Материал: Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

названия: I (1лРг)- щелочные металлы, II (Съ -Ъ ъ )-щелоч­ ноземельные металлы, VI (О- Ро) - халъкогены, У1Г (Р-А 1) -

сической. В настоящее время все шире используется другая форма Периодической системы - длиннопериодная, в которой все периоды-малые и большие-вытянуты в длинные ряды, начинающиеся щелочным металшом и заканчивающиеся бла­ городным газом. Каждая вертикальная последовательность элементов называется группой, которая нумеруется римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А или Б.'Например, 1А-группа-это щелочные металлы (т.е. главная подгруппа I группы в короткопериодной форме), а 1Б-группа-это элементы медь, серебро и золото (т. е. побочная подгруппа I группы); аналогично VIА-группа -это халъкогены, а VIБ- группа-это элементы хром, молибден и вольфрам. Таким образом, главные подгруппы-это А-группы в длиннопе­ риодной форме, а побочные подгруппы-это Б-группы; номера групп в обенх формах Периодической системы совпадают.

Периодический закон Д. И. Менделеева и Периодическая система элементов стали основой современной химии.

Строение атома. В конце XIX-начале XX века физики

*доказали, что атом является сложной частицей и состоит из более простых (элементарных) частиц. Были обнаружены:

а) катодные лучи (Дж.-Дж. Томсон, 1897 г.), частицьь

которых получили название электронов (несут единичный

в) наличие у атома положительно заряженной частицы, названной ядром (Э. Резерфорд, 1911 г.);

г) искусственное превращение одного элемента в другой, например азота в кислород (Э. Резерфорд, 1919 г.). Из ядра атома одного элемента (азота в опыте Резерфорда)* при соударении с а-частицей образовывались ядро атома другого элемента (кислорода) и новая частица, несущая единичный положительный заряд и названная протоном (ядро Н +);

д) наличие в ядре атома электронейтральных частиц- нейтронов (Дж. Чедвик, 1932 г.).

-Было установлено, что в атоме каждого элемента при­ сутствуют протоны, нейтроны и электроны, причем протоны

35

'Рис. 2. Форцы атомных (а) и р-орбиталей (б)

и нейтроны сосредоточены в ядре атома, а электроны-на его периферии (в электронной оболочке). Число протонов в ядре равно числу -электронов в оболочке атома и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической си­ стеме. ^ ' ' - Электронная оболочка любого атома представляет собой

сложную систему. Она . делится на подоболочки с разной 4 энергией {энергетические уровни); уровни, в свою ^очередь, подразделяются на ■подуровни, а подуровни геометрически изображаются атомными орбиталями, которые могут раз­ личаться формой и размерами. В зависимости от формы атомные орбитали обозначаются буквами я, р, й и др. Формы ^-орбитали и трех /7-орбиталей представлены на рис. 2,- ^-орбитали имеют более сложную форму и здесь не по­

казаны. \ Атомная ^-орбиталь первого энергетического уровня

обозначается 1^, второго - 2$ и т. д., такая орбиталь в каждом уровне одна. Со второго энергетического уровня появляют­ ся /7-орбитали, их всего три в каждом (втором и следующих) уровне, и они представляют собой /7-подуровни. С третьего

На каждой атомной орбитали может размещаться мак­ симально по д ва электрона (по принципу Паули). Электроны заполняют атомные орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией {принцип минимума энергии). .Последо­ вательность в нарастании энергии подуровней определяется

При наличии орбиталей* с одинаковой энергией (например, трех /7-орбиталей одного подуровня) каждая орбиталь за­ полняется вначале наполовину (и поэтому на /7-подуровне не может быть более трех неспаренных электронов), а затем уже полностью,, с образованием электронных пар (правило Хунда).

36

Рис. 3. Схема распределения электронов в атомах элементов от водорода до криптона (порядковые номера показывают последова­ тельность заполнения электронами энергетических подуровней)

Электроны в атоме занимают самые энергетически вы­ годные (с минимальной энергией)'~атомные6орбитали. Для изображения электронной конфигурации атома нужно рас­ пределить его электроны по' подуровням (рис. 3, каждой атомной орбитали отвечает ячейка) в соответствии с тремя указанными правилами заполнения. Электронные конфигу­ рации атомов (полные и сокращенные) записывают сле­ дующим образом:

^ = 1^

2Не = и 2

3П = Ь 22у1 = [2Не]!*1

80 = \з22з21рА= [2Не]2у22д4

13А1 = \з22з22р6ЪзгЪр1= [ ^ ф з Ч р 1

37

17С1 = \822821рьЪ82Ър5= [10ке]3523/?5.

