А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 76

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 76)

Поскольку при заполне­нии очередной оболочки повторяетсяпорядок заполнения предыдущей обо­лочки, химические свойства элемен­тов от оболочки к оболочке меняютсяпериодически: заполнение каждойоболочки начинается со щелочного286 11. М ногоэлектронные атомыметалла и заканчивается благород­ным газом. Следовательно, элемен­ты, образующиеся при заполненииоболочки, составляю т период систе­мы Менделеева. Из табл. 4 видно, чточисло элементов в последовательныхпериодах идеальной схемы заполне­ния оболочек должно быть 2, 8, 18, 32,50.

В действительности в периоди­ческой системе Менделеева число эле­ментов в последовательных периодахравно 2, 8, 18, 18. Таким образом,построение периодической системыэлементов существенно отличается отидеальной схемы заполнения оболо­чек, представленной в табл. 6.Причина различия между реаль­ной и идеальной схемами заполненияоболочек состоит в том , что пред­посылки, при которых была построе­на идеальная схема, для большинстваэлементов не соблю даю тся. Взаимо­действием электронов между собой иотклонением поля от кулоновскогопренебрегать нельзя.55. Периодическая система элементовМенделееваДается интерпретация основных закономерно­стей периодической системы элементов Менде­леева и описываются ее строение и конфигура­ция электронных оболочек атома.Обозначение электронных состояний.Учет взаимодействия электронов поз­воляет полностью объяснить перио­дическую систему элементов.

Приэтом основные принципы, которымиопределяется порядок заполненияразличных состояний, остаю тся бези зм ен ен и я-это принцип минимумаэнергии и принцип Паули. Однаковзаимодействие между электронамизначительно усложняет расчеты (см.§ 53).При наличии взаимодействия меж­ду электронами состояние каждогоэлектрона можно по-прежнему харак­теризовать четырьмя квантовыми чис­лами. Электронная конфигурация обыч­но записывается символически сле­дующим образом. Сначала указываетглавное квантовое число, затем сим­вол состояния по орбитальному чис­лу (s, р, (1, / и т. д.) и в виде степени уэтого символа число электронов вданном состоянии.

Например, Lv2указывает два электрона в s-состоянии (/ = 0) с главным квантовы м чис­лом п = 1; 3/?5-п я т ь электронов в/7-состоянии с главным квантовымчислом п = 3 и т.д. Л ю бая электрон­ная конфигурация может быть запи­сана с помощ ью этого правила. Н а­пример, \ s 22s23pA показывает, чтоимеется два электрона в .v-состоянии сп = 1, два э л ек тр о н а -в 5-состоянии сп = 2, четыре электрона - в /7-состоянии с п = 3. Это электронная конфи­гурация атом а кислорода. Аналогич­но записываются электронные конфи­гурации других атомов.Заполнение электронных состоянийв первых трех периодах. Рассмотримстроение периодической системы эле­ментов. В начале системы, когда чис­ло электронов невелико, роль взаим о­действия между ними несущественнаи заполнение электронных состоянийпроисходит в соответствии с идеаль­ной схемой.

У водорода Н имеетсяодин электрон, который находится всостоянии с минимальной энергией,т.е. при п = 1, поэтому электроннаяконфигурация этого атом а Is ( еслиэлектрон один, то он в виде степени усимвола орбитального состояния неуказывается). У гелия Не добавляетсяеще один электрон в состоянии Is, нос противоположно направленным спи­ном, поэтому электронная конфигу­рация гелия в основном состоянии1s2.

Это парагелий. У ортогелия спинвторого электрона совпадает по на­ij 55. П ериодическая систем а элем ен то в М енделеева 287правлению со спином первого электро­на, и принцип Паули запрещает этомуэлектрону находиться в состоянии Is.Ближайшее по энергии допустимоепринципом Паули состояние второгоэлектрона есть 2s. Электронная кон­фигурация основного состояния орто­г е л и я - ls2s.

Гелием (инертным газом)заканчивается заполнение первой обо­лочки и завершается первый периодпериодической системы. Затем начи­нается построение следующего перио­да заполнением второй оболочки. Л и­тий Li образуется добавлением кэлектронной конфигурации парагелияэлектрона _ в _ 2 s - c o c t o m h h _h , потомучто добавление третьего электрона вЬ-состоянии запрещено принципомПаули. Электронная конфигурациялития - Is22s. Затем идет берилий Be сконфигурацией ls22s2 и бор В - \s22s22p.В /7-состоянии может находиться шестьэлектронов [2(2 + 1) = 6].

Шесть эле­ментов от бора до неона Ne включи­тельно образую тся в результате за­полнения 2/7-СОСТОЯНИЙ.С оответствую щ ие электронны еконфигурации записываются следую­щим образом:С - ls22s22p2, N - l s 22s22 p \ О - ls22s22 p \F - \ s 22s22p5, Ne - \ s 22s22p6.На неоне (инертном газе) заканчи­вается заполнение второй оболочки изавершается построение второго пе­риода, в котором всего восемь эле­ментов. Третий период начинается сщ елочного м еталла натрия Na, элек­тронную конфигурацию которогоможно условно изобразить так:(Na) = (Ne) 3s. Это означает, что элек­тронная конфигурация натрия полу­чается из электронной конфигурации**Квантовая механика удовлетворительнообъясняет все зак оном ерн ости п ери оди ­ческой системы элем ентов М енделеева.Ne путем добавления электрона 3s.Восемь элементов от натрия до арго­на Аг получаются вследствие заполне­ния состояний 3s и 3р.

Конфигурацияаргона дается схемой (Аг) = (Ne) 3л,23//’.Отклонения от идеальной схемызаполнения оболочек. До сих пор за­полнение состояний совпадало с идеаль­ной схемой заполнения состояний.Следующим элементом после аргонаявляется калий К. По идеальной схе­ме его конфигурация (К) = (Аг) 3d. Нов действительности это не так. Энер­гетически более выгодным оказывает­ся присоединение следующего элект­рона не в состоянии 3d, а в состоянии4s. Это подтверждается как прямымрасчетом, так и рядом эксперимен­тальных данных, о которых сказанопозднее.

Таким образом, в третьемпериоде оказывается только восемьэлементов, а с калия начинается за­полнение четвертой оболочки, т. е.четвертый период периодической си­стемы. Конфигурация следующегопосле калия элемента Са есть (Ar)4s2.После этого энергетически болеевыгодным оказывается заполнение3^-состояний, которые остались неза­полненными, а не 4/7- с о с т о я н и й , иду­щих по порядку после 4.?-состояний. Упоследующих элементов до никеляпроисходит заполнение З^-состояний,при этом оболочка 4s не остается всевремя заполненной двумя электрона­ми.

Иногда оказывается энергетиче­ски более выгодным переброситьодин из электронов из 45-оболочки в3('/-оболочку. У никеля получается такаяконфигурация: (Ni) = (K L ) lv23/763t/841v2.причем символ K L означает пол­ностью заполненные К- и L-оболочки. М аксимальное число электронов вd-состоянии равно 10. П оэтому у ни­келя для полного заполнения М -обо­лочки не хватает двух электронов вd-состоянии. У следующего за нике­288 11. М ногоэпектронные атомылем элемента меди Си добавляетсяодин электрон, при этом энергетиче­ски более выгодным является пере­распределение электронов, в резуль­тате которого З^-состояние оказы ­вается полностью заполненным, а в45-состоянии остается лиш ь одинэлектрон, и конфигурация меди имеетвид (Си) = (K L M ) 4?, т.

е. ее конфигу­рация аналогична конфигурации ще­лочных металлов. У последующихэлементов происходит заполнение 4.уи 4/7-оболочки (всего восемь элемен­тов), т. е. конфигурации внешних элек­тронов повторяю т конфигурации 2-гои 3-го периода. У криптона Кг завер­шается заполнение As- и 4/7-состояний,в результате чего криптон являетсяинертным газом. На криптоне завер­шается первый большой период пе­риодической системы элементов, со­стоящий из 10 + 8 = 18 элементов.Затем повторяется четвертый пе­риод.

У рубидия Rb, идущего послекриптона,начинаетсязаполнение5.у-состояния, поскольку это оказывает­ся энергетически более выгодным,чем заполнение 4d- и 4/-состояний.Дальнейшее заполнение состоянийпроисходит также с отступлением отидеальной последовательности. Заме­тим, что у ксенона Хе завершаетсязаполнение 4^-состояний, 5s- и 5/7-со­стояний, но 4/-состояния, 5(1-, 5/-, 5д-состояния остаются незаполненными.

Уцезия и бария заполняю тся бя-состояния. Затем у лантана дополнительныйэлектрон добавляется на внутреннююоболочку в 5^-состоянии, а у следую­щих за ним 14 элементов заполняется4/-состояние. Поскольку электроны в4/-состоянии являю тся внутренними(более внешние оболочки уже запол­нены), это заполнение 4/-состояниясущественно не изменяет химическихсвойств элементов, которые опреде­ляю тся внешними электронами обо­лочки атома. П оэтому все эти 14 эле­ментов имею т близкие химическиесвойства и в периодической системеэлементов занимаю т одну клетку подименем лантанидов. Аналогичная си­туация повторяется после актиния Ас,когда заполняется в основном 5/-состояние.

Соответствующие элементысоставляю т группу актинидов. Из ак­тинидов только торий, протактиний иуран существуют устойчиво в приро­де, остальные были получены лишьискусственно в лабораториях. Этиэлементы называю тся трансурановы­ми. Их нестабильность обусловленаглавным образом неустойчивостьюядер относительно спонтанного деле­ния.Подводя итог, можно сказать, чтоквантовая механика удовлетворитель­но объясняет все основные законо­мерности периодической системы эле­ментов Менделеева.56.

Характеристики

Список файлов книги