3.5 Периодическая система химических элементов

3.5.  Периодическая система химических элементов и электронное строение атомов

В атомах элементов I периода ( Н  и Не) электроны заполняют один энергетический уровень (К);  в атомах элементов II периода (от Li до Ne) электроны заполняют два энергетических уровня (К и L);  в атомах элементов   III периода (от Na до Ar) – три энергетических уровня (К, L и М);  в атомах элементов IV периода (от К до Кr) – четыре энергетических уровня (К, L, М и N).

Число заполняемых энергетических уровней (электронных слоев) в атомах всех элементов данного периода равно номеру периода. Поэтому можно дать следующее определение периода:

Период – это последовательность элементов, атомы которых имеют одинаковое число электронных слоев. Это число равно номеру периода.

В атомах всех известных элементов электроны заполняют от1 до 7 энергетических уровней, поэтому периодическая система состоит из семи периодов.

Каждый период начинается щелочным металлом, в атомах которого на внешнем электронном слое имеется один s-электрон; электронное строение внешнего слоя – ns¹ ( n – номер периода).

Каждый период заканчивается благородным газом. В атомах всех благородных газов (кроме Не) на внешнем электронном слое имеются два s- и шесть p-электронов, электронное строение внешнего слоя ns²np⁶ (n – номер периода).

Следовательно, число электронов на внешнем слое атомов элементов главных подгрупп (кроме Н и Не) равно номеру группы, в которой находятся элементы.

Поэтому главную подгруппу любой группы можно определить так:

Главная подгруппа – это вертикальный ряд элементов, атомы которых имеют одинаковое число электронов на внешнем электронном слое. Это число равно номеру группы.

Периодическое изменение свойств химических элементов и их соединений при увеличении порядкового номера объясняется тем, что периодически повторяется строение внешнего электронного слоя в атомах элементов.

Все элементы разделяются на 4 электронных семейства.

s-элементы – это элементы, в атомах которых последним заполняется s-подуровень внешнего электронного слоя.

Первые два элемента каждого периода – это s-элементы. Они составляют главные подгруппы I  и II групп.

p-элементы – это элементы, в атомах которых последним заполняется p- подуровень внешнего электронного слоя.

В каждом периоде имеется шесть p- элементов; они находятся в конце периода. p-элементы составляют главные подгруппы III – VIII групп.

d-элементы – это элементы, в атомах которых последним заполняется d-подуровень предвнешнего электронного слоя.

В IV – VI больших периодах имеется по десять d-элементов. В IV и V периодах они находятся между s- и p-элементами. d-элементы составляют побочные подгруппы всех восьми групп.

Побочная подгруппа – это вертикальный ряд d-элементов, которые имеют одинаковое суммарное число электронов на d-подуровне предвнешнего слоя и s-подуровне внешнего слоя. Это число обычно равно номеру группы.

Например:

f-элементы – это элементы, в атомах которых последним заполняется f-подуровень третьего снаружи электронного слоя.

f-элементы находятся в VI и VII периодах. Каждый из этих периодов содержит 14  f-элементов. f-элементами являются лантаноиды и актиноиды, которые располагаются в нижней части периодической системы.

УПРАЖНЕНИЯ

1.     Определить число главных и побочных подгрупп в ПСХЭ.

Решение:

 Число главных подгрупп определяется максимальным числом электронов на s- и p-подуровнях.
 Число переходных элементов в 4-м периоде (от ₂₁Sc до ₃₀Zn), в 5-м (от ₃₉Y до ₄₈Cd) и
6-м (₅₇La и от ₇₂Hf до ₈₀Hg) периодах равно 10 в каждом случае.
Число переходных элементов равно максимальному числу электронов на d-подуровне (10). Именно поэтому на 3-м (М) уровне на 10 электронов больше, чем на 2-м (L). Поскольку в каждом большом периоде периодической системы Д.И.Менделеева одна из побочных подгрупп содержит сразу три переходных элемента, близких по химическим свойствам:

4-й период – Fe–Co–Ni,
5-й период – Ru–Rh–Pd,
6-й период – Os–Ir–Pt,

то число побочных подгрупп ... .
(Проверить по периодической системе, сколько в ней главных и побочных подгрупп.)

_____________________________________________________________

2. Определить (по аналогии с переходными элементами) число лантаноидов и актиноидов, вынесенных в виде самостоятельных рядов вниз периодической системы. 
Оно должно быть равно разности между максимальным числом электронов на … и … энергетических уровнях. Это число равно максимальному числу электронов на …-подуровне.
(Сверить вывод с периодической системой.)

Таким образом, строгая периодичность расположения элементов в ПСХЭ полностью
объясняется ... .
Периодическое изменение характера заполнения электронами внешних энергетических уровней вызывает периодические изменения химических свойств элементов и их соединений.

Электронные формулы элементов 2-го периода:

3Li – 1s22s1, 6С – 1s22s22p2, 9F – 1s22s22p5,

4Be – 1s22s2, 7N – 1s22s22p3, 10Ne – 1s22s22p6,

5B – 1s22s22p1, 8O – 1s22s22p4.

