В свое время Д. И. Менделеев с огорчением замечал: "...причин периодичности мы не знаем". Ему не удалось дожить до разгадки этой тайны.
Когда было доказано, что порядковый номер элемента в системе численно равен заряду ядра его атома, то стала ясной физическая сущность периодического закона.
Но почему свойства химических элементов изменяются периодически по мере роста заряда ядра? Почему система элементов построена так, а не иначе и ее периоды содержат строго определенное число элементов? На эти важнейшие вопросы ответа пока не было.
Тайна периодической системы элементов была разгадана, когда удалось понять сложнейшую структуру атома, строение его внешних электронных оболочек, законы движения электронов вокруг положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
Все химические и физические свойства вещества определяются строением атомов. Периодический закон, открытый Менделеевым, есть всеобщий закон природы, потому что он опирается на закон строения атома.
принцип наименьшей энергии: максимуму устойчивости системы соответствует минимум её энергии.
следовательно, в соответствии с данным принципом электроны будут вначале располагаться на атомных орбиталях, имеющих минимальную энергию, в этом случае связь электронов с ядром наиболее прочная и атомная система находится в состоянии максимальной устойчивости.
вмногоэлектронных атомах электроны испытывают не только притяжение ядер, но и отталкивание электронов, находящихся ближе к ядру и экранирующих ядро от более далеко расположенных электронов. поэтому последовательность возрастания энергии орбиталей усложняется.
порядок возрастания энергии атомных орбиталей в сложных атомах описывается правилом клечковского: при увеличении заряда ядра атома заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l), а при равных значениях суммы (n+l) – в порядке возрастания n.
соответственно этому правилу подуровни выстраиваются в следующий ряд (рис. 2.4.): 1s< 2s< 2p< 3s< 3p< 4s≈3d< 4p< 5s≈4d< 5p< 6s≈4f≈5d< 6p< 7s≈5f≈6d.
исключение составляют d и f – элементы с полностью и наполовину заполненными подуровнями, у которых наблюдается так называемый провал электронов, например: cu, ag, cr, mo, pd, pt (это явление будет рассмотрено позднее).
принцип запрета паулигласит: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел.
согласно этому принципу, на одной орбитали, характеризуемой определенными значениями трех квантовых чисел n, l и ml, могут находиться только два электрона, отличающихся значением спинового квантового числа ms, а именно ms=+ и ms= –, т. е. спины которых противоположно направлены. это можно символически представить следующей схемой .
заполнение и не допускается.
принцип запрета паули определяет электронную емкость энергетических уровней и подуровней. на s – подуровне (одна орбиталь) может быть лишь два электрона, на p – подуровне (три орбитали) – шесть, на d подуровне (пять орбиталей) – десять, на f – подуровне (семь орбиталей) – четырнадцать электронов. вообще, максимальное число электронов на подуровне с орбитальным квантовым числом l равно 2(2l+1). поскольку число орбиталей данного энергетического уровня равно n2, емкость энергетического уровня составляет 2n2 электронов, где n – соответствующее значение главного квантового числа.
правило гунда: устойчивому (невозбужденному) состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спинового числа их (│∑ms│) максимально.
другими словами: заполнение орбиталей одного подуровня в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами. после того как одиночные электроны займут все орбитали в данном подуровне, заполняются орбитали вторыми электронами с противоположными спинами.
В свое время Д. И. Менделеев с огорчением замечал: "...причин периодичности мы не знаем". Ему не удалось дожить до разгадки этой тайны.
Когда было доказано, что порядковый номер элемента в системе численно равен заряду ядра его атома, то стала ясной физическая сущность периодического закона.
Но почему свойства химических элементов изменяются периодически по мере роста заряда ядра? Почему система элементов построена так, а не иначе и ее периоды содержат строго определенное число элементов? На эти важнейшие вопросы ответа пока не было.
Тайна периодической системы элементов была разгадана, когда удалось понять сложнейшую структуру атома, строение его внешних электронных оболочек, законы движения электронов вокруг положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
Все химические и физические свойства вещества определяются строением атомов. Периодический закон, открытый Менделеевым, есть всеобщий закон природы, потому что он опирается на закон строения атома.
ответ: последовательность заполнения электронами уровней, подуровней, орбиталей в многоэлектронных атомах определяют:
1. принцип наименьшей энергии;
2. правило клечковского;
3. принцип запрета паули;
4. правило гунда.
принцип наименьшей энергии: максимуму устойчивости системы соответствует минимум её энергии.
следовательно, в соответствии с данным принципом электроны будут вначале располагаться на атомных орбиталях, имеющих минимальную энергию, в этом случае связь электронов с ядром наиболее прочная и атомная система находится в состоянии максимальной устойчивости.
вмногоэлектронных атомах электроны испытывают не только притяжение ядер, но и отталкивание электронов, находящихся ближе к ядру и экранирующих ядро от более далеко расположенных электронов. поэтому последовательность возрастания энергии орбиталей усложняется.
порядок возрастания энергии атомных орбиталей в сложных атомах описывается правилом клечковского: при увеличении заряда ядра атома заполнение орбиталей происходит в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел (n+l), а при равных значениях суммы (n+l) – в порядке возрастания n.
соответственно этому правилу подуровни выстраиваются в следующий ряд (рис. 2.4.): 1s< 2s< 2p< 3s< 3p< 4s≈3d< 4p< 5s≈4d< 5p< 6s≈4f≈5d< 6p< 7s≈5f≈6d.
исключение составляют d и f – элементы с полностью и наполовину заполненными подуровнями, у которых наблюдается так называемый провал электронов, например: cu, ag, cr, mo, pd, pt (это явление будет рассмотрено позднее).
принцип запрета паулигласит: в атоме не может быть двух электронов с одинаковым набором четырех квантовых чисел.
согласно этому принципу, на одной орбитали, характеризуемой определенными значениями трех квантовых чисел n, l и ml, могут находиться только два электрона, отличающихся значением спинового квантового числа ms, а именно ms=+ и ms= –, т. е. спины которых противоположно направлены. это можно символически представить следующей схемой .
заполнение и не допускается.
принцип запрета паули определяет электронную емкость энергетических уровней и подуровней. на s – подуровне (одна орбиталь) может быть лишь два электрона, на p – подуровне (три орбитали) – шесть, на d подуровне (пять орбиталей) – десять, на f – подуровне (семь орбиталей) – четырнадцать электронов. вообще, максимальное число электронов на подуровне с орбитальным квантовым числом l равно 2(2l+1). поскольку число орбиталей данного энергетического уровня равно n2, емкость энергетического уровня составляет 2n2 электронов, где n – соответствующее значение главного квантового числа.
правило гунда: устойчивому (невозбужденному) состоянию атома соответствует такое распределение электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спинового числа их (│∑ms│) максимально.
другими словами: заполнение орбиталей одного подуровня в основном состоянии атома начинается одиночными электронами с одинаковыми спинами. после того как одиночные электроны займут все орбитали в данном подуровне, заполняются орбитали вторыми электронами с противоположными спинами.