Страница 36 из 82
Рис. 11.3. Иллюстрация правила Хунда. При заселении 2p-орбиталей электрон 1 занимает 2px-орбиталь, электрон 2 — 2py, электрон 3 — 2pz. Все они имеют спин, направленный вверх. Электрон 4 обязан будет иметь спин, направленный вниз, чтобы спариться во избежание нарушения принципа Паули
Правило Хунда возникает потому, что оно дает электронные конфигурации с наименьшей возможной энергией. При заселении двух электронов на две разные 2p-орбитали они размещаются в среднем дальше друг от друга, чем при заселении на одну и ту же орбиталь. Энергия уменьшается, поскольку удаление электронов друг от друга приводит к ослаблению взаимного отталкивания электронов. Таким образом, правило Хунда, по сути, требует помещать электроны по возможности на разные орбитали. Хотя факт уменьшения энергии при сохранении электронов неспаренными весьма важен, величина, на которую снижается энергия, незначительна. Поэтому лучше спарить электрон 4 на 2px-орбитали, чем разместить его неспаренным на более высокоэнергетической 3s-орбитали.
Периодическая таблица элементов
Итак, мы изложили правила расселения электронов по энергетическим уровням, изображенным на рис. 11.1. Теперь эти правила будут использоваться для понимания многочисленных свойств атомов и Периодической таблицы элементов. Кроме того, точно такие же правила будут очень важны при обсуждении молекул в последующих главах. Однако сначала нам необходимо познакомиться с Периодической таблицей (рис.11.4).
В Периодической таблице каждому элементу соответствует клетка. В этой клетке записан символ элемента, а также его атомный номер. Атомный номер — это число положительно заряженных протонов в ядре элемента. Для нейтрального атома (в отличие от положительно или отрицательно заряженного иона) атомный номер — это также число отрицательно заряженных электронов. О строении Периодической таблицы будет во всех подробностях рассказано далее. В ее левом верхнем углу расположен водород (символ H, атомный номер 1). В правом верхнем углу находится гелий (символ He, атомный номер 2). Под водородом располагается литий (символ Li, атомный номер 3).
Рис. 11.4. Периодическая таблица элементов
Многие символы являются просто аббревиатурами названий. Но это не всегда так. Например, свинцу (элемент 82) соответствует буквенный символ Pb, производный от латинского названия свинца plumbum. Поскольку по символам не всегда легко понять, как называется элемент, в табл. 11.1 приведены названия, символы и атомные номера элементов. Названия элементов в таблице упорядочены по алфавиту. Если по буквенному символу элемента вы не можете определить его название, просматривайте сверху вниз колонку символов, пока не найдете нужный.
Таблица 11.1. Список элементов (в алфавитном порядке названий)
Элемент
Сим-вол
Атом-ный номер
Азот
N
7
Актиний
Ac
89
Алюминий
Al
13
Америций
Am
95
Аргон
Ar
18
Астат
At
85
Барий
Ba
56
Бериллий
Be
4
Берклий
Bk
97
Бор
B
5
Борий
Bh
107
Бром
Br
35
Ванадий
V
23
Висмут
Bi
83
Водород
H
1
Вольфрам
W
74
Гадолиний
Gd
64
Галлий
Ga
31
Гафний
Hf
72
Гелий
He
2
Германий
Ge
32
Гольмий
Ho
67
Дармштадтий
Ds
110
Диспрозий
Dy
66
Дубний
Db
105
Европий
Eu
63
Железо
Fe
26
Золото
Au
79
Индий
In
49
Иод
I
53
Иридий
Ir
77
Иттербий
Yb
70
Иттрий
Y
39
Кадмий
Cd
48
Калий
K
19
Калифорний
Cf
98
Кальций
Ca
20
Кислород
O
8
Кобальт
Co
27
Коперниций
Cn
112
Кремний
Si
14
Криптон
Kr
36
Ксенон
Xe
54
Кюрий
Cm
96
Лантан
La
57
Ливерморий
Lv
116
Литий
Li
3
Лоуренсий
Lr
103
Лютеций
Lu
71
Магний
Mg
12
Марганец
Mn
25
Медь
Cu
29
Мейтнерий
Mt
109
Менделевий
Md
101
Молибден
Mo
42
Мышьяк
As
33
Натрий
Na
11
Неодим
Nd
60
Неон
Ne
10
Нептуний
Np
93
Никель
Ni
28
Ниобий
Nb
41
Нобелий
No
102
Олово
Sn
50
Осмий
Os
76
Палладий
Pd
46
Платина
Pt
78
Плутоний
Pu
94
Полоний
Po
84
Празеодим
Pr
59
Прометий
Pm
61
Протактиний
Pa
91
Радий
Ra
88
Радон
Rn
86
Резерфордий
Rf
104
Рений
Re
75
Рентгений
Rg
111
Родий
Rh
45
Ртуть
Hg
80
Рубидий
Rb
37
Рутений
Ru
44
Самарий
Sm
62
Свинец
Pb
82
Селен
Se
34
Сера
S
16
Серебро
Ag
47
Сиборгий
Sg
106
Скандий
Sc
21
Стронций
Sr
38
Сурьма
Sb
51
Таллий
Tl
81
Тантал
Ta
73
Теллур
Te
52
Тербий
Tb
65
Технеций
Tc
43
Титан
Ti
22
Торий
Th
90
Тулий
Tm
69
Углерод
C
6
[Унунпентий]
Uup
115
[Унунтрий]
Uut
113
Уран
U
92
Фермий
Fm
100
Флеровий
Fl
114
Фосфор
P
15
Франций
Fr
87
Фтор
F
9
Хассий
Hs
108
Хлор
Cl
17
Хром
Cr
24
Цезий
Cs
55
Церий
Ce
58
Цинк
Zn
30
Цирконий
Zr
40
Эйнштейний
Es
99
Эрбий
Er
68
В Периодической таблице (см. рис. 11.4) отмечены металлы (белый тон), полуметаллы (полупроводники, темно-серый тон) и неметаллы (светло-серый тон). Полуметаллы — эта полоса между металлами (к которым относится большинство элементов) и неметаллами, которые располагаются в верхней правой части таблицы. В нижней части таблицы находятся два ряда элементов, называемых лантаноидами и актиноидами. Лантаноиды начинается с элемента лантана (La), а актиноиды — с актиния (Ac). Они заполняют пробел, отмеченный в таблице. Эти два ряда атомов, в которых задействованы f-орбитали, помещают под остальной таблицей, чтобы она не становилась слишком широкой.
Прежде чем перейти к рассмотрению свойств элементов, мы вкратце пройдемся по первым двум строкам Периодической таблицы, чтобы почувствовать ее структуру и понять, что такое «заполненная оболочка» в применении к электронной конфигурации. Затем мы обсудим, как использовать таблицу для понимания свойств элементов.
Структура Периодической таблицы
С учетом диаграммы энергетических уровней (см. рис. 11.1) и трех правил заселения энергетических уровней электронами водород (символ H, атомный номер 1) имеет один электрон на 1s-орбитали согласно правилу о том, что самые нижние уровни заселяются первыми, если это не нарушает принцип Паули. Водород находится в верхнем левом углу Периодической таблицы. Это первый элемент в строке 1. Следующий элемент — это гелий (He, 2). На его 1s-орбитали находятся два электрона с противоположными спинами (стрелка вверх и стрелка вниз, как показано на рис. 11.2). Эта конфигурация удовлетворяет принципу Паули и правилу о том, что позиции с наименьшей энергией занимаются первыми, который перекрывает правило Хунда, поскольку потребовалось бы слишком много энергии, чтобы поместить второй электрон гелия на энергетический уровень 2s (см. рис. 11.1). Гелий находится в верхнем правом углу Периодической таблицы — он завершает первую строку. Эта первая строка состоит из двух элементов — H и He с электронами на уровне n = 1. Строки таблицы также называют периодами. Гелий завершает первый период. Говорят, что гелий имеет заполненную (или замкнутую) электронную оболочку, поскольку это старший элемент, все электроны которого имеют n = 1.