При переходе от Li к Ne заряд ядра (Z) постепенно увеличивается от +3 до +10, что вызывает увеличение сил притяжения электронов к ядру. В результате радиусы атомов в этом ряду уменьшаются.

Элемент	Li	Be	B	C	N	O	F
r (атома), в нм	0,156	0,111	0,083	0,065	0,055	0,047	0,042

Поэтому способность отдавать электроны, ярко выраженная у лития, постепенно ослабевает при переходе к фтору, являющемуся типичным неметаллом. Элемент фтор в реакциях присоединяет электроны. Он имеет самую высокую электроотрицательность, равную 4. Начиная со следующего за неоном элемента натрия (Na, Z = 11), электронные структуры атомов повторяются. Как следствие, внешние электронные орбитали можно представить в общем виде, где n – номер периода:

для Li и Na – ns1, для B и Al – ns2np1, для N и P – …….……. , для F и Cl – …….……. ,

для Be и Mg – ns2, для C и Si – …….……. , для O и S – …….……. , для Ne и Ar – …….……. .

В 4-м периоде появляются переходные элементы, принадлежащие побочным подгруппам. Элементы одной и той же подгруппы имеют идентичный характер расположения электронов на внешних электронных уровнях, а принадлежащие к разным подгруппам одной и той же
группы – … .
Например, галогены (главная подгруппа VIIa) – ns²np⁵ (идентичная конфигурация), элементы побочной подгруппы VIIб – (n – 1)s²(n – 1)p⁶(n – 1)d⁵ns² (cходная конфигурация). Сходство состоит в наличии у атомов обеих подгрупп семи валентных электронов, но их расположение по подуровням существенно отличается.

_____________________________________________________________

3.Привести конкретные примеры важнейших направлений развития химии на основе периодического закона и системы химических элементов Д.И.Менделеева.

_____________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Чему равно число энергетических уровней (электронных слоев) в атомах всех элементов данного периода.

 2. Чему равно число электронов на внешнем энергетическом уровне атомов элементов главных подгрупп.

 3. Какие элементы называют: а) s-элементами; б) р-элементами; в) d-эле- ментами; г) f-элементами? Приведите примеры.

4. Сколько s-, p-, d- и f-элементов находится в каждом периоде

5. Атомы каких элементов имеют законченные и незаконченные внешние энергетические уровни.

6. Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне имеют атомы: а) металлов; б) неметаллов.

7. Какой элемент — более активный металл: а) натрий или рубидий; б) калий или скандий; в) калий или медь? Почему.

8. Какой элемент — более активный неметалл: а) углерод или азот; б) фосфор или азот; в) хлор или бром; г) теллур или йод? Почему.

9. Атомы каких трех элементов имеют структуру внешнего электронного слоя 4s¹. Напишите их символы и названия. К каким электронным семействам они относятся. Чем отличаются они по электронному строению

10. определите положение элементов в периодической системе (период, группа, подгруппа) по электронным формулам:

В атоме три электронных слоя, значит, элемент находится в III периоде.

Последним в атоме заполняется s-подуровень, следовательно, это элемент главной подгруппы. На внешнем электронном слое атома находятся два электрона, поэтому это элемент II группы магний.

1.     В каком ряду  указаны символы элементов s,p,d-семейств:
а) Н, He, Li	б) H, Ba,  Al
в) Be, C, F	г) Mg, P, Cu
2.     Какова формула высшего оксида элемента III-его периода, в атоме которого в основном состоянии содержится три неспаренных электрона:
а) Э2О3	б) ЭО2
в) Э2О5	г) Э2О7
3.     Укажите формулу водородного соединения элемента с атомным номером 32:
а) ЭН2	б) ЭН
в) ЭН3	г) ЭН4
4.     В каком ряду указаны символы элементов, два из которых находятся в главной подгруппе, а один – в побочной:
а) Cu, Ag, K	б) Ti, V, Si
в) C, N, Zn	г) Cr, Fe, Ar
5.     Какие характеристики атомов находятся в периодической зависимости от заряда ядра:
а) масса	б) радиус
в) число энергетических уровней	г) все ответы верны
6.     В главных подгруппах расположены элементы:
а) только s- и p-семейств	б) все ответы верны
в) как металлы, так и неметаллы	г) с одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне атома для данной подгруппы
7.     В одном периоде находятся элементы:
а) со схожими химическими свойствами	б) с одинаковым радиусом атомов
в) с одинаковым числом энергетических уровней	г) с одинаковым числом валентных электронов
8.      Элемент с электронной конфигурацией атома …3d54s1:
а) расположен в IV периоде	б) все ответы верны
в) расположен в VI группе побочной подгруппе	г) металл
9.     В побочных подгруппах расположены элементы:
а) только неметаллы	б) только элементы d- и f-семейств
в) только элементы s- и p-семейств	г) только четных рядов больших периодов
10.                        Зная положение элемента в Периодической системе нельзя предсказать:
а) максимальную валентность элемента	б) нет верного ответа
в) распространенность элемента в природе	г) формулу высшего оксида

Ответы:

1	г
2	в
3	г
4	в
5	б
6	б
7	в
8	б
9	б
10	в