Периодический закон Д. И. Менделеева

В состав любого вещества входят структурные элементы различной степени сложности (ядра, электроны, атомы, ионы, молекулы). Совокупность структурных элементов вещества, описываемая определенным порядком их расположения и характером взаимодействия, называется строением вещества.

От строения вещества и, в первую очередь, от взаимного расположения атомов зависят физические и химические свойства вещества. При химических превращениях количество атомов разных элементов, входящих в состав вещества, не изменяется. Происходит только перегруппировка атомов, которая сопровождается перестройкой электронной структуры атомов и изменением химической связи между атомами – разрываются старые и образуются новые связи. В этом разделе рассматриваются вопросы, связанные со строением вещества, – строение атомов и химическая связь.

Химические свойства атомов определяются строением их электронных оболочек, в первую очередь внешних (валентных) оболочек. Поэтому химические свойства атомов прогнозируют на основе анализа особенностей строения электронных оболочек атомов (электронных конфигураций).

При изучении этой темы [1, 2, 3] обратите внимание на волновой характер движения электронов в атоме. Движение частиц в микромире описывается с помощью постулатов квантовой механики. При этом используют вероятностный подход, в рамках которого положение электрона в любой момент времени нельзя указать точно, а можно говорить только о вероятности его нахождения.

Одним из ключевых понятий в теории строения атома является состояние электрона. Особенностью микромира является то, что состояние электрона в атоме не может быть произвольным. Для любого атома характерно наличие некоторого дискретного набора состояний, каждое из которых имеет свое значение энергии и описывается своей волновой функцией, зависящей от координат и времени. Волновая функция y(x, у, z, t) является решением уравнения Шредингера. Произведение |ψ |²∆ V характеризует вероятность нахождения электрона в малом объеме ∆ V. Наглядный образ, показывающий, где электрон может чаще находиться в атоме, – это так называемое «электронное облако», плотность которого пропорциональна величине |ψ |².

Для классификации состояний электрона в атоме и соответствующих волновых функций используют набор из четырех квантовых чисел. К ним относятся главное (n), орбитальное ( l ), магнитное (m) и спиновое (m_s) квантовые числа. Состояние электрона однозначно определено, если известны значения всех этих чисел.

Напомним, что главное квантовое число характеризует величину энергии электрона в атоме и размеры электронного облака. Оно принимает целочисленные значения n = 1, 2, 3, … ∞.Совокупность состояний с одинаковым значением главного квантового числа образует электронный слой. Соответствующая совокупность энергий называется энергетическим уровнем.

Орбитальное квантовое число l характеризует механический момент электрона при его движении вокруг ядра и форму электронного облака. Численным значениям орбитального квантового числа l = 0, 1, 2, 3, …, (n–1) соответствуют следующие буквенные обозначения оболочек (или подуровней):

Заметим, что количество подуровней на уровне (количество разных значений l) определяется величиной главного квантового числа n. На первом уровне имеется только один подуровень (1 s), на втором – два (2 s и 2 p), на третьем – три, (3 s, 3 p и 3 d) и т.д. (В обозначении подуровня вначале указывают значение числа n, а затем буквенное обозначение числа l.)

Магнитное квантовое число m характеризует проекцию орбитального механического момента электрона на некоторую выбранную ось, а также ориентацию электронного облака в пространстве. Магнитное квантовое число принимает значения – l, –(l– 1), … –1, 0, +1, …, (l – 1), l. При фиксированных значениях n и l имеются (2l + 1) разных значений m.

Наконец, четвертой квантовой характеристикой электрона в атоме является спиновое квантовое число m_s, которое характеризует проекцию собственного механического момента (спина) электрона на выбранную ось. Это число принимает только два значения: m_s = ± . Для графического изображения этого числа используют стрелки ↑ (m_s = + ) и ↓ (m_s = – ).

Количество электронов, находящихся в том или ином состоянии в атоме, не может быть произвольным. Оно определяется принципом Паули, который гласит: в состоянии, описываемом четырьмя квантовыми числами n, l, m, m_s, может находиться не более одного электрона. Это означает, что в определенном состоянии либо находится один электрон (тогда состояние называется заполненным), либо в нем нет ни одного электрона и состояние свободно.

В химии вместо состояний электрона в атоме, описываемых четырьмя квантовыми числами, часто говорят об атомных орбиталях. Атомной орбиталью называется состояние электрона, которое описывается только тремя квантовыми числами: n, l, m, а спиновое число m_s не фиксируется. В соответствии с принципом Паули, на атомной орбитали (АО) могут находиться два электрона с противоположными направлениями спинов. Обычно атомные орбитали изображают в виде клеток («квантовых» ячеек), внутри которых изображают стрелки ↑ и ↓, соответствующие различным направлениям спина.

Названия конкретных атомных орбиталей определяются значениями чисел n иl(аналогично названиям подуровней). Например, 2 p -орбиталь – это состояние с n = 2 и l = 1. Значение числа m обычно не включают в название орбиталей. Но это число определяет количество разных орбиталей с одинаковыми n иl. Напомним, что количество разных значений m равно
(2l+ 1). В соответствие с этим количество АО с фиксированными значениями n иl также равно (2l+ 1). Например, существуют три 2 p -орбитали, с m = –1, 0, +1, пять 3 d -орбиталей с m = –2, –1, 0, +1, +2. Учитывая, что на каждой АО могут находиться по два электрона с противоположными направлениями спинов, максимальное количество электронов с фиксированными значениями n иl (емкость подуровня) равно 2(2l + 1). Емкость уровня (общее количество состояний с фиксированным значением n) равно 2 n².

Пример 1. Какие значения могут принимать квантовые числа для второго энергетического уровня?