13.1. Связь Периодической системы с квантовой химией
Периодический закон сыграл решающую роль в выяснении сложной структуры атома. Более того, обнаружилось, что система Менделеева основана на законах квантовой механики, чего не мог предвидеть даже сам ее автор. Связь Периодического закона с квантовой химией состоит в следующем:
Порядковый номер элемента численно равен количеству протонов в ядре атома, или заряду атомного ядра. Атомы нейтральны, то есть положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов, число которых в нейтральном атоме также равно порядковому номеру элемента;
Массовое число (относительная атомная масса элемента) равно сумме протонов и нейтронов в ядре атома данного элемента; Номер периода, в котором расположен элемент, указывает на то, на каких орбиталях с наибольшей вероятностью располагаются электроны в его атомах, то есть позволяет определить значения главного квантового числа n. Для всех элементов первого периода n = 1; для всех элементов второго периода n = 1, 2; для всех элементов третьего периода n = 1, 2, 3 и т.п. Зная главное квантовое число, можно определить и остальные квантовые числа любого электрона в данном атоме;
Номер группы (в 8-клеточной таблице) равен количеству электронов на внешнем электронном уровне атома данного элемента; Пользуясь Периодической системой Менделеева и применяя законы квантовой механики, можно узнать, сколько неспаренных электронов имеется на внешнем электронном уровне атома данного элемента, а именно этим и определяются химические свойства элемента.
13.2. Строение Периодической системы
Периодическая система состоит из периодов и групп. Периодов в системе имеется семь, из них три малых и четыре больших. Номер периода соответствует числу главных энергетических уровней любого атома, расположенного в периоде (N = n). Главный уровень делится на s-, p-, f- и d- подуровни. Руководствуясь принципом Паули, можно подсчитать, какое максимальное количество электронов может расположиться на каждом подуровне. Для s -подуровня это число равно 2, для p - подуровня 6, для f - и d - подуровней - 10 и 14 соответственно.
Спаренные электроны, располагающиеся на заполненных в соответствии с принципом Паули и правилом Гунда орбиталях, как правило, не склонны покидать свои места, так как в спаренном состоянии энергия электронов меньше, чем в распаренном положении. Поэтому для химика наиболее важным является внешний электронный слой атома, не заполненный до конца, потому что именно неспаренные электроны внешнего слоя образуют химические связи при взаимодействии атомов друг с другом.
Первый период состоит из двух элементов - водорода и гелия. В атоме водорода единственный электрон располагается в первом электронном слое 1s. В соответствии с принципом Паули, на одной орбитали могут находиться электроны с разными спинами, поэтому в атоме гелия два электрона расположены также на уровне 1s. Такая структура из двух спаренных электронов является энергетически устойчивой, поэтому, в отличие от химически активного водорода, гелий не вступает в химические реакции с другими элементами (не обменивается с ними электронами) и поэтому называется инертным газом.
Во втором и третьем периодах расположено по 8 элементов. У элементов второго периода заполняется второй электронный слой (n=2), сначала 2s, а затем 2р - орбиталь, причем количество электронов на втором уровне постепенно возрастает от 1 до 8. Восьмиэлектронная оболочка (октет) неона представляет собой очень устойчивую энергетическую структуру, поэтому неон также является инертным газом. У элементов третьего периода заполняется третий электронный слой (у двух первых элементов заполняются 3s - орбитали, а у шести последних - 3р-орбитали). В отличие от второго периода, у элементов третьего периода остаются свободными 3d - орбитали, что также оказывает влияние на их химические свойства и свойства их соединений. Элементы, в атомах которых s - подуровень заполняется в последнюю очередь, называются s - элементами; те элементы, в атомах которых последними заполняются р - подуровни, называются р- элементами; соответственно определяется и отношение атомов к семействам d - и f - элементов.