§ 13. Періодична система і будова електронних оболонок атомів

Пригадайте: структуру Періодичної системи (за § 12).

Кількість хімічних елементів у періодах

Структура Періодичної системи повністю зумовлена принципами будови електронної оболонки атомів. Це ще раз підтверджує геніальність Д. І. Менделєєва, який створив Періодичну систему, не маючи уявлення про електрони та складну будову електронної оболонки.

Кількість хімічних елементів, що міститься в кожному періоді, визначається місткістю відповідних енергетичних рівнів і підрівнів. Зважаючи на енергетичні підрівні, що заповнюються в хімічних елементів, можна визначити кількість хімічних елементів у певному періоді:

Період	Підрівні, що заповнюються електронами в атомах елементів цього періоду	Максимальна кількість електронів на підрівнях	Кількість хімічних елементів у періоді
1	1s (1 орбіталь)	2	Два: 1 (Н) — 2 (Не)
2	2s 2р (4 орбіталі)	8	Вісім: 3 (Li) — 10 (Ne)
3	3s 3р (4 орбіталі)	8	Вісім: 11 (Na) — 18 (Ar)
4	4з 3d 4р (9 орбіталей)	18	Вісімнадцять: 19 (К) — 36 (Кr)

Класифікація хімічних елементів

Ви вже знаєте, що атомні орбіталі поділяють за типами на s, р, d та f. Так само класифікують і хімічні елементи.

Якщо в атомах хімічного елемента останнім заповнюється s-підрівень, то такі елементи належать до s-елементів. У Періодичній системі клітинки з такими елементами зазвичай фарбують у червоний колір (див. форзац 1). Якщо останнім заповнюється р-підрівень, то такі елементи називають p-елементами (жовтий колір). Відповідно, d-підрівень заповнюється в d-елементів (синій колір), і f-підрівень — у f-елементів (зелений колір).

Ви вже помітили, що на кожному енергетичному рівні є s-підрівень, який максимально містить два електрони і завжди заповнюється першим. Це зумовлює те, що кожний період Періодичної системи завжди починається з двох s-елементів.

Починаючи з другого енергетичного рівня, наявний р-підрівень, який максимально містить шість електронів. Тож і в кожному періоді, починаючи з другого, міститься по шість р-елементів. Так само кожний період, починаючи з четвертого, містить по десять d-елементів, а починаючи із шостого — ще по чотирнадцять f-елементів, які утворюють дві родини елементів — лантаноїди й актиноїди.

Будова електронних оболонок і групи Періодичної системи

Розглянемо будову електронних оболонок атомів таких хімічних елементів: Літій, Натрій, Оксиген та Сульфур. Якщо їх порівняти, то можна побачити, що в елементів однієї групи подібна електронна формула атомів.

В атомах Літію і Натрію, розміщених у першій групі Періодичної системи, на зовнішньому рівні міститься по одному електрону на s-орбіталях. Відмінність лише в тому, що в Літію зовнішнім є другий енергетичний рівень, а в Натрію — третій. Так само і в атомів Оксигену й Сульфуру. Ці елементи належать до шостої групи, тож на зовнішніх рівнях у їх атомів по шість електронів, що однаково розподілені по s- і p-підрівнях. Отже, ці дві пари елементів є електронними аналогами.

У попередньому параграфі ви дізналися, що в групи об’єднано хімічні елементи з подібними ознаками. І ця подібність зумовлена саме подібністю будови електронної оболонки атомів.

Будова зовнішнього електронного рівня атомів хімічних елементів, що належать до однієї підгрупи, є подібною (мал. 13.1, с. 68).

Розподіл елементів по головних і побічних підгрупах також зумовлений будовою електронних оболонок атомів. Головні підгрупи утворюють лише s- і p-елементи, в атомах яких заповнюється зовнішній енергетичний рівень, а побічні підгрупи — лише d-елементи, в атомах яких заповнюється передостанній електронний шар. Отже, принцип заповнення електронних оболонок атомів електронами повністю позначається на структурі Періодичної системи.

Мал. 13.1. Розміщення елементів у Періодичній системі (довгий варіант) та електронна конфігурація їх атомів: рядки позначено номером енергетичного рівня, що заповнюється; стовпчики позначено формулою підрівня, що заповнюється останнім

Висновки

1. Кількість хімічних елементів у кожному періоді зумовлена будовою електронної оболонки атомів. Перший період може містити лише два елементи, другий та третій — по вісім тощо.
2. За будовою електронних оболонок хімічні елементи поділяють на s-, p-, d- та f-елементи. Кожний період починається двома s-елементами й закінчується шістьма p-елементами. У кожному періоді, починаючи із четвертого, між s- і p-елементами розміщені по 10 d-елементів. А f-елементи утворюють дві родини елементів — актиноїди та лантаноїди.
3. Розподіл елементів по групах також ґрунтується на будові електронної оболонки атомів. Елементи однієї підгрупи (головної чи побічної) є електронними аналогами: будова зовнішнього електронного рівня в цих елементів є подібною.

Контрольні запитання

1. Чому перший період містить лише два хімічні елементи, а другий — вісім? Чим зумовлена місткість періодів Періодичної системи?
2. Кількість енергетичних рівнів, що заповнюються електронами, визначають: а) за номером періоду; б) за номером групи; в) за порядковим номером елемента.
3. Кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні визначають: а) за номером періоду; б) за номером групи; в) за порядковим номером.
4. Як визначити максимальну кількість електронів, що можуть міститися на енергетичному рівні?
5. Скільки елементів належить до четвертого й шостого періодів? Скільки електронів може містити четвертий енергетичний рівень?
6. Поясніть, чому Натрій і Калій є електронними аналогами.
7. За яким принципом елементи поділяють на s-, p-, d- та f-елементи? Наведіть приклади d-елементів п'ятого періоду і f-елементів сьомого періоду.
8. Скільки s- і p-елементів може містити один період? Відповідь поясніть.
9. Як називають родини хімічних елементів, в атомах яких останнім заповнюється f-підрівень?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Який рівень складається лише: а) із s-підрівня; б) s- та р-підрівнів; в) s-, р- та d-підрівнів? Як ви це визначили?

2. Які хімічні елементи є електронними аналогами Нітрогену? Зобразіть електронну формулу атома одного з них.

3. У чому полягає принципова відмінність у будові електронної оболонки атомів головних і побічних підгруп?

4. Який енергетичний підрівень заповнюється електронами останнім: а) у s-елементів четвертого періоду; б) p-елементів п'ятого періоду; в) s-елементів третього періоду; г) p-елементів другого періоду?

5. Назвіть два елементи, в атомах яких кількість пар електронів дорівнює кількості неспарених електронів.

6. Запишіть електронні формули атомів елементів з номерами 11 і 14.

7. Назвіть металічний та неметалічний елементи другого періоду, які на зовнішньому рівні мають один неспарений електрон.

8. Який енергетичний рівень заповнюється електронами в атомах елементів № 3, 9, 16?

9. Складіть графічну електронну формулу елемента з порядковим номером 15. Складіть формули його вищого оксиду та гідратів цього оксиду. Зазначте хімічний характер оксиду та гідратів.

10. Який елемент другого періоду є електронним аналогом елемента з порядковим номером 12?

11. Складіть графічну електронну формулу атомів Силіцію, Бору та Аргону.

12. Атому якого з елементів відповідає кожна з наведених електронних формул: a) 1s²2s²2p³; б) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶; в) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²?