Електронна структура атомів та періодична система елементів

22.09.2015

3.1.3 Електронна структура атомів та періодична система елементів

При l =0, тобто на s-підрівні *. є всього одна орбіталь *. яку прийнято зображувати у вигляді клітини. В атомі Н єдиний електрон знаходиться на найнижчому з можливих енергетичних станів, тобто на s-підрівні першого електронного шару (1s-підрівні). Електронну структуру атома Н можна представити схемою:

Електронна структура атомів та періодична система елементів

В атомі гелію. порядковий номер якого у періодичній системі * (або заряд ядра Z ) дорівнює 2, другий електрон теж знаходиться в стані 1s. Електронна структура атома гелію:

Електронна структура атомів та періодична система елементів

У цього атома завершується заповнення найближчого до ядра K-шару і тим самим завершується побудова першого періоду системи елементів.

Розглянуті для атомів H і He способи опису електронних оболонок називаються електронно-графічними формулами ( орбіталі зображуються у вигляді клітин) і електронними формулами (підрівні позначаються буквами, а кількість електронів на них зазначено верхнім індексом).

наступного за гелієм елемента літію (Z =3) третій електрон вже не може розміститися на орбіталі K-шару K-шаром називається перший електронний шар атома. це суперечило б принципу Паулі *. Тому він займає s-стан другого енергетичного рівня ( L-шар L-шаром називається другий електронний шар атома. n =2). Його електронна структура записується формулою 1s 2 2s 1. що відповідає схемі:

Електронна структура атомів та періодична система елементів

Далі формування електронних оболонок у елементів 2-го періоду відбувається наступним чином:

Електронна структура атомів та періодична система елементів

Для атома вуглецю вже можна передбачити три можливі схеми заповнення електронних оболонок згідно з електронно-графічними формулами:

Електронна структура атомів та періодична система елементів

Аналіз атомного спектра показує, що правильна остання схема. Такий порядок розміщення електронів в атомі вуглецю являє собою окремий випадок загальної закономірності, яка виражається правилом Хунда . стійкому стану атома відповідає такий розподіл електронів в межах енергетичного підрівня, при якому абсолютне значення сумарного спина атома максимально. Користуючись правилом Хунда. неважко скласти схему електронної будови для атома азоту (Z =7):

Електронна структура атомів та періодична система елементів

у Цій схемі відповідає формула 1s 2 2s 2 2p 3. Потім починається попарне розміщення електронів на 2p-орбіталях. Електронні формули інших атомів другого періоду:

O 1s 2 2s 2 2p 4 F 1s 2 2s 2 2p 5 Ne 1s 2 2s 2 2p 6

У атома неону закінчується заповнення другого енергетичного рівня, і завершується побудова другого періоду системи елементів .

Третій період, подібно до другого, починається з двох елементів ( Na. Mg ), у яких електрони розміщуються на s-підрівні зовнішнього електронного шару. Такі елементи називаються s-елементами Кажучи по-іншому, вони відносяться до сімейства s-елементів. (тобто вони належать до s-сімейства елементів). Потім слідують шість елементів (Al до Ar ), у яких відбувається формування p-підрівні зовнішнього електронного шару. Це атоми p-елементів (належать до p-сімейства). Структура зовнішнього електронного шару відповідних елементів другого і третього періодів виявляється аналогічною. Інакше кажучи, зі збільшенням заряду ядра електронна структура зовнішніх шарів атомів періодично повторюється. Проте електронна будова атомів визначає властивості елементів та їх сполук. У цьому полягає сутність періодичного закону . властивості елементів і утворених ними простих і складних речовин перебувають у періодичній залежності від заряду ядра .

