Систематизация и периодический закон (Часть 2)

На прошлом уроке мы познакомились с некоторыми концепциями систематизации химических элементов. Сегодня мы разберем еще несколько из них, а также сформулируем периодический закон Менделеева, на котором основана его периодическая система элементов.

Наиболее характерные свойства атомов все же определяются электронами, точнее конфигурациями электронной оболочки.

Химические элементы располагаются в периодической системе согласно возрастанию атомной массы. Самый легкий элемент водород имеет порядковый номер 1. Ядро атома водорода состоит из единственного протона. Заряд ядра равен единице. Электронная оболочка состоит из одного электрона.

В ядре каждого следующего элемента добавляется по одному протону, а в электронной оболочке по одному электрону.

Вспомним основные характеристики орбиталей, квантовые числа и правила их заполнения на примере атома алюминия.

Энергетические уровни заполняются порядку, начиная с уровня с наименьшей энергией, определяемой главным квантовым числом n.

Первый энергетический уровень К имеет главное квантовое число n равное 1.

уровень К

n=1

Квантовое число l задает форму орбитали и может иметь значение от 0 до n – 1 один, при n = 1 → l = 0.

Магнитное квантовое число ml устанавливает ориентацию орбитали касательно магнитного поля и может приобретать значение от –l до +l, включая 0.

В нашем примере l = 0, значит единственным возможным значением ml будет 0.

На первом энергетическом уровне располагается одна орбиталь, шаровая симметрия электронного облака, на которой одновременно могут располагаться только 2 электрона с новыми квантовыми числами ms =  – 1/2 и + 1/2/. На этом заканчивается заполнение первого энергетического уровня К.

Оставшиеся электроны заполняют второй энергетический уровень L с основным квантовым числом  n равным двум.

уровень L

n=2

Орбитальное число l может приобретать значение до  n -1 включая 0, поэтому на втором уровне l может иметь значение 0 и 1.

l = 0

l = 1

Магнитное число ml может приобретать значения от –l до +l, включая 0.

Для орбиталей, где l = 0 → ml = 0

Для орбиталей, где l = 1→ ml = -1→ ml = 0 → ml = +1

Исходя из этого можно сделать вывод, что орбиталь с квантовым числом  соответствующим единице, может быть ориентирована по трем направлениям. Следовательно, на втором энергетическом уровне имеется 1 s-орбиталь и 3 p-орбитали. Каждая из четырех орбиталей второго энергетического уровня L может содержать по 2 электрона со спиновыми числами -1/2 и +1/2.  P-орбиталь имеет конфигурацию объемной восьмерки или гантели.

Таким образом, мы разместили на энергетических уровнях 10 электронов — 2 на первом и 8 на втором уровне.

Всего у атома алюминия 13 электронов. Оставшиеся три размещаются на третьем энергетическом уровне М с квантовым числом n соответствующим трем.

уровень М

n=3

Орбитальное число l может иметь значение до n -1, включая 0.

На третьем энергетическом уровне l приобретает три значения — 0, 1 и 2.

Магнитное число ml может иметь значения от -l до +l,включая 0.

Для орбитали, где l=0 →  ml = 0

Для орбитали, где l=0 →  ml = -1 →  ml = 0 →  ml = +1

То есть орбиталь может быть ориентирована по трем направлениям.

На следующем подуровне D может располагаться пять орбиталей со значением магнитного квантового числа ml = -2 →  ml = -1 →  ml = 0 →  ml = +1 →  ml = +2

D-орбитали имеют более сложную конфигурацию.

На третьем энергетическом уровне имеется 1 s-орбиталь, 3 p-орбитали и 5 d-орбиталей. Оставшихся 3-х электронов не хватает для заполнения всех имеющихся на третьем уровне орбиталей. Поэтому они заполняются в соответствии с принципом минимальной энергии, начиная с s-подуровня.

Графически атомную электронную оболочку алюминия можно представить следующей схемой:

• первый уровень заполнен двумя электронами;
• второй также заполнен, подуровень s содержит 2 электрона, под уровень р — 6 электронов;
• третий уровень заполнен частично — s-подуровень включает 2 электрона, p-подуровень — 1 электрон;
• всего 13 электронов.

Чтобы сократить время и усилия разделение электронов по уровням можно записать следующим образом

1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Поскольку 3 d-подуровень остается пустым, его можно не записывать в указанную формулу.

