Періодична система елементів Д. І. Менделєєва

ФІЗИКА

Частина 5 АТОМНА ФІЗИКА

Розділ 15 БУДОВА АТОМА

15.9. Періодична система елементів Д. І. Менделєєва

У побудові періодичної системи елементів Д. І. Менделєєв брав за основу атомну масу, функцією якої є властивості атомів. Сучасна теорія атомів уточнила це питання й довела, що основним аргументом, який визначає властивості елементів, є порядковий номер їх у таблиці Д. І. Менделєєва. Він може бути виражений числом протонів в атомному ядрі або числом електронів в електронній оболонці атома. Обидва ці числа в нейтральному атомі дорівнюють

одне одному. Тепер можна встановити зв’язок між будовою електронних оболонок атома і його місцем у періодичній системі Д. І. Менделєєва. Для цього простежимо за заповненням електронних оболонок (шарів). Найпростіший за будовою атом – це атом гідрогену (Z = 1). Його електронна оболонка складається лише з одного електрона, який у нормальному незбудженому атомі (а ми в цьому підрозділі розглядатимемо саме такі атоми) перебуває у 1s-стані (K-оболонка, n = 1). Атом наступного елемента – гелію (Z = 2) – складається з двох електронів. Обидва вони перебувають у 1s-стані, але їхні спіни антипаралельні. Оскільки в K-шарі (n = 1) може бути лише два електрони, то вже в атомі гелію він виявляється повністю забудованим. Якщо згадати, що два розглянуті елементи утворюють перший період системи Менделєєва, то стає зрозумілим, що останній пов’язаний із заповненням K-оболонки, для якої n = 1. В атомі літію (Z = 3) два електрони з антипаралельними спінами можуть зайняти 1s-стан, а третій електрон, за принципом Паулі, вже не може перебувати в цьому енергетичному стані та змушений зайняти наступний, більш високий стан 2s. Незбуджений атом літію складається із ядра і двох електронів у електронній оболонці з n = 1 (вони утворюють атомний залишок) і одного зовнішнього “оптичного” електрона в оболонці з n = 2. У атомі берилію (Z = 4) два з чотирьох електронів заповнюють K-оболонку (n = 1) і разом з ядром утворюють атомний залишок, а два зовнішні електрони в незбудженому атомі перебувають у 2s-стані. Далі, починаючи від бору (Z = 5), відбувається заповнення 2р-станів; атом бору має три зовнішніх електрони, атом карбону – чотири і т. д. В атомі неону (Z = 10) вся L-оболонка (n = 2) виявляється заповненою. Заповнення L-оболонки, для якої n = 2 (і, отже, вона може складатися з восьми електронів), визначає другий період системи Менделєєва, до якого належать елементи Li, Ве, В, С, М, О, F, Nе.

У третьому періоді системи Менделєєва, згідно з розглянутою вище теоретичною схемою групувань електронів у атомах, має бути 18 елементів, оскільки йому відповідає головне квантове число n = 3 і, отже, 2n2 = 18. У четвертому періоді аналогічно мало б бути 2n2 = 2 ∙ 42 = 32 елементи, в п’ятому 50 елементів і т. д. Проте експериментальне вивчення розподілу електронів по оболонках методами оптичної і рентгенівської спектроскопії показало, що є відхилення від цієї ідеальної схеми групувань електронів, зумовлені додатковими взаємодіями, які не були враховані в попередніх міркуваннях. Реальне заповнення електронних оболонок, встановлене на досліді, в загальних рисах відповідає схемі 2n2, але з відхиленнями від неї, які ми розглянемо нижче. Будову електронних оболонок (шарів) і підгруп у атомах інертних газів наведено в табл. 15.1.

Таблиця 15.1

Елемент	K (n = 1)	L (n = 2)	М (n = 3)	N (n = 3)	O (n = 5)	Р (n = 6)
Гелій (Не)	2
Неон (Nе)	2	2 6
Аргон (Аr)	2	2 6	2 6
Криптон (Кr)	2	2 6	2 6 10	2 6
Ксенон (Хе)	2	2 6	2 6 10	2 6 10 –	2 6
Радон (Rn)	2	2 6	2 6 10	2 6 10 14	2 6 10	2 6

Не слід вважати, що підгрупи або навіть шари просторово чітко розмежовані. Якщо керуватись наочними уявленнями теорії Бора – Зоммерфельда, то слід урахувати, що поряд із коловими орбітами електронів є також еліптичні. Деякі електрони, що належать до якого-небудь проміжного шару і рухаються по витягнутих еліптичних орбітах, у деякі моменти часу підходять до ядра ближче, ніж електрони попереднього шару, які рухаються по менш витягнутій або по коловій орбіті; в інші моменти часу ці електрони віддаляються від ядра на відстані, більші за радіус будь-якої колової орбіти наступного шару.

Виходячи з міркувань квантової механіки, енергія електрона в багатоелектронному атомі визначається (якщо немає зовнішнього поля) переважно числами n i l. При заданому значенні головного квантового числа n вона збільшується зі зростанням числа l, а при фіксованому l зростає зі збільшенням n. Це приводить до того, що, починаючи з певних значень головного квантового числа n, стани з більшим значенням n і малим l характеризуються меншим значенням енергії порівняно зі станами, які відповідають меншим n і великим l. Наприклад, енергія електрона в 4s-стані (n = 4, l = 0) менша, ніж його енергія в Зd-стані (n = 3, l = 2). Так само енергія електрона в 5s-стані (n = 5, l = 0) менша від його енергії в 4d-стані (n = 4, l = 2), а енергія електрона в бs-стані (n = 6, l = 0) менша порівняно з його енергією в 4f-стані (n = 4, l = 3) і енергією в 5f-стані (n = 5, l = 3) і т. д.

