Периодический закон и электронное строение атома

Все вещества состоят из взаимодействующих химических эле­ментов. Минимальной частицей химического элемента является атом, состоящий из ядра и окружающих его электронов. Периоди­ческая система химических элементов Д.И. Менделеева устанавливает взаимосвязь периодичности свойств химических элементов с электронным строением атома. Важнейшее значение периодического закона заключается в том, что на его основе осу­ществляется осмысление и обобщение практически необъятного фактического материала о строении и свойствах простых и слож­ных веществ. На плакате 1 представлен вариант длинной формы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. В ячейках таблицы приводятся порядковый номер химического элемента, его обозначение, относительная атомная масса и конфигурация внешнего электронного уровня.

Таблица.2 Обозначение уровней электронов в атоме

Горизонтальные ряды таблицы Менделеева называются перио­дами. Номер периода соответствует главному квантовому числу п. Периоды определяют заполнение электронных уровней (слоев, обо­лочек) в атоме (табл. 2). Столбцы соответствуют группам и под­группам. Группы обозначены римскими цифрами, а подгруппы бук­вами а и b.

Группы соответствуют последовательности заполнения электронных оболочек в каждом периоде согласно орбитальному (азимутальному - l), магнитному (т_l) и спиновому (m_s) квантовым числам. Подгруппы разделяют заполнение s-, р- и d- подуровней (орбиталей) (табл. 3).

Главное (радиальное) квантовое число п характеризует дискретность изменения энергии и расстояния электрона (радиуса орбиты) от атома, п = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Орбитальное (азимутальное) квантовое число l, или квантовое число углового момента, определяет дискретность изменения величины орби­тального углового момента вращения электрона вокруг ядра атома, l = 0, 1, 2, 3, ..., (n - 1).

Таблица3 Обозначение подуровней электронов в атоме

Магнитное квантовое число т определяет дискретность пространственной ориентации орбитального углово­го момента электрона, а следовательно, и атомного магнитного момента, т_l = - l, ..., -3, -2, -1,0, 1,2, 3, ..., l.

Спиновое квантовое число m_s определяет величину спинового (вращение вокруг собст­венной оси) углового момента электрона, m_s = -1/2, 1/2. Знак «ми­нус» для квантовых чисел т и m_s означает существование положи­тельных и отрицательных проекций углового момента на ось вращения.

Поскольку каждый отдельно взятый атом - электрически ней­тральная система, то числу электронов в атоме химического эле­мента соответствует эквивалентное число протонов в атомном ядре, а, следовательно, пропорциональное значение электрического заряда ядра. Номер химического элемента в периодической систе­ме соответствует электрическому заряду его ядра, выраженному в единицах заряда электрона е = 1,60217733 ^. 10^-19 Кл. У атома с но­мером Z положительный заряд ядра равен +Z^.e. Этот заряд несут Z протонов, каждый из которых имеет такую же массу, как ядро атома водорода и заряд +е. Увеличение числа электронов, а, следовательно, и протонов в атоме приводит к росту атомной массы. Однако одному и тому же хими­ческому элементу могут соответствовать атомы с разной величи­ной массы - изотопы. Это связано с различным содержанием нейтронов в ядре химического элемента.

Примечание. Под изолированной системой понимается система, совершенно не взаимодействующая с окружающей средой.

Любая изолированная система стремится занять состояние с ми­нимальной энергией - основное состояние. Соответственно ведут себя и электроны в атоме. Распределение электронов по орбиталям (по энергетическим уровням) определяется принципом исключения Паули, который гласит, что в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковы.

Пример:

По периодической таблице легко определить электронную конфигурацию атома каждого элемента, например, для лития Is²2s¹, углерода Is²2s²2p², неона Is²2s²2p⁶, кремния Is²2s²2p⁶3s²3p², ванадия Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s², урана Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹⁴5s²5p⁶5d¹⁰5f³6s²6p⁶6d¹7s².