Общая химия. Теория и задачи под ред. Н. В. Коровина и Н. В. Кулешова, страница 3

Это обусловлено более низкойэнергией конфигурации 3d54s1 по сравнению с конфигурацией 3d44s2. Провал электронов наблюдается и у другихатомов, в том числе последующих периодов, например уатомов Сu, Nb, Mo, Ru, Rh, Ag, Pt, Au, Pd. Причем у палладия электронная формула имеет следующий вид: [Kr, 4d10]5s0, т. е. оба sэлектрона «провалились» на dподуровень.Четвертый период завершается формированием подуровня 4р у криптона [Аr, 3d10] 4s24p6 или [Kr]. Всего вчетвертом периоде 18 элементов.Пятый период аналогичен четвертому периоду. Он начинается с sэлемента рубидия [Kr] 5s1 и заканчиваетсярэлементом ксеноном [Kr, 4d10] 5s25p6 или [Хе] и включает в себя десять dэлементов от иттрия до кадмия.

Всегов пятом периоде 18 элементов.В шестом периоде, как и в пятом, после заполненияsподуровня начинается формирование dподуровня предвнешнего уровня у лантана. Однако у следующего элемента энергетически выгоднее формирование 4fподуровня посравнению с 5dподуровнем. Поэтому после лантана следуют 14 лантанидов с формирующими fэлектронами, т. е.fэлементов от церия Се: [Хе] 4f25d06s2 до лютеция Lu: [Хе,4f14] 5d16s2. Затем продолжается заполнение оставшихсяорбиталей в 5dподуровне и 6рподуровне. Период завершает радон [Хе] 6s26p6 или [Rn]. Таким образом, периодимеет 32 элемента: два sэлемента, шесть рэлементов, десять dэлементов и четырнадцать fэлементов.16ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИСедьмой период начинается и продолжается аналогично шестому, однако формирование его не завершено. Онтакже имеет вставную декаду из dэлементов и четырнадцать 5fэлементов (актинидов).

К настоящему времениизвестно 118 элементов, в том числе dэлементы шестогопериода: актиний (Ас), резерфордий (Rf), дубний (Db),сиборгий (Sg), борий (Bh), хассий (Hs), мейтнерий (Mt).1.5.СТРУКТУРАПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ.ПЕРИОД, ГРУППА И ПОДГРУППАС ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СТРОЕНИЯ АТОМОВПериодическая система элементов состоит из периодов, групп и подгрупп. Периодом называется последовательный ряд элементов, размещенных в порядке возрастания заряда ядра атомов, электронная конфигурация которых изменяется от ns1 до ns2np6 (или до ns2 у элементовпервого периода). Периоды начинаются с sэлемента и заканчиваются рэлементом (у элементов первого периода —sэлементом).

Малые периоды содержат 2 и 8 элементов,большие — 18 и 32 элемента, седьмой период остается незавершенным.Подуровни ns, np и nd, где квантовое число n равнономеру периода, и электроны на них называют внешни2ми, а остальные подуровни, заполненные электронами, —внутренними.В периодической системе имеется восемь групп. Груп2па — это совокупность элементов, атомы которых имеютодинаковое число электронов на внешнем уровне и незавершенном предвнешнем (внутреннем) подуровне, т.

е.могут проявлять одинаковую валентность. Для большинства элементов номер группы показывает максимальнуювалентность.Группы делятся на главные (основные) и побочные подгруппы. Подгруппы включают в себя элементы с аналогичными электронными структурами — элементыанало2ги. К главным подгруппам (подгруппам a) относятся подгруппы, которые начинаются одним из элементов второгоГЛАВА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ17периода: Li, Be, В, С, N, О, F и подгруппа благородныхгазов.

К побочным подгруппам (подгруппам b) принадле'жат d' и f'элементы. Первые шесть d'элементов (от Sc доFe) начинают соответствующие подгруппы от подгруппыIIIb (Sc) до подгруппы VIIIb (Fe).Например, для IV группы имеем:1234536789883717995367898837271234567177272892362371729235621727223623717252362172724235623717223621727223623717223562172722Электронные формулы показывают, что валентныеконфигурации элементов IV группы определяются их че'тырьмя валентными электронами.

Однако состояния этихэлектронов различны: у элементов главной подгруппы —это электроны внешнего уровня ns2np2, а у элементов по'бочной подгруппы — это электроны внешнего и предвнеш'него уровней (n – 1)d2ns2.Таким образом, для атомов s', p'элементов, находя'щихся в основном состоянии валентными являются элект'роны внешних ns', np'подуровней, в возбужденном —электроны ns', np', nd'подуровней. Валентные электроныатомов d'элементов в основном состоянии (кроме элемен'тов IIb подгруппы) — это электроны предвнешнего (n – 1)dи внешнего ns'подуровней.

Для возбужденных атомовd'элементов валентными могут быть электроны (n – 1)f',(n – 1)d', ns' и np'подуровней. Подуровни, на которых на'ходятся валентные электроны, также называются валент'ными. В электронных формулах именно валентные под'уровни атомов выносятся за скобки, напримерСd [Kr, 4d10] 5s2, Os[Xe, 5d6] 6s2.Все элементы семейства железа (Fe, Co, Ni) и их анало'ги — платиновые металлы включаются в подгруппу VIIIb.18ОБЩАЯ ХИМИЯ.

ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИМедь и ее аналоги, имеющие во внешнем sподуровне поодному электрону, образуют первую побочную подгруппу, а цинк и его аналоги — вторую побочную подгруппу.Лантаниды и актиниды (fэлементы) находятся в IIIb подгруппе в соответствии с особенностями их электронныхконфигураций.Вариант длиннопериодной формы (приведен на внутренней обложке), утвержденный ИЮПАК — Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC —International Union of Pure and Applied Chemistry) в качестве базового, предполагает сведение химических элементов в двухмерную таблицу.

Периодическая система разделена на четыре блока (рис. 1.3).Блоки таблицы включают элементы, у которых формируется один тип орбиталей (подуровень). Члены s и рблоков относятся к элементам главных групп, а dэлементы(часто за исключением элементов 12й группы: цинка,кадмия и ртути) называются переходными элементами.Элементы fблока подразделяются на более легкие (атомные номера 57–71) лантаниды и более тяжелые (атомныеномера 89–103) актиниды. Каждый период таблицы отвечает полному заполнению s и pподуровней данного уровня. Номер периода равен главному квантовому числу n оболочки, заполняющейся у элементов в главных группах.Номер группы тесно связан с количеством валентныхэлектронов атома.

Точное соотношение зависит от номераРис. 1.3Структура длиннопериодной периодической системы(закрашенные области включают элементы главныхподгрупп)ГЛАВА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ19группы G и принятой системы нумерации. Согласно системе нумерации «1–18», рекомендованной ИЮПАК:12345632789352952943351122232423232452В соответствии с этим валентные электроны элементов dблока находятся на ns и (n – 1)d орбиталях. Например, скандий имеет три валентных электрона: два на 4s иодин на 3dорбиталях. Количество валентных электронову элемента рблока селена (16я группа) равно 16 – 10 = 6.С другой стороны, в системе нумерации римскими цифрами номер группы равен числу валентных s и pэлектронов для элементов s и pблоков. Так, селен находится вгруппе VI, следовательно, имеет шесть валентных (s и p)электронов.1.6.ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗМЕНЕНИЕСВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВКвантовомеханическое рассмотрение строения атомовпозволяет сделать вывод о природе периодичности физических и химических свойств элементов и физическойсущности распределения элементов в Периодической системе Д.

И. Менделеева. С возрастанием заряда ядра атома периодически изменяются те свойства атома, которыезависят от количества и квантового состояния внешнихэлектронов. К таким свойствам относятся валентность,атомные и ионные радиусы, энергии ионизации и сродство к электрону, электроотрицательность, оптические имагнитные свойства атомов и др. Рассмотрим периодическое изменение некоторых свойств атомов.Радиусы атомов. Двойственная природа свойств электрона приводит к вероятностному распределению электронной плотности в атоме и не позволяет точно ограничить размеры атома. За радиус атома принимают теоретическирассчитанное расстояние от ядра до наиболее удаленного20ОБЩАЯ ХИМИЯ. ТЕОРИЯ И ЗАДАЧИмаксимума электронной плотности (орбитальный ра2диус атома) или половину расстояния между центрамидвух смежных атомов в кристаллах (эффективный ра2диус атома). Такой подход позволяет химикам предложить различные способы определения атомных радиусовна базе эмпирических данных.

Металлический радиус определяется как половина найденного экспериментальнорасстояния между ядрами ближайших соседних атомов втвердом металле (рис. 1.4а). Ковалентный радиус неметаллического элемента определяется как половина межъядерного расстояния для соседних атомов одного элементаРис. 1.4Способы определения атомных радиусов на базе эмпирическихданных:а — металлический радиус; б — ковалентный радиус; в — ионный радиус.Рис. 1.5Изменение атомных радиусов в зависимости от порядкового номераэлемента zГЛАВА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ21в молекуле (рис. 1.4б). Периодические изменения в значениях металлических и ковалентных радиусов видны изданных, приведенных на рисунке 1.5.

В дальнейшем будем называть и металлические, и ковалентные радиусыпросто атомными радиусами. Ионный радиус элементаопределяется расстоянием между ядрами соседних катионов и анионов (рис. 1.4в).Как изменяются радиусы атомов в периодах и группах Периодической системы элементов?В пределах каждого периода с ростом заряда ядра иувеличения числа электронов на внешнем уровне наблю2дается тенденция к уменьшению радиусов атомов. В пределах одного периода самые большие размеры атомов характерны для sэлементов Ia группы (щелочных металлов),которые имеют наименьший заряд ядра и у которых начинается формирование нового энергетического уровня.У элементов малых периодов, в которых происходитзаполнение электронами внешнего энергетического уровня, уменьшение радиусов происходит в большей степени,чем в больших периодах.