Химия система химических элементов. Периодическая система химических элементов менделеева

Первый вариант Периодической таблицы элементов был опубликован Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году и назывался «Опыт системы элементов».

Д.И. Менделеев расположил 63 известных в то время элемента в порядке возрастания их атомных масс и получил естественный ряд химических элементов , в котором он обнаружил периодическую повторяемость химических свойств. Данный ряд химических элементов теперь известен как Периодический закон (формулировка Д.И. Менделеева):

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

Современная формулировка закона звучит так:

с войства химических элементов, простых веществ, а также состав и свойства соединений находятся в периодической зависимости от значений зарядов ядер атомов.

Графическим изображением периодического закона является периодическая таблица .

В ячейке каждого элемента указаны его важнейшие характеристики.

Периодическая таблица содержит группы и периоды.

Группа - столбец периодической системы, в котором располагаются химические элементы, обладающие химическим сходством вследствие идентичных электронных конфигураций валентного слоя.

Периодическая система Д.И. Менделеева содержит восемь групп элементов. Каждая группа состоит их двух подгрупп: главной (а) и побочной (б). В главной подгруппе содержатся s- и p- элементы, в побочной - d- элементы.

Названия групп:

I-a Щелочные металлы.

II-a Щелочноземельные металлы.

V-a Пниктогены.

VI-a Халькогены.

VII-a Галогены.

VIII-a Благородные (инертные) газы.

Период - это последовательность элементов, записанная в виде строки, расположенных в порядке увеличения зарядов их ядер. Номер периода соответсвует количеству электронных уровней в атоме.

Период начинается с щелочного металла (или водорода) и заканчивается благородным газом.

Современная периодическая таблица химических элементов Менделеева.

Периодическая система химических элементов — это классификация химических элементов, основанная на определенных особенностях строения атомов химических элементов. Она была составлена на основе Периодического закона, открытого в 1869 году Д. И. Менделеевым. В то время Периодическая система включала 63 химических элементов и по виду отличалась от современной. Сейчас в Периодической системы входят около ста двадцати химических элементов.

Периодическую систему составлен в виде таблицы, в которой химические элементы расположены в определенном порядке: по мере роста их атомных масс. Сейчас существует много видов изображения Периодической системы. Наиболее распространенным является изображение в виде таблицы с расположением элементов слева направо.

Все химические элементы в Периодической системе объединены в периоды и группы. Периодическая система включает семь периодов и восемь групп. Периодами называют горизонтальные ряды химических элементов, в которых свойства элементов изменяются от типичных металлических к неметаллическим. Вертикальные колонки химических элементов, которые содержат элементы, схожие по химическим свойствам, образуют группы химических элементов.

Первый, второй и третий периоды называют малыми, поскольку они содержат небольшое количество элементов (первый — два элемента, второй и третий — по восемь элементов). Элементы второго и третьего периодов называют типовыми, их свойства закономерно изменяются от типичного металла до инертного газа.

Все остальные периоды называют большими (четвертый и пятый содержат по 18 элементов, шестой — 32 и седьмой — 24 элемента). Особое сходство свойств проявляют элементы, находящиеся внутри больших периодов, в конце каждого четного ряда. Это так называемые триады: Ферум — Кобальт — Никол, образующих семью железа, и две другие: Рутений — Родий — Палладий и Осмий — Иридий — Платина, которые образуют семью платиновых металлов (платиноидов).

В нижней части таблицы Д. И. Менделеева расположены химические элементы, образующие семью лантаноидов и семью актиноидов. Все эти элементы формально входят в состав третьей группы и идут после химических элементов лантана (номер 57) и актиния (номер 89).

Периодическая система элементов содержит десять рядов. Малые периоды (первый, второй и третий) состоят из одного ряда, большие периоды (четвертый, пятый и шестой) содержат по два ряда каждый. В седьмом периоде находится один ряд.

Каждый большой период состоит из четного и нечетного рядов. В парных рядах содержатся элементы металлы, в нечетных рядах свойства элементов изменяются так, как в типовых элементов, т.е. от металлических до выраженных неметаллических.

