 |
|
Периодические закономерности
Конфигурация электронов
Конфигурация или организация электронов, вращающихся вокруг нейтральных атомов, показывает повторяющуюся закономерность или периодичность. Электроны занимают ряд электронных оболочек (пронумерованных оболочка 1, оболочка 2 и так далее). Каждая оболочка состоит из одной или более подоболочек (названных s, p, d, f и g). По мере увеличения атомного номера, электроны постепенно заполняют эти оболочки и подоболочки, более или менее в соответствии с правилом Маделунга (Клечковского) или правилом упорядочения энергии. Например, для неона, конфигурация электронов такова - 1s2 2s2 2p6. Атомное число неона – 10 и поэтому он имеет два электрона в первой оболочке и восемь электронов во второй – два в подоболочке s и шесть в подоболочке p. В пределах периодической таблицы, каждый раз, когда электрон занимает новую оболочку, соответствует началу каждого нового периода, эти позиции являются занятыми водородом и щелочными металлами.
Так как свойства элемента, по большому счету, определяются конфигурацией его электронов, эти свойства также отображают повторяющиеся закономерности или периодичное поведение элементов. Это называется периодичностью свойств, проявления которой были хорошо описаны еще до развития основной теории, что привело к созданию периодического закона (так как свойства элементов повторяются с разной периодичностью) и разработке первых периодических таблиц.
Радиусы атомов
Радиусы атомов изменяются по всей периодической таблице прогнозируемым и объяснимым способом. Например, радиусы обычно уменьшаются вдоль каждого периода таблицы, от щелочных металлов до благородных газов, и увеличиваются по группам сверху вниз. Радиус резко возрастает на участке между благородными газами в конце каждого периода и между щелочными металлами в начале следующего периода. Эти закономерности атомных радиусов (и других различных химических и физических свойств элементов) могут быть объяснимы с помощью теории электронных оболочек; они предоставили важные данные для разработки и подтверждения квантовой теории.
Электроны 4f-подоболочки, постепенно заполняющиеся от церия (элемент 58) до иттербия (элемент 70), являются не особенно эффективными при защите возрастающего заряда ядра от подоболочек в дальнейшем. Элементы следующие сразу за лантаноидами имеют атомные радиусы меньше, чем можно было ожидать и являются почти идентичными атомным радиусам элементов непосредственно над ними. Следовательно, гафний имеет практически тот же атомный радиус (и химические свойства), что и цирконий, а у тантала атомный радиус подобен радиусу ниобия и так далее. Это явление известно как лантаноидное сжатие. Сжатие лантаноидов наблюдается до платины (элемент 78), после которого оно становится незаметным вследствие релятивистского эффекта известного как эффект инертной пары. Сжатие d-блока, подобное эффекту между d-блоком и p-блоком, менее выражено, нежели сжатие лантаноидов, однако происходит по схожей причине.
Энергия ионизации
Первая энергия ионизации требуется для удаления одного электрона из атома; вторая энергия необходима для удаления второго электрона из атома и так далее. Для данного атома, последовательные энергии ионизации увеличиваются со степенью ионизации. Допустим, для магния, первая энергия ионизации равна 738 кДж/моль, а вторая – 1450 кДж/моль. Электроны в тесных орбиталях требуют больше сил электростатического притяжения; таким образом, их удаление требует все больше и больше энергии. Энергия ионизации увеличивается снизу вверх и слева направо периодической таблицы.
Большие скачки в последовательных мольных энергиях ионизаций происходят при удалении электрона из благородного газа (заполненная электронная оболочка). Рассмотрим магний снова: первые две мольные энергии ионизации магния, приведенные выше, ответственны за удаление двух электронов 3s, а третья энергия ионизации гораздо больше – 7730 кДж/моль, необходимая для удаления электрона 2p из очень устойчивого неоноподобного вещества Mg2+. Подобные скачки происходят в энергиях ионизации других атомов элементов третьего периода.