Электронная оболочка алюминия сформирована вплоть до р-подуровня третьего уровня.

Полностью сформированные энергетические уровни крайне стабильны. Электроны, размещенные на них, пребывают в самом энергетически выгодном положении и не участвуют в химических реакциях.

Например, таковы атомы инертных газов — гелия (He), неона (Ne), аргона (Ar) и других.

Поэтому элементы, формирования электронных оболочек которых завершилась до заполнения энергетического уровня, объединяют общим термином, как бы давая обобщенную характеристику их свойствам.

Формирования оболочки атома алюминия завершилось на 3 p-подуровне, следовательно, алюминий — р-элемент.

Если в формировании электронной оболочки атома завершилось на ином подуровне, то указываем на каком именно.

Литий (Li), кальций (Ca), барий (Ba) — s-элементы

Азот (N), хлор (Cl), висмут (Bi) — p-элементы

Титан (Ti), хром (Cr), молибден (Mo) — d-элементы

Церий (Ce), уран (U), плутоний (Pu) — f-элементы

D-элементы и f-элементы

Сразу после заполнения 3 р-подуровня электроны начинают размещаться на 4 s-подуровне, минуя подуровень 3d.

Этот подуровень содержит электроны только у элементов 4 и последующих периодов, так происходит потому, что энергетически 3d-подуровень находится несколько выше, чем 4 s-подуровень.

Так же происходит и с f-элементами. 4 f-подуровень появляется на четвертом уровне, при значении квантового числа n=4. Однако заполняется 4 f-подуровень начинает только у элементов 6 периода — лантаноидов, после того как электроны займут 6 s-подуровень.

Энергетическое распределение орбиталей в многоэлектронных атомах описывает эмпирическое правило, названное правилом Клечковского.

Правило Клечковского — в основном состоянии электрон занимает уровень с наименьшим значением суммы квантовых чисел (n + l), причем сначала заполняется уровень с наименьшим значением n.

Таблица Мейера

Таблица Мейера была разработана немецким химиком Юлиусом Лотаром фон Мейером в 1864 году. Она была одной из первых попыток классификации элементов в химии и также предшествовала периодической таблице Менделеева.

Таблица Мейера состояла из 28 элементов и была организована в порядке увеличения их атомных весов. Элементы были разделены на группы в зависимости от их химических свойств, сгруппированы по валентности. Каждый элемент имел свой порядковый номер и символ.

Триады Дёберейнера

Триады Дёберейнера — еще одна из систем классификации химических элементов по группам. Она была разработана немецким химиком Иоганном Доберейнером в начале XIX в. Он обнаружил, что многие элементы имеют сходные свойства, и сгруппировал их в соответствии с этими свойствами.

Дёберейнер разделил элементы на триады, состоящие из трех элементов. Он заметил, чтов каждой триаде есть средний элемент, масса атома которого будет равна средней арифметической массе двух крайних элементов, а также что химические свойства элементов повторяются через каждые три элемента.

Дёберейнер составил из уже известных на тот момент химических элементов четыре триады: 

• литий Li—натрий Na—калий К;
• кальций Ca—стронций Sr—барий Ba;
• сера S — селен Se—теллур Те;
• хлор Cl—бром Br—иод I.

Но система Дёберейнера оказалась несовершенной. Некоторые триады, сформированные им, не содержали элементов, сходных с уже выбранными по химическим свойствам. Так произошло, вероятно, потому, что ученый ограничился тремя элементами в группе: из-за этого он упустил ряд подходящих по свойствам элементов, которые тоже можно было включить в группы.

Периодический закон Менделеева

Периодический закон, на котором основана периодическая таблица элементов, был разработан Дмитрием Менделеевым в 1869 году. Ученый заметил, что элементы с похожими свойствами имеют похожие атомные веса и что существует определенный порядок в их свойствах и весах.

Менделеев упорядочил элементы в таблице по возрастанию их атомных весов и расположил их в горизонтальные ряды, называемые периодами, и вертикальные столбцы, называемые группами. Он заметил, что элементы, расположенные в одной группе, имеют похожие свойства, а также то, что свойства элементов повторяются через каждые 8 элементов.

Периодический закон Менделеева в современной трактовке звучит так:

Свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений, находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов.