Учебник. Периодическая система элементов
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, как диагональное 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 [Ar]4s 1 — и [Ar]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 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 энергия 3d-орбиталей ниже, чем 4p. Начиная со скандия (Z = 21) заполняется 3d-орбиталь, а во внешнем слое остаются 4s-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: T i 3 d 2 4 s 2 ⟶ — 2 e — T i 2 + 3 d 2 ⟶ — 1 e — T i 3 + 3 d 1 , M n 3 d 5 4 s 2 ⟶ — 2 e — M n 2 + 3 d 5 ⟶ — 2 e — M n 3 + 3 d 3 .
Дальше в четвертом периоде после десяти d-элементов появляются p-элементы от Ga (4s 2 4p 1 ) до Kr (4s 2 4p 6 ).
Пятый период повторяет четвертый – в нем также 18 элементов, и 4d-элементы, как и 3d образуют вставную декаду
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 .
Ионы 4f-элементов образуются следующим образом: N d 4 f 4 6 s 2 ⟶ — 3 e — N d 3 + 4 f 3 , T b 4 f 9 6 s 2 ⟶ — 3 e — T b 3 + 4 f 8 .
После 4f-элементов заполняются 5d— и 6p-орбитали.
Седьмой период отчасти повторяет шестой. 5f-элементы называются актиноидами. Их общая формула Далее следуют еще 6 искусственно полученных 6d-элементов незавершенного седьмого периода.
Почему сначала идет 4s а потом 3d
Кто же будет жить в нашем квантовом доме? Ну конечно, электроны!
Каждый электрон будем обозначать стрелочкой, направленной вверх или вниз, и заодно сразу договоримся, что в «квартире» — квантовой ячейке можно поместить самое большее два электрона со стрелками, направленными в разные стороны, вот так:
| Свободная квартира | Квартира, заселенная наполовину |
| Квартира, тоже заселенная наполовину | Квартира, полностью заселенная электронами |
В каком порядке электроны заселяют атомный «дом»?
Чтобы ответить на этот вопрос не наобум, а правильно и точно, надо вспомнить один из главных законов природы.
В соответствии с этим законом сами по себе, без принуждения извне (самопроизвольно) идут те процессы, при которых высвобождается энергия.
Так и в атоме. Сами по себе будут заполняться электронные орбитали — квантовые ячейки, если при этом будет выделяться хоть какая-то (большая или не очень) энергия.
| Все электронные уровни и подуровни, которые мы только что изображали в виде диаграмм, характеризуются определенной энергией. И самое главное: для всех электронов в атоме эта «определенная энергия» имеет отрицательное значение (меньше 0), причем она тем более отрицательна, чем ближе орбиталь к ядру. Следовательно, энергетическую диаграмму атома более правильно надо было бы рисовать не как многоэтажный дом, а скорее как подземный многоярусный гараж или просто яму. |
| Земля, которую кидают лопатой сверху в заранее вырытую яму, падает на дно и постепенно заполняет яму доверху. Заполнение ямы от дна до краев, а не наоборот, тоже идет самопроизвольно: ведь нельзя закопать верхнюю половину ямы, не заполнив нижнюю. Значит, это тоже процесс, протекающий с высвобождением энергии! |
А где же по отношению к вырытой яме должен находиться совершенно свободный электрон, не связанный с атомом? Отвечаем: его место — на уровне «земли», где-то рядом с «ямой».
Перемещая электрон из свободного пространства в квантовые ячейки атома, мы получим выигрыш энергии.
Этот выигрыш тем больше, чем ниже опустится в яму электрон, чем ниже находится на энергетической диаграмме орбиталь — «квартира», в которой ему предстоит поселиться.
В первую очередь заполняется самый выгодный первый энергетический уровень, а уже потом второй, третий и так далее. Причем в пределах одного и того же уровня сначала заполняется тот подуровень, у которого энергия ниже. Например, сначала два электрона попадут в «квартиры» 2s-подуровня, а потом — 2р-подуровня; сначала 3s-, а потом 3р-подуровня.
А вот дальше начинается путаница: после 4s заполняется не 4р, а 3d-подуровень. Но это только на первый взгляд. На самом деле здесь все по правилам, ведь энергия 3d-подуровня ниже, чем 4р. Поэтому он и заселяется электронами раньше.
Если заряд ядра большой и электронов в атоме много, в результате получается «многонаселенный дом». Но электронные «жильцы» нижних этажей энергетической диаграммы совсем не участвуют в химической жизни атомного «дома»: они находятся очень близко к ядру атома, и химические воздействия никак их не затрагивают.
Главные химики — электроны внешние, те, которые находятся близко к «поверхности» атома и могут либо от него оторваться и сменить «хозяина», либо пригласить к себе «в гости» электроны из других атомов.
Эти электроны — большие мастера образовывать химические связи, поэтому их называют еще валентными электронами.
А вот сколько их и какие они, можно узнать, продолжив нашу игру в «химический конструктор» и заселяя электронами имеющиеся в атомах квартиры и этажи по всем правилам и с учетом заряда ядра.
Какие орбитали атома заполняют электронами раньше: 4s или 3d; 5s или 4p? Почему? Составьте электронную формулу атома эле
4s-орбитали заполняются электронами раньше, чем 3d, т. к. энергия 3d-подуровня несколько выше, чем энергия 4s-подуровня, а заполнение электронных орбиталей происходит в соответствии с принципом наименьшей энергии. Поэтому 3d-орбитали не заполняются у элементов 3 периода, а заполняются у переходных элементов (вставной декады — элементов побочных подгрупп) 4 периода после заполнения 4s-подуровня. В связи с заполнением второго снаружи (предвнешнего) электронного слоя свойства переходных элементов изменяются плавно, а не скачкообразно, как у элементов главных подгрупп.
4р-орбитали заполняются электронами раньше, чем 5s-орбитали, т. к. энергия 4р-орбиталей ниже, чем энергия 5s-орбиталей. 4р-орбитали заполняются у элементов главных подгрупп 3-8 групп 4 периода (после заполнения у них 3d-орбиталей) .
Шкала энергии, в соответствии с которой происходит заполнение энергетических подуровней, была установлена экспериментально и выглядит так:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
Остальные ответы
Какой подуровень в атомах – 3d или 3р и 6s или 5d заполняется раньше:
1-3р и 6s;
2-3d и 6s;
3-3d и 5d;
4-3р и 5d.
Почему сначала идет 4s а потом 3d
УПС, страница пропала с радаров.
*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением
Вам может понравиться Все решебники
Герасимова
Герасимова, Неклюкова
Бойцов, Шукуров
Мордкович, Семенов
Вербицкая, Маккинли, Хастингс
Вербицкая, Эббс, Уорелл
Дидакт. материалы
Мерзляк, Полонский, Якир
©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших и средних классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
