2.5 Будова атомів і періодична система елементів

Електронна формула будь-якого елемента показує розподіл електронів за енергетичними рівнями та підрівнями, що, в свою чергу, характеризує хімічні властивості даного елемента. Загальна кількість електронів в атомі дорівнює порядковому номера елемента в періодичній системі, кількість енергетичних рівнів визначається номером періоду, в якому знаходиться хімічний елемент.

Прослідкуємо послідовність заповнення електронних рівнів атомів залежно від положення елементів в періодичній системі.

Заповнення електронних рівнів елементів першого періоду:

₁Н 1s¹

₂Не 1s²

Гелієм завершується перший період і побудова першого енергетичного рівня.

Заповнення електронних рівнів елементів другого періоду:

₃Li 1s²2s¹

₄Be 1s²2s²

₅B 1s²2s²2p¹

₆C 1s²2s²2p²

₇N 1s²2s²2p³

₈O 1s²2s²2p⁴

₉F 1s²2s²2p⁵

₁₀Ne 1s²2s²2p⁶

Неоном закінчується другий період і закінчується заповнення другого енергетичного рівня, який має два підрівні (s та р) з максимального кількістю електронів, що рівна восьми. У літію і берилію заповнюється зовнішній s-підрівень, тому їх відносять до s-елементів. Від берилію до неону заповнюється зовнішній р-підрівень, тому їх відносять до р-елементів.

Натрієм починається третій період та заповнення третього енергетичного рівня, тобто:

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹

₁₂Mg 1s²2s²2p⁶3s²

₁₃Al 1s²2s²2p⁶3s²3p¹

₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²

₁₅P 1s²2s²2p⁶3s²3p³

₁₆S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

₁₇Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

₁₈Ar 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

В атомі Аргону, в якого повністю заповнені 3s-, 3р-підрівні, залишаються незайнятими d-орбіталі третього підрівня. Однак, в наступних за аргоном елементах – калію (Z = 19) і кальцію (Z = 19) – d-підрівень не заповнюється, і розпочинає формуватися s-підрівень четвертого рівня. Підрівень 4s характеризується більш низькою енергією, ніж підрівень 3d, і тому розміщення електронів на 4s підрівні відповідає найбільш стійкому стану атома.

₁₉K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s¹

У атомів Літію, Натрію, Калію на зовнішньому енергетичному рівні розміщений один електрон. Всі вони – найактивніші метали (лужні). Загальна електронна формула зовнішнього енергетичного рівня для цих елементів описується формулою ns¹, де n – номер періоду.

₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁰4s²

У атомів Берилію, Магнію, Кальцію на зовнішньому енергетичному рівні розміщено два електрони. Всі вони – активні метали (лужноземельні). Загальна електронна формула зовнішнього енергетичного рівня для цих елементів описується формулою ns², де n – номер періоду.

Починаючи зі скандію, відбувається заповнення d-підрівня передостаннього енергетичного рівня:

₂₁Sc 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d²

₂₃V 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d³

Для близьких за енергією підрівнів (4s3d, 5s4d, 6s4f5d, 5f6d) можуть спостерігатися відхилення від наведеної послідовності. При цьому один (іноді два) електрони займають підрівень, розміщений праворуч у наведеному ряді. Це явище дістало назву „провалу“ електрона. Провал електрона для атома Хрому пояснюється тим, що наполовину заповнений 3d-підрівень енергетично більш стійкий, тобто: 4s²3d⁴ → 4s¹3d⁵

₂₄Cr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²

₂₆Fe 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

₂₇Co 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²

₂₈Ni 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²

У атома Купруму внаслідок провалу електрона виникає електронна конфігурація:

₂₉Сu 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹

Тут провал електрона пояснюється тим, що повністю заповнений 3d-підрівень має підвищену стійкість.

Електронна формула атома Цинку:

₃₀ Zn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²

тобто закінчується заповнення 3d-підрівня. Ці елементи називаються d-елементами. Загальна формула для d-елементів – ns²(n-1)d^1-10, де n – номер періоду.

Важливо відмітити, що властивості елементів, насамперед, визначаються структурою зовнішнього електронного шару їх атомів, тому хімічні властивості d-елементів зі збільшенням атомного номера змінюються не так різко як властивості s і p елементів. Всі d-елементи – метали, так як у них на зовнішньому енергетичному рівні міститься 0, 1 чи 2 електрони. Заповнення зовнішнього енергетичного рівня приводить до переходу від металу до типового неметалу, і врешті – до інертного газу.

У наступних за Цинком хімічних елементах починається заповнення 4р-підрівня.

₃₁ Ga 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4р¹

₃₂ Ge 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4р²

₃₃ As 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4р³

₃₄ Se 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4р⁴

₃₅ Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4р⁵

₃₆ Kr 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4р⁶

Аналогічно відбувається заповнення електронами енергетичних рівнів п’ятого періоду.

Із збільшенням кількості електронів на зовнішньому енергетичному рівні посилюються неметалічні властивості елементів. Так, у флуору, брому, йоду на зовнішньому рівні міститься по сім електронів. Це найактивніші неметали (галогени). Загальна формула їх ns²nр⁵, де n – номер періоду.

Особливе місце в періодичні системі належить f-елементам, в яких заповнюється f-підрівень. Вони розташовані в шостому (4f-елементи) і сьомому (5f-елементи) періодах. Коли заповнюється 4f-підрівень, добудовується електронами четвертий енергетичний рівень, який зовні є третім. Зовнішній рівень, на якому міститься два 6s електрони, і передостанній, що має вісім (5s²5p⁶5d⁰) електронів, залишаються незмінними. Внаслідок цього хімічні властивості 4f-елементів дуже близькі між собою. У елементів La, Gd, Lu на 5d-підрівні є один електрон, і на передостанньому енергетичному рівні знаходиться дев’ять електронів (5s²5p⁶5d¹), але за хімічними властивостями вони мало чим відрізняються від інших 4f-елементів. Тому всі ці елементи об’єднуються у сімейство лантаноїдів та є металами.

5f-Елементи об’єднані в сімейство актиноїдів і займають одне місце з актинієм: період VII, група ІІІ, підгрупа побічна.

Загальна формула лантаноїдів та актиноїдів

ns²(n-1)d ^0-1(n-2)f ^1-14,

де n – номер періоду.

Отже, розгляд електронної будови атомів хімічних елементів дає можливість дати сучасне формулювання періодичного закону:

Періодичний закон формулюється як періодична зміна властивостей хімічних елементів по мірі зростання заряду ядра атома. Зрозуміло, що заряд ядра безпосередньо не впливає на хімічні властивості, але воно створює електромагнітне поле, в якому рухається електрон, в той же час кількість електронів і їх розподіл в атомі на енергетичних рівнях та підрівнях залежить від заряду ядра атома. По мірі зростання заряду ядра атома та періодичного повторення побудови зовнішнього електронного рівня періодично повторюються фізичні і хімічні властивості елементів.