20Са = Ь22у22/763523/764^2 = [18Аг]4 у2

218с = Ъ22822р*Ъ82Ър6Ъ(1Ч82 = [18Аг] З^Ау2 24Сг= \8г2822р6Ъ82Ър6Ъ<РАз1= [^ А г^ А у1, а не 3<*Чу2(!)

^ззА'8 = 1522522/?63523/?63^104524/?3 = [18Аг, М10^ Ч р г

(приведены отдельные примеры для элементов первых четырех периодов, читателям рекомендуется составить пол­ ный список элементов от водорода до криптона).

Из рассмотрения электронных конфигураций атомов видно, что элементы УША-группы (Не, Йе, Аг и др.) имеют завершенные 8- и /7-подуровни одновременно С?2/76), такие

конфигурации обладают высокой устойчивостью и обеспе­ чивают химическую пассивность благородных газов. В ато­ мах остальных элементов внешние я- и /7-подуровни—неза­ вершенные, они и показаны в сокращенных электронных конфигурациях, например 17С1 = [ю^е] Ъ$2Ър5 (символ бла­

городного газа отвечает сумме заполненных предыдущих подуровней, т.е. 10№ = 1з22$22р6). Незавершенные подуров­ ни и электроны на них иначе называются валентными, так

как именно они могут участвовать в образовании хими- ' ческих связей между атомами.

Электронная конфигурация атома элемента определяет свойства этого элемента в Периодической системе. Число энергетических уровней атома данного элемента равно номеру периода, а число валентных электронов атома-номеру груп­ пы, к которым относится данный элемедт. Если валентные электроны расположены только на атомной ^-орбитали, то элементы относятся к секции 8-элементов (1А-, 11А-группы), если они расположены на 8- и /7-орбиталях, то элементы относятся к секции р-элементов (от ШАдо УША-группы).

Водород, Н (I.?1) всегда рассматривают отдельно как первый элемент Периодической системы, а гелий Не (1^2) причисляют к УША-группе ввиду подобия химических свойств всех благородных газов.

В соответствие с энергетической последовательностью подуровней, начиная с элемента скандий 8с, в Периодической системе появляются Б-группы, а у атомов этих элементов начинает заполняться ^-подуровень предыдущего уровня

38

(см. выше примеры электронных конфигураций 8с, Сг, Мп, Си и 2п). Такие элементы называются с1-элементами, их в каждом периоде будет десять, например в 4-м периоде это элементы от 8с до 2л.

В атомах Сг и Си ввиду близости энергий 4у- и 3^-под- уровней происходит переход одного электрона с 4у-орбитали на 3^-орбиталь. В атомах ^-элементов 4-го периода ва­ лентные электроны расположены уже не только-на внешних подуровнях, но и на внутреннем 3^-подуровне, например, для атома марганца (УПБ-группа) с конфигурацией [18Аг]3^/54^2 все семь электронов (сРз2) —валентные- У атома цицка (302п = [ 18Аг, Зй?10] 4я2у ^-подуровень заполнен полностью

ментов можно вывести из положения элементов в Периоди­ ческой системе. В ряду элементов с последовательно воз­ растающим порядковым номером (числом электронов, за­ рядом ядра) аналогичные электронные конфигурации атомов периодически повторяются. Этот периодически повторяю­ щийся характер изменения электронных конфигураций ато­ мов объясняет периодическое изменение свойств элементов,

порядковому, номеру элемента и самому Периодическому закону, позволяет объяснить его основные положения и выводы. Современная формулировка Периодического за­ кона:

Свойства элементов находятся в периодической зависи­ мости от порядкового номера. .

Упражнения

— 5.1. Опишите положение в короткопериодной форме Периоди­ ческой системы элементов с порядковыми номерами 11, 13, 16, 19, 20, 25, 29 и 35 (группа, подгруппа, период).

5.3.Опишите изменение свойств элементов IVА- й У1А-групп

сувеличением порядкового номера элементов.

5.4.Элементы: в

цезий, селен, магний, иод, аргон, натрий, кислород, литий, гелий, барий, сера, бром, неон, кальций, рубидий, ксенон, полоний, радий, фтор, радон, хлор, астат, криптон, калий, франций, стронций, теллур

распределите по соответствующим группам и приведите их груп­ повые названия.

39