Электронная структура и периодическая система элементов

Физические и химические свойства материалов определяются электронной структурой их атомов. В модели Резерфорда атом имеет положительно заряженное ядро, окружённое облаком отрицательно заряженных электронов. В ядре размером около 10^-13 см сосредоточена основная масса атома, размер которого значительно больше (порядка 10^-8 см).

Положительный заряд ядра создают протоны. Заряд электрона такой же, как у протона, но отрицательный. Количество протонов и электронов у неионизированного атома одинаково. Ядро содержит также нейтроны, не имеющие заряда. Масса протона и нейтрона в 1839 раз больше массы электрона.

Каждому элементу приписывается атомный вес A в относительных единицах. При этом атомный вес кислорода считают равным 16. При постоянном числе протонов, определяющим атомный номер элемента Z, количество нейтронов может быть разным, с чем связано наличие так называемых изотопов. Каждый изотоп имеет свой атомный вес. Ближайшее к нему целое число называют массовым числом. Оно используется для обозначения изотопов (U²³⁵, U²³⁸ и т. д.). При их естественной смеси указывают средний атомный вес элемента, который может значительно отличаться от целого числа.

Более мелкие частицы ядер – мезоны (нейтральные, заряженные положительно или отрицательно) и нейтральные нейтрино. Мезоны осуществляют связь нейтронов и протонов. Влияние мелких частиц и нейтрино на химические свойства элемента не изучено.

Согласно модели Бора электроны большую часть времени должны находиться в определённых слоях (оболочках) K, L, M,..., Q, соответствующих главным квантовым числам n = 1, 2, 3,…, 7. Отрицательная энергия электрона зависит от главного квантового числа - пропорциональна n^-2.

В квантовой механике согласно принципу Паули в атоме не может быть и двух электронов в одинаковом состоянии. Разновидности таких состояний регламентируются введением ещё трёх квантовых чисел.

Второе квантовое число l, равное 0, 1, 2, 3, является мерой момента количества движения электрона. Оболочки подразделяются на подоболочки s, p, d, f в соответствии со значением l, которое в каждом слое может иметь целые значения от 0 до (n-1). Следовательно, К-оболочка может иметь орбитали только s-типа, L-оболочка – орбитали s- и p-типа, M-оболочка – орбитали s-, p- и d-типа, N и более высокие оболочки – орбитали s-, p-, d- и f-типа.

Третье квантовое число m_ является мерой проекции момента количества движения на определённое направление (обычно направление слабого внешнего магнитного поля). Оно может принимать целые значения от +l до –l (включая 0), что ограничивает число орбиталей на каждой орбите.

Четвёртое квантовое число m_s связано с направлением спина электрона, определяемым в магнитном поле. Оно может принимать два значения (±1/2).

В целом получается, что на подоболочках s, p, d и f может находиться не более 2, 6, 10 и 14 электронов.

В квантовой механике минимизируется суммарная энергия электронов при отсутствии возможности занимать только нижние орбиты. Электронная структура атомов (табл. 1) позволяет сделать заключение о том, что именно распределение электронов на оболочках и подоболочках приводит при последовательном увеличении Z к появлению периодических изменений валентности как способности элементов к образованию химических связей.

Изменения такого рода суммированы в периодической системе элементов Менделеева (табл. 2), разбитой на семь периодов, семь подгрупп А и девять подгрупп В. Подгруппы IA и IIA включают элементы, у которых заполняются внешние s-подоболочки, в подгруппах IIIВ- 0В заполняются p-подоболочки. Начиная с четвёртого периода из-за близости энергетических уровней внешней s-подоболочки и d-подболочки предыдущего слоя сначала заселяются электронами последние и лишь после этого заполняются наружные p-подоболочки. Так появляются переходные металлы от скандия до никеля, от иттрия до свинца и от лантана до платины. Кроме того, после лантана и актиния заполнение d-подболочек временно прерывается и заполняются f-подболочки предыдущего слоя, образуя группы лантаноидов (редких земель) и актиноидов по 14 элементов в каждой.

В табл. 2 указаны порядковый номер, атомный вес и валентность (курсивом) каждого элемента.

Свойственные изолированным атомам дискретные энергии электронов размываются в энергетические зоны при сближении атомов и образовании конденсированного состояния. При этом происходит перекрытие зон и появление гибридных ns-, np- и (n-1)d-орбиталей, которые вносят вклад в силы взаимодействия между атомами в кристалле.