Каждая группа таблицы Д. И. Менделеева состоит из двух подгрупп: главной и побочной. В состав главных подгрупп входят элементы как малых, так и больших периодов, то есть главные подгруппы начинаются либо с первого, или второго периода. В состав побочных подгрупп входят элементы только больших периодов, т.е. побочные подгруппы начинаются лишь с четвертого периода.

Любой, кто ходил в школу, помнит, что одним из обязательных для изучения предметов была химия. Она могла нравиться, а могла и не нравиться – это не важно. И вполне вероятно, что многие знания по этой дисциплине уже забыты и в жизни не применяются. Однако таблицу химических элементов Д. И. Менделеева наверняка помнит каждый. Для многих она так и осталась разноцветной таблицей, где в каждый квадратик вписаны определённые буквы, обозначающие названия химических элементов. Но здесь мы не будем говорить о химии как таковой, и описывать сотни химических реакций и процессов, а расскажем о том, как вообще появилась таблица Менделеева – эта история будет интересна любому человеку, да и вообще всем тем, кто охоч до интересной и полезной информации.

Небольшая предыстория

В далёком 1668 году выдающимся ирландским химиком, физиком и богословом Робертом Бойлем была опубликована книга, в которой было развенчано немало мифов об алхимии, и в которой он рассуждал о необходимости поиска неразложимых химических элементов. Учёный также привёл их список, состоящий всего из 15 элементов, но допускал мысль о том, что могут быть ещё элементы. Это стало отправной точкой не только в поиске новых элементов, но и в их систематизации.

Сто лет спустя французским химиком Антуаном Лавуазье был составлен новый перечень, в который входили уже 35 элементов. 23 из них позже были признаны неразложимыми. Но поиск новых элементов продолжался учёными по всему миру. И главную роль в этом процессе сыграл знаменитый русский химик Дмитрий Иванович Менделеев – он впервые выдвинул гипотезу о том, что между атомной массой элементов и их расположением в системе может быть взаимосвязь.

Благодаря кропотливому труду и сопоставлению химических элементов Менделеев смог обнаружить связь между элементами, в которой они могут быть одним целым, а их свойства являются не чем-то само собой разумеющимся, а представляют собой периодически повторяющееся явление. В итоге, в феврале 1869 года Менделеев сформулировал первый периодический закон, а уже в марте его доклад «Соотношение свойств с атомным весом элементов» был представлен на рассмотрение Русского химического общества историком химии Н. А. Меншуткиным. Затем в том же году публикация Менделеева была напечатана в журнале «Zeitschrift fur Chemie» в Германии, а в 1871 году новую обширную публикацию учёного, посвящённую его открытию, опубликовал другой немецкий журнал «Annalen der Chemie».

Создание периодической таблицы

Основная идея к 1869 году уже была сформирована Менделеевым, причём за довольно короткое время, но оформить её в какую-либо упорядоченную систему, наглядно отображающую, что к чему, он долго не мог. В одном из разговоров со своим соратником А. А. Иностранцевым он даже сказал, что в голове у него уже всё сложилось, но вот привести всё к таблице он не может. После этого, согласно данным биографов Менделеева, он приступил к кропотливой работе над своей таблицей, которая продолжалась трое суток без перерывов на сон. Перебирались всевозможные способы организации элементов в таблицу, а работа была осложнена ещё и тем, что в тот период наука знала ещё не обо всех химических элементах. Но, несмотря на это, таблица всё же была создана, а элементы систематизированы.

Легенда о сне Менделеева

Многие слышали историю, что Д. И. Менделееву его таблица приснилась. Эта версия активно распространялась вышеупомянутым соратником Менделеева А. А. Иностранцевым в качестве забавной истории, которой он развлекал своих студентов. Он говорил, что Дмитрий Иванович лёг спать и во сне отчётливо увидел свою таблицу, в которой все химические элементы были расставлены в нужном порядке. После этого студенты даже шутили, что таким же способом была открыта 40° водка. Но реальные предпосылки для истории со сном всё же были: как уже упоминалось, Менделеев работал над таблицей без сна и отдыха, и Иностранцев однажды застал его уставшим и вымотанным. Днём Менделеев решил немного передохнуть, а некоторое время спустя, резко проснулся, сразу же взял листок бумаги и изобразил на нём уже готовую таблицу. Но сам учёный опровергал всю эту историю со сном, говоря: «Я над ней, может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово». Так что легенда о сне может быть и очень привлекательна, но создание таблицы стало возможным только благодаря упорному труду.

