Связь периодического закона со строением атома

 

В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев сформулировал Периодический закон, согласно которому свойства простых веществ, а также свойства соединений находятся в периодической зависимости от атомного веса. Но уже сам Д. И. Менделеев отмечал, что, конечно, не атомный вес является причиной периодической зависимости свойств и что в будущем при изучении строения атома будет вскрыта истинная причина этой зависимости.

Заполнение электронных орбиталей при увеличении заряда ядра и соответственно числа электронов происходит в следующей последовательности:

1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 3 d 4 p 5 s 4 d 5 p 6 s 4 f 5 d 6 p …

Максимальное число электронов в каждом состоянии с учетом принципа Паули равно:

s – 2, p – 6, d – 10, f – 14.

Если расположить последовательность энергетических состояний так, чтобы каждая строка начиналась новым значением главного квантового числа n и сосчитать число электронов в этих энергетических состояниях, то получим следующую таблицу:

 

Электронные состояния	Число электронов
1 s
2 s			2 p
3 s			3 p
4 s		3 d	4 p
5 s		4 d	5 p
6 s	4 f	5 d	6 p

 

Последовательность энергетических состояний электронов в многоэлектронных атомах соответствует структуре периодической системы элементов Д. И. Менделеева. То есть периодическое повторение свойств элементов и их химических соединений обусловлено периодичностью повторения их электронных структур. Таким образом, в современной формулировке Периодический закон гласит: свойства химических элементов, а также формы и свойства, образуемых им соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Максимальное главное квантовое число электронов в многоэлектронных атомах совпадает с номером периода, в котором располагается данный элемент в периодической таблице.

Часто при описании электронного строения атома используется понятие «внешний электронный слой», который включает в себя электроны с максимальным значением главного квантового числа. Например, для элементов шестого периода внешний слой образуют электроны с n =6 (6 s и 6 p), а электроны в 4 f и 5 d -состояниях относятся к «внутренним электронным слоям».

В зависимости от типа орбитали, которую занимает последний добавленный электрон при построении электронной конфигурации, в периодической таблице выделяют группы элементов: s -элементы (по два в каждом периоде); p -элементы (по шесть в каждом периоде, начиная со второго); d -элементы (по 10 в каждом периоде, начиная с четвертого); f -элементы (по 14 в каждом периоде, начиная с шестого).

Химические свойства элементов обусловлены не всеми электронами атома, а только валентными. Валентные электроны – электроны, принимающие участие в образовании химической связи. Валентными могут быть электроны внешнего и незаполненных внутренних слоев.

В группах элементы имеют одинаковые валентные электроны (по качеству и количеству), что и обусловливает схожесть их физических и химических свойств. Но, вследствие того, что валентные электроны для элементов в группах обладают различной энергией (увеличение главного квантового числа в группе сверху вниз), наблюдаются различия в их схожих физических и химических свойствах.

По тому, какие валентные электроны имеют атомы, можно условно выделить четыре класса элементов.

Благородные (инертные) газы. Эти элементы имеют полностью заполненные электронные слои. Общая электронная формула: 1 s ² – для гелия и ns²np⁶ – для остальных элементов. Эти элементы химически не активны.

Типичные (типические) элементы. Это s - и p -элементы, которые имеют незаполненный внешний слой (главные группы периодической таблицы). Общая электронная формула: от ns ¹ – первая группа до ns ² np ⁵ – седьмая группа. Их химические и физические свойства сильно различаются в периоде в зависимости от числа валентных электронов. Химические свойства этих элементов определяются в основном стремлением получить, отдать или обобществить электроны таким образом, чтобы приобрести электронную конфигурацию с полностью заполненными энергетическими состояниями.

Переходные элементы – d -элементы. У них происходит заполнение электронами внутреннего слоя, что объясняет значительное сходство свойств элементов внутри периода, особенно физических.

f -элементы. Особенностью этих элементов является большое сходство как по физическим, так и по химическим свойствам внутри периода по сравнению с элементами других классов.