Теоретическое обоснование периодической системы элементов Д. И. Менделеева

Порядок заполнения электронов энергетических уровней (электронных слоев) и подуровней (подслоев) теоретически обо­сновывает периодическую систему элементов Д. И. Менделеева. Уже из рассмотрения электронных формул элементов первого и второго периодов (§4) легко сделать вывод, что период начинается с элементов, в атоме которых на внешнем энергетическом уровне находится один s-электрон: в первом периоде это водород, в ос­тальных — щелочные металлы. Завершается период благород­ным газом: первый — гелием (1s²), остальные периоды — элемен­тами, атомы которых на внешнем уровне имеют электронную конфигурацию ns²np⁶.

Итак, первый период содержит два элемента: водород (Z=1) и гелий (Z=2). Второй период начинается элементом литием (Z=3) и завершается неоном (Z=10). Во втором периоде восемь элементов. Третий период начинается с натрия (Z=11), электрон­ная конфигурация которого 1s²2s²2p⁶3s¹. С него начинается за­полнение третьего энергетического уровня. Завершается оно у инертного газа аргона (Z=18), 3s- и Зр-подуровни которого пол­ностью заполнены. Электронная формула аргона: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶. Натрий — аналог лития, аргон — неона. В третьем периоде, как и во втором, восемь элементов.

Четвертый период начинается калием (Z=19), электронное строение которого выражается формулой 1s²2s²2p⁶3sЗр⁶4s¹ . Его 19-й электрон занял 4s-подуровень, энергия которого ниже энер­гии 3d -подуровня (см. рис. 4). Внешний 4s-электрон придает эле­менту свойства, сходные со свойствами натрия. У кальция (Z=20) 4s-подуровень заполнен двумя электронами: 1s²2s ²2p⁶ 3s²Зр⁶ 4s² .С элемента Sc скандия (Z=21) начинается заполнение 3d-подуровня, так как он энергетически более выгоден, чем 4p-подуровень (см. рис. 4) Пять орбиталей 4d-подуровня могут быть заняты

десятью электронами, что осуществляется у атомов от скандия до цинка (Z=30). Поэтому электронное строение скандия Sc соответ­ствует формуле 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d^l4s², а цинка (хотя Зd-подуровень заполняется после 4s-подуровня, в формуле он ставится раньше, так как последовательно записываются все подуровни данного уровня)—1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s². В атомах последующих элементов вплоть до инертного газа криптона (Z=36) идет запол­нение 4р-подуровня. В четвертом периоде 18 элементов.

Пятый период содержит элементы от рубидия (Z=37) до инертного газа ксенона (Z=54). Заполнение их энергетических уровней идет так же, как у элементов четвертого периода: после Rb и Sr у десяти элементов от иттрия (Z=39) до кадмия (Z=48) заполняется 4d-подуровень, после чего электроны занимают 5р-подуровень. В пятом периоде, как и в четвертом, 18 элементов.

В атомах элементов шестого периода цезия (Z=55) и бария (Z = 56) заполняется бs-подуровень. У лантана (Z=57) один элек­трон поступает на 5d-подуровень, после чего заполнение этого подуровня приостанавливается, а начинает заполняться 4f-поду­ровень, семь орбиталей которого могут быть заняты 14 электрона­ми. Это происходит у атомов элементов лантаноидов c Z=58-71. Поскольку у этих элементов заполняется глубинный 4f-подуро­вень третьего снаружи уровня, они обладают весьма близкими химическими свойствами. С гафния (Z=72) возобновляется за­полнение d-подуровня и заканчивается у ртути (Z=80), после чего электроны заполняют бр-подуровень. Заполнение уровня завер­шается у благородного газа радона (Z=86). В шестом периоде 32 элемента.

Седьмой период — незавершенный. Заполнение электронами электронных уровней аналогично шестому периоду. После запол­нения 7s-подуровня у франция (Z=87) и радия (Z=88) электрон актиния поступает на 6d-подуровень, после которого начинает заполняться 5f-подуровень 14 электронами. Это происходит у атомов элементов актиноидов c Z=90-103. После 103 элемента идет заполнение 6d-подуровня: у курчатовия (Z=104), нильсбория (Z=105), элементов Z=106 и Z=107. Актиноиды, как и лантаноиды, обладают многими сходными химическими свой­ствами.

В зависимости от того, какой уровень последним заполняется электронами, все элементы делятся на четыре типа (семейства):

1) s-элементы: заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня; к ним относятся первые два элемента каждого периода;

2) р-элементы: заполняется электронами р-подуровень внешнего уровня; это последние 6 элементов каждого периода (кроме первого и седьмого);

3) d-элементы: заполняется электронами d-подуровень второго снаружи уровня, а на внешнем уровне остается один или два электрона (у Pd — ноль); к ним относятся элементы вставных декад больших периодов, расположенных между s— и р-элементами (их также называют переходными элементами);

4) f-элементы: заполняется электронами f-подуровень третьего снаружи уровня, а на внешнем уровне остается два электрона; это лантаноиды и актиноиды.

В периодической системе 14 s-элементов, 30 р-элементов, 35 d-элементов, 28 f-элементов.

Элементы одного типа имеют ряд общих химических свойств.

Итак, периодическая система Д. И. Менделеева является есте­ственной классификацией химических элементов по электронной структуре их атомов. Об электронной структуре атома, а значит о свойствах элемента судят по его положению в соответствующем периоде, подгруппе периодической системы. Закономерностями заполнения электронных уровней объясняется различное число элементов в периоде.