Исследование зависимости изменения значений атомных радиусов от их масс в периодической системе химических элементов

На основании данных по значениям радиусам атомов [3] и молярным массам [9] были построены зависимости R от M. Полученные данные приведены на рисунках 1−5. Исследовано изменение радиуса атомов в зависимости от их массы в группах Периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева (рисунок 1).

Рисунок 1 Изменение радиусов атомов в зависимости от их массы в группах Периодической таблицы химических элементов.

Согласно рисунку 1, элементы 4 периода вносят сильный вклад в изменение форм кривых во всех группах Периодической таблицы, для элементов 1 и 2 групп — смещение идет в сторону больших радиусов атомов, а для элементов 3−8 групп — наблюдается смещение в сторону меньших радиусов атомов. Наличие данного эффекта можно связать с заполнением d-подуровня в 4 периоде.

Кривые, описывающие изменение радиуса атомов элементов 1 и 2 групп Периодической таблицы имеют форму существенно отличающуюся от формы кривых для остальных групп атомов. Аналогичная картина наблюдается и для значения тангенса угла наклона (таблица 1). Данный эффект может быть связан с отличием в электронной конфигурации s и p-элементов и, соответственно, с отличием форм электронных облаков на данных подуровнях.

По форме кривых можно разделить группы элементов Периодической таблицы на несколько классов:

• 1 — 1 и 2 группы, s-элементы;
• 2 — 3, 4 и 7 группы;
• 3 — 5 и 6 группы;
• 4 — 8 группа, полностью заполненные s и p-подуровни.

Таблица 1.

Значения тангенсов угла наклона для кривых зависимости R от М для групп Периодической таблицы.

Анализ значений углов касательных к кривым, описанным выше, (рисунок 1) показал также отличие 1 и 2 группы (значения 42−44°) от 3−8 группы (значения от 56 до 67). Что также может быть обусловлено появлением и заполнением p-подуровня и, вследствие этого, появлением атомных орбиталей соответствующих форм и размеров. Таким образом, появление p-подуровня приводит к увеличению угла наклона к кривой (рисунок 1) в среднем на 21°.

Исследовано изменение радиуса атомов в зависимости от их массы в периодах Периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева (рисунок 2).

Рисунок 2 Изменение радиусов атомов в зависимости от их массы в периодах Периодической таблицы химических элементов.

Исследование изменения радиусов атомов в зависимости от их массы в периодах Периодической таблицы химических элементов показало, что кривые, описывающие IV, V, VI периоды по форме отличаются от кривых, описывающих II и III периоды. Так в области 3−4 группы (рисунок 2) для IV, V, VI периодов, наблюдается сильный изгиб кривой, отсутствующий для II и III периода, который можно связать с заполнением d-подуровня. Для III периода в данной области наблюдается близкое расположение точек, что обусловлено появлением d-подуровня, который заполняется только на IV периоде. Также наблюдается изменение формы кривых для VI периода (рисунок 2), на что может оказывать влияние f-подуровня. В таблице 2 приведены значения тангенсов угла наклона для кривых зависимости R от М для периодов Периодической таблицы.

Таблица 2.

Значения тангенсов угла наклона для кривых зависимости R от М для периодов Периодической таблицы.

Для всех периодов наблюдается увеличение значения тангенса угла наклона при переходе от II периода к VI, и, соответственно, значения угла наклона касательной к кривой (таблица 2). Для II и III периода значение угла наклона касательной к кривой б=6−9°, для IV и V — б=18−21°, а для VI б=37°. Таким образом, появление d-подуровня в электронной конфигурации элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева приводит к увеличению значения угла наклона касательной к кривой (в зависимости R от М) в среднем на 10°, а дальнейшее появление f-подуровня увеличивает данный угол на 16°.

Исследовано изменение радиуса атомов в зависимости от их массы для d-элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева (рисунок 3).

Рисунок 3 Изменение радиусов атомов в зависимости от их массы для d-элементов Периодической таблицы химических элементов.

Для d-элементов Периодической системы химических элементов наблюдается идентичная форма кривых, как для IV, V, так и для VI периода (рисунок 3). Однако кривая, описывающая зависимость R от М для VI периода, существенно смещена в сторону больших масс атомов, имея практически идентичные значения радиусов атомов. Данное явление наблюдается благодаря заполнению f-подуровня в VI периоде.

Исследовано изменение радиуса атомов в зависимости от их массы f-элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева (рисунок 4, 5).

Рисунок 4 Изменение радиусов атомов в зависимости от их массы для f-элементов (лантаноидов) Периодической таблицы химических элементов.

Как видно из рисунка 4 на кривой, описывающей зависимость радиуса атомов от массы атомов, имеются 2 точки лежащие за пределами кривой, которые относятся к Yb и Eu. Данный эффект, вероятно, связан с наличием сходства в их электронной конфигурации (Eu — 4f⁷6s², Yb — 4f¹⁴6s²). По наблюдаемому эффекту условно их можно объединить в один подкласс. Наблюдаемое явление, вероятно, связано с тем, что конфигурация с наполовину или полностью заполненными d и f-орбиталями представляет собой энергетически выгодную конструкцию. Поэтому, у них выше энергия связи и отсутствует межэлектронное отталкивание. Таким образом, можно предположить, что чем выше энергия связи, тем выше атомный радиус.

Рисунок 5 Изменение радиусов атомов в зависимости от их массы для f-элементов (актиноидов) Периодической таблицы химических элементов.

Из анализа кривой зависимости изменения радиусов атомов в зависимости от их массы для актиноидов Периодической таблицы Д. И. Менделеева можно выделить несколько классов элементов:

• 1 — Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr;
• 2 — Am, Pu;
• 3 — Np, U;
• 4 — Pa, Th, Ac.

Таким образом, существенное влияние на величину значения атомного радиуса у актиноидов оказывает влияние заполнение 6d-подуровня 1 электроном, при наличии на 7f-подуровне, как минимум, 7 электронов. Значения радиусов элементов при конфигурации от 5f⁷6d¹7s² (Cm) до 5f¹⁴6d¹7s² (Lr) изменяются незначительно.