Периодическая система элементов Д. И. Менделеева с точки зрения квантовой теории - Квантовые концепции в химии

Теория Периодической Системы была преимущественно создана Н. Бором (1913-21) на базе предложенной им квантовой модели атома. Учитывая специфику изменения свойств элементов в периодической системе и сведения об их атомных спектрах, Бор разработал схему построения электронных конфигураций атомов по мере возрастания Z, положив ее в основу объяснения явления периодичности и структуры периодической системы. Эта схема опирается на определенную последовательность заполнения электронами оболочек (называемых также слоями, уровнями) и подоболочек (оболочек, подуровней) в атомах в соответствии с увеличением Z. Сходные электронные конфигурации внешних электронных оболочек в атомах периодически повторяются, что и обусловливает периодическое изменение химических свойств элементов. В этом состоит главная причина физической природы феномена периодичности. Электронные оболочки, за исключением тех, которые отвечают значениям 1 и 2 главного квантового числа n, не заполняются последовательно и монотонно до своего полного завершения (числа электронов в последовательных оболочках составляют: 2, 8, 18, 32, 50, ...); построение их периодически прерывается появлением совокупностей электронов (составляющих определенные подоболочки), которые отвечают большим значениям n. В этом заключается существенная особенность "электронного" истолкования структуры периодической системы.

Схема формирования электронных конфигураций атомов, лежащая в основе теории периодической системы, отражает, таким образом, определенную последовательность появления в атомах по мере роста Z совокупностей электронов (подоболочек), характеризующихся некоторыми значениями главного и орбитального (l) квантовых чисел. Данная схема в общем виде записывается в виде таблицы.

Вертикальными чертами разделены подоболочки, которые заполняются в атомах элементов, составляющих последовательные периоды периодической системы (номера периодов обозначены цифрами сверху); жирным шрифтом выделены подоболочки, завершающие формирование оболочек с данным n.

Числа электронов в оболочках и подоболочках определяются на основании Паули принципа. Применительно к электронам, как частицам с полуцелым спином, он постулирует, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями всех квантовых чисел. Емкости оболочек и подоболочек равны соответственно 2n2 и 2(2l+1). Этот принцип не определяет однако, последовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере возрастания Z. Из приведенной выше схемы находятся емкости последовательных периодов: 2, 8, 18, 32, 32, ....

Каждый период начинается элементом, в атоме которого впервые появляется электрон с данным значением n при l=0 (ns1-элементы), и заканчивается элементом, в атоме которого заполнена подоболочка с тем же n и l = 1 (np6-элементы); исключение - первый период (только 1s - элементы). Все s - и p-элементы принадлежат к подгруппам a. К подгруппам б относятся элементы, в атомах которых достраиваются оболочки, ранее оставшиеся недостроенными (значения n меньше номера периода, l=2 и 3). В первые три периода входят элементы только подгрупп а, т. е. s - и p-элементы.

Реальная схема построения электронных конфигураций атомов описывается так называемым (n + l)-правилом, сформулированным (1951) В. М. Клечковским. Построение электронных конфигураций происходит в соответствии с последовательным увеличением суммы (n + l). При этом в пределах каждой такой суммы сначала заполняются подоболочки с большими l и меньшими n, затем с меньшими l и большими n.

Начиная с шестого периода построение электронных конфигураций атомов в действительности приобретает более сложный характер, что выражается в нарушении четких границ между последовательно заполняющимися подоболочками.

Реальная схема первоначально не была выведена из каких-либо строгих теоретических представлений. Она основывалась на известных химических свойствах элементов и сведениях об их спектрах. Действительное физическое обоснование реальная схема получила благодаря применению методов квантовой механики к описанию строения атомов. В квантовомеханической интерпретации теории строения атомов понятие электронных оболочек и подоболочек при строгом подходе утратило свой исходный смысл; ныне широко используется представление об атомных орбиталях. Тем не менее, разработанный Бором принцип физической интерпретации явления периодичности не потерял своего значения и в первом приближении достаточно исчерпывающе объясняет теоретические основы периодической системы. Во всяком случае, в публикуемых формах изображения периодической системы отражается представление о характере распределения электронов по оболочкам и подоболочкам.

Похожие статьи




Периодическая система элементов Д. И. Менделеева с точки зрения квантовой теории - Квантовые концепции в химии

Предыдущая | Следующая