Электронные слои и оболочки атома. сложные атомы
В таблице Менделеева в одном столбце (группе) располагаются элементы с похожими физическими и химическими свойствами. При этом число элементов в разных строчках (периодах) разное — 2, 8, 8, 18, 18, 32.
Значит, эти цифры и показывают периодичность повторения аналогичных свойств атомов. Но никакой мистики в них нет.
Они совпадают с кратностью вырождения уровней энергии электрона в атоме H, равной 2n2. Если охарактеризовать состояние электрона в атоме четырьмя квантовыми числами, то можно утверждать, что существует 2n2 состояний с одинаковым значением главного числа n, но различным набором значений квантовых чисел l, ml, mS.
В соответствии с принципом Паули, в каждом из этих состояний может находиться только один электрон. Значит, в многоэлектронных атомах в состояниях с одинаковым главным квантовым числом может находиться 2n2 электронов.
При n = 1, 2, 3, 4 число 2n2 = 2, 8, 18, 32. Это действительно числа из интересующего нас ряда.
Осталось понять, почему периоды с 8 и 18 элементами повторяются и свойства элементов из одной группы аналогичны.
Совокупность электронов с одинаковым значением n образует электронный слой. Слои с n = 1, 2, 3, 4 называют соответственно K-, L-, M-, N- слоями.
Слои разделяются на оболочки — совокупности электронов с одинаковым значением l. Число электронов в оболочке равно 2(2l + 1). Оболочка с l = 0 (s-оболочка) содержит 2 электрона, с l = 1 (р-оболочка) — 6 электронов, с l = 2 (d-оболочка) — 10 электронов, с l = 3 (f-оболочка) — 14 электронов.
Заполнение электронных оболочек определяется «энергетической выгодностью», т. е. происходит таким образом, чтобы энергия атома была минимальной. У элементов из первого периода таблицы Менделеева — H и He — электроны располагаются в K-слое.
У элементов второго периода последовательно заполняется L-слой — сначала s-оболочка в атомах Li и Be, а затем р-оболочка в атомах B, C, N, O, F, Ne. У элементов третьего периода — от Na до Ar — заполняются s- и р-оболочки M-слоя, и здесь 2 + 6 = 8 элементов.
А вот потом, оказывается, энергетически выгоднее, не заполнив M-слой, перейти в следующий N-слой, т. е. заполнять не d-оболочку M-слоя, а s-оболочку N-слоя. Это — атомы K и Ca из четвертого периода таблицы.
У следующих 16 атомов четвертого периода последовательно заканчивается заполнение сначала M-, а потом N-слоев. Таким образом, в первом периоде расположились 2, во втором и третьем по 8, а в четвертом 18 элементов.
Условие «энергетической выгодности» определяет заполнение электронных оболочек и атомов из пятого и шестого периодов таблицы.
Физические и химические свойства атомов определяются строением их внешних электронных оболочек. Если внешние оболочки схожи, то аналогичны и свойства атомов.
У элементов, расположенных в 1-й группе таблицы — Li, Na, K, Rb, Cs и Fr, во внешней оболочке один электрон, поэтому все они щелочные металлы, а у элементов 2-й группы — Be, Mg, Ca, Sr, Ba и Ra — два электрона во внешней оболочке — это щелочноземельные металлы. У элементов последней группы таблицы внешние оболочки заполнены, поэтому все они — He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn — инертные газы.
