Теоретичне обгрунтування періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва

ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 2. ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА І БУДОВА АТОМІВ

§ 2.8. Теоретичне обгрунтування періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва

Порядок заповнення електронами енергетичних рівнів (електронних шарів) і підрівнів (підшарів) теоретично обгрунтовує періодичну систему елементів Д. І. Менделєєва. Вже з розгляду електронних формул елементів І і II періодів (див. § 2.7) легко дійти висновку, що період розпочинається з елемента, в атомі якого

на зовнішньому рівні перебуває один s-електрон: у І періоді це гідроген, в решті – лужні метали. Завершується період благородним газом: перший – гелієм (1s ), решта періодів – елементами, атоми яких на зовнішньому рівні мають електронну конфігурацію ns2np6.

Отже, I період містить два елементи: гідроген (Z = 1) і гелій (Z = 2). II період розпочинається з елемента літію (Z = 3) і завершується неоном (Z = 10). У другому періоді вісім елементів. III період розпочинається з натрію (Z = 11), електронна конфігурація якого 1s22s22p63s1.

З нього розпочалося заповнення третього енергетичного рівня. Завершується воно в благородного газу аргону (Z = 18), 3s – і Зр-підрівні якого повністю заповнені. Електронна формула аргону: 1s22s22р63s2Зр6 . Натрій – аналог літію, аргон – неону. В III періоді, як і в II, вісім елементів.

IV період розпочинається з калію (Z = 19), електронна будова якого виражається формулою: 1s22s22р6 3s23p64s1. Його 19-й електрон зайняв 4s-підрівень, енергія якого нижча, ніж енергія 3d-підрівня (див. рис. 2.3). Зовнішній 4s-електрон надає елементу властивостей, подібних до властивостей натрію. У кальцію (Z= 20) 4s-підрівень заповнений двома електронами: 1s22s2p63s23p64s. З елемента скандію (Z= 21) розпочинається заповнення Зd-підрівня, оскільки енергетично він вигідніший, ніж 4р-підрівень (див. рис. 2.3). П’ять орбіталей 3d – підрівня можуть бути зайняті десятьма електронами, що здійснюється в атомів від скандію до цинку (Z = 30). Тому електронна будова Sc відповідає формулі 1s22s22p63s23p63d14s2, а цинку1 – 1s22s22р63s2Зр6 3d104s2. В атомах наступних елементів до благородного газу криптону (Z = 36) включно відбувається заповнення 4р-підрівня. В IV періоді 18 елементів.

1 Хоч 3d-підрівень заповнюється після -4s-підрівня, у формулі його ставлять раніше, тому що послідовно записують усі підрівні даного рівня.

V період містить елементи від рубідію (Z = 37) до інертного газу ксенону (Z = 54). Заповнення їх енергетичних рівнів відбувається так само, як у елементів IV періоду: після Rb і Sr у десяти елементів від ітрію (Z = 39) до кадмію (Z = 48) заповнюється 4d-підрівень, після чого електрони займають 5р – підрівень. В V періоді, як і в IV, 18 елементів. В атомах елементів VI періоду цезію (Z = 55) і барію (Z = 56) заповнюється 6s-підрівень. У лантану (Z = 57) один електрон надходить на 5d-підрівень, після чого заповнення цього підрівня припиняється, а починається заповнення 4f – підрівня, сім орбіталей якого можуть зайняти 14 електронів. Це відбувається в атомів елементів лантаноїдів з Z = 58…71. Оскільки у цих елементів заповнюється глибинний 4f-підрівень третього ззовні рівня, вони виявляють досить близькі хімічні властивості. З гафнію (Z = 72) відновляється заповнення d – підрівня і закінчується у меркурію (Z = 80), після чого електрони заповнюють бр-підрівень. Заповнення рівня завершується у благородного газу радону (Z = 86). В VI періоді 32 елементи.

VII період – незавершений. Заповнення електронами електронних рівнів аналогічне VI періоду. Після заповнення 7 s – підрівня у францію (Z = 87) і радію (Z = 88) електрон актинію надходить на бd-підрівень, після якого починає заповнюватися 5f-підрівень 14 електронами. Це відбувається в атомів елементів актиноїдів із Z = 90…103. Після 103-го елемента відбувається заповнення 6d-підрівня: у курчатовію (Z = 104), нільсборію (Z = 105), елементів із Z = 106 і Z = 107. Актиноїди, як і лантаноїди, мають багато подібних хімічних властивостей.

Залежно від того, який рівень останнім заповнюється електронами, всі елементи поділяють на чотири типи (родини).

1. s-Елементи; заповнюється електронами s-підрівень зовнішнього рівня. До них належать перші два елементи кожного періоду.

2. р-Елементи; заповнюється електронами р-підрівень зовнішнього рівня. Це останні 6 елементів кожного періоду (крім І і VII).

3. d-Елементи; заповнюється електронами d-підрівень другого ззовні рівня, а на зовнішньому рівні залишається один або два електрони (у Pd – нуль). До них належать елементи вставних декад великих періодів, що розміщені між s – і р-елементами (їх називають також перехідними елементами).

4. f-Елементи; заповнюється електронами f-підрівень третього ззовні рівня, а на зовнішньому рівні залишається два електрони. Це – лантаноїди й актиноїди.

У періодичній системі 14 s-елементів, 30 р-елементів, 35 (f-елементів, 28 f-елементів. Елементи одного типу виявляють низку спільних хімічних властивостей.

Отже, періодична система Д. І. Менделєєва є природною класифікацією хімічних елементів за електронною структурою їх атомів. Про електронну структуру атома, а значить, і про властивості елемента судять за положенням елемента у відповідних періоді і підгрупі періодичної системи. Закономірностями заповнення електронних рівнів пояснюється різне число елементів у періодах.




Теоретичне обгрунтування періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва