Дается интерпретация основных закономерностей периодической сис гемы элементов Менделеева и описываются ее строение и конфигурация электронных оболочек атома.
Обозначение электронных состояний. Учет взаимодействия электронов позволяет полностью объяснить периодическую систему элементов. При этом основные принципы, которыми определяется порядок заполнения различных состояний, остаются без изменения -это принцип минимума энергии и принцип Паули. Однако взаимодействие между электронами значительно усложняет расчеты (см. § 53).
При наличии взаимодействия между электронами состояние каждого
электрона можно по-прежнему характеризовать четырьмя квантовыми числами. Электронная конфигурация обычно записывается символически следующим образом. Сначала указывает главное квантовое число, затем символ состояния по орбитальному числу ( $s, p, d, f$ и т. д.) и в виде степени у этого символа число электронов в данном состоянии. Например, $1 \mathrm{~s}^{2}$ указывает два электрона в $s$-состоянии ( $l=0$ ) с главным квантовым числом $n=1 ; 3 p^{5}$-пять электронов в $p$-состоянии с главным квантовым числом $n=3$ и т.д. Любая электронная конфигурация может быть записана с помощью этого правила. Например, $1 s^{2} 2 s^{2} 3 p^{4}$ показывает, что имеется два электрона в $s$-состоянии с $n=1$, два электрона – в $s$-состоянии с $n=2$, четыре электрона-в $p$-состоянии с $n=3$. Это электронная конфигурация атома кислорода. Аналогично записываются электронные конфигурации других атомов.
Заполнение электронных состояний в первых трех периодах. Рассмотрим строение периодической системы элементов. В начале системы, когда число электронов невелико, роль взаимодействия между ними несущественна и заполнение электронных состояний происходит в соответствии с идеальной схемой. У водорода $H$ имеется один электрон, который находится в состоянии с минимальной энергией, т.е. при $n=1$, поэтому электронная конфигурация этого атома $1 s$ ( если электрон один, то он в виде степени у символа орбитального состояния не указывается). У гелия Не добавляется еще один электрон в состоянии $1 s$, но с противоположно направленным спином, поэтому электронная конфигурация гелия в основном состоянии $1 s^{2}$. Это парагелий. У ортогелия спин второго электрона совпадает по направлению со спином первого электрона, и принцип Паули запрещает этому электрону находиться в состоянии $1 s$. Ближайшее по энергии допустимое принципом Паули состояние второго электрона есть $2 s$. Электронная конфигурация основного состояния ортогелия – $1 s 2 s$. Гелием (инертным газом) заканчивается заполнение первой оболочки и завершается первый период периодической системы. Затем начинается построение следующего периода заполнением второй оболочки. Литий $\mathrm{Li}$ образуется добавлением к электронной конфигурации парагелия электрона в в $2 s$-состоянии, потому что добавление третьего электрона в $1 s$-состоянии запрещено принципом Паули. Электронная конфигурация лития – $1 s^{2} 2 s$. Затем идет берилий Ве с конфигурацией $1 s^{2} 2 s^{2}$ и бор В-1 $s^{2} 2 s^{2} 2 p$. В $p$-состоянии может находиться шесть электронов $[2(2+1)=6]$. Шесть элементов от бора до неона $\mathrm{Ne}$ включительно образуются в результате заполнения $2 p$-состояний.
Соответствующие электронные конфигурации записываются следующим образом:
$\mathrm{C}-1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{2}, \mathrm{~N}-1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{3}, \mathrm{O}-1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{4}$. $\mathrm{F}-1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{5}, \mathrm{Ne}-1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6}$.
$\mathrm{Ha}$ неоне (инертном газе) заканчивается заполнение второй оболочки и завершается построение второго периода, в котором всего восемь элементов. Третий период начинается с щелочного металла натрия $\mathrm{Na}$, электронную конфигурацию которого можно условно изобразить так: $(\mathrm{Na})=(\mathrm{Ne}) 3 s$. Это означает, что электронная конфигурация натрия получается из электронной конфигурации
** Квантовая механика удовлетворительно объясняет все закономерности периодической системы элементов Менделеева.
$\mathrm{Ne}$ путем добавления электрона $3 s$. Восемь элементов от натрия до аргона Ar получаются вследствие заполнения состояний $3 s$ и $3 p$. Конфигурация аргона дается схемой $(\mathrm{Ar})=(\mathrm{Ne}) 3 s^{2} 3 p^{6}$.
