"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Периодическая система показывает связь между положением элемента и строением его атома. Номер периода указывает число энергетических уровней, а последовательность заполнения подуровней объясняет, почему в больших периодах больше элементов, чем в малых. Разобрав конфигурации атомов калия, железа и церия, можно понять устройство s-, d-, f- и p-блоков, а также положение переходных элементов, лантаноидов и актиноидов в таблице.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная оболочка атома — совокупность электронов, распределённых по энергетическим уровням. Уровни располагаются вокруг ядра, а число занятых уровней у атома элемента обычно соответствует номеру его периода. Это помогает связать строку таблицы со строением атома.
Энергетический подуровень — часть уровня, обозначаемая буквами s, p, d или f. На s-подуровне помещается до 2 электронов, на p — до 6, на d — до 10, на f — до 14. Вместимость подуровня позволяет понять, сколько элементов может быть связано с его заполнением.
Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по уровням и подуровням, например 1s² 2s² 2p⁶. Число перед буквой обозначает уровень, буква — тип подуровня, верхний индекс — количество электронов на нём. Такая запись помогает увидеть, какие части оболочки уже заполнены и где находится добавляемый электрон.
Переходные элементы — элементы, у которых при заполнении атомов электронами заполняется d-подуровень предшествующего энергетического уровня. Например, в четвёртом периоде заполняется 3d, хотя внешний уровень у этих атомов — четвёртый. Это объясняет, почему переходные элементы образуют середину больших периодов.
Периодическая система упорядочена по возрастанию заряда ядра, а в нейтральном атоме порядковый номер равен числу электронов. По мере заполнения оболочки возникают повторяющиеся структуры внешних электронов, и свойства элементов периодически меняются. Число уровней, на которых находятся электроны, растёт при переходе к следующему периоду, поэтому оно связано с номером строки таблицы.
Большие периоды содержат больше элементов, потому что электроны могут занимать несколько подуровней, относящихся к разным уровням. Например, после начала заполнения внешнего s-подуровня электроны переходят на d-подуровень предыдущего уровня, а затем — на внешний p-подуровень. Значит, период не всегда заполняется простым переходом от одного уровня к следующему.
В четвёртом периоде калий и кальций получают электроны на 4s-подуровень: их конфигурации заканчиваются на 4s¹ и 4s². Затем заполняется 3d-подуровень у переходных элементов, а после него — 4p; поэтому порядок заполнения не совпадает с последовательностью номеров уровней. В пятом периоде схема аналогична: после 5s заполняется 4d, затем 5p.
В шестом и седьмом периодах между заполнением внешнего s-подуровня и d-подуровня включается заполнение f-подуровней. В шестом периоде это прежде всего 4f-подуровень, образующий ряд лантаноидов; в седьмом — 5f-подуровень, связанный с актиноидами. Для компактности эти ряды часто помещают отдельно под основной частью таблицы, хотя каждый принадлежит своему периоду.
Порядок заполнения подуровней определяет электронные конфигурации и деление таблицы на блоки. Блок элемента связывают с типом подуровня, на который приходится последний добавляемый электрон: s, p, d или f. Поэтому внутри одного большого периода располагаются несколько блоков, а его длина зависит от вместимости заполняющихся подуровней.
| Период | Число элементов | Последовательность заполнения подуровней | Особенности расположения элементов |
|---|---|---|---|
| Четвёртый период | 18 | 4s → 3d → 4p | s-, d- и p-блоки; переходные элементы заполняют 3d |
| Пятый период | 18 | 5s → 4d → 5p | s-, d- и p-блоки; переходные элементы заполняют 4d |
| Шестой период | 32 | 6s → 4f → 5d → 6p | Есть f-блок лантаноидов; его обычно выносят вниз |
| Седьмой период | 32 | 7s → 5f → 6d → 7p | Есть f-блок актиноидов; его обычно выносят вниз |
Сопоставляйте число элементов с вместимостью заполняющихся подуровней: например, d вмещает 10 электронов, а f — 14. Стрелки показывают общую последовательность, но конкретные конфигурации отдельных атомов могут иметь особенности. Ряды f-блока остаются частью соответствующего периода, даже если в таблице они показаны отдельно.
Задача. Записать распределение электронов по уровням и электронную конфигурацию атома калия, порядковый номер которого 19. Нейтральный атом калия содержит 19 электронов, так как число электронов равно заряду ядра по модулю. Распределять их нужно в порядке заполнения подуровней.
