Класифікація елементів за електронними структурами атомів

Під час створення періодичної системи Д.І.Менделєєва залишався невирішеним цілий ряд питань, наприклад не встановлена кількість елементів, які можуть розміститися між Гідрогеном і Гелієм, Гідрогеном і Ураном, не визначені число й місце рідкісноземельних металів, розташування благородних газів і можливість відкриття нових елементів. Не були розкриті причини періодичності зміни властивостей елементів. Необґрунтованим здавалося розміщення в одній і тій же групі галогенів і елементів підгрупи Манґану, Сульфуру і Хрому, лужних металів і елементів підгрупи Купруму, які сильно відрізняються за своїми хімічними властивостями. Незрозумілим було й те, що періоди мають різну кількість елементів, а також спостерігається невідповідність максимальної валентності деяких елементів та їх розміщення в періодичній системі (наприклад, для Флуору, Оксигену, Ауруму, Купруму тощо). Із розвитком теорії будови атома всі ці питання були з’ясовані.

Елементи в періодичній системі розміщені відповідно до зростання їх порядкового номера. Кількісною характеристикою, що визначає хімічну природу елемента, є його порядковий номер (а не маса атома), який відповідає величині позитивного заряду ядра атома. У зв’язку з цим формулювання періодичного закону змінилося: властивості елементів, а також форми і властивості їх сполук перебувають у періодичній залежності від заряду ядер їх атомів. На його основі була підтверджена правильність розміщення в періодичній системі деяких елементів.

Відомо, що Д.І.Менделєєв розташував шість елементів не за збільшенням їх атомних мас: Ar (39,95) – К (39,10) – Co (59,93) – Ni (58,71), Te (52) – I (53). Оскільки заряд ядра атома Калію на одиницю більший, ніж заряд ядра атома Аргону, останній знаходиться в системі перед Калієм.

На підставі теорії будови атомів було встановлено причину періодичної зміни властивостей елементів у системі, а саме: властивості елементів змінюються періодично у зв’язку з тим, що розвиток атомних структур супроводжується періодичним повторенням подібних електронних утворень.

Будова електронних рівнів і підрівнів у атомах різна, що залежить від положення елемента в періодичній системі Д.І.Менделєєва.

У перших трьох періодах зі збільшенням заряду ядра атомів елементів відбувається заповнення електронами зовнішнього енергетичного рівня. Так, перший період складається з двох елементів. У атома Гідрогену один електрон розміщується на s -підрівні К-рівня (n =1): H 1 s ¹ n =1. Атом Гелію (Z=2) має два електрони. За принципом Паулі вони характеризуються антипаралельними спінами: 2He 1 s ² n =1. Таке розміщення електронів утворює дуже стійку конфігурацію, яка визначає відносну інертність Гелію в реакціях з іншими елементами. У атома Гелію завершується заповнення найближчого до ядра К-рівня.

Елементи, ватомах яких заповнюються електронами s -орбіталі, називаються s -елементами.

Другий і третій періоди містять по вісім елементів. У елементів другого періоду відбувається заповнення L-рівня (n=2). У атомів перших двох елементів Літію та Берилію заповнюються 2 s -орбіталі, а в Бору–Неону – послідовно 3 р -орбіталі.

Нижче наведені електронні формули атомів деяких елементів другого періоду:

₅B 1 s ²2 s ²2 p ¹;

₈O 1 s ²2 s ²2 p ⁴.

В атома Неону закінчується заповнення 2 р -орбіталі, і другий енергетичний рівень заповнюється максимально можливим числом електронів, які утворюють високосиметричну структуру:

₁₀Ne 1s²2s²2p⁶.

Неоном завершується другий період системи елементів і заповнення другого L-енергетичного рівня.

Елементи, в атомах яких заповнюються електронами р-орбіталі, називаються р -елементами.

Отже, другий період складається з двох s -елементів і шести р -елементів.

У елементів третього періоду заповнюється електронами М-рівень (n=3), який складається з 3 s -, 3 p - і 3 d -орбіталей. У атомів перших двох елементів Натрію і Магнію заповнюються електронами 3 s -орбіталі, в Aлюмінію–Aргону – 3 р -орбіталі, а 3 d -орбіталі – вакантні.

Наведемо приклади електронних конфігурацій і схем будови атомів деяких елементів третього періоду:

₁₁Na 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ¹ ® [Ne]3 s ¹;

₁₅P 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ³ ® [Ne]3 s ²3 p ³;

₁₈Ar 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ³ ® [Ne]3 s ²3 p ⁶.

Атом Аргону – останній елемент третього періоду – має повністю заповнені 3 s - і 3 p -орбіталі, тобто зовнішній енергетичний рівень складається з чотирьох пар спарених електронів.

Таким чином, третій період містить два s-елементи і шість р-елементів. Будова зовнішнього енергетичного рівня відповідних елементів другого й третього періодів аналогічна.

У четвертому та п’ятому періодах міститься по 18 елементів. У атомів чет-

вертого періоду відбувається заповнення N-рівня (n =4). У двох перших елементів Калію і Кaльцію заповнюються 4 s -орбіталі. Вакантна 3 d -орбіталь екранована електронним шаром 3 s ²3 p ⁶. У зв’язку з відштовхуванням від цього шару 19-го електрона атома Калію і 20-го електрона атома Кальцію енергетично вигідніший 4 s -стан, ніж 3 d. Крім того, для 3 d -орбіталей (n =3, l=2) сума n+l дорівнює 5, а для 4 s -орбіталей (n =4, l =0) – 4. Тому 4 s -орбіталі повинні заповнюватися електронами раніше, ніж 3 d -орбіталі, що й спостерігається:

₁₉К 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ¹ ® [Ar]4 s ¹;

₂₀Ca 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶4 s ² ® [Ar]4 s ².

Із подальшим зростанням ефективного заряду ядра елементів, які розміщуються після Кальцію, енергетичний 3 d -стан вигідніший, ніж 4 р. Тому, починаючи з елемента четвертого періоду ІІІ групи – Скандію, здійснюється заповнення 3 d -орбіталей, яке завершується в атома Купруму. Наведемо приклади електронних формул деяких елементів четвертого періоду:

₂₁Sc 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹4 s ² ® [Ar]4 s ²;

₂₄Cr 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ⁵4 s ¹ ® [Ar]3d⁵4 s ¹;

₂₉Cu 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ¹ ® [Ar]3 d ¹⁰4 s ¹;

₃₀Zn 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ² ® [Ar]3 d ¹⁰4 s ².

Елементи, в атомах яких заповнюються електронами d -орбіталі, називаються d -елементами.

Після заповнення 3 d - і 4 s -орбіталей у атомів елементів Галію – Криптону відбувається заповнення 4 p -орбіталей. Четвертий період завершується благородним газом Криптоном, атом якого має всі спарені електрони:

₃₆Kr 1 s ²2 s ²2 p ⁶3 s ²3 p ⁶3 d ¹⁰4 s ²4 р ⁶ ® [Ar]3 d ¹⁰4 s ²4 p ⁶.

Таким чином, четвертий період починається s -елементами (два) і закінчується р -елементами (шість), а між ними розміщуються десять d -елементів.

У п’ятому періоді заповнення енергетичних рівнів і підрівнів відбувається аналогічно до четвертого періоду, а саме: у атомів двох перших елементів Рубідію і Стронцію заповнюються 5 s -орбіталі, у атомів елементів Ітрію–Кадмію 4 d - та Індію–Ксенону 5 f -орбіталі.

Таким чином, п’ятий період містить два s -елементи, шість p -елементів і десять d -елементів.

Шостий період, що містить тридцять два елементи, починається двома s -елементами – Цезієм і Бaрієм, в атомах яких заповнюються 6 s -орбіталі. У атомі Лантану починається заповнення 5 d -орбіталей (один електрон), а в атомах елементів Церію–Лютецію стан 4 f більш енергетично вигідний, ніж 5 d. Тому в атомах цих елементів відбувається заповнення 4 f -орбіталей. Крім Лантану на 5 d -орбіталях по одному електрону мають Гадоліній і Лютецій. Потім продовжується заповнення 5 d -орбіталей у атомів елементів Гафнію–Aуруму, і цей період завершується елементами Талію–Радону, в атомах яких заповнюється 6 р -орбіталі.

Елементи, в атомах яких електронами заповнюються f -орбіталі, називаються f -елементами.

Таким чином, шостий період складається з двох s -елементів, шести р -елементів, десяти d ‑ елементів і чотирнадцяти f -елементів.

Сьомий період ще не завершений.

Установлення будови атомів показало, що кожен період, крім першого і сьомого, має елементи, електронні конфігурації яких є проміжними між структурами двох послідовних благородних газів з такими електронними конфігураціями: (n -1) s ² n p⁶.

Період – це послідовний ряд елементів, у атомах яких відбувається за-повнення однакового числа енергетичних рівнів. При цьому номер періоду збігається зі значенням головного квантового числа n зовнішнього енергетичного рівня.

Періоди починаються елементами, в атомах яких на новому енергетичному рівні з'являється перший s -електрон (атоми Гідрогену і лужних металів), і закінчуються благородними газами, в атомах яких повністю заповнюються р -підрівні зовнішніх енергетичних рівнів. Усі періоди, крім першого, парні. У двох сусідніх парних періодах міститься однакове число елементів.

У малих періодах зі збільшенням порядкового номера спостерігається поступове зменшення металічних і підсилення неметалічних властивостей. Для елементів великих періодів ця закономірність дещо ускладнюється. Періодична зміна властивостей елементів у середині великих періодів дає можливість розділити їх на два ряди, де друга частина періоду повторює першу. Тому пасивні метали родини Платини (Ru, Rh, Pd, Os, Іr, Pt) можна розглядати як аналоги благородних газів, а Цинк, Кадмій, Меркурій – як аналоги лужноземельних металів.

Теорія будови атома підтвердила та обґрунтувала правильність розміщення елементів у відповідних групах і розподіл на головну й побічну підгрупи.

Група періодичної системи - це вертикальний ряд, у якому розміщені подібні за властивостями елементи. У періодичній системі є вісім груп. З кожного малого періоду до групи входить по одному типовому елементу, а з кожного великого періоду, який поділяється на два підперіоди, - по два елементи, один із яких є повним, а другий – неповним аналогом типових елементів.

Кожна група поділяється на дві підгрупи: головну й побічну. Головну підгрупу утворюють s - і р -елементи, які об’єднує однакове число електронів на зовнішньому енергетичному рівні. Наприклад, Бром (4 s ²4 p ⁵), що має на зовнішньому енергетичному рівні сім електронів, належить до головної підгрупи сьомої групи.

До побічної підгрупи входять d -елементи, які мають однакове число s -електронів зовнішнього і d -електронів передостаннього енергетичних рівнів. Відповідно до цього Манґан (3 d ⁵4 s ²) належить до побічної підгрупи сьомої групи.

Як відомо, у s - і р -елементів заповнюється зовнішній енергетичний рівень, у d - елементів – передостанній, у f -елементів – третій зовнішній. Тому відмінність властивостей найбільше проявляється в сусідніх s - і р -елементів. У d -елементів і особливо у f -елементів відмінність властивостей виражається менш помітно. Третій зовнішній енергетичний рівень мало впливає на хімічні властивості елементів, тому лантаноїди і актиноїди дуже схожі між собою.

Оскільки в рядах елементів-аналогів електронні конфігурації подібні, але не тотожні, то під час переходу від елемента до елемента в групах і періодах спостерігається не просте повторення властивостей, а їх більш-менш чітко виражені закономірні зміни.