Современная формулировка закона Менделеева. Структура Периодической системы

Структура Периодической системы

Блоки Периодической таблицы отражают сходное строение валентных орбиталей. Номер периода - это главное квантовое число валентной оболочки. Номер группы показывает число валентных электронов.

В настоящее время периодический закон в рамках представлений Д. И. Менделеева имеет несколько другую формулировку: свойства элементов (т. е. атомов определенного вида), а также свойства и формы их соединений находятся в периодической зависимости от величин атомных масс элементов.

Эти изменения связаны с заменой понятия «атомный вес» на понятие «атомная масса», а также с новыми представлениями о строении атомов и роли этого строения для понимания свойств простых и сложных веществ различных элементов.

Однако, несмотря на выдающиеся успехи, сопровождавшие практику периодического закона, по мере накопления экспериментальных данных выявлялось все больше фактов, которые не могли быть объяснены в рамках формулировки периодического закона, предложенной Менделеевым. В частности, в таблице имелось несколько пар элементов, которые были расположены вопреки закону: Аг - К; Со - Ni; Те - I и т. д. Оставалось неясным, есть ли не открытые еще элементы между водородом и гелием, а также сколько таких элементов между лантаном и гафнием.

Ответы на эти вопросы были получены в рамках второго этапа развития периодического закона, который завершился изменением его формулировки. Г. Мозли (1912 г.) на основе анализа рентгеновских спектров атомов и Дж. Чедвик (1920 г.) на основе результатов рассеяния а-частиц, независимо друг от друга, пришли к выводу, что номер элемента в Периодической системе численно равен заряду ядра атома (в единицах заряда электрона), а значит, числу протонов в ядре и числу электронов данного атома. В связи с тем что, согласно квантовой механике, величина заряда ядра определяет не только число электронов данного атома, но и в значительной степени их энергию, а следовательно, и свойства (характеристики) атомов, периодический закон в настоящее время формулируется через понятие заряда атома элементов.

Современная формулировка периодического закона: свойства элементов, их простых веществ, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величин зарядов ядер атомов элементов.

Эта формулировка позволила устранить рассмотренные выше проблемы периодического закона: пары элементов Аг - К; Со - Ni; Те - I и т. д. расположены в таблице правильно, так как заряд ядра предыдущего атома больше заряда ядра последующего; между водородом и гелием не должны быть расположены другие элементы, так как заряд ядра атома водорода (+1), а атома гелия (+2); между барием и танталом должны располагаться 16 элементов, так как заряд ядра атома бария (+56), а тантала (+73).

Следующий этап в развитии периодического закона был связан с установлением строения электронных уровней и подуровней атомов всех элементов. При этом было выявлено, что элементы, объединенные в одну подгруппу, имеют сходное строение внешнего (валентного) электронного уровня: например, строение валентного уровня атомов Li, Na, К, Rb, Cs и Fr можно выразить в виде ns1, а для атомов галогенов (F, Cl, Br, I, At) - в виде ns2np5. Причем строение этих уровней не тождественно, а сходно, так как орбитали этих электронных уровней характеризуются различными значениями главного квантового числа (п), т. е. энергии этих орбиталей различны. Атомы же элементов главной и побочной подгрупп имеют различное строение валентных электронных уровней, но одинаковое число электронов, расположенных в объеме орбиталей этих уровней. Например, атомы элементов главной подгруппы IV группы (С, Si, Ge, Sn, Pb) имеют строение валентного уровня типа ns2np2, а атомы элементов побочной подгруппы IV группы (Ti, Zr, Hf, Rf) - типа (n-l)d2ns2.

В периодах слева направо происходит последовательное (с учетом принципа минимума энергии) заполнение орбиталей подуровней, начиная с более низких по энергии. При этом строение электронных подуровней определяется не только принципом наименьшей энергии, но и правилом Хунда. Поскольку первый энергетический уровень имеет в своем составе только одну орбиталь, число элементов первого периода равно двум (Н и Не). Во второй период попадают элементы, у которых валентным является второй энергетический уровень, в его состав входят два подуровня (2s и 2р), общее число орбиталей которых равно четырем. В связи с этим элементы второго периода можно разделить на s- и sp-элементы.

Развивающее задание: укажите, какие из элементов второго периода относятся к s-, а какие к sp-элементам.

