Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир - Майкл Файер

В Периодической таблице каждому элементу соответствует клетка. В этой клетке записан символ элемента, а также его атомный номер. Атомный номер — это число положительно заряженных протонов в ядре элемента. Для нейтрального атома (в отличие от положительно или отрицательно заряженного иона) атомный номер — это также число отрицательно заряженных электронов. О строении Периодической таблицы будет во всех подробностях рассказано далее. В её левом верхнем углу расположен водород (символ H, атомный номер 1). В правом верхнем углу находится гелий (символ He, атомный номер 2). Под водородом располагается литий (символ Li, атомный номер 3).

Рис. 11.4. Периодическая таблица элементов

Многие символы являются просто аббревиатурами названий. Но это не всегда так. Например, свинцу (элемент 82) соответствует буквенный символ Pb, производный от латинского названия свинца plumbum. Поскольку по символам не всегда легко понять, как называется элемент, в табл. 11.1 приведены названия, символы и атомные номера элементов. Названия элементов в таблице упорядочены по алфавиту. Если по буквенному символу элемента вы не можете определить его название, просматривайте сверху вниз колонку символов, пока не найдёте нужный.

Таблица 11.1. Список элементов (в алфавитном порядке названий)

Элемент, Символ, Атомный №

Азот N 7

Актиний Ac 89

Алюминий Al 13

Америций Am 95

Аргон Ar 18

Астат At 85

Барий Ba 56

Бериллий Be 4

Берклий Bk 97

Бор B 5

Борий Bh 107

Бром Br 35

Ванадий V 23

Висмут Bi 83

Водород H 1

Вольфрам W 74

Гадолиний Gd 64

Галлий Ga 31

Гафний Hf 72

Гелий He 2

Германий Ge 32

Гольмий Ho 67

Дармштадтий Ds 110

Диспрозий Dy 66

Дубний Db 105

Европий Eu 63

Железо Fe 26

Золото Au 79

Индий In 49

Иод I 53

Иридий Ir 77

Иттербий Yb 70

Иттрий Y 39

Кадмий Cd 48

Калий K 19

Калифорний Cf 98

Кальций Ca 20

Кислород O 8

Кобальт Co 27

Коперниций Cn 112

Кремний Si 14

Криптон Kr 36

Ксенон Xe 54

Кюрий Cm 96

Лантан La 57

Ливерморий Lv 116

Литий Li 3

Лоуренсий Lr 103

Лютеций Lu 71

Магний Mg 12

Марганец Mn 25

Медь Cu 29

Мейтнерий Mt 109

Менделевий Md 101

Молибден Mo 42

Мышьяк As 33

Натрий Na 11

Неодим Nd 60

Неон Ne 10

Нептуний Np 93

Никель Ni 28

Ниобий Nb 41

Нобелий № 102

Олово Sn 50

Осмий Os 76

Палладий Pd 46

Платина Pt 78

Плутоний Pu 94

Полоний Po 84

Празеодим Pr 59

Прометий Pm 61

Протактиний Pa 91

Радий Ra 88

Радон Rn 86

Резерфордий Rf 104

Рений Re 75

Рентгений Rg 111

Родий Rh 45

Ртуть Hg 80

Рубидий Rb 37

Рутений Ru 44

Самарий Sm 62

Свинец Pb 82

Селен Se 34

Сера S 16

Серебро Ag 47

Сиборгий Sg 106

Скандий Sc 21

Стронций Sr 38

Сурьма Sb 51

Таллий Tl 81

Тантал Ta 73

Теллур Te 52

Тербий Tb 65

Технеций Tc 43

Титан Ti 22

Торий Th 90

Тулий Tm 69

Углерод C 6

[Унунпентий] Uup 115

[Унунтрий] Uut 113

Уран U 92

Фермий Fm 100

Флеровий Fl 114

Фосфор P 15

Франций Fr 87

Фтор F 9

Хассий Hs 108

Хлор Cl 17

Хром Cr 24

Цезий Cs 55

Церий Ce 58

Цинк Zn 30

Цирконий Zr 40

Эйнштейний Es 99

Эрбий Er 68

В Периодической таблице (см. рис. 11.4) отмечены металлы (белый тон), полуметаллы (полупроводники, тёмно-серый тон) и неметаллы (светло-серый тон). Полуметаллы — эта полоса между металлами (к которым относится большинство элементов) и неметаллами, которые располагаются в верхней правой части таблицы. В нижней части таблицы находятся два ряда элементов, называемых лантаноидами и актиноидами. Лантаноиды начинается с элемента лантана (La), а актиноиды — с актиния (Ac). Они заполняют пробел, отмеченный в таблице. Эти два ряда атомов, в которых задействованы f-орбитали, помещают под остальной таблицей, чтобы она не становилась слишком широкой.

