Периодический закон и электронное строение атома

Все вещества состоят из взаимодействующих химических элементов. Минимальной частицей химического элемента является атом, состоящий из ядра и окружающих его электронов. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева устанавливает взаимосвязь периодичности свойств химических элементов с электронным строением атома. Важнейшее значение периодического закона заключается в том, что на его основе осуществляется осмысление и обобщение практически необъятного фактического материала о строении и свойствах простых и сложных веществ. На плакате 1 представлен вариант длинной формы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. В ячейках таблицы приводятся порядковый номер химического элемента, его обозначение, относительная атомная масса и конфигурация внешнего электронного уровня.

Таблица.2 Обозначение уровней электронов в атоме

Горизонтальные ряды таблицы Менделеева называются периодами. Номер периода соответствует главному квантовому числу п. Периоды определяют заполнение электронных уровней (слоев, оболочек) в атоме (табл. 2). Столбцы соответствуют группам и подгруппам. Группы обозначены римскими цифрами, а подгруппы буквами а и b.

Группы соответствуют последовательности заполнения электронных оболочек в каждом периоде согласно орбитальному (азимутальному - l), магнитному (тl) и спиновому (ms) квантовым числам. Подгруппы разделяют заполнение s-, р- и d- подуровней (орбиталей) (табл. 3).

Главное (радиальное) квантовое число п характеризует дискретность изменения энергии и расстояния электрона (радиуса орбиты) от атома, п = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Орбитальное (азимутальное) квантовое число l, или квантовое число углового момента, определяет дискретность изменения величины орбитального углового момента вращения электрона вокруг ядра атома, l = 0, 1, 2, 3, ..., (n - 1).

Таблица3 Обозначение подуровней электронов в атоме

Магнитное квантовое число т определяет дискретность пространственной ориентации орбитального углового момента электрона, а следовательно, и атомного магнитного момента, тl = - l, ..., -3, -2, -1,0, 1,2, 3, ..., l.

 Спиновое квантовое число ms определяет величину спинового (вращение вокруг собственной оси) углового момента электрона, ms = -1/2, 1/2. Знак «минус» для квантовых чисел т и ms означает существование положительных и отрицательных проекций углового момента на ось вращения.

Поскольку каждый отдельно взятый атом - электрически нейтральная система, то числу электронов в атоме химического элемента соответствует эквивалентное число протонов в атомном ядре, а, следовательно, пропорциональное значение электрического заряда ядра. Номер химического элемента в периодической системе соответствует электрическому заряду его ядра, выраженному в единицах заряда электрона е = 1,60217733 . 10-19 Кл. У атома с номером Z положительный заряд ядра равен +Z.e. Этот заряд несут Z протонов, каждый из которых имеет такую же массу, как ядро атома водорода и заряд +е. Увеличение числа электронов, а, следовательно, и протонов в атоме приводит к росту атомной массы. Однако одному и тому же химическому элементу могут соответствовать атомы с разной величиной массы - изотопы. Это связано с различным содержанием нейтронов в ядре химического элемента.

Примечание. Под изолированной системой понимается система, совершенно не взаимодействующая с окружающей средой.

Любая изолированная система стремится занять состояние с минимальной энергией - основное состояние. Соответственно ведут себя и электроны в атоме. Распределение электронов по орбиталям (по энергетическим уровням) определяется принципом исключения Паули, который гласит, что в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковы.

Пример:

По периодической таблице легко определить электронную конфигурацию атома каждого элемента, например, для лития Is22s1, углерода Is22s22p2, неона Is22s22p6, кремния Is22s22p63s23p2, ванадия Is22s22p63s23p63d34s2, урана Is22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f36s26p66d17s2.