Связь периодического закона со строением атома

В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев сформулировал Периодический закон, согласно которому свойства простых веществ, а также свойства соединений находятся в периодической зависимости от атомной массы. Но уже сам Д. И. Менделеев отмечал, что, конечно, не атомная масса является причиной периодической зависимости свойств и что в будущем при изучении строения атома будет вскрыта истинная причина этой зависимости.

Заполнение электронных орбиталей при увеличении заряда ядра и соответственно числа электронов происходит в следующей последовательности:

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p…

Максимальное число электронов в каждом состоянии с учетом принципа Паули равно: s – 2, p – 6, d – 10, f – 14.

Если расположить последовательность энергетических состояний так, чтобы каждая строка начиналась новым значением главного квантового числа n и сосчитать число электронов в этих энергетических состояниях, то получим следующую таблицу:

Последовательность энергетических состояний электронов в многоэлектронных атомах соответствует структуре периодической системы элементов. То есть периодическое повторение свойств элементов и их химических соединений обусловлено периодичностью повторения их электронных структур. Таким образом, в современной формулировке Периодический закон гласит: свойства химических элементов, а также формы и свойства, образуемых им соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.

Максимальное главное квантовое число электронов в многоэлектронных атомах совпадает с номером периода, в котором находится данный элемент в периодической таблице.

Часто при описании электронного строения атома используется понятие «внешний электронный слой», который включает в себя электроны с максимальным значением главного квантового числа. Например, для элементов шестого периода внешний слой образуют электроны с n=6 (6s и 6p), а электроны в 4f и 5d-состояниях относятся к «внутренним электронным слоям».

В зависимости от типа орбитали, которую занимает последний добавленный электрон при построении электронной конфигурации, в периодической таблице выделяют группы элементов: s-элементы (по два в каждом периоде); p-элементы (по шесть в каждом периоде, начиная со второго); d-элементы (по 10 в каждом периоде, начиная с четвертого); f-элементы (по 14 в каждом периоде, начиная с шестого).

Химические свойства элементов обусловлены не всеми электронами атома, а только валентными. Валентные электроны – электроны, принимающие участие в образовании химической связи. Валентными могут быть электроны внешнего и незаполненных внутренних слоев.

В группах элементы имеют одинаковые валентные электроны (по качеству и количеству), что и обусловливает схожесть их физических и химических свойств. Но, вследствие того, что валентные электроны для элементов в группах обладают различной энергией (увеличение главного квантового числа в группе сверху вниз), наблюдаются различия в их схожих физических и химических свойствах.

По тому, какие валентные электроны имеют атомы, можно условно выделить четыре класса элементов.

Благородные (инертные) газы. Эти элементы имеют полностью заполненные электронные слои. Общая электронная формула: 1s² – для гелия и ns²np⁶ – для остальных элементов. Эти элементы химически не активны.

Типичные (типические) элементы. Это s- и p-элементы, которые имеют незаполненный внешний слой (главные группы периодической таблицы). Общая электронная формула: от ns¹ – первая группа до ns²np⁵ – седьмая группа. Их химические и физические свойства сильно различаются в периоде в зависимости от числа валентных электронов. Химические свойства этих элементов определяются в основном стремлением получить, отдать или обобществить электроны таким образом, чтобы приобрести электронную конфигурацию с полностью заполненными энергетическими состояниями.

Переходные элементы – d-элементы. У них происходит заполнение электронами внутреннего слоя, что объясняет значительное сходство свойств элементов внутри периода, особенно физических.

f-элементы. Особенностью этих элементов является большое сходство как по физическим, так и по химическим свойствам внутри периода по сравнению с элементами других классов.