Периодичность свойств элементов, открытая Менделеевым, получает на основе кванто- вой механики естественное объяснение. Она связана с перио- дичностью в заполнении внешнего слоя, на котором может быть максимум 8 электронов (s- и /?-термы) и который определяет не только оптические, но и химические (см. ниже § 27) свойства атомов. Поэтому в зависимости от числа электронов на внешней орбите все элементы делятся на восемь групп (см. вклейку в конце книги). У элементов первой группы (водород и щелочные металлы) во внешнем слое имеется один электрон. Это приводит к тому, что оптические термы (за исключением s-терма) имеют дублет- ную структуру, а сами элементы, как будет показано ниже, яв- ляются одновалентными1. У элементов второй группы — щелоч- ноземельные металлы (берилий, магний, кальций и т. д)—- имеется два валентных электрона и поэтому спектральные термы их должны быть синглетными и триплетными, а валентность равняться двум. У элементов третьей группы во внешнем слое находится три электрона, и поэтому максимальное расщепление их оптических термов должно равняться четырем (квартеты), а максимальная валентность — тре*м. В 7-й группе галогенов (фтор, хлор и т. д.), наоборот, не хва- тает до заполнения слоя одного электрона. Поэтому наряду с максимальной положительной валентностью, равной семи, они могут быть в так называемых ионных соединениях одновалент- ными, т. е. обладать одной отрицательной валентностью. Нако- нец, в группе инертных газов (неон, аргон, криптон и т. д.) старый внешний слой полностью заполнен, а новый еще не на- чал заполняться, благодаря чему их относят к восьмой группе. Однако из этого общего правила (наличие в каждом периоде восьми элементов) имеется ряд исключений. Первое исключение представляет собой водород (Z=l) и гелий (Z=2), образующие первый период. В этом периоде имеется не восемь элементов, а всего лишь два. Это связано с тем обстоятельством, что /(-слой не включает р-оболочки. Следовательно, эти элементы обладают до некоторой степени двойственными свойствами. В самом деле, по числу электронов во внешнем слое водород, как мы уже отмечали, должен повторять химические и оптиче- ские свойства щелочных металлов. Как известно, у тех и других максимальное расщепление спектральных термоз равняется 1 Более подробно проблему валентности мы разберем в § 27, посвящен- ном образованию молекул Здесь же, забегая вперед, ограничимся небольшим замечанием о том, что число электронов во внешнем слое определяет поло- жительную ионную валентность (или минимальною спиновую), а число не- достающих до восьми — отрицательную 372 ч^сть ш теория многих частиц двум, а валентность единице. Однако по числу недостающих электронов водород напоминает группу галогенов (не хватает до заполнения внешнего слоя одного электрона), а поэтому он может присоединять лишний, в юрой электрон, образуя, подобно галогенам, отрицательно заряженный ион. Гелий по числу электронов во внешнем слое (два электрона) должен напоминать собой щелочноземельные элементы второй группы. Как у гелия, так и у щелочноземельных элементов спек- тральные термы должны представлять собой либо синглеты (спин равен нулю), либо триплеты (спин равен единице). Одна- ко по своим химическим свойствам гелий является типичным представителем инертных газов, так как у него внешний /(-слой полностью заполнен, и поэтому он ни в какие химические реак- ции в принципе не должен вступать (см. стр. 411). Как видно из периодической таблицы Менделеева, начинал со скандия (Z == 21) и кончая никелем (Z = 28) идет заполне- ние внутренней 3d оболочки (см. приложение в конце книги). Если в последнем случае группу определить общим числом электронов, находящихся в оболочках 3d и 4s, то приходится вводить еще группы (IX) и (X). Последние носят формальный характер и никоим образом не характеризуют валентность, определяемую вообще числом некомпенсированных спинов (см. стр. 410), которых не может быть более восьми. По своим свой- ствам железо (Z = 26), кобальт (Z = 27) и никель (Z = 28) по- хожи друг на друга и поэтому, если исходить из химических или физических свойств, их часто объединяют в одну группу. В частности, они обладают особыми ферромагнитными свой- ствами, обусловленными некомпенсированными спинами 3d- электронов во внутреннем слое. Это связано с тем обстоятель- ством, что при образовании кристаллической решетки термы 3d оказываются энергетически более выгодными, чем оставшиеся термы, где спины этих электронов скомпенсированы *. После ферромагнитных атомов, начиная с меди (Z = 29) и кончая криптоном (Z = 36), заполняются сначала 45, а затем 4р-оболочки. Криптон завершает построение Л!-слоя (п = 4) и поэтому по своим оптическим и химическим свойствам относится к инертным газам. Как мы отметили, пятый период, начиная со щелочного металла рубидия (Z = 37) и кончая инертным газом ксеноном (Z = 54), целиком повторяет четвертый период и ни- каких новых особенностей не содержит. 1 Кстати заметим, что ферромагнитными свойствами могут обладать эле- менты, у которых не скомпенсированы спины и во втором внутреннем слое D/-оболочка). Такой ферромагнитный элемент был открыт в группе редких земель; им оказался гадолиний (Z = 64). § 25. Строение сложных атомов 373 Квантовая теория позволила также вскрыть особенности за- полнения электронных слоев элементов группы лантанидов. Для атомов этих элементов характерно последовательное за- полнение глубоко лежащей 4/-оболочки (второй внутренний Af-слой), начиная от церия (Z —58) и кончая лютецием (Z = 71). Поскольку химические свойства определяются в основном элек- тронами внешнего слоя, все элементы группы лантанидов ока- зываются еще более близкими в химическом отношении, чем элементы, у которых заполняется первая внутренняя оболочка d. В связи с анализом группы лантанидов следует заметить, что долгое время гафний (Z = 72) также относился к этой группе. Однако теоретический анализ, проведенный Бором, показал, что в этой группе не может быть более 14 элементов (возможное число /-состояний). Тщательные эксперименты подтвердили, что гафний повторяет свойства циркония. Аналогом группы лантанидов в последнем, седьмом периоде является группа актинидов. Для элементов этой группы, следую- щих за актинием, начиная с тория (Z = 90), характерно запол- нение глубоко лежащих Ц-термов О-слоя A4 элементов) при полностью заполненных 6s-, 6/?-, 75-термов. Заканчивается груп- па актинидов лоуренсием (Z = 103). Недавно открытый курча- товий (Z = 104) должен по всей вероятности явиться химиче- ским аналогом гафния. Заметим, что элемент 102 вначале был открыт в Нобелевском институте в Стокгольме и был назван нобелием (No). Впослед- ствии советскими и американскими учеными были открыты дру- гие изотопы этого элемента, а существование первоначального поставлено под сомнение. Вопрос о возможном числе элементов, которые могут быть приготовлены искусственным путем и обнаружены эксперимен- тально, а также вопрос о конце периодической системы пока окончательно еще не решен. Однако сейчас становится ясным, что граница периодической системы обусловлена неустойчи- востью ядер,
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Периодичность свойств элементов» з дисципліни «Квантова механіка і атомна фізика»
