Структура периодической системы Д. И. Менделеева

Правила Клечковского. Структура периодической системы элементов определяется строением электронных уровней и подуровней атомов. У атома с данным зарядом ядра +2.

уровни, подуровни и орбитали заполняются в полном соответствии с принципом Паули, принципом минимума энергии и правилами Хунда. Таким образом, для построения структуры периодической системы нужно знать энергетическую последовательность уровней и подуровней, справедливую для всех элементов от водорода до последнего из открытых —.

вие. 10.1. Примерная схема расположения энергетических подуровней в многоэлекгронных атомах.

118-го элемента. Эту последовательность до сих пор не удается вычислить методами квантовой механики, так как взаимодействия электронов в многоэлектронных атомах являются очень сложными. Однако из спектров излучения и поглощения изолированных атомов эта последовательность установлена. Энергия подуровней возрастает в следующем порядке (рис. 10.1):

Эта последовательность подуровней описывается правилами Клейновского

Уровни и подуровни атомов заполняются электронами в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (п + 1).

При одном и том же значении суммы (п + 1) заполнение подуровней происходит в порядке возрастания главного квантового числа п.

Например, для энергетического подуровня 4s сумма главного (п = 4) и орбитального (/ = 0) квантовых чисел равна 4, а для подуровня 3d сумма т? + /= 3 + 2 = 5, поэтому в соответст^[1]

вии с первым правилом Клечковского электронами застраивается сначала подуровень As и лишь после него подуровень 3d. Для подуровней 3d и Ар суммы главного и орбитального квантовых чисел одинаковы и равны 5, но для подуровня 3d главное квантовое число меньше, поэтому в соответствии со вторым правилом Клечковского он раньше заполняется электронами.

Руководствуясь порядком заполнения подуровней электронами, можно объяснить структуру периодической системы.

Для получения энергетической последовательности подуровней с помощью правил Клечковского нужно поместить под символом каждого подуровня соответствующие ему сумму п + / и значение п. Если затем в соответствии с данным в параграфе 10.1 определением выделить из последовательности периоды, то этот результат легко превратить в графическую схему (табл. 10.1), отражающую структуру периодической системы:

Для этого достаточно расположить подуровни так, чтобы каждый горизонтальный ряд начинался ns- и заканчивался яр-подуровнем и чтобы подуровни с одинаковым значением орбитального квантового числа были расположены друг под.

Таблица 10.1

Структура периодической системы элементов.

другом. Чтобы было удобно проследить выполнение правил Клечковского, у обозначения каждого подуровня в скобках указана соответствующая ему сумма (и + /).

Сравнение табл. 10.1 с длиннопериодным вариантом периодической системы элементов (первая цветная вклейка) показывает, что она в целом очень хорошо передает структуру системы элементов. Различие состоит лишь в том, что /-элементы в шестом и седьмом периодах следуют не непосредственно за 5-элементами, а за^{-элементами} лантаном La и актинием Ас. Это отклонение от последовательности, представленной в табл. 10.1, является следствием крайне незначительной разницы в энергиях между подуровнями 5d и 4/, а также 6d и 5/ (см. рис. 10.1).

Варианты таблиц периодической системы. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) в 1989 г. рекомендовал использовать длиннопериодный вариант периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (см. первую цветную вклейку). Этот вариант стал обычным в большинстве стран мира. Он хорошо отражает последовательность заполнения электронами энергетических уровней и подуровней атомов химических элементов по мере возрастания зарядов их ядер. Его структура проста: горизонтальные ряды образованы периодами элементов, а вертикальные колонки — группами элементов.

В периодической системе семь периодов. Атомы элементов одного периода имеют одинаковое число энергетических уровней, равное номеру периода, т. е. главному квантовому числу п для внешнего энергетического уровня. С ростом порядкового номера элемента усложняется структура периодов и увеличивается число элементов в них. Первый период {п= 1) образован только двумя 5-элементами, второй (п = 2) и третий (п = 3) периоды содержат по восемь элементов (по два 5- элемента и, но шесть p-элементов). Эти периоды называют короткими. Четвертый (п = 4) и пятый (п = 5) периоды включают, помимо 5- и p-элементов, по 10 d-элементов и состоят из 18 элементов, шестой (п = 6) и седьмой (/? = 7) периоды имеют в своем составе еще и по 14 /-элементов и насчитывают по 32 элемента каждый. Периоды с четвертого по седьмой включительно называют длинными.

Общее число групп в длиннопериодном варианте периодической системы равно 18. ИЮПАК рекомендует сквозную нумерацию групп арабскими цифрами. Атомы элементов одной группы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего и предвпешнего энергетических подуровней. Так, атомы элементов 1-й группы имеют электронную конфигурацию ns атомы элементов 4-й группы -(п- 1 )d²ns², атомы элементов 14-й группы — т²пр².

Третья группа содержит самое большое число элементов среди групп периодической системы. Кроме четырех^{-элементов} (скандия, иттрия, лантана и актиния) она включает в себя еще и 28 /-элементов. Для придания периодической системы более компактного вида /-элементы вместе с предшествующими им лантаном и актинием вынесены в отдельную подтаблицу.

В длиннонериодном варианте периодической системы можно выделить блоки элементов. Блок 5-элементов состоит из элементов 1-й и 2-й групп, в него входит также расположенный отдельно, в 18-группе гелий Не. Блок /^-элементов включает в себя шесть групп: с 13-й по 18-ю включительно, в блок d-элементов входят 10 групп: с 3-й по 12-ю включительно. Блок /-элементов располагается в нижней части периодической системы.

Если блок /-элементов не выносить в отдельную подтаблицу, а располагать его вслед за ^/-элементами 3-й группы, разрывая блок d-элементов, то получается сверхдлинный вариант периодической системы (рис. 10.2).

Сверхдлинный вариант более наглядно отражает порядок заполнения электронами энергетических уровней и подуровней атомов, чем длиннопериодный, сохраняя все его достоинства. Главный недостаток, препятствующий широкому распространению сверхдлинного варианта периодической системы, — отсутствие компактности.

На второй цветной вклейке находится короткопериодный вариант периодической системы. По своей форме он больше других вариантов соответствует таблице, которую Д. И. Менделеев опубликовал в 1869 г. и затем неоднократно совершенствовал.

Рис. 10.2. Расположение блоков s-, p-, d- и /-элементов в еверхдлинном варианте периодической системы.

Особенности этого варианта состоят в следующем:

• • /-элементы выносятся в отдельную подтаблицу;
• • в каждом периоде, начиная с четвертого (т.е. в периодах, содержащих (/-элементы), имеется два ряда;
• • группы элементов раздваиваются, в результате чего появляются подгруппы: А-подгруппы состоят из sи p-элементов, В-подгрупиы — из (/-элементов. Иногда A-иодгруппы называют главными, а В-подгруппы — побочными. Подобие между элементами Ли В-подгрупп одной группы очень поверхностно;
• • восьмая группа включает А-подгруппу благородных газов и В-подгруппу семейств железа и платиновых металлов.

• [1] В. М. Клечковский (1900—1972) долгое время был профессором Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.