§ 208. Периодическая система элементов Менделеева

Гл. XXII. Строение атома

497

в периодической системе Менделеева. Рассмотрим, как решает

эту задачу п л а н е т а р н а я модель атома.

Химические свойства проявляются при атомных столкнове-

ниях, ведущих к образованию молекул. Но при столкновении

атомов сближаются и взаимодействуют прежде всего их элек-

тронные оболочки. Поэтому химические особенности атома опре-

деляются строением его электронных оболочек, т. е. в конечном

счете зарядом атомного ядра

1

). В этом состоит причина того, что

элементы в периодической системе располагаются в порядке воз-

растания ядерного заряда. Этим объясняется также совпадение

химических свойств атомов-изотопов, ядра которых отличаются

по массе, но имеют равные заряды.

На рис. 370 изображено начало таблицы Менделеева, при-

чем для каждого элемента указано размещение электронов по

возможным орбитам. Как отмечалось в предыдущем параграфе,

возможные орбиты группируются в оболочки (K, L и т. д.).

Обращает на себя внимание тот факт, что н о м е р г р у п-

п ы с и с т е м ы М е н д е л е е в а, в которую входит элемент,

р а в е н ч и с л у э л е к т р о н о в на последней и з з а н я т ы х

о б о л о ч е к а т о м а

2

). Так, в первую группу входят водород

(один электрон на K-оболочке), литий (один электрон на L-обо-

лочке), натрий (один электрон на третьей оболочке) и т. д. Все эти

элементы обладают сходными химическими свойствами. Во вто-

рую группу входят бериллий (два электрона на L-оболочке), маг-

ний (два электрона на третьей оболочке) и т. д. Элементы второй

группы также весьма сходны в химическом отношении. Аналогич-

ное положение имеет место и для остальных групп. Отсюда сле-

дует, что химические свойства атомов определяются электронами,

расположенными на последней, не полностью занятой оболочке.

Эти электроны носят название валентных. Число валентных

электронов определяет в а л е н т н о с т ь элемента. Так, все

щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs), имеющие п о о д н о м у

валентному электрону, о д н о в а л е н т н ы; все щелочно-земель-

ные элементы (Mg, Ca, Sr, Ba) д в у х в а л е н т н ы и имеют по

д в а валентных электрона и т. д. Атомы с целиком заполнен-

ными оболочками не имеют валентных электронов и химически

1

) Напомним, что полное число электронов в электронных оболочках атома

равно заряду атомного ядра (в элементарных единицах). Последний, в свою

очередь, равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

2

) За исключением атомов с целиком заполненной последней оболочкой,

т. е. атомов, у которых заполнены электронами все имеющиеся на оболочке

места. Эта атомы входят в нулевую группу (см. ниже).

498

Гл. XXII. Строение атома

Р

и

с.

370.

П

ерв

ы

е

тр

и

п

ер

и

од

а

п

ер

и

од

и

ч

ес

к

о

й

си

сте

мы

М

ен

д

ел

ее

в

а.

Д

ля

к

аж

д

о

го

эл

ем

ент

а

у

к

азан

о

р

аз

м

ещ

ен

и

е

ат

о

м

н

ы

х

эл

ек

тр

о

н

о

вп

оо

б

о

л

о

ч

к

а

м

Гл. XXII. Строение атома

499

неактивны. Они образуют инертные газы — гелий, неон, аргон

и другие и составляют нулевую группу, ибо их валентность

равна нулю.

С возрастанием числа электронов в атоме свойства элемента

изменяются от металлов к неметаллам. Когда очередная оболоч-

ка ц е л и к о м заполняется электронами, получаем инертный

газ. При дальнейшем увеличении количества электронов начина-

ет строиться новая атомная оболочка — открывается следующий

период периодической системы, в котором снова имеет место

переход от металлов к неметаллам.

Начиная с 4-го периода системы Менделеева наблюдаются от-

ступления от указанного порядка заполнения оболочек. На некоторых

участках периодической системы новая оболочка начинает заполнять-

ся еще до того, как завершилось построение предыдущей оболочки.

На других участках с увеличением числа электронов в атоме число

электронов на п о с л е д н е й оболочке остается неизменным и до-

страиваются предыдущие оболочки. В этом случае образуется группа

соседних элементов с одинаковым числом в а л е н т н ы х электронов,

т. е. со сходными химическими свойствами. Примером такой группы

являются так называемые р е д к и е з е м л и.

Мы нашли, таким образом, причину периодичности химиче-

ских свойств элементов. Периодичность вызвана тем, что хими-

ческие свойства в главных чертах определяются числом внешних

(валентных) элементов в атоме, а число внешних электронов

периодически повторяется по мере заполнения оболочек K, L

и т. д.

Почему же на химических свойствах атома сказывается не

вся совокупность атомных электронов, а только внешние элек-

троны? Дело в том, что энергия, выделяемая или поглощаемая

при химических реакциях, не превышает нескольких электрон-

вольт на атом (см. упражнение 3 в конце главы). Этой энергии

достаточно, чтобы изменить расположение внешних электронов

атома. Но она слишком мала, чтобы изменить орбиты внут-

ренних электронов, для которых энергия переходов значительно

больше (см. § 207). Поэтому при объединении атомов в мо-

лекулы расположение внутренних электронов объединяющихся

атомов сохраняется. Это доказывается тем, что спектр рент-

геновского излучения химических соединений (возбужденного,

например, электронной бомбардировкой) представляет собой на-

ложение спектров излучений чистых элементов, входящих в это

соединение.

В отличие от рентгеновского оптический спектр обусловлен,

как мы видели, поведением внешних электронов, т. е. тех же

500

Гл. XXII. Строение атома

электронов, которые определяют и химические свойства атома.

Этим объясняется, что химически сходные элементы характе-

ризуются сходными оптическими спектрами. При образовании

молекулы из атомов происходит перегруппировка «химических»

(валентных) электронов, которые в то же время являются и «оп-

тическими». Следовательно, образование молекулы сопровожда-

ется изменением и оптических свойств атомов. Поэтому-то оп-

тический спектр молекулы обычно резко отличается от спектров

атомов, составляющих молекулу.

Остановимся в заключение на устойчивости (прочности) ато-

мов, о которой шла речь в начале этой главы. Эта устойчи-

вость связана с устойчивостью атомных ядер. Поверхностные

изменения свойств атома (например, его ионизация, образова-

ние сложных молекул из атомов) ограничиваются перегруппи-

ровкой внешних электронов и не затрагивают атомного ядра.

Поэтому после таких изменений атом сравнительно легко может

быть вновь восстановлен (нейтрализация иона, распад молекулы

и т. д.). Но для радикального преобразования свойств атома,

при котором атом изменяет свою природу и восстановление его

представляет новый, сложный процесс, должно произойти изме-

нение заряда ядра и связанное с этим изменение нормального

числа электронов в атоме. Изменить заряд ядра, вообще говоря,

можно. Однако ввиду малости и прочности ядер задача эта

требует особых, исключительно мощных средств, с которыми мы

познакомимся в гл. XXIV.

жүктеу/скачать 6,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: