Общая химия (стр. 5 )

Заполнение и не допускается.

Принцип запрета Паули определяет электронную емкость энергетических уровней и подуровней. На s – подуровне (одна орбиталь) может быть лишь два электрона, на p – подуровне (три орбитали) – шесть, на d подуровне (пять орбиталей) – десять, на f – подуровне (семь орбиталей) – четырнадцать электронов. Вообще, максимальное число электронов на подуровне с орбитальным квантовым числом l равно 2(2l+1). Поскольку число орбиталей данного энергетического уровня равно n2, емкость энергетического уровня составляет 2n2 электронов, где n – соответствующее значение главного квантового числа.

Правило Гунда: устойчивому (невозбужденному) состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спинового числа их (│∑ms│) максимально.

Рассмотрим распределение электронов по энергетическим ячейкам в атоме углерода, электронная конфигурация которого 1s22s22p2. Возможны три варианта:

а) б) в)

1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p

∑ms= ∑ms =+ ∑ms=0

Во всех вариантах спиновое число 1s2 и 2s2 – электронов равно 0 (спины электронов антипараллельны в каждой энергетической ячейке). Суммарное спиновое число p – электронов в вариантах a), в) равно нулю (∑ms =0), в варианте (б) ∑ms=1. В соответствии с правилом Гунда реализуется только вариант (б).

Другими словами: заполнение орбиталей одного подуровня в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами. После того как одиночные электроны займут все орбитали в данном подуровне, заполняются орбитали вторыми электронами с противоположными спинами.

2.8. Электронные семейства элементов

В зависимости от того, какой подуровень последним заполняется электронами, все элементы делятся на четыре типа – электронные семейства:

1.  s – элементы; заполняется электронами s – подуровень внешнего уровня. К ним относятся первые два элемента каждого периода. Валентными1 являются электроны внешнего уровня.

2.  p – элементы; заполняется электронами р – подуровень внешнего уровня. Это последние шесть элементов каждого периода (кроме I и VII). Валентными являются s- и p- электроны внешнего уровня.

3.  d – элементы; заполняется электронами d – подуровень второго снаружи уровня, а на внешнем уровне – один или два электрона (y 46Pd – нуль). К ним относятся элементы вставных декад больших периодов, расположенных между s – и p – элементами (их также называют переходными элементами). Валентными являются s – электроны внешнего уровня и d – электроны предвнешнего уровня (второго снаружи).

4.  f – элементы; заполняется электронами f – подуровень третьего снаружи уровня, а на внешнем уровне остается два электрона. Они расположены в 6 – м (4f – элементы) и 7 – м (5f – элементы) периодах периодической системы. 4f – элементы объединяют в семейство лантаноидов, а 5f – элементы – семейство актиноидов.

В периодической системе s – элементов 14, p – элементов 30, d – элементов 38, f – элементов 28.

2.9. Понятие об электронных аналогах

Атомы элементов с одинаковым заполнением внешнего энергетического уровня носят название электронных аналогов. Например:

;

.

Элементы с одинаковым строением внешнего и предвнешнего энергетических уровней называют полными электронными аналогами. Например:

;

.

2.10. Периодический закон и периодическая система элементов

Важнейшим событием химии в 19 веке было открытие периодического закона, сделанное в 1869 г. гениальным русским ученым . Периодический закон в формулировке гласит: “ свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса”.

Графическим выражением этого закона стала созданная им периодическая система элементов.

В настоящее время известно несколько сотен вариантов периодической системы элементов, но все они в своей основе содержат предложенные Менделеевым принципы её построения. Наибольшее распространение получили короткая (восьмиклеточная) и длинная (тридцатидвухклеточная) формы периодической система элементов.

Развитие учения о строении атома вскрыло глубокий физической смысл периодического закона. Как было доказано, свойства элементов зависят, прежде всего, от заряда атомных ядер, который в свою очередь определяет распределение электронов на электронных оболочках атомов. Основной характеристикой атома является положительный заряд ядра, численно равный порядковому номеру элемента. В нейтральном атоме заряд ядра и общее число электронов равны. Распределением электронов на электронных оболочках атомов определяются свойства элементов и их соединений, положение элемента в периодической системе. Периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений зависит от периодически повторяющейся сходной структуры электронных оболочек атомов.

В 1913 г. ученик Резерфорда английский ученый Мозли, исследуя спектры лучей Рентгена для различных элементов, установил простое соотношение между длиной волны рентгеновских лучей и порядковым номером элемента (закон Мозли):

Корень квадратный из величины, обратной длине волны рентгеновских лучей, испускаемых атомами различных элементов, находится в линейной зависимости от порядкового номера элемента, т. е.

где l – длина волны; Z – порядковый номер элемента; a – постоянная, одинаковая для всех элементов.

Из уравнения следует, что, зная a и измерив l, можно вычислить порядковый номер элемента. Это экспериментальный метод проверки правильности распределения элементов в периодической системе по возрастанию заряда ядра. Закон Мозли показал, что правильно расположил элементы в периодической системе, позволил установить общее число элементов в каждом периоде, а главное, направил усилия ученых на открытие предсказанных им элементов. Вскоре несколько элементов было открыто с помощью анализа рентгеновских спектров (гафний, Z=72; рений, Z=75 и др.).

Вместе с тем из закона Мозли следует, что порядковый номер – это не простая нумерация элементов, а выражение конкретного внутреннего свойства атома – величины элементарных положительных зарядов ядра. Именно положительный заряд ядра (а не атомная масса) является главной характеристикой атома.

В свете современных представлений о строении атома изменилась и формулировка периодического закона: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда атомных ядер.

2.11. Структура периодической системы химических элементов

Элементы в периодической системе располагаются в последовательности возрастания порядковых номеров Z от 1 до 110. Порядковый номер элемента Z соответствует заряду ядра его атома, а также числу движущихся в поле ядра электронов.

Химические элементы по структуре невозбужденных атомов подразделяются на естественные совокупности, что отражено в периодической системе в виде горизонтальных и вертикальных рядов – периодов и групп.

Период представляет собой последовательный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа энергетических уровней (электронных слоев). Номер периода указывает на число электронных слоев в атомах элементов. Периоды начинаются элементами, в атомах которых на новом уровне появляется первый s – электрон с новым значением главного квантового числа n (водород и щелочные металлы), а заканчиваются р – элементами, атомами благородных газов, имеющих устойчивую электронную структуру внешнего уровня ns2np6 (у первого периода – s – элементом 2He).

Различие в последовательности заполнения электронных слоев (внешних и более близких к ядру) объясняет причину различной длины периодов. 1,2,3 периоды – малые, 4,5,6,7 – большие периоды. Малые периоды содержат 2 и 8 элементов, большие периоды – 18 и 32 элемента, седьмой период остается незавершенным, хотя конструктивно он построен аналогично шестому периоду.

В соответствии с максимальным числом электронов на внешнем уровне невозбужденных атомов элементы периодической системы подразделяются на восемь групп. Группы элементов – это совокупность элементов с одинаковым количеством валентных электронов в атоме. Номер группы равен числу валентных электронов.

Положение в группах s - и p- элементов определяется общим числом электронов внешнего слоя. Например, фосфор (), имеющий на внешнем слое пять электронов, относится к V группе, аргон () – к VIII, кальций () – ко II группе и т. д.