка 4 f - подуровня:

 

58Се 1s2 2s2 6 3s2 Зр6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p6 6s2 4f 2

 

и заканчивается у лютеция Lu:

 

71Lu 1s2 2s2 6 3s2 Зр6 4s2 3d106 5s2 4d10 5p66s2 4f 14 5d1.

 

Изменение числа электронов на третьем снаружи 4 f - подуровне слабо отражается на химических свойствах элементов. Поэтому все f – элементы очень похожи друг на друга. Все лантаноиды проявляют валентное состояние 3, которое для них наиболее характерно. Наиболее устойчиво это валентное состояние у лантана, гадолиния и лютеция.

После лютеция от гафния Hf до ртути Hg заканчивается застройка 5 d -подуровня, а начиная от таллия Tl и кончая радоном Rn, продолжается застройка шестого уровня (6 р - подуровень). Шестой период содержит 32 элемента.

Седьмой период аналогичен шестому, но он не завершен. 7-й период содержит четырнадцать элементов с заполняющимся 5 f –подуровнем, образующих семейство актиноидов. По химическим свойствам актиноиды похожи как друг на друга, так и на лантаноиды, что объясняется в большинстве случаев строением трех наружных уровней.

Все рассмотренные примеры показывают, что с ростом заряда ядра периодически повторяются сходные электронные структуры и, следовательно, свойства элементов. При рассмотрении электронных структур атомов элементов становится очевидной связь расположения атомов в периодической системе с их строением.

 

Таким образом, можно отметить следующие закономерности:

1. Все элементы располагаются в порядке возрастания порядкового номера, т.е. в порядке увеличения числа протонов в ядре. Периодическая повторяемость внутриядерных структур, составленных из протонов и нейтронов, отражается на периодически повторяющихся электронных структурах.

2. Начало периода совпадает с началом нового энергетического уровня. Период представляет собой последовательный ряд элементов. Электронная конфигурация элементов в периодах изменяется от ns 1 до ns 2 np 6 (или до ns 2 у первого периода). Периоды начинаются с s – элемента и заканчиваются р – элементом (у первого периода - s - элементом). Каждый период завершается инертным газом, у которых (кроме Не) внешний уровень состоит из восьми электронов.

Элементы с особо ярко выраженным сходством следуют один за другим сначала через 8, затем через 18 и через 32 порядковых номера. Поэтому различают малые и большие периоды. Длина периода определяется числом подуровней, заполняющихся при формировании периода: 1-й периодs- подуровень – 2 элемента; 2 - ой и 3 - й периоды - s – и p – подуровни – 8 элементов; 4 - й и 5 - й периоды - s -, p – и d – подуровни - 18 элементов; 6-й и (7-й) периоды - s -, p -, d - и f – подуровни – 32 элемента.

3. В подгруппы каждой группы объединены элементы, сходные по строению внешнего энергетического уровня их атомов.

Главная подгруппа (подгруппа А) содержит элементы s - и p - электронных семейств, атомы которых имеют на внешнем уровне число электронов, равное номеру группы. Эти электроны называются валентными и участвуют в образовании химических связей.

Побочная подгруппа (подгруппа В) включает элементы d - и f – электронных семейств, атомы которых имеют на внешнем уровне 1-2 электрона. У этих элементов валентными являются электроны внешнего (n – уровня) и часть электронов внутренних (n –1) и (n –2) уровней. Этим и объясняется отличие в свойствах элементов главных и побочных подгрупп.

Элементы побочных подгрупп (В подгрупп) составляют три вставные декады d –элементов 21 ( Sc ) – 30 ( Zn ); 39 ( Y ) – 48 ( Cd ); 72 ( Hf ) – 80 ( Hg ) и начало 4–й вставной декады в незаконченном 7 –м периоде. К побочным подгруппам также относятся элементы f - электронного семейства - лантаноиды и актиноиды.

Отличие в строении атома обусловливает различие в свойствах элементов разных подгрупп. Например, у галогенов на внешнем уровне - 7 электронов (VII А группа), а у элементов подгруппы марганца (VII В группа) - 2 электрона на внешнем уровне и 5 электронов на d –подуровне (n –1) уровня. Галогены - типичные неметаллы, элементы подгруппы марганца в основном проявляют металлические свойства. Но у них есть и общие признаки. Они могут максимально выделять 7 электронов на образование химических связей в молекулах. Только у элементов подгруппы марганца 2 электрона при этом выделяются с внешнего (n) уровня и 5 электронов с (n –1) уровня, а у галогена, например хлора, все 7 электронов - с внешнего n - уровня.

Сходство элементов главных и побочных подгрупп заключается в величине проявляемой максимальной валентности. Таким образом, номер группы указывает на максимально возможное число электронов, которые могут участвовать в образовании валентных связей (табл.2).

Элементы подгрупп IVА - VIIA - могут иметь несколько значений валентности, так как количественной мерой валентности в обменном механизме метода валентных связей считают число неспаренных электронов у атома в основном или возбужденном состоянии атома (табл. 2).

 

Таблица 2

Валентность элементов главных подгрупп

Подгруппа IA IIA IIIA IV A V A VI A VII A
Валентность              
               
               
               

 

 

В отличие от элементов главных подгрупп, элементы побочных подгрупп в большинстве соединений не проявляют высшую валентность, равную номеру группы.

Элементы главных А подгрупп в соединениях с кислородом проявляют, как правило, высшее значение валентности, а в соединениях с водородом высшая валентность достигается только для элементов подгрупп IА - IV A; для элементов подгрупп VA – VIIA их валентность в соединениях с водородом уменьшается от 3 до 1 (табл. 3).

 

Таблица 3

Высшая валентность элементов главных подгрупп

по кислороду и водороду

 

Высшая валентность   I A   II A   III A   IV A   V A   VI A   VII A
По кислороду Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7
По водороду NaH MgH2 AlH3 SiH4 PH3 H2S HCl






Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 1354. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...

Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Шрифт зодчего Шрифт зодчего состоит из прописных (заглавных), строчных букв и цифр...

Краткая психологическая характеристика возрастных периодов.Первый критический период развития ребенка — период новорожденности Психоаналитики говорят, что это первая травма, которую переживает ребенок, и она настолько сильна, что вся последую­щая жизнь проходит под знаком этой травмы...

РЕВМАТИЧЕСКИЕ БОЛЕЗНИ Ревматические болезни(или диффузные болезни соединительно ткани(ДБСТ))— это группа заболеваний, характеризующихся первичным системным поражением соединительной ткани в связи с нарушением иммунного гомеостаза...

Виды и жанры театрализованных представлений   Проживание бронируется и оплачивается слушателями самостоятельно...

Что происходит при встрече с близнецовым пламенем   Если встреча с родственной душой может произойти достаточно спокойно – то встреча с близнецовым пламенем всегда подобна вспышке...

Реостаты и резисторы силовой цепи. Реостаты и резисторы силовой цепи. Резисторы и реостаты предназначены для ограничения тока в электрических цепях. В зависимости от назначения различают пусковые...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.013 сек.) русская версия | украинская версия