Ответ: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹; распределение по уровням — 2, 8, 8, 1. Наличие электрона на четвёртом уровне согласуется с положением калия в четвёртом периоде. Последний электрон занимает s-подуровень.
Задача. Определить, на каком подуровне находится последний электрон атома железа (Z = 26), и указать положение железа в системе. Атом железа содержит 26 электронов. Нужно проследить заполнение от начала оболочки, не путать внешний уровень с подуровнем последнего электрона.
Ответ: последний электрон находится на 3d-подуровне; железо — элемент четвёртого периода и d-блока, переходный элемент. Эта задача показывает, почему номер периода нельзя принимать за номер подуровня, который заполняется последним. Для ответа нужны и конфигурация, и число занятых уровней.
Задача. Для атома церия (Z = 58) определить, какие подуровни заполняются после 6s, и объяснить положение элемента в шестом периоде. Сначала учитываем, что церий имеет 58 электронов, а ксенон даёт конфигурацию первых 54 электронов. Далее рассматриваем заполнение подуровней шестого периода.
Ответ: после 6s начинается заполнение 4f, а у церия конфигурация включает также 5d¹. Церий относится к шестому периоду и ряду лантаноидов. Его пример показывает, почему f-подуровень на схеме таблицы может быть вынесен отдельно.
Первая ошибка — считать, что номер периода всегда указывает подуровень последнего электрона. Это возникает из-за смешения числа занятых уровней с очередностью заполнения подуровней: у железа период четвёртый, но последний электрон занимает 3d. Проверьте отдельно максимальный номер занятого уровня и подуровень, на который добавлен последний электрон.
Вторая ошибка — представлять большие периоды как последовательное заполнение целых уровней. При таком подходе пропускают переходы между s-, d- и f-подуровнями и получают неверные конфигурации. Для самопроверки сверяйте порядок заполнения: после 4s следует 3d, а после 6s в шестом периоде начинается заполнение 4f.
Третья ошибка — путать номер уровня с числом электронов на нём. Номер показывает оболочку, а её электроёмкость зависит от входящих в неё подуровней. Чтобы проверить распределение, складывайте электроны на уровнях отдельно и сравнивайте общую сумму с порядковым номером элемента.
Четвёртая ошибка — считать лантаноиды и актиноиды элементами вне периодической системы. Их часто видят отдельно от основной таблицы и делают неверный вывод об их положении. Проверьте номер периода: лантаноиды относятся к шестому, актиноиды — к седьмому; нижнее расположение нужно для компактности.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, заряде ядра и порядковом номере: у нейтрального атома число электронов равно порядковому номеру. Также необходимо знать энергетические уровни и вместимость s-, p-, d- и f-подуровней. Эти сведения позволяют составлять электронные конфигурации и объяснять положение элементов в периодической системе.
Тема помогает разбирать строение атомов переходных элементов и понимать периодическое изменение свойств. Если конфигурация показывает, какие электроны добавляются при переходе от элемента к элементу, становится яснее, почему элементы объединяются в блоки. Эти умения пригодятся при сравнении атомов и объяснении положения элемента в таблице.
Почему в больших периодах число элементов больше, чем в малых?
В больших периодах электроны заполняют не только подуровни внешнего уровня, но и d- или f-подуровни внутренних уровней. На этих подуровнях могут разместиться дополнительные электроны, поэтому период включает больше элементов.
Почему в четвёртом периоде после 4s заполняется 3d, а не 4p?
В атомах на этом этапе подуровень 4s оказывается энергетически выгоднее для заполнения, чем 3d, поэтому сначала появляются калий и кальций с электронами 4s. Затем заполняется 3d, а после него — 4p.
Как связаны номер периода и число электронных уровней в атоме?
У атомов элементов одного периода заняты уровни с одинаковым наибольшим главным квантовым числом. Поэтому число энергетических уровней, на которых есть электроны, соответствует номеру периода.
Почему лантаноиды и актиноиды вынесены в нижнюю часть таблицы?
Они входят соответственно в шестой и седьмой периоды, но образуют длинные ряды элементов с заполняющимися f-подуровнями. Их выносят вниз, чтобы периодическая таблица была компактнее и удобнее для чтения.
Как по электронной конфигурации определить, к какому блоку относится элемент?
Нужно посмотреть, на каком подуровне находится последний добавленный электрон: s, p, d или f. По нему определяют s-, p-, d- или f-блок; для элементов больших периодов особенно важно учитывать заполнение внутренних d- и f-подуровней.
§ 2. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева. Заполнение электронами оболочек атомов элементов больших периодов