У атома аргону залишаються незайнятими всі орбіталі 3d-підрівня. Однак у наступних за аргоном елементів — калію і кальцію — заповнення 3-го електронного шару тимчасово припиняється, і починає формуватися s-підрівень 4-го шару. Такий порядок заповнення випливає з першого Перше і друге правила Клечковского часто не поділяють, а вважають одним спільним правилом правила Клечковского. при збільшенні заряду ядра атомів заповнення енергетичних рівнів походить від орбіталей з меншим значенням суми головного * і орбітального * квантових чисел ( n+l ) до орбиталям з більшим значенням цієї суми. Отже, 4s-підрівень (n +l =4) повинен заповнюватися раніше, ніж 3d (n+l =5). Для атома скандію виникає питання. який з підрівнів має заповнюватися — 3d або 4p, т. до. сума n+l для них однакова і дорівнює 5. У подібних випадках порядок заповнення визначається другим Перше і друге правила Клечковского часто не поділяють, а вважають одним спільним правилом правилом Клечковского. згідно з яким при однакових значеннях суми ( n+l ) орбіталі заповнюються в порядку зростання головного квантового числа n. Заповнення 3d-підрівня відбувається у десяти елементів від Sc до Zn. Це атоми d-елементів. Потім починається формування 4p-підрівня (p-елементи від Ga до Kr ). Як і атоми передують благородних газів — неону і аргону — атома криптону характеризується структурою зовнішнього електронного шару ns 2 np 6 .

Аналогічно формується п’ятий період.

У шостому періоді після заповнення 6s-підрівня починається заповнення 4f-підрівня, і слідують атоми f-елементів. У зв’язку з тим, що у них є зовнішнім шостий рівень, а електрони послідовно займають 4-й рівень, що лежить значно ближче до ядра, то хімічні властивості всіх цих f-елементів близькі до лантану. тому їх часто називають лантаноїдами (в 7-му періоді f-елементи називаються актиноидами ). Після 4f заповнюється 5d і, нарешті, 6p-підрівень, заповненням якого закінчується побудова шостого періоду. Сьомий період не завершений, оскільки елементи з великим зарядом ядра виявляються дуже нестійкими (легко протікають ядерні реакції ).

Порядок заповнення підрівнів у відповідності з правилами Клечковского можна записати у вигляді послідовності: 1s — 2s — 2p — 3s — 3p — 4s — 3d — 4p — 5s — 4d — 5p — 6s — 4f — 5d — 6p — 7s — 5f — 6d — 7p. Однак для деяких елементів ця послідовність порушується, тобто з правил Клечковского є виключення. У атомів Cr. Cu. Nb. Mo. Ru. Rh. Pd. Ag. Pt. Au має місце «провал» електрона з s-підрівні зовнішнього шару на d-підрівень попереднього шару, що призводить до енергетично більш стійкому стану атома. Наприклад, електронна формула атома міді має вигляд: Cu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1. тобто один із двох 4s-електронів «провалюється» на 3d-підрівень. Особливо слід відзначити паладій. у якого «провалюються» два електрона: Pd 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 4p 6 4d 10 5s 0. Другий тип винятків із правила Клечковского полягає в тому, що перед заповненням 4f-підрівня один електрон розташовується на 5d-підрівні: La 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 0 5s 2 5p 6 5d 1 6s 2. У наступного елемента (церію ) 5d-підрівень звільняється, і обидва електрони розташовуються на 4f-підрівні: Ce 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 2 5s 2 5p 6 5d 0 6s 2. Аналогічно, у 7-му періоді у актинія останній з електронів розташовується на 6d-підрівні (а не на 5f. як повинно бути за правилами Клечковского ).

Структура періодичної системи елементів Менделєєва Д. І.. Періодична система складається з періодів і груп. Порядковий номер елемента в періодичній системі дорівнює заряду ядра, або кількістю протонів в ньому, а також кількості електронів у оболонці нейтрального атома.

Період — послідовний ряд елементів, атоми яких розрізняються числом електронів у зовнішньому шарі. Кожний період починається типовим металом і закінчується благородним газом. Номер періоду збігається зі значенням головного квантового числа * зовнішнього електронного рівня.

Належність елементів до груп та поділ їх на підгрупи залежить від структури двох зовнішніх шарів. У відповідності з кількістю електронів в цих шарах елементи періодичної системи розділені на 8 груп. Номер групи збігається з числом валентних електронів елемента. Валентними є в першу чергу n s — і n p-електрони ( n — номер зовнішнього електронного шару), а потім ( n -1)d-електрони. Для прикладу розглянемо електронні формули хлору і марганцю .

Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Mn 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2

Тут підкреслені валентні електрони, кількість яких в обох випадках дорівнює 7. У відповідності з цим Cl і Mn знаходяться в VII групи періодичної системи. У кожній групі головну підгрупу утворюють атоми s — і p-елементів, а побічну — атоми d — і f-елементів.

Короткий опис статті: електронні елементи

Джерело: Електронна структура атомів та періодична система елементів

Також ви можете прочитати