Строение атома и периодический закон

Несмотря на замечательные успехи учения о периодичности к концу XIX в., глубинные причины, обусловливающие ее, оставались недосягаемыми для ученых. Это хорошо понимал и Менделеев: «Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину, ныне еще нет средства охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и молекул».

Недоступную современникам Менделеева природу периодичности удалось понять в результате успешного изучения электронного строения вещества.

Периодичность свойств элементов и образуемых ими простых и сложных веществ естественным образом объясняется периодичностью строения электронных оболочек атомов.

Попробуем рассмотреть структуру периодической таблицы и проявления периодичности с позиций строения атома (для этого очень полезно еще раз посмотреть материал гл. 2). Характеристикой положения элемента в периодической системе является заряд ядра атома. Если мы будем последовательно двигаться по периодической системе слева направо, то каждый такой шаг будет сопровождаться увеличением заряда ядра на единицу и таким же увеличением числа электронов в электронной оболочке. Напомним, что современная квантово-механическая модель атома позволяет нам рассматривать электроны как размытые в пространстве облака отрицательного заряда определенного размера и формы, задаваемых, соответственно, главным квантовым числом п и орбитальным квантовым числом /, т. е. видом атомной орбитали (АО). В соответствии с принципом минимума энергии при этом будут последовательно заполняться слои электронной оболочки с определенным значением п, и по мере его увеличения будет увеличиваться число возможных форм электронных облаков, т. е. число возможных значений /:

В соответствии с принципом Паули максимальное число электронов в каждом слое или его емкость составляет 2п².

Таким образом, последовательное заполнение электронных оболочек в порядке увеличения суммы п + 1 (см. рис. 2.12) приводит к слоистому строению атомов. Полностью заполненные внутренние слои образуют электронный остов атома, а внешние электроны, способные принимать участие в образовании химических связей, являются валентными. Число валентных электронов и вид заполненных и вакантных АО валентной оболочки в основном и определяют химические свойства элементов. Периодическая повторяемость числа валентных электронов и вида заполненных и вакантных АО валентной оболочки при монотонном увеличении п приводит к периодическому повторению химических свойств элементов. В соответствии с видом АО валентных электронов — s, p, d или / — также различают s-, р-, d- и /-элементы.

Элементы, имеющие одинаковое число валентных электронов и вид занятых ими АО, т. е. одинаковые валентные оболочки, называют элементамианалогами.

Они образуют одну группу в периодической системе. В частности, s-элементы 1-й группы имеют один^{-валентный} электрон, p-элементы 3-й групны — два ns- и один ир-электрон и т. д. В целом электронные конфигурации валентных оболочек s- и p-элементов имеют следующий вид.

Одинаковые по электронной конфигурации валентные оболочки элементов-аналогов различаются энергией валентных электронов и размерами электронных облаков, зависящих от эффективного заряда, действующего на каждый валентный электрон.

Хорошим примером свойств элементов, изменяющихся периодически, могут служить их электроотрицательность и потенциалы ионизации атомов: как правило, эти величины уменьшаются вниз по группам и растут вправо по периодам, что приводит к характерным периодическим кривым (рис. 17.4).

Аналогичным образом ведут себя и радиусы атомов (рис. 17.5).

Приведены так называемые ковалентные или эффективные радиусы атомов, которые получены как половины межъядерных расстояний в молекулах А₂, или как межъядерные расстояния в молекулах АВ минус радиус атома А, или с помощью интерполяции (для атомов благородных газов).

Эффективный заряд атома, в свою очередь, определяется зарядом ядра и совокупностью как остовных, так и остальных валентных электронов, т. е. строго индивидуальными характеристиками элемента. В результате каждый элемент имеет свои строго индивидуальные неповторимые свойства, и в то же время изменение химических свойств элементов и их соединений.

Рис. 17.4. Первые потенциалы ионизации атомов.

Рис. 175. Радиусы атомов элементов главных подгрупп (s— и ^-элементов).

при изменении заряда ядер происходит вполне закономерно. Так, двигаясь по группе вниз, мы будет переходить от одного элемента-аналога к другому, а при перемещении по периоду вправо будем увеличивать число валентных электронов и переходить к следующей группе элементов-аналогов.