Принципы построения периодической системы элементов

Явление периодичности с позиций современного строения атомов объясняется тем, что через определённое число элементов появляются элементы с аналогичной электронной структурой. Например, рассмотрим элементы группы:

.

.

.

Периодическая система состоит из периодов, рядов и групп.

Период – горизонтальный ряд элементов, имеющий одинаковое число энергетических уровней (электронных слоёв), номер периода совпадает со значением главного квантового числа внешнего уровня (слоя). Периодов в системе , их них короткие, длинные, которые имеют чётные и нечётные ряды (таблица ). Каждый период начинается типичным металлом (щелочным элементом), имеющим электронную конфигурацию , а при переходе слева направо происходит постепенное ослабление металлических и нарастание неметаллических свойств; заканчивается период благородным газом .

По вертикали периодическая система подразделяется на восемь групп, которые делятся на главные – , состоящие из и элементов, и побочные – подгруппы,содержащие и элементы. Подгруппа , кроме элементов, содержит по и элементов. Это семейства лантаноидов и актиноидов соответственно. Главные подгруппы содержат на внешнем электронном слое одинаковое число электронов, которое равно номеру группы.

В главных подгруппах валентные электроны (электроны, способные образовывать химические связи) расположены на и орбиталях внешнего энергетического уровня, в побочных – на -орбиталях внешнего и орбиталях предвнешнего слоя. Для элементов валентными являются , где равно или для лантаноидов и актиноидов соответственно.

Сходство элементов внутри каждой подгруппы – наиболее важная закономерность в периодической системе; они называются элементами – аналогами.

Рассмотрим группу. главной подгруппе находятся типичные неметаллы – галогены ( ), в побочной подгруппе – элементы, проявляющие достаточно сильные металлические свойства ( ). Несмотря на столь разные свойства, эти элементы объединены в одну группу потому, что они имеют одинаковое число валентных электронов:

В разных подгруппах эти элементы находятся потому, что они обладают различными электронными конфигурациями валентных электронов.

По типу заполнения подуровней электронами элементы разделяются на электронных семейства:

элементы – это элементы, в атомах которых последним заполняется подуровень внешнего электронного слоя (их ): ;

элементы – последним заполняется подуровень внешнего электронного слоя (их ): ;

-элементы – последним идёт заполнение -подуровня предвнешнего электронного слоя (их 35):

элементы – в атомах которых последним заполняется подуровень третьего снаружи электронного слоя (их ): Только актиноиды (в основном) имеют электронную конфигурацию валентных электронов, указанную выше: .

Всё сказанное подтверждает, что структура электронной оболочки атомов элемента изменяется периодически с ростом порядкового номера. С другой стороны, свойства определяются строением электронной оболочки и, следовательно, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома. Далее рассматриваются некоторые периодические свойства элементов.

Связь между электронным строением элементов и их положением в периодической системе представлена в таблице :

Первый период (n = 1, l = 0) состоит из двух элементов и .

Во втором периоде (n = 2, l = 0, 1) заполняются и орбитали от до . Элементы называются соответственно и элементами.

В третьем периоде появляются пять d-орбиталей (n = 3, l = 0, 1, 2). Пока они вакантны, и третий период, как и второй, содержит восемь элементов от до . Следующие за аргоном калий и кальций имеют на внешнем уровне электроны (четвёртый период). Появление электронов при наличии свободных орбиталей обусловлено экранированием ядра плотным -электронным слоем (эффект экранирования). В связи с отталкиванием от этого слоя внешних электронов для калия и кальция реализуются и -состояния. При дальнейшем увеличении заряда у следующего за кальцием скандия состояние становится энергетически более выгодным, чем , поэтому и заселяется орбиталь. Приведённые рассуждения подтверждаются экспериментальными данными об изменении энергии и орбиталей в зависимости от порядкового номера элемента. Как следует из рисунка , значения энергии различных состояний зависят от заряда ядра , и чем больше , тем меньше различаются эти состояния по энергиям. Характер этого различия таков, что кривые, выражающие изменение энергии, пересекаются.

Так, для элементов и ( и ) энергия орбиталей выше, чем , а для элементов с энергия орбиталей ниже, чем . Начиная со скандия , заполняется орбиталь, а во внешнем слое остаются электроны. Поэтому в четвёртом периоде в ряду от до все десять элементов – металлы с низшей степенью окисления, как правило, , за счёт внешних электронов. Общая электронная формула этих элементов Для хрома и меди наблюдается проскок (или провал) электрона на подуровень: , Такой проскок с на уровень наблюдается также у и некоторых других элементов и объясняется близостью энергий и уровней и стабильностью наполовину и полностью заполненных уровней. Этот эффект называется эффектом проскока электрона.

Рисунок 3.1 – Зависимость энергии электрона от порядкового номера элемента

Образование катионов элементов связано с потерей, прежде всего, внешних и только затем электронов. Например:

Дальше в четвёртом периоде после 10 элементов появляются элементы от

Пятый период повторяет четвёртый, в нём также элементов, и элементы, как и ,образуют вставную декаду .

В шестом периоде после лантана – аналога скандия и иттрия, следуют элементов – лантаноидов. Свойства этих элементов очень близки, поскольку идёт заполнение глубоколежащего подуровня. Общая формула лантаноидов

Ионы элементов образуются следующим образом:

,

После элементов заполняются и орбитали.

Седьмой период отчасти повторяет шестой. 5 элементы называются актиноидами. Их общая формула Далее следует ещё искусственно полученных элементов незавершенного седьмого периода.