Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Периодическая система Д. И. Менделеева и электронная структура атомов. В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов. Наглядным выражением закона служит периодическая система Д. И. Менделеева.

Рассмотрим связь между положением элемента в периодической системе и электронным строением его атомов. У каждого последующего элемента периодической системы на один электрон больше, чем у предыдущего. Полные записи электронных конфигураций первых двух периодов приведены в табл. 1.1.

Первый период состоит из двух элементов: водорода и гелия. Атомом гелия заканчивается формирование К-оболочки атома, обозначим ее [He]. Электрон, который последним заполняет орбитали атома, называется формирующим, и элемент относится к группе, называемой по формирующему электрону. В данном случае оба элемента имеют формирующие s-электроны и соответственно называются s -элементами.

 

Таблица 1.1. Электронные конфигурации элементов первых двух периодов

Атомный номер	Элемент	Электронная конфигурация		Атомный номер	Элемент	Электронная конфигурация
1	Водород	1s^1		6	Углерод	1s^22s^22p^2
2	Гелий	1s^2		7	Азот	1s^22s^22p^3
3	Литий	1s^22s^1		8	Кислород	1s^22s^22p^4
4	Бериллий	1s^22s^2		9	Фтор	1s^22s^22p^5
5	Бор	1s^22s^22p^1		10	Неон	1s^22s^22p^6

 

У элементов второго периода формируется L-оболочка, заполняются s- и p-подоболочки. Формирующими электронами у первых двух элементов являются s-электроны, поэтому Li и Be относятся к s-элементам. Остальные шесть элементов периода входят в число р-элементов, так как формирование их орбиталей заканчивается р-электроном. У элемента Ne полностью заполнена подоболочка, обозначим его электронную конфигурацию как [Ne]. В табл. 1.2 даны в краткой записи электронные конфигурации элементов в основном состоянии. При этом не приводится полная запись электронной конфигурации полностью заполненных подоболочек предыдущих периодов.

 

Таблица 1.2. Электронные конфигурации элементов

Период	Порядковый номер	Элемент	Электронная кофигурация		Период	Порядковый номер	Элемент	Электронная конфигурация
1	1	H	1s^1			56	Ba	6s^2
	2	He	1s^2			57	La	5d^16s^2
	3	Li	[He]2s^1			58	Ce	4f^26s^2
	4	Be	2s^2			59	Pr	4f^36s^2
	5	B	2s^22p^1			60	Nd	4f^46s^2
2	6	C	2s^22p^2			61	Pm	4f^56s^2
	7	N	2s^22p^3			62	Sm	4f^66s^2
	8	O	2s^22p^4			63	Eu	4f^76s^2
	9	F	2s^22p^5			64	Gd	4f^75d^16s^2
	10	Ne	2s^22p^6			65	Tb	4f^96s^2
	11	Na	[Ne]3s^1			66	Dy	4f^106s^2
	12	Mg	3s^2			67	Ho	4f^116s^2
	13	Al	3s^23p^1			68	Er	4f^126s^2
3	14	Si	3s^23p^2			69	Tm	4f^136s^2
	15	P	3s^23p^3			70	Yb	4f^146s^2
	16	S	3s^23p^4		6	71	Lu	4f^145d^16s^2
	17	Cl	3s^23p^5			72	Hf	5d^26s^2
	18	Ar	3s^23p^6			73	Ta	5d^36s^2
	19	K	[Ar]4s^1			74	W	5d^46s^2
	20	Ca	4s^2			75	Re	5d^56s^2
	21	Sc	3d^14s^2			76	Os	5d^66s^2
	22	Ti	3d^24s^2			77	Ir	5d^76s^2
	23	V	3d^34s^2			78	Pt	5d^96s^1
	24	Cr	3d^54s^1			79	Au	5d^106s^1
	25	Mn	3d^54s^2			80	Hg	5d^106s^2
	26	Fe	3d^64s^2			81	Tl	5d^106s^26p^1
4	27	Co	3d^74s^2			82	Pb	5d^106s^26p^2
	28	Ni	3d^84s^2			83	Bi	5d^106s^26p^3
	29	Cu	3d^104s^1			84	Po	5d^106s^26p^4
	30	Zn	3d^104s^2			85	At	5d^106s^26p^5
	31	Ga	3d^104s^24p^1			86	Rn	5d^106s^26p^6
	32	Ge	3d^104s^24p^2			87	Fr	[Rn]7s^1
	33	As	3d^104s^24p^3			88	Ra	7s^2
	34	Se	3d^104s^24p^4			89	Ac	6d^17s^2
	35	Br	3d^104s^24p^5			90	Th	6d^27s^2
	36	Kr	3d^104s^24p^6			91	Pa	5f^27d^17s^2
	37	Rb	[Kr]5s^1			92	U	5f^37d^17s^2
	38	Sr	5s^2			93	Np	5f^47d^17s^2
	39	Y	4d^15s^2			94	Pu	5f^67s^2
	40	Zr	4d^25s^2			95	Am	5f^77s^2
	41	Nb	4d^45s^1			96	Cm	5f^77d^17s^2
	42	Mo	4d^55s^1			97	Bk	5f^87d^17s^2
	43	Tc	4d^55s^2		7	98	Cf	5f^107s^2
	44	Ru	4d^75s^1			99	Es	5f^117s^2
5	45	Rh	4d^85s^1			100	Fm	5f^127s^2
	46	Pd	4d^105s^0			101	Md	5f^137s^2
	47	Ag	4d^105s^1			102	(No)	5f^147s^2
	48	Cd	4d^105s^2			103	(Lr)	5f^146d^17s^2
	49	In	4d^105s^25p^1			104	Ku	6d^27s^2
	50	Sn	4d^105s^25p^2			105	-	6d^37s^2
	51	Sb	4d^105s^25p^3			106	-	6d^47s^2
	52	Te	4d^105s^25p^4			107	-	6d^57s^2
	53	I	4d^105s^25p^5			108	-	6d^67s^2
	54	Xe	4d^105s^25p^6			109	-	6d^77s^2
	55	Cs	[Xe]6s^1

