В свете учения о строении атомов

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Периодический закон и

Порядок заполнения электронами 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 (см. выше) легко сделать вывод, что период начинается элементом, в атоме которого на внешнем 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.

В зависимости от того, какой подуровень заполняется электронами последним, 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. Заполняются электронами р-подуровень внешнего уровня. Это последние шесть элементов каждого периода (кроме первого и седьмого);

3) d-элементы. Заполняются электронами d-подуровень второго снаружи уровня, а на внешнем уровне остается один или два электрона (у свинца - нуль). К ним относятся элементы больших периодов, расположенные между s- и p-элементами (их также называют переходными элементами);

4) f-элементы. Заполняются электронами f-подуровень третьего снаружи уровня, а на внешнем уровне остаются два электрона, на предвнешнем – 8 электронов. Это лантаноиды и актиноиды.

В формулах электронных конфигураций принято сначала последовательно записывать все состояния с данным значением n, а затем уже переходить к состояниям с более высоким значением n. Поэтому порядок записи не всегда совпадает с порядком заполнения энергетических подуровней. Так, в записи электронной формулы атома скандия подуровень d- помещен раньше подуровня 4s-, хотя заполняются эти подуровни в обратной последовательности.

Десять d-элементов, начиная со скандия и кончая цинком, принадлежат к переходным элементам. Особенность построения электронных оболочек этих элементов по сравнению с предшествующими (s- и p-элементами) заключается в том, что при переходе к каждому последующему d-элементу новый электрон появляется не на внешней (n = 4), а на второй снаружи (n = 3) электронной оболочке. У атомов всех переходных элементов внешняя электронная оболочка образована двумя s-электронами. Существуют d-элементы (например, хром, молибден, элементы подгруппы меди), у атомов которых во внешнем электронном слое имеется только один s-электрон. Дело в том, что полузаполненные или заполненные d-подуровни обладают большей устойчивостью, чем частично заполненные.

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

Учение о строении атомов вскрыло глубокий физический смысл периодического закона. Главной характеристикой атома в современной трактовке становится не атомный вес, а заряд ядра. Это более общая характеристика атома, а значит, и элемента. В связи с этим претерпела изменение и формулировка закона. Современная формулировка перио-дического закона Д.И. Менделеева такова: свойства химических элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов.

Такая формулировка закона нисколько не противоречит формулировке, данной Д.И. Менделеевым. Она только базируется на новых данных, которые придают закону и системе научную обоснованность и подтверждают их правильность. Периодическая система Д.И. Менделеева отражает периодический закон, а вместе с тем объясняет строение атомов элементов.

Теория строения атомов объясняет периодическое изменение свойств элементов. Возрастание зарядов атомных ядер от 1 до 107 обусловливает периодическое повторение строения внешнего энергетического уровня. А поскольку свойства элементов в основном зависят от числа электронов на внешнем уровне, то и они периодически повторяются. В этом – физический смысл периодического закона.

В малых периодах с ростом заряда ядер возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 – в первом периоде, от 1 до 8 – во втором и третьем периодах), что объясняет изменение свойств элементов: в начале периода (кроме первого) находится щелочной металл, затем металлические свойства постепенно ослабевают и усиливаются свойства неметаллические.

В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение уровней электронами происходит сложнее, что объясняет и более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Так, в чётных рядах больших периодов с ростом заряда число электронов на внешнем уровне остается постоянным и равно 2 или 1.

Лишь в нечётных рядах, когда с ростом заряда ядра увеличивается число электронов на внешнем уровне (от 1 до 8), свойства элементов начинают изменяться так же, как у типических.

В свете учения о строении атомов становится обоснованным разделение Д.И. Менделеева всех элементов на 7 периодов. Номер периода соответствует числу энергетических уровней атома, заполняемых электронами. Поэтому s-элементы имеются во всех периодах, а p-элементы – во втором и последующих, d-элементы – в 4 и последующих и f-элементы – в 6 и 7 периодах.

Номер группы, как правило, указывает число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей. В этом физический смысл номера группы.

Итак, строение атомов обусловливает две закономерности:

1) изменение свойств элементов по горизонтали – в периоде слева направо – ослабляются металлические и усиливаются неметаллические свойства;

2) изменение свойств элементов по вертикали – в подгруппе с ростом порядкового номера – усиливаются металлические свойства.

По словам профессора Московского института химического машиностроения Василия Ивановича Семишина: «Периодическая система Д.И. Менделеева – это диспетчерская карта в руках химиков…».