Дальнейшая работа

В период с 1869 по 1871 годы Менделеев развивал идеи периодичности, к которым склонялось научное сообщество. И одним из важных этапов данного процесса стало понимание того, что любой элемент в системе должно располагать, исходя из совокупности его свойств в сравнении со свойствами остальных элементов. Основываясь на этом, а также опираясь на результаты исследований в изменении стеклообразующих оксидов, химику удалось внести поправки в значения атомных масс некоторых элементов, среди которых были уран, индий, бериллий и другие.

Пустые клетки, остававшиеся в таблице, Менделеев, конечно же, хотел скорее заполнить, и в 1870 году предсказал, что в скором времени будут открыты неизвестные науке химические элементы, атомные массы и свойства которых он сумел вычислить. Первыми из них стали галлий (открыт в 1875 году), скандий (открыт в 1879 году) и германий (открыт в 1885 году). Затем прогнозы продолжили реализовываться, и были открыты ещё восемь новых элементов, среди которых: полоний (1898 год), рений (1925 год), технеций (1937 год), франций (1939 год) и астат (1942-1943 годы). Кстати, в 1900 году Д. И. Менделеев и шотландский химик Уильям Рамзай пришли к мнению, что в таблицу должны быть включены и элементы нулевой группы – до 1962 года они назывались инертными, а после – благородными газами.

Организация периодической системы

Химические элементы в таблице Д. И. Менделеева расположены по рядам, в соответствии с возрастанием их массы, а длина рядов подобрана так, чтобы находящиеся в них элементы имели схожие свойства. Например, благородные газы, такие как радон, ксенон, криптон, аргон, неон и гелий с трудом вступают в реакции с другими элементами, а также имеют низкую химическую активность, из-за чего расположены в крайнем правом столбце. А элементы левого столбца (калий, натрий, литий и т.д.) отлично реагируют с прочими элементами, а сами реакции носят взрывной характер. Говоря проще, внутри каждого столбца элементы имеют подобные свойства, варьирующиеся при переходе от одного столбца к другому. Все элементы, вплоть до №92 встречаются в природе, а с №93 начинаются искусственные элементы, которые могут быть созданы лишь в лабораторных условиях.

В своём первоначальном варианте периодическая система понималась только как отражение существующего в природе порядка, и никаких объяснений, почему всё должно обстоять именно так, не было. И лишь когда появилась квантовая механика, истинный смысл порядка элементов в таблице стал понятен.

Уроки творческого процесса

Говоря о том, какие уроки творческого процесса можно извлечь из всей истории создания периодической таблицы Д. И. Менделеева, можно привести в пример идеи английского исследователя в области творческого мышления Грэма Уоллеса и французского учёного Анри Пуанкаре. Приведём их вкратце.

Согласно исследованиям Пуанкаре (1908 год) и Грэма Уоллеса (1926 год), существует четыре основных стадии творческого мышления:

• Подготовка – этап формулирования основной задачи и первые попытки её решения;
• Инкубация – этап, во время которого происходит временное отвлечение от процесса, но работа над поиском решения задачи ведётся на подсознательном уровне;
• Озарение – этап, на котором находится интуитивное решение. Причём, найтись это решение может в абсолютно не имеющей к задаче ситуации;
• Проверка – этап испытаний и реализации решения, на котором происходит проверка этого решения и его возможное дальнейшее развитие.