Третий период начинается с натрия, электронная конфигурация которого 1s²2s²2p⁶3s¹ и заканчивается аргоном с электронной конфигурацией 1s²2s²2p⁶3s¹3р⁶ [Ar]. Хотя в третьм уровне (оболочка М) имеется подоболочка 3d, которая остается незаполненной, в четвертом периоде начинает формироваться следующая оболочка N (n = 4) и период начинается с s-элемента калия, [Ar]4s¹. Это обусловлено тем, что энергия подуровня 4s несколько ниже, чем энергия подуровня 3d (см. рис. 1.3).

В соответствии с правилом Клечковского n+1 у 4s (4) ниже, чем n+1 у 3d (5). После заполнения 4s-подоболочки заполняется 3d-подоболочка. Элементы, начиная со Sc [Ar]3d¹4s² до Zn [Ar]3d¹⁰4s², имеющие формирующие d-электроны, относятся к d -элементам. Как видно из табл. 1.2, у хрома на 4s-подоболочек остается один электрон, а на 3d-подоболочке вместо четырех оказывается пять d-электронов. Такое явление получило название «провала» электрона c s- на d-подоболочку. Это обусловлено более низкой энергией кофигурации 3d⁵4s². «Провал» электронов наблюдается и других атомов, например, у атомов Cu, Nb, Mo, Pt, Pd (табл. 1.2).

Четвертый период завершается формированием подоболочки 4р у криптона [Ar]3d¹⁰4s²4p⁶ или [Kr]. Всего в четвертом периоде 18 элементов.

Пятый период аналогичен четвертому периоду. Он начинается с s-элемента рубидия [Kr]5s¹ и заканчивается р-элементом ксеноном [Kr]4d¹⁰5s²5p⁶ или [Xe] и включает в себя десять 4d-элементов от иттрия до кадмия. Всего в пятом периоде 18 элементов.

В шестом периоде, как и в пятом, после заполнения s-подоболочки начинается формирование d-подоболочки предвнешнего уровня у лантана. Однако у следующего элемента энергетически выгоднее формирование 4f-подоболочки по сравнению с 5d-подоболочкой. Поэтому после лантана следует 14 лантаноидов с формирующими f-электронами, т.е. f –элементов от церия Се [Xe]4f²5d⁰6s² до лутеция Lu [Xe]4f¹⁴5d¹6s². Затем продолжается заполнениеоставшихся орбиталей в 5d-подоболочке и 6р-подоболочке. Период завершает радон [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶ или [Rn]. Таким образом, период имеет 32 элемента: два s-элемента, шесть р-элементов, десять d-элементов и четырнадцать f-элементов.

Седьмой период начинается и продолжается аналогично шестому периоду, однако формирование его не завершено. Он также имеет вставную декаду из d-элементов и четырнадцать 5f-элементов (актиноидов). Элементы, начиная со 105 номера, пока не имеют официального названия.

Структура периодической системы. Периодическая структура элементов состоит из периодов, групп и подгрупп. Периодом называется последовательный ряд элементов, размещенных в порядке возрастания заряда ядра атомов, электронная конфигурация которых изменяется от ns¹ до ns²np⁶ (или до ns² у первого периода). Периоды начинаются с s-элемента и заканчиваются р-элементом (у первого периода s-элементом). Малые периоды содержат 2 и 8 элементов, большие периоды 18 и 32 элемента, седьмой период остается незавершенным.

В системе имеется восемь групп, что соответствует максимальному числу электронов во внешних подоболочках. Группы делятся на главные (основные) и побочные подгруппы. Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами (элементы – аналоги). К главным подгруппам (подгруппам А) относятся подгруппы элементов второго периода: Li, Be, B, C, N, O, F и подгруппа благородных газов. К побочным подгруппам (подгруппам В) принадлежат d- и f-элементы. Первые шесть d-элементов (от Sc до Fe) начинают соответствующие подгруппы от подгруппы III (Sc) до подгруппы VIII (Fe). В подгруппу VIII также включаются все элементы семейства железа (Fe, Co, Ni) и их аналоги – платиновые металлы. Медь и ее аналоги, имеющие во внешней s-подоболочке по одному электрону, образуют первую побочную подгруппу, а цинк и его аналоги – вторую побочную подгруппу. Лантаноиды и актиноиды (f-элементы) находятся в III подгруппе в соответствии с особенностями их электронных конфигураций.