Прежде чем перейти к рассмотрению свойств элементов, мы вкратце пройдёмся по первым двум строкам Периодической таблицы, чтобы почувствовать её структуру и понять, что такое «заполненная оболочка» в применении к электронной конфигурации. Затем мы обсудим, как использовать таблицу для понимания свойств элементов.

Структура Периодической таблицы

С учётом диаграммы энергетических уровней (см. рис. 11.1) и трёх правил заселения энергетических уровней электронами водород (символ H, атомный номер 1) имеет один электрон на 1s-орбитали согласно правилу о том, что самые нижние уровни заселяются первыми, если это не нарушает принцип Паули. Водород находится в верхнем левом углу Периодической таблицы. Это первый элемент в строке 1. Следующий элемент — это гелий (He, 2). На его 1s-орбитали находятся два электрона с противоположными спинами (стрелка вверх и стрелка вниз, как показано на рис. 11.2). Эта конфигурация удовлетворяет принципу Паули и правилу о том, что позиции с наименьшей энергией занимаются первыми, который перекрывает правило Хунда, поскольку потребовалось бы слишком много энергии, чтобы поместить второй электрон гелия на энергетический уровень 2s (см. рис. 11.1). Гелий находится в верхнем правом углу Периодической таблицы — он завершает первую строку. Эта первая строка состоит из двух элементов — H и He с электронами на уровне n=1. Строки таблицы также называют периодами. Гелий завершает первый период. Говорят, что гелий имеет заполненную (или замкнутую) электронную оболочку, поскольку это старший элемент, все электроны которого имеют n=1.

Следующий элемент — это литий (Li, 3). Он имеет три электрона. Первые два электрона занимают энергетический уровень 1s, подчиняясь правилу о том, что сначала заселяется самый нижний доступный уровень. Третий электрон не может разместиться на 1s-орбитали, поскольку это нарушало бы принцип Паули. Поэтому третий электрон занимает 2s-орбиталь. В Периодической таблице Li располагается под H. H — это первый элемент с электроном, находящимся в оболочке n=1. Li — это первый элемент второго периода, соответствующего оболочке с n=2.

Следующий элемент — это бериллий (Be, 4). Четвёртый электрон также занимает 2s-орбиталь. Это самое низкое энергетическое состояние, не нарушающее принцип Паули. Далее следует бор (B, 5) с пятью электронами. Пятый электрон не может занять 2s-орбиталь, поскольку это нарушило бы принцип Паули, утверждающий, что на одной орбитали может находиться не более двух электронов, которые должны иметь противоположные спины (спиновое квантовое число s=+½ или s=−½). Поэтому пятый электрон заселяется на 2p-орбиталь, а на какую именно из 2p-орбиталей, не имеет значения. Следуя рис. 11.3, будем считать, что это 2px-орбиталь. Между Be и B в таблице есть разрыв. Причина его появления прояснится далее, когда мы будем обсуждать четвёртый период.

Следующим идёт углерод (C, 6) с шестью электронами. Теперь в игру вступает правило Хунда, и мы помещаем шестой электрон на 2py-орбиталь, следуя схеме, представленной на рис. 11.3. Следующий элемент — азот (N, 7). Согласно правилу Хунда, седьмой электрон N заселяется на 2pz-орбиталь, чтобы ни один из электронов на p-орбиталях не был спаренным. Кислород (O, 8) имеет восемь электронов. Восьмой электрон должен быть спаренным, поскольку из первых семи электронов два занимают 1s-орбиталь, ещё два — 2s и по одному электрону находится на каждой из 2p-орбиталей. Чтобы избежать спаривания спинов, надо поместить восьмой электрон на 3s-орбиталь, которая требует значительно более высокой энергии. Поэтому, как и на рис. 11.3, восьмой электрон заселяется на 2px-орбиталь. Фтор (F, 9) обладает девятым электроном, который располагается на 2py-орбитали. Наконец, неон (Ne, 10) завершает период n=2 с оболочкой из 10 электронов. Десятый электрон заселяется на 2pz-орбиталь.