Как мы видим, в процессе создания своей таблицы Менделеев интуитивно следовал именно этим четырём этапам. Насколько это эффективно, можно судить по результатам, т.е. по тому, что таблица была создана. А учитывая, что её создание стало огромным шагом вперёд не только для химической науки, но и для всего человечества, приведённые выше четыре этапа могут быть применимы как к реализации небольших проектов, так и к осуществлению глобальных замыслов. Главное помнить, что ни одно открытие, ни одно решение задачи не могут быть найдены сами по себе, как бы ни хотели мы увидеть их во сне и сколько бы ни спали. Чтобы что-то получилось, не важно, создание это таблицы химических элементов или разработка нового маркетинг-плана, нужно обладать определёнными знаниями и навыками, а также умело использовать свои потенциал и упорно работать.

Мы желаем вам успехов в ваших начинаниях и успешной реализации задуманного!

Девятнадцатый век в истории человечества - век, в который многие науки реформировались, в том числе и химия. Именно в это время появилась периодическая система Менделеева, а вместе с ней - и периодический закон. Именно он стал основой современной химии. Периодическая система Д. И. Менделеева представляет собой систематизацию элементов, которая устанавливает зависимость химических и физических свойств от строения и заряда атома вещества.

История

Начало периодической положила книга «Соотношение свойств с атомным весом элементов», написанная в третьей четверти XVII века. В ней были отображены основные понятия относительно известных химических элементов (на тот момент их насчитывалось всего 63). К тому же у многих из них атомные массы были определены неправильно. Это сильно мешало открытию Д. И. Менделеева.

Дмитрий Иванович начал свою работу со сравнения свойств элементов. В первую очередь он занялся хлором и калием, а уж потом перешёл к работе со щелочными металлами. Вооружась специальными карточками, на которых были изображены химические элементы, он многократно пытался собрать эту «мозаику»: раскладывал на своем столе в поисках нужных комбинаций и совпадений.

После долгих стараний Дмитрий Иванович все же нашёл ту закономерность, которую искал, и выстроил элементы в периодические ряды. Получив в результате пустые ячейки между элементами, учёный понял, что русским исследователям известны не все химические элементы, и что именно он должен дать этому миру те знания в области химии, которые ещё не были даны его предшественниками.

Всем известен миф о том, что Менделееву периодическая таблица явилась во сне, и он по памяти собрал элементы в единую систему. Это, грубо говоря, ложь. Дело в том, что Дмитрий Иванович довольно долго и сосредоточенно работал над своим трудом, и его это сильно выматывало. Во время работы над системой элементов Менделеев однажды заснул. Проснувшись, он понял, что не закончил таблицу, и скорее продолжил заполнение пустых ячеек. Его знакомый, некий Иностранцев, университетский педагог, решил, что таблица Менделееву приснилась во сне и распространил данный слух среди своих студентов. Так и появилась данная гипотеза.

Известность

Химических элементов Менделеева является отображением созданного Дмитрием Ивановичем ещё в третьей четверти XIX века (1869 год) периодического закона. Именно в 1869 году на заседании русского химического сообщества было зачитано уведомление Менделеева о создании им определённой структуры. И в этом же году была выпущена книга «Основы химии», в которой впервые была опубликована периодическая система химических элементов Менделеева. А в книге «Естественная система элементов и использование её к указанию качеств неоткрытых элементов» Д. И. Менделеев впервые упомянул понятие «периодический закон».

Структура и правила размещения элементов

Первые шаги в создании периодического закона были сделаны Дмитрием Ивановичем еще в 1869-1871 годах, в то время он усиленно работал над установлением зависимости свойств данных элементов от массы их атома. Современный вариант представляет собой сведённые в двумерную таблицу элементы.

Положение элемента в таблице несёт определённый химический и физический смысл. По местонахождению элемента в таблице можно узнать, какая у него валентность, определить и другие химические особенности. Дмитрий Иванович пытался установить связь между элементами, как сходными между собой по свойствам, так и отличающимися.

В основу классификации известных на тот момент химических элементов он положил валентность и атомную массу. Сопоставляя относительные свойства элементов, Менделеев пытался найти закономерность, которая объединила бы все известные химические элементы в одну систему. Расположив их, основываясь на возрастании атомных масс, он всё-таки добился периодичности в каждом из рядов.

