Електронні оболонки атомів і Періодичний закон

Тепер, коли ми вміємо складати електронні формули самих різних елементів і знаємо основні типи хімічного зв’язку, можна порівняти елементи між собою і вибрати серед них ті, які проявляють схожі хімічні властивості.

Про які властивості піде мова ? Це може бути валентність, ступінь окислення, тип хімічного зв’язку, формули сполук з воднем і киснем, окислювальні і відновні властивості.

Ми вже знаємо, що хімічні властивості елемента визначаються його зовнішньої електронної оболонкою. Оскільки саме ці зовнішні електрони відповідальні за освіту зв’язків з іншими атомами, такі електрони називаються валентними електронами.

Виберемо серед елементів ті, які мають схожі валентні оболонки. Для цього заглянемо в таблицю електронних конфігурацій елементів (з 1 по 36).

Водень Н (заряд ядра Z = 1) має валентну оболонку 1s1. Аналогічну валентну оболонку – тільки на більш далекій від ядра рівні 2s1 – має елемент літій Li (Z = 3). Валентну оболонку 3s1 має елемент натрій Na (Z = 11), валентну оболонку 4s1 – елемент калій K (Z = 19), оболонку 5s1 – рубідій Rb (Z = 37), оболонку 6s1 – цезій Cs (Z = 55) і, нарешті, найвіддаленішу від ядра валентну оболонку такого типу 7s1 має елемент францій Fr (Z = 87) – таблиця 4-1. Всі ці елементи повинні мати подібні хімічні та фізичні властивості. По-перше, вони повинні бути одновалентних, тому що можуть віддавати з зовнішнього рівня тільки один електрон для освіти однієї пари електронів, поділеної з атомом якогось іншого елемента.

По-друге, всі перераховані елементи повинні охоче віддавати свій єдиний зовнішній електрон в хімічних реакціях з іншими атомами. Дійсно, для них це найшвидший шлях придбання завершеною електронної оболонки, подібної зовнішній оболонці одного з інертних газів. Наприклад, метал натрій повинен легко перетворюватися на іони натрію Na +:

Na (1s12s22p63s1) – 1e – = Na + (1s12s22p6 – оболонка інертного газу неону Ne)

Іншими словами, всі перераховані в таблиці 4-1 елементи повинні бути хорошими восстановителями, легко віддають свої електрони окислителям. У своїх сполуках з іншими елементами вони, як уже зазначалося вище, повинні бути одновалентних, а в іонних сполуках існувати у вигляді однозарядних позитивних іонів. Найчастіше їх ступінь окислення повинна дорівнювати +1. Покажемо це на прикладах зміни ступенів окислення в окисно -відновних реакціях за участю Na і K. По-третє, самі ці елементи повинні бути металами, тому що їх атоми можуть зв’язуватися між собою тільки металевим зв’язком. Як ви пам’ятаєте, мале число валентних електронів не дає можливості атомам елемента зв’язатись між собою октетное, завершеними молекулярними електронними оболонками, тому вони утворюють іонну кристалічну решітку, яку омиває ” електронний газ ” (саме такий вид хімічного зв’язку називається металевим зв’язком).

Виняток повинен становити ВОДЕНЬ – йому до завершеної електронної оболонки 1s2 не вистачає всього 1 – го електрона, тому атом водню утворює з іншим атомом водню не металевою, а звичайну ковалентний зв’язок H: H.

Таким чином, незважаючи на деякі відмінності у властивостях, всі елементи з табл. 4-1 можна вважати певною групою схожих між собою елементів.

Але в цьому випадку задамося питанням: якщо Li (Z = 3) і Na (Z = 11) є однотипними елементами, то що відбувається “на шляху ” від Li до Na, тобто при зростанні заряду ядра від 3 до 11 ? Які властивості мають елементи з Z = 4, 5, 6,… 10 ?

Виявляється, властивості цих елементів змінюються поступово – в міру заповнення зовнішніх електронних оболонок все зростаючим числом електронів. Але тільки до певної межі ! Елемент з зарядом ядра Z = 10 (інертний газ неон) вже дуже сильно відрізняється за своїми властивостями від елемента Li, але буквально наступний за неоном елемент Na (Z = 11) є хімічним аналогом літію !

Це явище легко пояснити з точки зору електронної будови атомів. Дійсно, якщо електронні рівні заповнюються від елемента до елементу поступово, то рано чи пізно електронні конфігурації зовнішніх електронних оболонок повинні повторюватися. А раз так, то повинні повторюватися і хімічні особливості в поведінці елементів.

Посилання на основну публікацію