Общие принципы заполнения электронных оболочек атомов элементов по периодам

Число электронов в электронейтральном атоме закономерно повышается при переходе элемента от Z к Z + 1. Эта закономерность подчиняется квантовой теории строения атома.

Максимальная устойчивость атома, как системы электрических частиц, отвечает минимуму его полной энергии. Потому электроны при заполнении энергетических уровней в электромагнитном поле ядра будут занимать (застраивать) в первую очередь наиболее низкий из них (К — уровень; n=1). В электронейтральном невозбужденном атоме электрон в этих условиях имеет наименьшую энергию (и, соответственно, наибольшую связь с ядром). Когда К — уровень будет заполнен (1s² — состояние, характерное для атома гелия), электроны начнут застраивать уровень L (n = 2), затем M — уровень (n=3). При данном n электроны должны застраивать сначала s-, затем p-, dи т. д. подуровни.

Однако, как показывает рис. 3, энергетические уровни в атоме элемента не имеют ясных грани. Более того, здесь наблюдается даже взаимное перекрывание энергий отдельных подуровней. Так, например, энергетическое состояние электронов в подуровнях 4_s и 3_d, а так же 5_s и 4_d очень близки между собой, а 4_s¹ и 4_s² — подуровни отвечают более низким значениям энергии, чем 3_d. Поэтому электроны, застраивающие, Mи Nуровни, в первую очередь попадут на 4_s — оболочку, которая относится к внешнему электронному слою N (n=4), и лишь по ее заполнении (т. е. после завершения построения оболочки 4_s²) будут размещаться в 3_d — оболочке, относящейся к предвнешнему слою M (n=3). Аналогичное наблюдается и в отношении электронов 5_s— и 4_d — оболочек. Еще более своеобразно идет заполнение электронами f — оболочек: они при наличии электронов на внешнем уровне n (при n, равном 6 или 7) застраивают уровень n=2, т. е. предвнешний слой, — пополняют оболочку 4_f(при n=6) или соответственно оболочку 5_f (при n=7).

Обобщая, можно высказать следующие положения.

• 1. Уровни ns, (n-1)d и (n-2)f близки по энергии и лежат ниже уровня np.
• 2. С увеличением числа электронов в атоме (по мере повышения величины Z) d — электроны «запаздывают» в построении электронной оболочки атома на один уровень (застраивают предвнешний слой, т. е. уровень n-1), а f — электроны запаздывают на два уровня: достраивают второй снаружи (т. е. предвнешний) слой n — 2. Появляющиеся f — электроны часто как бы вклиниваются между (n-1)d¹ и (n-1)d^2ё10 — электронами.

Во всех указанных случаях n — номер внешнего уровня, на котором уже содержатся два электрона (ns² — электроны), причем n одновременно и номер того периода по таблице Менделеева, который включает данный элемент.

Элементы, в атомах которых при наличии электронов во внешнем слое n (ns² — электроны) идет достройка одного из подуровней (3_d, 4_d, 4_f, 5_d или 5_f), находящихся на предвнешних слоях (n-1) или (n-2), называются переходными.

Общая картина последовательности заполнения электронами оболочек атомов элементов, принадлежащих к периоду n, имеет вид:

ns1ё2(n-1) d1 (n-2)/1ё14(n-1)d2ё10 np1ё6 (a) 1ё7 4ё7 6ё7 4ё7 2ё7.

В показателе степени при s-, p-, dи f — обозначениях в строке (а) указано возможное число электронов в данной оболочке. Например, в оболочке s может содержаться либо один, либо два электрона, но не больше; в оболочке f — от 1 до 14 электронов и т. д.

Известно, что минимальное значение коэффициента при обозначении d — электронов равно трем. Следовательно, d-электроны могут в атомное структуре появится не ранее четырем. В связи с этим указанные электроны могут появиться в атомах не ранее как в элементах шестого периода (т. е. при n-2=4; n=4+2=6). Это обстоятельство и отмечено во второй строке.

Теперь перейдем к общей характеристике отдельных периодов таблицы Менделеева. Размещение элементов по электронным семействам представлено в таблице Д. И. Менделеева [3].