Большие периоды четвертый и пятый содержат по 18 элементов. У элементов четвертого периода после заполнения 4s-слоя, - он заполняется раньше слоя 3d, из-за экранирования (заслонения) ядра плотным и симметричным слоем электронов на уровнях 3s и 3p, - начинает заполняться слой 3d. На этом подуровне может разместиться максимум 10 электронов, поэтому заполнение слоя 4р начинается только у галлия. У хрома и меди имеет место «провал» 4s - электрона на подуровень 3d. Таким образом, четвертый период начинается двумя s элементами и заканчивается шестью р - элементами, а между s- и pэлементами располагаются 10 переходных d -элементов.
В пятом периоде заполнение электронных уровней и подуровней (слоев и подслоев) происходит так же, как и в четвертом периоде: у двух первых элементов, рубидия и стронция, заполняется внешний 5s - слой, у шести последних (от индия до ксенона) - внешний 5d - слой. Между ними располагаются 10 d - элементов, у которых заполняется 4d – подслой, причѐм, у ниобия, молибдена, рутения, родия и палладия происходит «провал» электрона с уровня 5s на 4d.
Шестой период состоит из 32 элементов. Он тоже начинается двумя s-элементами (заполняется 6s-подуровень) и заканчивается шестью p-элементами (заполняется 6р-подуровень). У лантана начинает заполняться 5d-подуровень, а у следующих за лантаном четырнадцати элементов (их называют лантаноидами, или лантанидами, и выделяют в таблице отдельной строкой) заполняется 4f–подуровень - третий снаружи квантовый слой. Затем у элементов от гафния до ртути идет заполнение 5d-подуровня (всего 10 элементов), а у элементов от таллия до радона заполняется 6p-подуровень. Таким образом, в шестом периоде содержится два s - элемента, шесть p - элементов, десять d - элементов и четырнадцать f - элементов.
В седьмом периоде имеются два s - элемента (франций и радий), d-элемент актиний и следующие за ним четырнадцать f - элементов, называемых актиноидами, или актинидами (от тория до лоуренсия), далее опять следуют d-элементы (от элемента № 104, резерфордия, до элемента №118). Седьмой период ещѐ не завершен, так как получить элемент № 117 пока не удалось.
Таким образом, характерные для периодической системы
(«магические») числа - 2, 8, 18 и 32 - с необходимостью вытекают из теории строения атомов. Эти числа равны максимальному количеству электронов, могущих разместиться на s (2), s+p 2+6), s+p+d (2+6+10) и s+p+d+f (2+6+10+14) - электронных подуровнях.
Период представляет собой последовательный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение одинакового числа электронных слоев. Разная длина периодов объясняется последовательностью заполнения электронных слоев (у s и p элементов заполняется внешний слой, у d- элементов предвнешний слой, а у f- элементов - третий снаружи). Поэтому отличия в свойствах наиболее отчетливо проявляются у s- и p- элементов, а различие химических свойств у d - и f -элементов одного и того же периода выражено менее резко. Последние элементы в пределах периода объединяются в семейства. Это семейства скандия, иттрия, гафния (d- элементы), а также лантаниды и актиниды (f - элементы).
Длиннопериодный вариант Периодической системы содержит 18 групп. В I и II группах содержатся s-элементы. Это активные щелочные и щелочноземельные металлы. У р-элементов XIV – XVII групп преобладают неметаллические свойства. Все р-элементы XVIII группы являются инертными газами, так как не имеют неспаренных электронов В группах с III по XII содержатся d-элементы, которые часто называют переходными, так как они проявляют как свойства металлов, так и свойства неметаллов. Все свойства элементов, определяемые строением электронной оболочки атома, закономерно изменяются по периодам и группам Периодической системы. При этом, поскольку электронные структуры элементов-аналогов сходны, но не тождественны, при переходе от одного элемента к другому в группах и подгруппах наблюдается не простое повторение свойств, а их закономерное изменение.
Разберѐм и составим несколько электронных формул (см. Лекцию 1) и на их основе постараемся объяснить свойства элементов.
Пример 1. Какому элементу принадлежит электронная формула
1s22s22p63s1 и каковы свойства данного элемента?
В атоме данного элемента 11 электронов. Атом нейтрален, следовательно, заряд его ядра равен +11. На внешнем уровне атома данного элемента (3s) находится 1 электрон. Это значит, что атом обладает малой энергией ионизации и является активным металлом.