Дальнейшее развитие системы

Появившаяся в 1969 году таблица Менделеева ещё не раз дорабатывалась. С появлением благородных газов в 1930 годах получилось выявить новейшую зависимость элементов - не от массы, а от порядкового номера. Позднее удалось установить число протонов в атомных ядрах, и оказалось, что оно совпадает с порядковым номером элемента. Учёными XX века было изучено электронное Оказалось, что и оно влияет на периодичность. Это сильно меняло представления о свойствах элементов. Данный пункт был отражён в более поздних редакциях периодической системы Менделеева. Каждое новое открытие свойств и особенностей элементов органично вписывалось в таблицу.

Характеристики периодической системы Менделеева

Таблица Менделеева поделена на периоды (7 строк, расположенных горизонтально), которые, в свою очередь, подразделяются на большие и малые. Начинается период со щелочного металла, а заканчивается элементом с неметаллическими свойствами.
Вертикально таблица Дмитрия Ивановича поделена на группы (8 столбцов). Каждая из них в периодической системе состоит из двух подгрупп, а именно - главной и побочной. После долгих споров по предложению Д. И. Менделеева и его коллеги У. Рамзая было решено ввести так называемую нулевую группу. В неё входят инертные газы (неон, гелий, аргон, радон, ксенон, криптон). В 1911 году учёным Ф. Содди было предложено поместить в периодической системе и неразличимые элементы, так называемые изотопы, - для них были выделены отдельные ячейки.

Несмотря на верность и точность периодической системы, научное общество долго не хотело признавать данное открытие. Многие великие учёные высмеивали деятельность Д. И. Менделеева и считали, что невозможно предсказать свойства элемента, который ещё не был открыт. Но после того как предполагаемые химические элементы были открыты (а это были, например, скандий, галлий и германий), система Менделеева и его периодический закон стали науки химии.

Таблица в современности

Периодическая система элементов Менделеева - основа большинства химических и физических открытий, связанных с атомно-молекулярным учением. Современное понятие элемента сложилось как раз благодаря великому учёному. Появление периодической системы Менделеева внесло кардинальные изменения в представления о различных соединениях и простых веществах. Создание ученым периодической системы оказало огромное влияние на развитие химии и всех наук, смежных с ней.

На основе Периодического закона Д.И. Менделеев создал Периодическую систему химических элементов, которая состояла из 7 периодов и 8 групп (короткопериодный вариант таблицы). В настоящее время чаще используется длиннопериодный вариант Периодической системы (7 периодов, 18 групп, отдельно показаны элементы - лантаноиды и актиноиды).

Периоды - это горизонтальные ряды таблицы, они подразделяются на малые и большие. В малых периодах находится 2 элемента (1-й период) или 8 элементов (2-й, 3-й периоды), в больших периодах - 18 элементов (4-й, 5-й периоды) или 32 элемента (6-й, 7-й период). Каждый период начинается стипичного металла , а заканчивается неметаллом (галогеном) и благородным газом .

Группы - это вертикальные последовательности элементов, они нумеруется римской цифрой от I до VIII и русскими буквами А и Б. Короткопериодный вариант Периодической системы включал подгруппы элементов (главную и побочную ).

Подгруппа - это совокупность элементов, являющихся безусловными химическими аналогами; часто элементы подгруппы обладают высшей степенью окисления, отвечающей номеру группы.

В А-группах химические свойства элементов могут меняться в широком диапазоне от неметаллических к металлическим (например, в главной подгруппе V группы азот - неметалл, а висмут - металл).

В Периодической системе типичные металлы расположены в IА группе (Li-Fr), IIА (Mg-Ra) и IIIА (In, Tl). Неметаллы расположены в группах VIIА (F-Al), VIА (O-Te), VА (N-As), IVА (C, Si) и IIIА (B). Некоторые элементы А-групп (бериллий Ве, алюминий Al, германий Ge, сурьма Sb, полоний Po и другие), а также многие элементы Б-групп проявляют и металлические , и неметаллические свойства (явление амфотерности ).

Для некоторых групп применяют групповые названия: IА (Li-Fr) - щелочные металлы , IIА (Ca-Ra) - щелочноземельные металлы , VIА (O-Po) -халькогены , VIIА (F-At) - галогены , VIIIА (He-Rn) - благородные газы :

Форма Периодической системы, которую предложил Д.И. Менделеева, называлась короткопериодной или классической. В настоящее время больше используется другая форма Периодической системы - длиннопериодная .

Периодический закон Д.И. Менделеева и Периодическая система химических элементов стали основой современной химии.

Периодический закон был сформулирован Д. И. Менделеевым в следующем виде (1871): «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса» .

С развитием атомной физики и квантовой химии Периодический закон получил строгое теоретическое обоснование. Благодаря классическим работам Й. Ридберга (1897), А. Ван-ден-Брука (1911), Г. Мозли (1913) был раскрыт физический смысл порядкового (атомного) номера элемента. Позднее была создана квантово-

механическая модель периодического изменения электронного строения атомов химических элементов по мере возрастания зарядов их ядер (Н. Бор, В. Паули, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг и др.).

В настоящее время Периодический закон Д. И. Менделеева имеет следующую формулировку: «свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов» .

Особенность Периодического закона среди других фундаментальных законов заключается в том, что он не имеет выражения в виде математического уравнения. Графическим (табличным) выражением закона является разработанная Менделеевым Периодическая система элементов.

Периодический закон универсален для Вселенной: как образно заметил известный русский химик Н. Д. Зелинский, Периодический закон явился «открытием взаимной связи всех атомов в мироздании».

Исследуя изменение химических свойств элементов в зависимости от величины их относительной атомной массы (атомного веса), Д. И. Менделеев в 1869 г. открыл закон периодичности этих свойств: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов».

Физическая основа периодического закона была установлена в 1922 г. Н. Бором. Поскольку химические свойства обусловлены строением электронных оболочек атома,периодическая система Менделеева – это естественная классификация элементов по электронным структурам их атомов. Простейшая основа такой классификации – число электронов в нейтральном атоме, которое равно заряду ядра. Но при образовании химической связи электроны могут перераспределяться между атомами, а заряд ядра остается неизменным, поэтому современная формулировка периодического закона гласит: «Свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов» .

Это обстоятельство отражено в периодической системе в виде горизонтальных и вертикальных рядов – периодов и групп.

Период – горизонтальный ряд, имеющий одинаковое число электронных слоев, номер периода совпадает со значением главного квантового числа n внешнего уровня (слоя); таких периодов в периодической системе семь. Второй и последующие периоды начинаются щелочным элементом (ns 1) и заканчивается благородным газом (ns 2 np 6).

По вертикали периодическая система подразделяется на восемь групп, которые делятся на главные – А , состоящие из s - и p -элементов, и побочные – B-подгруппы , содержащие d -элементы. Подгруппа III B, кроме d -элементов, содержит по 14 4f - и 5f -элементов (4f - и 5f -семейства). Главные подгруппы содержат на внешнем электронном слое одинаковое число электронов, которое равно номеру группы.

В главных подгруппах валентные электроны (электроны, способные образовывать химические связи) расположены на s - и p -орбиталях внешнего энергетического уровня, в побочных – на s -орбиталях внешнего и d -орбиталях предвнешнего слоя. Для f -элементов валентными являются (n – 2)f - (n – 1)d - и ns -электроны.

Сходство элементов внутри каждой группы – наиболее важная закономерность в периодической системе. Следует, кроме того, отметить такую закономерность, какдиагональное сходство у пар элементов Li и Mg, Be и Al, B и Si и др. Эта закономерность обусловлена тенденцией смены свойств по вертикали (в группах) и их изменением по горизонтали (в периодах).

Все сказанное выше подтверждает, что структура электронной оболочки атомов элемента изменяется периодически с ростом порядкового номера элемента. С другой стороны, свойства определяются строением электронной оболочки и, следовательно, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома. Далее рассматриваются некоторые периодические свойства элементов.

