Принципы построения периодической системы
Каждый электрон в атоме, в соответствии с квантовой механикой, характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом n, принимающим значения n=1,2,3,4 …, азимутальным l, принимающим значения l=0,1,2 …,n-1, магнитным m, имеющим (2l+1) значений, и спиновым ms, принимающим значения +1/2 и -1/2. Состояние с l=0,1,2,3,4… принято обозначать буквами s, p, d, j, g – и соответственно называть s-, p-, d-, j-, g-… состояниями. Электроны с данным n образуют электронный слой, который состоит из n оболочек с l=0,1,2 … n-1 и содержит 2n в квадрате электронов. Отсюда получаем следующее распределение электронов по слоям и оболочкам.
Таблица 1. Распределение электронов по слоям и оболочкам.
n 1 2 3 4 ……
l 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 ……
Обозначение слоев и оболочек 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f …….
Число электронов в слое
2 2+6=8 2+6+10=18 2+6+10+14=32 ……
Отсюда видно, что максимально возможное число электронов в первом слое (n=1) равно 2 (1s-состояния); во втором слое – 8 (2s- и 2p-состояния); в третьем и в четвертом слоях – соответственно 18 и 32 электрона. Тем самым устанавливается связь между слоистым расположением электронов в атоме и периодической системой: периоды таблицы Менделеева содержат 2, 8, 18 и 32 элемента. Остается выяснить, почему в таблице Менделеева встречаются по два раза периоды из 8 и 18 элементов. Это объясняется тем, что в таблице 1 указано возможное максимальное число электронов в различных слоях, в действительности же электроны в атомах располагаются в тех состояниях (из числа возможных), которые соответствуют наименьшей энергии. Энергия электрона на орбите тем выше, чем больше n, а при данном n тем выше, чем больше l. Поэтому последовательность энергетических уровней отдельных состояний электрона не всегда совпадает с последовательностью главных квантовых чисел n.
Теперь стоит упомянуть периоды.Первый период содержит лишь два элемента, что соответствует максимальному числу электронов в 1s-состоянии первого слоя. Начиная с Li идет постепенное заполнение второго слоя вплоть до Ne (Z=10). С одиннадцатого электрона Na начинается заполнение третьего слоя – третьего периода системы Менделеева. В элементах, следующих за Na, идет последовательное заполнение электронами состояний 3s и 3p третьего слоя. У Ar восемь электронов составляют симметричную группу и обусловливают сходство его физико-химических свойств с неоном. Этим завершается третий период, содержащий, как и второй, 8 элементов. 19-й элемент К начинает новый, четвертый, слой и четвертый период таблицы. Однако число свободных мест третьего слоя далеко не исчерпано. После Ar остаются еще свободными 10 мест 3d-состояния. Здесь впервые последовательный порядок заполнения нарушается из-за энергетических соображений. Состояние 4s оказывается энергетически более выгодным, чем состояние 3d. Но начиная со Sc и вплоть до Ni вновь становится энергетически более выгодным заполнение состояния 3d. Все места этого состояния у Ni оказываются заполненными и с Cu начинается нормальное заполнение состояния 4s четвертого слоя. Это обстоятельство обусловливает некоторое сходство меди со щелочными металлами. Kr с восьмью электронами в этом слое, заканчивающий четвертый период, оказывается сходным с Ne и Ar. С последующего за Kr 37-го элемента Rb начинается застройка пятого слоя, хотя в четвертом слое еще остаются 24 свободных места – 10 мест в состоянии 4d и 14 мест в состоянии 4f. Здесь, как и у К, состояние 5s оказывается энергетически более выгодным. Достройка четвертого слоя возобновляется с Y, начиная с которого идет заполнение 4d-оболочки. Состояния 4f остаются незаполненными вплоть до 58-го элемента. Лишь с Се они начинают заполняться. Застройка 4f-состояния охватывает 14 элементов, образующих своеобразную группу лантанидов, весьма сходных между собой по своим физико-химическим свойствам. Такая же группа элементов с достраивающимися 5f-состояниями, называемая актинидами, начинается с Th (Z=90).
Таким образом, каждый период (кроме первого) начинается со щелочного металла с одним валентным электроном и кончается инертным газом с восьмью валентными электронами, образующими замкнутую оболочку. Второй и третий периоды, где нормально застраиваются s- и p-состояния, содержат в соответствии с этим по 8 элементов. Периоды же четвертый и пятый, в которые вклиниваются группы элементов с достраивающимися d-состояниями, содержат по 18 элементов. Наконец, последний полный период – шестой – содержит 32 элемента, т.к. в нем появляется новая группа из 14 элементов с достраивающимися 4j-состояниями. Тем самым вся сложная периодичность, открытая Менделеевым, полностью объясняется расположением электронов по группам, характеризуемым определенными квантовыми числами.
Интересно отметить, что 72-й элемент в то время, когда Н.Бор составлял таблицу, не был открыт. Было неясно, сколько должно быть лантанидов. Полагая, что число их равно пятнадцати, 72-й элемент искали среди минералов, содержащих редкие земли. Т.к. число 4f-электронов равно 14, то этот элемент должен иметь близкую к Zr внешнюю электронную оболочку. Поэтому Бор предложил искать 72-й элемент в циркониевых рудах. Этот элемент, наз. гафнием, к торжеству теории Бора, и был обнаружен в циркониевых рудах.
Что же касается аналогов лантанидов – актинидов, у которых заполняются 5f-состояния, то здесь следует иметь в виду, что 6d- и 5f-состояния энергетически весьма близки, что обусловливает легкость переходов электронов между ними и приводит к большим трудностям при установлении истинного расположения электронов по этим состояниям.
С момента открытия системы Менделеева было опубликовано несколько сот различных вариантов ее изображения на плоскости и в пространстве. Наиболее употребительна короткая таблица, один из возможных вариантов которой помещен в Приложении.