Ахметов М, Бележки по лекция по обща химия, сп. "Химия" № 20
Продължение. Вижте началото в No 8, 12, 13/2004
Периодичният закон - основен закон на природата - е открит от Д. И. Менделеев през 1869 г. Законът установява определена връзка между свойствата на даден елемент (елемент е съвкупност от атоми, характеризиращи се със същия ядрен заряд) и неговата най-важна характеристика - сериен номер в периодичната система от химични елементи.
Първоначалният периодичен закон е формулиран, както следва: свойствата на простите вещества, както и формите и свойствата на съединенията на елементите, са периодично зависими от атомните маси на елементите.
С развитието на знанията за строежа на атома периодичният закон получи строга теоретична основа и заедно с това нова формулировка: свойствата на простите вещества, както и формите и свойствата на съединенията на елементи, периодично зависят от заряда на ядрата на техните атоми. Тази формулировка не променя същността на периодичния закон, а само задълбочава нашето разбиране за него.
Естествено е да се приеме, че свойствата на простите вещества, както и свойствата на съединенията, до голяма степен се определят от свойствата на атомите, които ги образуват. На тази основа може да се предложи трета формулировка на периодичния закон: свойствата на отделните атоми периодично зависят от заряда на техните ядра.
Несъмнено свойствата на отделните атоми са свързани преди всичко със структурата на техните електронни обвивки (начина, по който електроните се разпределят в атомите). Следователно можем да предложим четвърта формулировка на периодичния закон: електронната структура на атомите периодично зависи от заряда на техните ядра.
Нека разгледаме зависимостта от ядрения заряд на следните свойства на отделните атоми: максималният брой електрони, които могат едновременно и стабилно да бъдат в полето на привличане на атомното ядро, енергии на електронни нива, орбитални и ефективни радиуси на атомите, йонизационни енергии, електронен афинитет.
Нека започнем с максималния брой електрони, които могат да бъдат в полето за привличане на ядрото. Периодичността в свойствата на атомите е свързана преди всичко с тази характеристика. Така че, в атомите от 1-ви период е невъзможно да се намерят едновременно повече от 2 електрона, в атомите от 2-ри период - повече от 10 (2 електрона в първия електронен слой и 8 във втория) и в атомите на 3-ти период - повече от 18 електрона (фиг. 2.1).
Фигура: 2.1.
Максимална бройна зависимост
електрони в атом от заряда на ядрото му
Един електрон не е в състояние напълно да скринира ядрото със заряд +1 или +2, а два електрона се справят добре. Следователно хелийът е напълно инертен и не образува съединения. Водородният атом също е в състояние да прикачи електрон, за да образува доста стабилен хидриден йон H -, а H 2– частицата е неизвестна.
С увеличаване на ядрения заряд до +3 (Li), два електрона стават недостатъчни. В случая с лития обаче има значително скрининг на ядрото от електроните на първия електронен слой (който може да съдържа само два електрона). Третият електрон се форсира във втория електронен слой (2-ри период). В резултат на това той е слабо свързан с ядрото, а оттам и способността на лития лесно да дарява електрон.
Тъй като капацитетът на втория електронен слой е осем електрона, ядрото на литиев атом може по принцип да има десет електрона едновременно (два в първия електронен слой и осем във втория). Това обаче никога не е било наблюдавано поради незначителния заряд на литиевото ядро в сравнение с общия заряд на прогнозния брой електрони.
По-нататъшното увеличаване на ядрения заряд води до увеличаване на способността за задържане на електрони във втория електронен слой. Пълният скрининг на ядрото се постига, когато във втория електронен слой има осем електрона (Ne атом). В случая с третия електронен слой се извършва пълен скрининг в присъствието на осемнадесет електрона в него, въпреки че вече осем електрона в този слой съответстват на достатъчно ефективен „метастабилен“ скрининг на ядрото (инертен газ Ar).
Метастабилността на електронната конфигурация на аргона се потвърждава от неговите химични свойства. Аргонът с донори на електрони (вода, фенол, хидрохинон, ацетон) образува съединения за включване, а с електроотрицателни атоми - възбудители. Хелийът и аргонът са наистина инертни - съединенията на тези газове са неизвестни.
Капацитетът на до осемнадесет електрона в третия електронен слой значително увеличава валентните възможности на елементите от третия период. Например, валентността на сярата в SO3 е шест (има шест електрона във външната (валентна) електронна обвивка на серния атом).
Енергиите на атомните орбитали, по-точно енергиите на електроните, разположени в различни орбитали (орбитални енергии), които зависят от радиусите на атомите, се определят от взаимното привличане на ядрото и електроните, взаимното отблъскване на електроните и отразяват размера и електронната структура на атома.
Орбиталният радиус на несвързан атом се изчислява чрез квантовохимични методи като разстоянието от неговото ядро до максимума на електронната плътност, свързана с последната заета електронна орбитала. Помислете за промените в орбиталните радиуси за някои елементи на периодичната система на Менделеев (Таблица 2.1).
В групи за елементи от същия тип, при движение от горе надолу се наблюдава естествено увеличение на радиусите на орбитата, което е свързано с увеличаване на броя на електронните обвивки. В периоди, когато се движи отляво надясно, като правило, намалява орбиталните радиуси.