В третий период входят элементы, валентным уровнем которых является совокупность орбиталей с п = 3. Данный уровень состоит из трех подуровней (3s, Зр и 3d). У первых двух элементов данного периода (Na и Mg) валентные электроны располагаются на Зэ-орбитали, а при переходе от А1 к Аг электроны последовательно заполняют Зр-орбитали. Для определения строения валентного уровня следующего атома (калия) необходимо вспомнить, что энергия атомных орбиталей в многоэлектронных атомах зависит от значения как главного, так и орбитального квантового числа, что связано со взаимодействием электрических полей электронов не только с полем ядра, но и между собой. Суммарное действие сил притяжения и отталкивания в системе приводит к ситуации, когда энергия орбитали 4s для атомов 19-го и 20-го элементов Периодической системы оказывается ниже, чем у орбиталей 3d. Это, в свою очередь, приводит к тому, что у атомов К и Са электроны размещаются в объеме 45-орбитали, а Зd-пoдypoвeнь оказывается внешним. Однако рост заряда ядра меняет относительную энергию орбиталей 4s и 3d на противоположную, поэтому следующий электрон (у Sc) занимает свободное место на Зd-пoдypoвнe, при этом энергии 4s- и Зd-пoдypoвнeй остаются очень близкими. Расчеты, подтвержденные спектральными данными, показывают, что энергия системы будет увеличиваться, если у скандия переместить один из электронов на свободную орбиталь 3d. Поэтому для Sc и еще девяти последующих элементов Зd-пoдypoвeнь будет внутренним, a 4s- - внешним (хотя рост заряда ядра, увеличивающий энергетический зазор между 4s- и Зd-пoдypoвнями, в ряде случаев будет изменять число электронов на 45-подуровне, например при переходе от V к Сг или от Ni к Си). По окончании формирования электронами Sd-подуровня электроны последовательно размещаются в объеме орбиталей 4р-подуровня. В пятом периоде картина повторяется: для Rb и Sr энергия Бэ-орбитали ниже, чем у 4d- и 4Ьорбиталей. Поэтому заполнение орбиталей 4d (так же как и в предыдущем периоде) начинается только после того, как 5s будет заполнена. Аналогичные «аномалии», связанные не только с очередностью заполнения орбиталей (n-l)d и ns-подуровней, но и, например, с (n-l)d и (n-2)f, наблюдаются и в последующих периодах.

Таким образом, принцип построения таблицы, иллюстрирующей сущность периодического закона, базируется на представлениях о величинах зарядов атомных ядер, на электронном строении атомов и относительной энергии их валентных орбиталей, а сама таблица представляет собой совокупность горизонтальных и вертикальных рядов, каждый из которых связан с указанными выше базовыми принципами.

Современная Периодическая система химических элементов (ПСХЭ), или таблица Менделеева, служит наглядным выражением периодического закона. А причина периодичных закономерностей изменения свойств в настоящий момент объясняется электронным строением атомов, сходством конфигураций, особенно строением внешних электронных уровней.

Известно много вариантов изображения таблицы Менделеева (геометрические фигуры, кривые, таблицы и т. д.), наиболее широко распространены двумерные табличные варианты ПСХЭ: короткая, или короткопериодная (восемь групп), в которой четвертый - седьмой периоды занимают по две строки, лантаноиды и актиноиды вынесены вниз под таблицу, а символы элементов главных и побочных подгрупп размещены около различных краев клеток;

длинная, или длиннопериодная (восемнадцать групп), где лантаноиды и актиноиды вынесены вниз под таблицу (рис. 13); сверхдлинная, в которой каждый период занимает одну строку, включая лантаноиды и актиноиды.

Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК, ШРАС) рекомендуется использовать длиннопериодный вариант таблицы, однако в российских учебниках чаще всего можно увидеть наиболее компактную и удобную для иллюстрации короткую форму ПСХЭ.

Период - один или несколько рядов таблицы, включающий совокупность элементов, которая начинается s-элементом с конфигурацией валентного уровня типа ns1 и заканчивается элементом с электронной формулой валентного уровня типа ns2np6, за исключением первого периода, в котором располагаются только два элемента -Ни Не. В коротком варианте периодической системы периоды, состоящие из одного ряда, называются малыми (1-3-й), а из двух и более рядов - большими (4-7-й).

Группа - вертикальный столбец таблицы. Группы в длиннопериодном варианте пронумерованы арабскими, а в короткопериодном - римскими цифрами.

Длиннопериодный вариант таблицы Менделеева

Рис. 13. Длиннопериодный вариант таблицы Менделеева

В коротком варианте ПСХЭ выделяют подгруппы: главные, которые состоят из элементов малых и больших периодов, валентные электроны расположены на ns- и пр- подуровнях;

побочные, которые включают только d-элементы.

Номер группы равен максимальному числу электронов на валентном уровне атомов. Водород по электронному строению атома формально может быть отнесен к первой группе, но в связи с тем что для завершения валентного уровня по типу атома гелия ему не хватает одного электрона, его часто помещают в группу к галогенам.

Элементы одной подгруппы имеют сходное электронное строение атомов, что объясняет сходство и закономерное изменение форм и физико-химические свойства их простых веществ и соединений. Во многих вариантах таблицы внизу под группой подписаны:

общая формула высшего оксида;

общая формула летучего водородного соединения.

Надо отметить, что формулы высших оксидов относятся к элементам как главных, так и побочных подгрупп, а водородные соединения образуют только элементы главных подгрупп.

Также выделяют блоки таблицы по типу валентных орбита-

лей:

s-блок включает элементы 1-2-й групп ПСХЭ с конфигурацией внешних АО ns1, ns2;

p-блок включает элементы 13-18-й групп ПСХЭ с конфигурацией внешних АО пр1'6;

d-блок включает переходные элементы-металлы 3-12-й групп ПСХЭ с конфигурацией внешних АО nd110; f-блок включает лантаноиды и актиноиды с конфигурацией внешних АО nfd114.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >