Электронная структура атомов и свойства химических элементов

УДК 54

А.Ф. ФЕДОРОВ

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА АТОМОВ И СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Ключевые слова: элементы s-, p-, d-, f-, g-, h-семейств, электронная формула, шахматноклеточная форма, группы и подгруппы, спиральная таблица, валентные электроны, валентность, таблица Д.И. Менделеева.

Предложена общая электронная формула элементов s-, p-, d-, f-, g- и других семейств. Предложена периодическая система элементов Д.И. Менделеева в спиральной форме. Изучены структуры периодов и также возможной восьмой подгруппы f-, g- и других семейств элементов. Показано, что периодическая система Д.И. Менделеева должна завершить свое развитие после формирования 14-го пер-иода. Определены номера подгрупп элементов f- семейства. Изучены валентные свойства тяжелых и сверхтяжелых элементов.

A.F. FYODOROV ELECTRONIC STRUCTURE OF ATOMS AND THE PROPERTIES OF CHEMICAL ELEMENTS

Key words: elements of s-, p-, d-, f-, g-, h-families, electronic formula, chess-cellular form, groups and subgroups, spiral table, valence electrons, the valency, the chart by D.I. Mendeleyev.

The common electronic formula of the elements of s-, p-, d-, f-, g- and other families is suggested.

The periodic system of the elements by D.I. Mendeleyev in spiral form is suggested. Structures ofperiods and possible the eighth subgroup off-, g- and other families of elements are studied. It is shown that the periodic system by D.I. Mendeleyev must complete its development after forming of the fourteenth period. The numbers of subgroups of the elements off- family are determined. The valence properties of heavy and overheavy elements are studied.

Основные химические свойства известных и вновь открываемых и гипотетически ожидаемых элементов зависят в основном от электронной структуры атомов. В свою очередь, электронную структуру этих атомов химических элементов s-, p-, d-, f-, g-, h- и других семейств в общем виде можно изобразить следующей электронной формулой:

1-21111 ns ^ (n-1)d ^ (n-2)f ^ (n-3)g ^ (n-4)h

2-22 2-18 2-14 2-10 1-6

... ^

Электронную структуру общеизвестных элементов можно определить следующей упрощенной электронной формулой [1]:

1-2 1 1-14 2-10 1-6

ns ^

Вышеприведенная формула (2) определяет общую структуру периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева шахматно-клеточной формы, где элементы f-семейства вынесены за пределы таблицы, что затрудняет изучение свойств этих элементов. Кроме того, во многих учебниках химии все чаще приводятся длиннопериодные таблицы элементов, где элементы f-семейства также остались обезличенными, т.е. без указания соответствующих их номеров групп.

С целью решения данного вопроса на основе электронных формул (1) и (2) нами предложена длиннопериодная таблица Д.И. Менделеева в шахматно-клеточной форме. В этой таблице элементы ^семейства расположены по своим соответствующим группам и подгруппам, что расширяет знания в изучении свойств этих элементов (рис. 1). Кроме того, в этой таблице приведена структура подгрупп со смешанными семействами элементов.

Наряду с этим периодическую систему химических элементов Д.И. Менделеева можно изобразить в наиболее рациональной форме в виде непрерывно развивающейся спиральной формы (рис. 2). В этой таблице химические элементы ^семейства также расположены по своим соответствующим подгруппам от 1Б' до VIII В'. Из приведенных выше таблиц видно, что структура восьмой группы элементов !>, g- и т.д. значительно усложняется в сторону увеличения числа элементов каждого следующего семейства на четыре, например, 7 ^элементов; 11 g-элементов и т.д.

Таким образом, предлагаемые конструкции таблиц позволяют объяснить основные свойства элементов, особенно элементов ^семейства.

В табл. 1 химические элементы расположены по периодам и подгруппам и приводятся их основные химические свойства - это окончания электронных формул (валентные электроны), валентности как в стационарном (Вст), так и в возбужденном (В ) состояниях.

Исходя из вышеприведенных данных и пользуясь характеристикой электронной структуры атомов, можно установить общую закономерность изменения химических свойств элементов как по группам сверху вниз, так и по периодам слева направо - это вопросы изучения электронной структуры, особенно тяжелых и сверхтяжелых элементов. В предлагаемых таблицах периодической системы элементов Д.И. Менделеева как в спиральной форме, так и в длиннопериодном варианте устанавливается общая закономерность расположение элементов ^, g- и других семейств, где систематизированы элементы ^семейства по соответствующим группам и подгруппам. Также показаны сложность и изменение структуры восьмой группы таблицы химических элементов, особенно элементов ^, g- и других семейств. Например, в этой группе число элементов ё-, 1>, g- и других семейств увеличивается на постоянную величину четыре. Отсюда в восьмой группе будут находиться 7 элементов !> семейств, 11 элементов g-семейства и т.д.

Предлагаемая общая электронная формула (2) позволяет изучить и анализировать сложную электронную структуру не только известных химических элементов, но и тяжелых и сверхтяжелых атомов элементов с порядковым номером 118 и более. В свою очередь, электронная структура атомов определяет общие закономерности изменения химических свойств в таблице Д. И. Менделеева по группам сверху вниз и по периодам слева направо как известных, так и вновь открываемых элементов [2-4].

№ ри- ода 51 8* (I1 ^*14 1 элементы П 14 И элементы

ГРУППЫ И ПОДГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ

1А ПА шв пгв* УВ’ V* У11В* УШВ* Ю# ИВ* ШВ' 1УВ УВ УЮ \Л1В УШВ 1В ПВ ША 1УА УА У1А УНА УША

1 —Г н 0.008 1 Н 0008 Не 4.003

2 т и 6.94 1 "4 Вс 9.013  7 в с 7 N " 8 о 9 Р 3 и 4 Вс 5 В 6 С 7 N 8 О 9 Г 3 и 4 Ве ' В 10.82 6 С 12.011 7 N 14088 8 О 16.004 9 Р 19.00 10 Яе 20.138

3 гт N3 22.991 12 Мр " \7 А1 ТТ 51 15 Р 16 Б  тл а и \а 12 13 А1 14 & 15 Р 16 Б 17 С! II Ма 12 мв 13 А1 14 & 28.09 15 Р 30 975 16 Б 32.066 17 а 34.457 1в Ат 39.944

4 19 К 39.10 20 Са 40.08 1 2Т & 44 96 Т1 И V 24 Сг " Мп Ре ' Со 28 № К Си Са 7л & Са Т1 47.90 : • V 50 94 :4 а 52.01 Мп 54.94 Ис 55 85 27 Со 58.94 58 N1 58.71 29 Си 63.54 35' 7л 65 38 31 Сл 69.72 3^ Се 72 60 33 А$ 7491 34 Бе 78 96 *5 Вт 79.916 36 Кг 83.80

5 ““37 кь 85.48 3* & 8763  У 88 92 : а 41 № 42 Мо 43 Тс 44 Яи - --ад КЬ 46 Рй № А? & С<1 У .1п • гг 91.22 4! М> 92.71 42 Мо 95.95 4? Тс [97] 44 Ки 101.1 45 КЬ 10291 46 Р<1 106.4 47 Ав 107.88 48 са 112.41 49 ,1п 114.82 50 8п 118.70 51 БЬ 121 76 $2 Те 127 61 53 ) 126.91 54 Хе 131.30

6 55 С* 132.91 56 Ва 137 36 57 Ьа 13892 Я Се 140.13 5? Рг 140.92 бО- Кс! 144.27 —гг Рт

