Электронная структура атомов и периодический закон

Закономерности в изменении свойств элементов, наблюдаемые при переходе от элемента к элемент, а также кажущиеся с первого взгляда неправильности в периодической системе (например, различное число элементов в периодах, большое сходство четырнадцати так называемых редкоземельных элементов и др.) являются следствием изменения строения электронных оболочек атомов. Поэтому прежде чем переходить к дальнейшему изложению, необходимо познакомиться с расположением электронов в атомах всех химических элементов и проследить, пользуясь табл. 8, как идет нарастание электронных слоев и заполнение их электронами с увеличением порядковых номеров элементов.

В гл. IV мы уже говорили о расположении электронов в атомах первых восемнадцати элементов периодической системы, т. е. элементов трех малых периодов. Там же были приведены схемы строения их атомов (рис. 27). Напомним, что заполнение электронных слоев в атомах этих элементов происходит совершенно равномерно с увеличением порядковых номеров: в атоме каждого следующего элемента добавочный электрон становится в наружный слой или, если этот слой уже заполнен, начинает собой новый слой. Таким образом, у 18-го элемента — аргона — первый слой К содержит два электрона, второй слой L — восемь электронов и третий слой М — тоже восемь электронов, что можно записать следующим образом:

Заполнение электронных слоев в атомах элементов больших периодов, как показывают спектроскопические данные, протекает несколько сложнее (см. табл. 8).

Так как для наружного слоя предельное число электронов равно восьми, то, хотя в слое М может находиться 18 электронов, у первого элемента четвертого периода—калия (№ 19) появляется новый слой N с одним электроном.

В атоме кальция (№ 20) к слою N добавляется еще один электрон. На этом заполнение слоя N электронами временно приостанавливается.

Начиная с скандия (№ 21), вплоть до меди (№ 29), стоящей в начале второй половины четвертого периода, постепенно заполняется электронами слой М, в то время как в наружном слое N число электронов сохраняется равным двум, а в атомах хрома и меди даже уменьшается до одного. 

В атоме меди слой М содержит 18 электронов, а слой N — один электрон

Только теперь, когда слой М достроен (так как число электронов в нем достигло предельной величины), происходит равномерное заполнение электронами слоя пока число электронов в нем не достигнет восьми у инертного газа криптона (№ 36):

Заполнение электронных слоев в атомах элементов пятого периода, начиная с рубидия (№ 37) и кончая инертным газом ксеноном (№ 54), происходит так же, как и в атомах, находящихся в четвертом периоде . Поэтому атом ксенона имеет строение.

Шестой период содержит 32 элемента. Следовательно, при переходе от ксенона (№ 54) к следующему инертному газу — радону (№ 86) должно прибавиться 32 электрона. Распределение их по слоям происходит в следующем порядке. Начиная с цезия (№ 55), идет построение шестого электронного слоя Р; следующий за цезием элемент барий (№ 56) имеет в слое Р два электрона:

На этом, как и в двух предыдущих периодах, построение наружного слоя временно прекращается, и у элемента лантана (№ 57) новый электрон поступает в слой О:

За лантаном следуют редкоземельные элементы (лантаниды). В атомах этих элементов число электронов в наружном слое Р сохраняется таким же, как в атоме бария, но идет достройка слоя N до 32 электронов, заканчивающаяся у элемента № 70 — иттербия

После этого, начиная с лютеция (№ 71) и до конца шестого периода, заполнение слоев электронами идет в общем так же, как и в двух предыдущих больших периодах, т. е. сперва заполняется слой О до 18 электронов (элемент № 79), затем электроны поступают в слой Р, пока число их в этом слое не достигнет восьми у инертного газа радона (№ 86) :

В седьмом периоде начинается построение нового электронного слоя Q, которое заканчивается у второго члена периода — радия (№ 88). В атоме следующего за ним элемента — актиния — новый электрон поступает уже в слой Р. После тория идет заполнение электронами глубже лежащего слоя О аналогично тому, как это происходило в шестом периоде в атомах лантанидов.

Таким образом, в каждом периоде идет построение нового электронного слоя, а в больших периодах, кроме того, достройка внутренних слоев. Поэтому число электронных слоев в атоме равно номеру периода, в котором находится соответствующий элемент .

Выяснение строения электронных оболочек атомов оказало влияние и на самую структуру периодической системы, несколько изменив существовавшее до тех пор деление элементов на периоды. В прежних таблицах нулевая группа ставилась перед первой и каждый период начинался с инертного газа, причем водород оставался вне периодов. Но теперь стало ясно, что новый период должен начинаться с того элемента, в атоме которого впервые появляется новый электронный слой в виде одного валентного электрона (водород и щелочные металлы), и заканчиваться тем элементом, в атоме которого этот слой имеет восемь электронов, образующих очень прочную электронную группировку, свойственную инертным газам. Такое естественное разделение элементов на периоды и привело к построению той таблицы и в которой нулевая группа помещается после седьмой группы с правой стороны таблицы .

Теория строения атомов разрешила также вопрос о положении в периодической системе редкоземельных элементов (№58—71), которые ввиду их большого сходства друг с другом нельзя было поместить в различные группы таблицы. Данные, приведенные в табл. 8, показывают, что атомы этих элементов отличаются друг от друга строением одного из глубже лежащих электронных слоев, в то время как число электронов в наружном слое, от которого главным образом зависят химические свойства элемента, у них одинаково. По этой причине все редкоземельные элементы (лантаниды) помещены теперь вне общей таблицы, а в клетке для элемента № 57 (La) отмечено лишь их положение в периодической системе.

Но основное значение теории заключалось в раскрытии физического смысла периодического закона, который во времена Менделеева был еще неясен. Достаточно взглянуть на таблицу расположения электронов в атомах химических элементов, чтобы убедиться, что с увеличением зарядов атомных ядер постоянно повторяются одни и те же комбинации электронов в наружном слое атома. Таким образом, периодическое изменение свойств химических элементов происходит вследствие периодического возвращения к одним и тем же электронным группировкам.

54 55 56

Вы читаете, статья на тему Электронная структура атомов