Отклонения от идеальной схемы заполнения оболочек. До сих пор заполнение состояний совпадало с идеальной схемой заполнения состояний. Следующим элементом после аргона является калий $\mathrm{K}$. По идеальной схеме его конфигурация $(\mathrm{K})=(\mathrm{Ar}) 3 d$. Но в действительности это не так. Энергетически более выгодным оказывается присоединение следующего электрона не в состоянии $3 d$, а в состоянии $4 s$. Это подтверждается как прямым расчетом, так и рядом экспериментальных данных, о которых сказано позднее. Таким образом, в третьем периоде оказывается только восемь элементов, а с калия начинается заполнение четвертой оболочки, т.е. четвертый период периодической системы. Конфигурация следующего после калия элемента Са есть (Ar) $4 s^{2}$. После этого энергетически более выгодным оказывается заполнение $3 d$-состояний, которые остались незаполненными, а не $4 p$-состояний, идущих по порядку после $4 s$-состояний. У последующих элементов до никеля происходит заполнение $3 d$-состояний, при этом оболочка $4 s$ не остается все время заполненной двумя электронами. Иногда оказывается энергетически более выгодным перебросить один из электронов из $4 s$-оболочки в $3 d$-оболочку. У никеля получается такая конфигурация: $(\mathrm{Ni})=(K L) 3 s^{2} 3 p^{6} 3 d^{8} 4 s^{2}$, причем символ $K L$ означает полностью заполненные $K$ – и $L$-оболочки. Максимальное число электронов в $d$-состоянии равно 10 . Поэтому у никеля для полного заполнения $M$-оболочки не хватает двух электронов в $d$-состоянии. У следующего за никелем элемента меди $\mathrm{Cu}$ добавляется один электрон, при этом энергетически более выгодным является перераспределение электронов, в результате которого $3 d$-состояние оказывается полностью заполненным, а в $4 s$-состоянии остается лишь один электрон, и конфигурация меди имеет вид $(\mathrm{Cu})=(K L M) 4 s$, т. е. ее конфигурация аналогична конфигурации щелочных металлов. У последующих элементов происходит заполнение $4 s$ и $4 p$-оболочки (всего восемь элементов), т.е. конфигурации внешних электронов повторяют конфигурации 2-го и 3 -го периода. У криптона $\mathrm{Kr}$ завершается заполнение $4 s$ – и $4 p$-состояний, в результате чего криптон является инертным газом. На криптоне завершается первый большой период периодической системы элементов, состоящий из $10+8=18$ элементов.
Затем повторяется четвертый период. У рубидия $\mathrm{Rb}$, идущего после криптона, начинается заполнение $5 s$-состояния, поскольку это оказывается энергетически более выгодным, чем заполнение $4 d$ – и $4 f$-состояний. Дальнейшее заполнение состояний происходит также с отступлением от идеальной последовательности. Заметим, что у ксенона Хе завершается заполнение $4 d$-состояний, $5 s$ – и $5 p$-состояний, но $4 f$-состояния, $5 d$-, $5 f$-, $5 g$-состояния остаются незаполненными. У цезия и бария заполняются $6 s$-состояния. Затем у лантана дополнительный электрон добавляется на внутреннюю оболочку в $5 d$-состоянии, а у следующих за ним 14 элементов заполняется $4 f$-состояние. Поскольку электроны в $4 f$-состоянии являются внутренними (более внешние оболочки уже заполнены), это заполнение 4 -состояния существенно не изменяет химических свойств элементов, которые определяются внешними электронами обо-
лочки атома. Поэтому все эти 14 элементов имеют близкие химические свойства и в периодической системе элементов занимают одну клетку под именем лантанидов. Аналогичная ситуация повторяется после актиния Ас, когда заполняется в основном 5 -состояние. Соответствующие элементы составляют группу актинидов. Из актинидов только торий, протактиний и уран существуют устойчиво в природе, остальные были получены лишь искусственно в лабораториях. Эти элементы называются трансурановыми. Их нестабильность обусловлена главным образом неустойчивостью ядер относительно спонтанного деления.
Подводя итог, можно сказать, что квантовая механика удовлетворительно объясняет все основные закономерности периодической системы элементов Менделеева.