7 87 ¥г 1223) «» Яа [2261  8У Ас [227] 9ГГ ТН 232.04 9Г Ра [231] ЯГ и 238.03 5Г [237] - м-Ри [242] —ЯГ Ат (243] тж Ст (247] 97 Вк 1-47] « СГ [249] щ Е$ (254) ТОГ Рт [253] ГОГ Ш [256] 102 N0 [255] 10? и [256] 104 Ки [264] 105 N5 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118

Рис. 1. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Рис.2. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева спиральной формы

Спиральная форма таблицы Д.И. Менделеева, выведенная из общей электронной формулы, позволяет решить многие сложные вопросы, например, определять структуру периодов, закономерности формирования таблицы и составных ее элементов от начала и до конца таблицы; окончания электронных формул элементов - валентные электроны (валентность элементов); общие закономерности изменения химических свойств за счет изменения атомных радиусов, энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности, окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств и т.д. [1].

При рассмотрении возможного окончания таблицы химических элементов Д.И. Менделеева необходимо исходить из следующего общепринятого положения о том, что периодическая система элементов состоит из восьми групп (1-УШ). Из этого следует, что в конечном итоге в каждой группе должно быть восемь семейств элементов, т.е. восемь подгрупп. Отсюда окончание таблицы элементов можно описать следующей электронной формулой:

1-2 11 1 11 1-30

ш — (п-1) d — (п-2) f — (п-3) g — (п-4) И — (п-5) с — (п-6) 1 —

2-26 2-22 2-18 2-14 10 1-6

Из этой формулы следует, что периодическая система Д.И. Менделеева завершает свое развитие после формирования 14-го периода в полном объеме.

Характер изменения некоторых химических свойств элементов по периоду слева направо и по группам сверху вниз в таблице Д.И. Менделеева показан в табл.2. - это окислительно-восстановительные, кислотно-основные и общие закономерности изменения их по периодам таблицы Д.И. Менделеева слева направо (А) и сверху вниз (Б).

Таблица 1

№ Группы химических элементов

пе- I II III IV

ри- ода

1. Н водород

1 Вст =В*=1

2 3. Ы литий 2§12р0—2я12р0 Вст=В*=1 4. Ве бериллий 2822р0^812р1 В =0; В*=2; ст. 5. В бор 2з22р1—2з12р2 В =1; В* =3; ст. 6. С углерод 2з22р2— 2з12р3 В =2; В*=4; ст.

3 11. Ыа натрий 3813Р° В =В*=1 ст. 12. Mg магний 382 3р0^381 3р1 В =0; В*=2; ст. 13. А! алюминий 352 3р1— 351 3р2 В =1; В*=3; ст. 14. кремний 3з2 3р2—351 3р3 В =2; В*=4; ст.

4 19. Ка калий 4814р0 В =В*=1 ст. 20. Са кальций 4§24р0^4§14р1 В =0; В*=2; ст. 21. Бс скандий 3^14э2 — Эа14в14р1 В =0; В*=3; ст. 22. Т титан 3а2452—3а24514р1 В =0; В*=4; ст.

29. Си купрум 3^9452^3ё94514р1 Вст=1; В*=2, 3; 30. 7п цинк 3а_104в2 —3а104$14р1 В =0; В*=2; ст. 31. Оа галлий 4з24р1— 4з14р2 В =1; В*=3; ст. 32. Ое германий 4з24р2—4з14р3 В =2; В*=4; ст.

5 37. ЯЪ рубидий 5815Р° Вст=В*=1 38. Бг стронций 5825р0-5815р1 В =0; В*=2; ст. 39. У иттрий 4а1 5з2— 4а1 5815,1 В =0; В*=3; ст. 40. 7г цирконий 4^2552— 4а25515р1 В =0; В*=4; ст.

47. Ag серебро 4^9552—4а95я15р1 В =0; В*=1, 3; ст. 48. Са кадмий 4^10532—^4а105в15р1 В =0; В*=1, 2; ст. 49. 1п индий 5з2 5р1—531 5,2 В =1; В*=3; ст. 50. Бп олово 5з2 5р2—551 5р3 В =2; В*=4; ст.

55. С8 цезий б816р0 В =В*=1 ст. 56. Ва барий 6з26р0—6в16р1 В =0; В*=2; ст. 57. Ьа лантан 5^16э2—5а16в16р1 В =0; В*=3; ст. 58. Се церий 4^^15а16в2—4Г15а16$16р1 В =0; В*=4; ст.

6 69. Тт туллий 4|125а16$2—...6э16р1 В =0; В =5; ст. 70. УЪ иттербий 4|135а1б$2—...бв1бр1 В =0; В *=4; ст. 71. Ьи лютеций 4^'145а16в2—...6в16р1 В =0; В*=3; ст. 72. Н гафний 5а26в2—5а26в16р1 В =0; В *=4; ст.

79. Аи золото 5^9 6э2—5ё9 6в16р1 В =0; В*=3; ст. 80. Н ртуть 5^10652 — 5а10бв1бр1 В =0; В*=2; ст. 81. Те таллий 652 6р1—651 6р2 В =1; В*=3; ст. 82. РЪ свинец 652 6р2—651 6р3 В =2; В*=4; ст.

87. Гг франций 7817р0 В =В*=1; ст. 88. Яа радий 7з27р0 В =0; В*=2; ст. 89. Ас актиний 6а1 652—6а1 6516р1 В =0; В*=3; ст. 90. ТИ торий 5£16а17з2 В =0; В*=4; ст.

7 101. ма менделеевий 5£126ё1782 В =0; В *=5; ст. 102. N0 нобелий 5|436а17$2—...7в17р1 В =0; В*=2, 4; ст. 103. Ьг лоуренсий 5^'14ба17в2—6а17в17р1 В =0; В*=3; ст. 104. Ки курчатовий 6а2752— 6а27517р1 В =0; В *=4; ст.

№ пе- ри- ода Группы химических элементов

V 1 VI 1 VII 1 VIII

1 2. Не гелий 182 В =0; В*=0; ст

2 7. N азот 2822р3—2812р4 В =3; В*=3; ст. 8. О кислород 28^ 2812р5 В =2; В*=2; ст. 9. Е фтор 2822р5 В =1; В*=1; ст. 10. № неон 2822р6 В =В*=0; ст.

3 15. Р фосфор 3823р3— 3813р4 В =3; В *=5; ст. 16. Б сера 3823р4^ 3813р5 В =2; В *=4 и 6; ст. 17. С1 хлор 3823р5^3813р6 В =1; В*=1,3,5,7; ст. 18. Аг аргон 3823р6 В =0; В*=0; ст.

4 23. V ванадий за3452^за34514р1 В =0; В *=5; ст. 24. Сг хром 3а4482^ 3а44814р1 В =0; В*=6; ст. 25. Мп марганец 4а54й^4а54514р1 В =0; В*=7; ст. 26. Ее, Со, Ni 3d6482;; 3d7482 ; 3d8482; В =0; В*=2,3,4,5; В*=2,3,4; ст.

33. А8 мышьяк 4824р3— 4813р4 В =3; В *=5; ст. 34. Бе селен 4824р4-4814р5 В =2; В *=4,6; ст. 35. Бг бром 4§24р5^ 4§14р34ё3 В =1; В *=3,5,7; ст. 36. Кг криптон 4824р6 В =В*=0; ст.

5 41. № ниобий 4^5"2^ 4іі35!і15р1 В =0; В *=5; ст. 42. Мо молибден 4^4582 ^ 4^45815р1 В =0; В*=6; ст. 43. Тс технеций 4(!55й^ 4^5"15р1 В =0; В*=7; ст. 44. Яи, 45.ЯЬ, 46.Pd 4d6582; 4d75s2; 4d8582 В*=...8; В*=...8; В*=...8;

51. БЪ сурьма 5825р3— 5815р35Ш В =3; В *=5; ст. 52. Те теллур 5825р4^5815р35ё2 В =2; В*=4,6; ст. 53. I йод 5825р5^5§15р35ё3 В =1; В *=3,5,7; ст. 54. Хе ксенон 5825р6 В =В*=0; ст.

6 59. Рг прозеодим 4£25а16в2 В =0; В *=5; ст. 60. Nd неодим 4|35ё1682 В =0; В*=6; ст. 61. Рт прометий 4^45а16в2 В =0; В *=7; ст. 62. Бш...68.Ег 4f5 5d16s2 В =0; 41 ст. В*=8;..4f115d1682; В*=6;

73. Та тантал 5^36є2^ 5^36в16р1 В =0; В *=5; ст. 74. Ш вольфрам 5d4682—^5d468l6p1 В =0; В*=6; ст. 75. Яе рений 5^56з2^ 5^56в16р1 В =0; В *=7; ст. 76. 08, 77. 1г, 78. Р ^6682” 5d7682; 5d86s2; В*=6; В*=5; В*=4;

83. ВІ висмут б826^ 68™ В =3; В *=5; ст. 84. Ро полоний 6826р4—6816р36<12 В =2; В*=4,6; ст. 85. Л1 астат б826р^б816р36<Е В =1; В*=3,5,7; ст. 86. Яп радон 6826р6 В =0; В*=0; ст.

7 91. Ра протактиний 5|2ба17$2^2ба17$17р1 В =0; В *=5; ст. 92.и уран 5f36d17s2—5f36d17s17p1 В =0; В*=6; ст. 93. Ыр нептуний ба17$2^5Г4ба17$17р1 В =0; В *=7; ст. 94. Ри,...100.Еш ^5 6d1782; 5f116d1782 В =0; В =0; В*=8; В*=8; ст. ст.

105. N8 нильсборий ба3752^ ба37817р1 В =0; В *=5; ст. 106. 6d4782— 6d478l7p1 В =0; В*=6; ст. 107. ба57й^ ба57517р1 В =0; В *=7; ст. 108. 6d 6782—6d 5 6£17817р1 В =0; В*=8; ст.

Таблица 2

Характеристики элементов А Б

Атомный радиус уменьшается увеличивается

Энергия ионизации увеличивается уменьшается

Сродство к электрону увеличивается уменьшается

Электроотрицательность увеличивается уменьшается

Кислотные свойства увеличивают- уменьшаются

Основные свойства уменьшаются усиливаются

Интенсивность окраски соединений усиливается усиливается

Ионный характер химической связи соединений (степень ионности) уменьшается увеличивается

Поляризующие действия катиона увеличивается уменьшается

Из приведенных выше данных видно, что электронную структуру как тяжелых, так и сверхтяжелых элементов (s-, p-, d-, f-, g- и других семейств) можно определить по предлагаемой формуле (2). Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, изложенная в спиральной форме, позволяет наиболее полно определить основные свойства как известных, так и вновь открываемых элементов.

Литература

1. Федоров А.Ф. Общая химия. Строение атома и периодическая система элементов. Методические указания / А. Ф. Федоров, К.Н. Вишневская, Л.П. Железнова. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1984 .

2. Макареня А.А. Д.И. Менделеев о радиоактивности и сложности элементов / А.А. Ма-кареня. М.: Атомиздат, 1975. С. 27-95.

3. Сиборг Г.Т. Расширение пределов периодической системы - ВКН / Г.Т. Сиборг // Сто лет периодического закона химических элементов. М.: Наука, 1971. C. 21-39.

4. Сыркин Я.К. Периодическая система и проблема валентности / Я.К. Сыркин// Сто лет периодического закона химических элементов. М.: Наука, 1971. C. 85-102.

ФЕДОРОВ АЛЕКСЕЙ ФЕДОРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой экологии и материаловедения, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (oper@chuvsu.ru).

FYODOROV ALEXEY FYODOROVICH - candidate of technical sciences, assistant professor, managing chair of ecology and material leading, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.