§ 27. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева как классификация атомов по их строению

Существуют разные формы периодической системы, современная короткопериодная (восьмиклеточная) форма периодической системы (табл. 7) является вариантом системы, предложенной Д. И. Менделеевым, По сравнению с прежним вариантом новая форма таблицы отличается некоторыми особенностями:

1. Таблица пополнилась вновь открытыми и полученными искусственным путем химическими элементами.

2. Прежняя нулевая группа элементов (благородные газы), которая предшествовала I группе (щелочных металлов) и стояла слева таблицы, теперь помещается справа под номером VIII.

3. Водород из первой группы отнесен к VII группе и в то же время оставлен в скобках в I группе. Это перемещение обусловлено тем, что аналогия в свойствах водорода и галогенов выражена более резко, чем между водородом и щелочными металлами.

4. Редкоземельные элементы (лантаноиды) и актиноиды [в том числе 11 элементов (93—103), синтезированных искусственным путем], которые не умещаются в короткопериодную таблицу, вынесены в две самостоятельные горизонтальные строчки.

5. В восьмиклеточном варианте таблицы большие периоды, содержащие более восьми элементов, ломаются надвое и располагаются в виде двух строчек; вследствие этого разные типы - и р- и -элементов подгрупп А (главных) и В (побочных), различающиеся по конфигурации электронных оболочек атомов, располагаются в одних и тех же группах.

При изучении аналитической химии по ряду причин и соображений удобнее пользоваться длиннопериодной формой периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Длиннопериодная форма периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Длиннопериодный (-клеточный) вариант периодической системы (в самом длинном периоде — 32 элемента) содержит семь периодов (горизонтальных рядов): три малых и четыре больших, обозначаемых арабскими цифрами, и восемь групп (вертикальных колонок), обозначаемых римскими цифрами.

Д. И. Менделеев (1834—1907).

Каждая группа состоит из двух подгрупп А (главная) и В (побочная).

Длиннопериодный вариант таблицы напечатан на форзаце книги.

Все периоды и группы в этой таблице ясно выделены; четко расположены и -элементы, характеризующиеся своеобразным электронным строением их атомов; все элементы разделены на подгруппы аналогов; определено положение и выявлены особенности семейства лантаноидов и актиноидов, гармонично вписываемых в периодическую систему.

Периоды представляют собой ряды химических элементов, в атомах которых последовательно заполняются электронами одинаковые количества квантовых слоев. Исключение составляет (№ 46), у которого всего 4 квантовых слоя, хотя расположен он в периоде 5. Периоды содержат 2, 8, 8, 18, 18, 32 и 18 (в седьмом, незаконченном) элементов.

В атоме максимальное число электронов в -состоянии равно 2, в в в

Номер периода, в котором располагается данный элемент, совпадает со значением главного квантового числа внешнего квантового слоя, определяющего возможные значения уровней энергии атома.

Электронная структура невозбужденногр атома определяется зарядом ядра. Согласно правилу Гунда, в данном подуровне относящиеся к нему электроны стремятся занять максимальное число свободных энергетических ячеек, т. е., другими словами, каждая орбиталь данного подуровня заполняется сначала одним, а затем вторым электроном.

У двух элементов первого периода заполняется -слой; у элементов второго периода — -слой: сначала заполняется орбиталь -подуровня, затем три орбитали -подуровня. Например, у азота (№ 7) следующее электронное строение: .

Начиная с кислорода, заполняются -орбитали вторым электроном. Например, неону (№ 10) отвечает такое распределение электронов: 152 .

У элементов третьего периода заполняется М-слой: у натрия и магния заполняется -подуровень; у остальных элементов Зр-подуровень. В качестве примера приведем электронное строение фосфора (№ 15): 152 .

Как видно из электронно-структурной формулы атома фосфора и атомов других элементов третьего периода, внешний слой заполняется не полностью, остаются свободными орбитали Зй-подуровня.

У -элементов четвертого периода (калия и кальция) заполняется -подуровень. Затем, начиная со скандия (№ 21), идет заполнение -подуровня, так как -состояние оказывается энергетически более выгодным, чем -состояние. После завершения построения и -подуровней заполняется -подуровень внешного слоя у шести последних элементов этого периода .

У элементов пятого периода происходит аналогичное заполнение электронами уровней и подуровней, как и в четвертом периоде. У рубидия и стронция -состояние оказывается более выгодным, чем , но начиная с Y (№ 39) идет заполнение -орбитали остаются свободными вплоть до церия (№ 58). Начиная с церия заполняются -орбитали (лантаноиды).

Периодическая система (рисунок см. оригинал).

Рисунок (см. оригинал).

Другая группа из 14 элементов (актиноидов) с достраивающимися -орбиталями располагается в периоде 7.

Таким образом: 1 период содержит два -элемента (Н — Не);

2 и 3 периоды — по два и по шесть р-элементов );

4 и 5 периоды — по два , по десять и по шесть -элементов

6 период — два , десять , четырнадцать и шесть -элементов

7 период (не закончен) — два - (Fr—Ra), два и четырнадцать -элементов .

Все периоды начинаются с -элементов (в атомах которых появляется первый -электрон в новом квантовом слое), т. е. с водорода и щелочных металлов, и заканчиваются благородными газами, характеризующимися (за исключением Не) наличием шести р-электронов и двух -электронов на внешнем уровне (всего 8 электронов). Благородным газам предшествуют элементы, образующие типичные неметаллы (Н, ). Из сказанного следует, что по горизонтальным направлениям (периодам) расположены химические элементы, относящиеся к различным группам периодической системы. Следуя по горизонталям слева направо, можно наблюдать постепенное ослабление металлических и усиление неметаллических свойств элементов. Появление же элементов, образующих благородные газы, служит указанием границы, разделяющей один период от другого.

Группы представляют собой вертикальные колонки элементов-аналогов, объединяемых по признаку химического сходства и отличающихся закономерной периодически повторяющейся сходной электронной структурой их атомов. Они обозначаются римскими цифрами и буквами А и В. Число групп (восемь) определяется максимально возможным числом внешних электронов. Буквой А обозначают элементы, в атомах которых происходит заполнение в - и р-подуровнях внешнего слоя, т. е. - и -элементы. Буквой В — элементы, в атомах которых происходит заполнение в -подуровне, т. е. -элементы.

Положение в подгруппах А - и -элементов обусловливается общим числом электронов внешнего слоя. Например, калий (№ 19): , фосфор (№ 15): и аргон (№ 18): , имеющие на внешнем слое соответственно 1, 5 и 8 электронов, относятся к IA, VA и VIIIA подгруппам I, V и VIII групп.

Положение в подгруппах В -элементов обусловливается общим числом электронов во внешнем слое и -электронов в предвнешнем слое.

Например, титац (№ 22): и марганец (№ 25);

, имеющие соответственно 4 и 7 электронов в этих слоях, относятся к IVB и VIIB подгруппам IV и VII групп.

Таким образом, по вертикальным колонкам расположены родственные химические элементы (аналоги), характеризующиеся аналогичными химическими свойствами: в IA — атомы щелочных металлов, во IIA — атомы щелочноземельных металлов и т. д. По вертикальным направлениям сверху вриз, в особенности в подгруппах А, происходит нарастание металлических свойств. В то же время по вертикальным направлениям снизу вверх, в особенности в последних подгруппах А, наблюдается нарастание неметаллических свойств элементов.