Периодический закон элементов д.И. Менделеева

Периодический закон Менделеева открыт в 1869 г. Менделеев ввел понятие порядкового номера элемента Z, который равен числу протонов в ядре элемента, соответственно общему числу электронов в нейтральном атоме, закономерно возрастающих при переходе от предыдущего элемента к последующему. Химические свойства и ряд их физических свойств объяснятся поведением внешних, валентных, электронов в атомах. Расположив химические элементы в порядке возрастания порядковых номеров, он получил периодичность в химических свойствах элементов.

Важнейшей заслугой физики явилось теоретическое объяснение периодического закона Менделеева и объяснение строения периодической системы. Это стало возможным с появлением квантовой теории.

Теория периодической системы основывается на следующих положениях:

а) порядковый номер элемента равен общему числу

электронов в атоме данного элемента;

б) состояния электронов в атоме определяется

набором их квантовых чисел n,l,m,m_s. Распределе-

ние электронов по состояниям должно удовлет-

ворять принципу минимума энергии атома: с воз-

растанием числа электронов каждый следующий

электрон должен занять возможное энергетческое

состояние с наименьшей энергией;

в) заполнение электронами энергетических состо-

яний в атоме должно происходить в соответствии

с принципом Паули.

В атомной физике принято обозначать электронное состояние в атоме символом n,l, указывающим значение двух квантовых чисел. Электроны, находящиеся в соcтояниях, характеризуемых одинаковыми квантовыми числами n и l, то считается заданной электронная конфигурация. Например, основное состояние атома кислорода можно выразить следующей символьной формулой

1s²,2s²,2p⁴

Порядок заполнения электронных состояний в слоях, а в пределах одного слоя в оболочках, должен соответствовать последовательности расположения энергетических уровней с данным n и l. Сначала заполняется состояние с наименьшей возможной энергией, а затем состояния с большей возможной энергией. В пределах одного слоя сначала заполняется состояние с l=0, затем состояния с большей l вплоть до n-1. Подобная идеальная система должна иметь строение и длины периодов, соответствующих таблице .

Различие между таблицей и реальной периодической системой можно понять, если учесть, что каждый электрон в атоме кроме поля ядра находится в поле всех остальных электронов. Учет взаимодействия электронов ведет к нарушению их расположения в соответствии с таблицей . При достаточно больших квантовых числах n состояния с большим n и малым l могут иметь меньшую энергию, т. е. могут быть энергетически более выгодными, чем состояние с меньшим n и большим l. В этом состоит причина отступлений от таблицы .

Рассмотрим кратко последовательность заполнения атомов электронами в их основном (невозбужденном) состоянии по мере увеличения атомного номера.

Z=1. Водород. 1 электрон в 1s-состоянии.

Z=2. Гелий. 2 электрона в 1s-состоянии. В атоме гелия К-слой заполнен/ Он инертный газ.

Z=3. Литий. В К-слое лития вакансий для трех электронов нет. Третий электрон в невозбужденном атоме располагается в L-слое, в 2s-состоянии.

Z=4 – 10. От бериллия до неона идет заполнение второго L-слоя, 2s- и 2р-состояний, завершающееся на неоне. Неон, как и гелий инертный газ.

=11. Натрий. Имеет один электрон в М-слое. Химически он сходен с водородом и литием.

=18. Аргон. Он имеет в наружном полностью заполненном М-слое восемь электронов (3s и 3р) оказывается инертным газом. Оказывается, элементы с полностью заполненными s- и р-состояниями химически инертны. Таковы криптон (Z=36) – 8 электронов в состояниях 4s и 4р, ксенон (Z=54) – 8 электронов в 5s- и 5р-состояниях и радон (Z=86) – 8 электронов в 6s- и 6р-состояниях. С аргона начинаются отступления в последовательности заполнения электронных слоев.

Следующий элемент калий (Z=19) имеет девятнадцатый электрон не в состоянии 3d, а в 4s. Значит, энергия электрона в 4s-состоянии меньше, чем в 3d-состоянии. Таким образом, при десяти незаполненном 3d-состоянии начинается заполнениt 4s-cостояния. Калий оказывается химически близким к литию и натрию. Точно так же обстоит дело за криптоном, за ним следует рубидий, у которого имеется 8 электронов в N–слое. При незаполненных 10 ти состояниях 4d и 14 состояниях 4f один электрон находится в состоянии 5s. Дальнейшие отклонения от порядка заполнения уровней можно проследить по таблице Менделеева.

Особенное затруднение для химиков представляет отклонение, связанное с достройкой 4f-состояний, начинающейся после элемента лантана Z=57. Заполнение этих состояний идет глубоко внутри, при наличии 11 внешних электронов, в том числе двух 6s-электронов. В итоге эти элементы, отвечающие за 4f-состояние (dсего их 14), имеют весьма близкое строение и близкие химимческие свойства. Это – лантаниды (или «редкие земли»).

Аналогичное выпадение из таблицы в результате заполнения 14-ти 5f-состояний под 11-ью внешними электронами в том числе двумя 7s-электронами, начинается после актиния (Z=89). Все эти элементы (до лоуренсия) актиниды.

Открытая Менделеевым периодичность свойств элеметов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. Так, например, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки – заполненные s- и р-состояния, внешняя оболочка щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs, Ft) имеет лишь один валентный электрон, щелочно-земельные металлы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) два валентных электрона, галоиды (F, Cl, Br, I, At) имеют внешнюю оболочку, в которой не хватает одного электрона до оболочки инертного газа.