Связь между электронным строением элементов и их положением в периодической системе представлена в табл. 2.2.

Первый период (n = 1, l = 0) состоит из двух элементов H (1s 1) и He (1s 2).

Во втором периоде (n = 2, l = 0, 1) заполняются s - и p -орбитали от Li до Ne. Элементы называются соответсвенно s - и p -элементами.

В третьем периоде появляются пять d -орбиталей (n = 3, l = 0, 1, 2). Пока они вакантны, и третий период, как и второй, содержит восемь p -элементов элементов от Na до Ar.

Следующие за аргоном калий и кальций имеют на внешнем уровне 4s -электроны (четвертый период ). Появление 4s -электронов при наличии свободных 3d -орбиталей обусловлено экранированием ядра плотным 3s 2 3p 6 -электронным слоем. В связи с отталкиванием от этого слоя внешних электронов для калия и кальция реализуются 4s 1 - и 4s 2 -состояния. Сходство K и Ca с Na и Mg соответственно, кроме чисто «химического» обоснования, подтверждается также электронными спектрами.

При дальнейшем увеличении заряда у следующего за кальцием скандия 3d -состояние становится энергетически более выгодным, чем 4p , поэтому и заселяется 3d -орбиталь (рис. 2.3). Из анализа зависимости энергии электрона от порядкового номера элемента В. М. Клечковский сформулировал правило, согласно которому энергия атомных орбиталей возрастает по мере увеличения суммы (n + l ). При равенстве сумм сначала заполняется уровень с меньшим n и большим l , а потом с большим n и меньшим l . Так у K и Ca заполняется 4s -орбиталь (4 + 0 = 4), а потом у Sc заполняется 3d -орбиталь (3 + 2 = 5).

Приведенные рассуждения подтверждаются экспериментальными данными об изменении энергии s -, p -, d -и f -орбиталей в зависимости от порядкового номера элемента. Как следует из рис. 1.3, значения энергии различных состояний зависит от заряда ядра Z , и чем больше Z , тем меньше различаются эти состояния по энергиям. Характер этого различия таков, что кривые, выражающие изменение энергии, пересекаются. Так для элементов K и Ca (Z = 19 и 20) энергия 3d -орбиталей выше, чем 4p , а для элементов с Z ≥ 21 энергия 3d -орбиталей ниже, чем 4p . Начиная со скандия (Z = 21) заполняется 3d -орбиталь, а во внешнем слое остаются4s -электроны. Поэтому в четвертом периоде в ряду от Sc до Zn все десять 3d -элементов – металлы с низшей степенью окисления, как правило, 2, за счет внешних 4s -электронов. Общая электронная формула этих элементов – 3d 1–10 4s 1–2 . Для хрома и меди наблюдается проскок (или провал) электрона на d -уровень: Cr –3d 5 4s 1 , Cu – 3d 10 4s 1 . Такой проскок с ns - на (n – 1)d -уровень наблюдается также у Mo, Ag, Au, Pt и у других элементов и объясняется близостью энергий ns - и (n – 1)d -уровней и стабильностью наполовину и полностью заполненных уровней.

Образование катионов d -элементов связано с потерей прежде всего внеших ns - и только затем (n – 1)d -электронов. Например:

Пятый период повторяет четвертый – в нем также 18 элементов, и 4d -элементы, как и 3d образуют вставную декаду (4d 1–10 5s 0–2).

В шестом периоде после лантана (5d 1 6s 2) – аналога скандия и иттрия следуют 14 4f -элементов – лантаноидов. Свойства этих элементов очень близки, поскольку идет заполнение глубоколежащего (n – 2)f -подуровня. Общая формула лантаноидов 4f 2–14 5d 0–1 6s 2 .

Ионы 4f-элементов образуются следующим образом:

После 4f -элементов заполняются 5d - и 6p -орбитали.

Седьмой период отчасти повторяет шестой. 5f -элементы называются актиноидами. Их общая формула 5f 2–14 6d 0–1 7s 2 . Далее следуют еще 6 искусственно полученных 6d -элементов незавершенного седьмого периода.