Оскільки в незбудженому атомі електрони мають заповнювати насамперед стани, яким відповідає мінімальне значення енергії, то при цьому порушується порядок заповнення електронних оболонок, який, як виявляється, визначається не головним квантовим числом п, а сумою головного і орбітального квантових чисел (n + l). При цьому значенні суми (n+ +l) спочатку заповнюються електронні оболонки з меншим n і більшим l, а потім – з більшим n і меншим l.

Періодичність властивостей атомів пояснюється періодичністю заповнення їхніх електронних оболонок, яка випливає з принципу Паулі. Періодичність у фізичних властивостях окремих хімічних елементів виявляється насамперед у структурі лінійчастих спектрів, які випромінюють атоми цих елементів, тобто в оптичному випромінюванні пари цих речовин. Так, спектри всіх лужних металів мають однакові спектральні серії і відрізняються лише довжинами хвиль спектральних ліній. Аналогічна картина спостерігається і для інших груп. Це пояснюється тим, що оптичні лінійчасті спектри випромінюються електронами зовнішніх електронних оболонок, які і визначають періодичність властивостей атомів. Періодичність виявляється також у структурі спектральних ліній. В елементах першої групи системи Д. І. Менделєєва вони становлять дублети, в елементах другої групи – одинарні лінії та триплети. Елементи групи бору утворюють дублети, а групи карбону – одинарні лінії і триплети тощо.

Періодичність виявляється не лише в хімічних і оптичних, а й в електричних властивостях атомів. Заслуговує на увагу той факт, що “благородні” гази, які мають заповнені зовнішні оболонки – два (Не) або вісім електронів (Ne, Аr, Kr, Хе, Rn), мають найбільш високі iонізаційні потенціали. У галоїдів, розташованих зліва від них, потенціали йонізації менші, а у лужних металів – набагато менші. Другі потенціали йонізації атомів лужних металів, тобто величини, що характеризують роботу з виривання електронів з iонів лужних металів, тобто з iонів, зовнішня оболонка яких складається з восьми електронів, також дуже високі. Наприклад, другий потенціал iонізації для натрію дорівнює 46,5 еВ, для калію – 31,5 еВ, для рубідію – 27,0 еВ, для цезію – 23,5 еВ. Восьмиелектронній конфігурації електронної оболонки атома (“октет”) властива особлива стійкість, тому для віддалення одного з електронів октетів витрачається велика робота.

Атомам галоїдів (F, Сl, Вr, J), що досить сильно утримують свої валентні електрони, не вистачає одного електрона, щоб їхні зовнішні оболонки були стабільними октетами. Ці атоми здатні приєднати до себе зайвий електрон і стати негативними йонами. Система вільного електрона і атома галоїду має більшу енергію, ніж негативний йон галоїду, тобто система, де цей електрон зв’язаний з сімома валентними електронами атома галоїду, утворюючи октет. Атомам галоїдів, як і атомам деяких інших елементів, властива спорідненість з електроном. Водночас зв’язок валентних електронів лужних металів, що обертаються навколо атомних залишків, у яких електрони зовнішньої оболонки утворюють октет, слабкий. Тому при зближенні атома лужного металу М з атомом галоїду X відбувається енергетично вигідний перехід валентного електрона від першого до другого; при цьому нейтральні атоми перетворюються в позитивний йон металу М+ і негативний йон галоїду Х-. Сили кулонівського притягання між різнойменно зарядженими йонами утримують їх один біля одного – виникає гетерополярний зв’язок і утворюється молекула МХ.

Перші досліди з синтезу елементів, розташованих після урану в таблиці Д. І. Менделєєва, або, як їх тепер називають, трансуранових елементів, були розпочаті ще в 30-х роках групою видатного італійського фізика Е. Фермі, але перший успіх випав на долю Ф. Абель – сона і Е. Макміллана, які 1940 р. синтезували перший трансурановий елемент з атомним номером 93 – нептуній.

Аналізуючи причини перших невдач, пов’язаних із синтезом та пошуком трансуранових елементів, американський фізик Г. Сиборг висунув “актиноїдну гіпотезу”, за якою хімічними аналогами лантаноїдів є елементи з порядковими номерами 90-103, тобто перший s-електрон з’являється у торію Тh (Z = 90). Актиноїдну гіпотезу покладено в основу хімічних методів виділення штучних елементів. Із використанням цих методів пов’язане одержання трансуранових елементів від америцію Аm (Z = 95) і кюрію Сm (Z = 96) до лоуренсію Lr (Z = 103) включно. Починаючи з 1940 р. почалося послідовне відкриття трансуранових елементів. Поступово були синтезовані ізотопи елементів, які відповідали все більшим і більшим Z. На сьогодні відомі такі трансуранові елементи: нептуній , плутоній америцій кюрій берклій каліфорній ейнштейній фермій менделевій нобелій лоуренсій та ін.

Намагаючись знайти межу періодичної таблиці Д. І. Менделєєва, вчені продовжували дослідження. Здавалось, що ця межа десь зовсім близько, оскільки кожний наступний елемент виявлявся менш стабільним. Проте вже у 106 і 107 елементів зменшення часу життя уповільнилось, а це свідчить про можливість існування трансуранових стабільних елементів. Учені вважають, що ізотопи, які наближаються за складом до 114 протонів і 184 нейтронів повинні мати підвищену стабільність – бути “довгожителями”. Такі елементи дістали назву наделементів, а інтервал значень атомних номерів і масових чисел, що відповідають їм, нової межі відносної стабільності. Саме тут можна чекати збільшення часу життя далеких елементів.