Это щелочной металл натрий.
Пример 2. Какая конфигурация соответствует элементу №17? Каковы свойства этого элемента? Какую электронную конфигурацию имеет анион данного элемента?
Заряд ядра элемента №17 равен +17. В нейтральном атоме этого элемента 17 электронов. Данный элемент находится в 3 периоде (так как в первом периоде два элемента, а во втором – восемь). Главное квантовое число для электронов данного атома принимает три значения: n = 1, 2,3. На первом уровне находится 2 s- электрона, на втором – 8 (2 s- и 6 р- электронов), а на третьем – 7 электронов (2 s- и 5 p-электронов). У данного элемента имеется также 3d-подуровень, так как для n=3 орбитальное квантовое число l имеет три значения: 0 (s-подуровень), 1 (p-подуровень) и 2 (d-подуровень). Следовательно, электронная формула элемента №17 имеет вид: 1s22s22p63s23p53d0. Это р-элемент с ярко выраженными неметаллическими свойствами, так как на внешнем электронном уровне у него имеется семь электронов, причѐм один неспаренный. Это одновалентный элемент, но у него имеется 5 свободных d-орбиталей, на которые могут последовательно распариваться 2, 4 или шесть электронов. Следовательно, данный элемент может быть 1-, 3-, 5- и 7-валентным. Данный элемент легко присоединяет один электрон (которого ему не хватает до октета) и превращается в однозарядный анион. Электронная формула аниона данного элемента (хлора) имеет вид: 1s22s22p63s23p63d0.
Сочетание атомов одного элемента есть простое вещество. Простые вещества могут быть металлами и неметаллами. Металлы обладают наименьшими энергиями ионизации и легко теряют свои электроны. Энергия ионизации неметаллов, напротив, высока; они обладают наибольшим сродством к электрону, то есть способны легко присоединять электроны других элементов. У элементов первой - тринадцатой групп Периодической системы Д.И. Менделеева преобладают металлические свойства. Для простых веществ этих элементов характерно металлическое состояние и такие физические свойства, как ковкость, электропроводность, металлический блеск и т.п. В сложных соединениях эти элементы выполняют катионную функцию, так как обладают минимальной энергии ионизации. Химические свойства: взаимодействие с водой, кислотами, щелочами, неметаллами.
В Периодической таблице границу между металлами и неметаллами можно условно провести по диагонали от бора к астату: металлы будут располагаться слева внизу от этой диагонали, а неметаллы – справа вверху.
С увеличением порядкового номера элемент, как в периоде, так и в группе, свойства неметаллов ослабевают, свойства металлов усиливаются. Изменение химической активности объясняется изменением атомных радиусов, потенциалов ионизации атомов и другими характеристиками (такими, например, как теплота возгонки простых веществ и энергия кристаллической решетки). Самым активным металлом в Периодической системе является рубидий (цезий и франций - радиоактивные элементы со специфическими свойствами), а самым активным неметаллом – фтор.
Свойства s-элементов:
К s-элементам относятся щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп Периодической системы. К элементам первой группы относятся водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Самыми распространѐнными щелочными металлами являются натрий и калий. Цезий и франций – радиоактивные элементы. Щелочные металлы первой группы в своих соединениях одновалентны; они являются очень активными металлами и бурно реагируют с водой с образованием щелочей и выделением водорода:
Реакция протекает с выделением большого количества энергии, а в результате бурного взаимодействия выделяющегося водорода с кислородом воздуха может произойти взрыв. Ещѐ более бурно протекают реакции взаимодействия щелочных металлов с активными неметаллами, например, с водородом, хлором или кислородом c с образованием гидридов, пероксидов или солей:
Пероксиды щелочных металлов реагируют с водой образованием пероксида водорода и щелочей:
При взаимодействии пероксида натрия с диоксидом углерода выделяется кислород:
Пероксиды крайне реакционноспособны и взрываются даже при простом соприкосновении с окислителями. Нормальные оксиды щелочных металлов Na2O, Li2O, К2O и т.п. можно получить только косвенным путѐм. Гидроксиды щелочных металлов растворяются в воде и являются самыми сильными основаниями и часто называются едкими щелочами. Щѐлочи, в особенности гидроксид натрия (едкий натр, каустическая сода), производятся методом электролиза. Можно также получить едкий натр в обменной реакции, в которой малорастворимый карбонат натрия осаждается из раствора: