Периодичен закон

 

Периодичен закон. Електронни обвивки на атомите и периодична система на елементите – периоди и групи
 
Периодичният закон е основен природен закон. Той е открит от Менделеев през 1869 г. и гласи: Свойствата на химичните елементи и на образуваните от тях вещества са в периодична зависимост от атомната им маса.
При формулиране на периодичния закон Менделеев приема като основно свойство атомната маса - между свойствата на химичните елементи и тяхната атомна маса съществува периодична зависимост. 
След създаването на теорията за строежа на атома, става ясно, че най-важната характеристика на атомите е не атомната маса, а броят на протоните в ядрата им.  Съвременната формулировка на периодичния закон гласи:
Свойствата на химичните елементи и на образуваните от тях вещества са в периодична зависимост от броя на протоните в атомните им ядра. 
Периодичното изменение на свойствата означава, че след определен брой елементи се появяват елементи  със сходни свойства, а следователно и със сходен строеж на атома. Причината за периодичното изменение на свойствата на елементите е слоестата структура на електронната обвивка на атомите и нейното периодично изграждане. За свойствата на елементите от значение са само електроните от най-външните слоеве. Така и сходството в свойствата на елементите се дължи главно на аналогичния строеж  на последните два слоя от електронната обвивка на атомите им.
 
Xимичен елемент                                             3Li   4Be   5B       6C          7N         8O         9F      10
 
Конфигурация на
последния слой                                                2s1  2s2  2s22p1  2s22p2   2s22p3  2s22p4  2s22p5  2s22p6
 
 
Химичен елемент                                           11Na 12Mg 13AL 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar
 
Конфигурация на                                            3s1 3s2 3s23p1 3s23p2 3s23p3 3s23p4 3s23p5 3s23p6
последния слой
 
От литий до неон елементите не проявяват сходство в свойствата си, защото нямат сходни конфигурации на последния слой. Сходни, обаче, са свойствата на литий ( 2s1 ) и натрий (3s1 ).
Химичните елементи са подредени в периодичната система според периодичния закон и броя на протоните в атомните ядра. Поредният номер на елементите отговаря на броя на протоните в атомните ядра.  
Периодичната система структурно се състои от периоди и грyпи.
 
Периоди –7 на брой
Периодът е хоризонтален ред от химични елементи, чиито атоми съдържат еднакъв брой електронни слоеве. Химичните елементи в периодите са подредени по възходящ ред на броя на протоните (Z) в ядрата им. Всеки период, след първия, започва с алкален метал. Атомите на алкалните елементи съдържат по един електрон във външния си електронен слой. Всеки алкален елемент поставя началото на изграждането на нов електронен слой, т.е. всеки период започва с изграждането на нов електронен слой. Затова номерът на периода съвпада с броя на електронните слоеве, в които има електрони в основното състояние на атома. 
Всеки период завършва с благороден газ. Външният електронен слой на атомите на всеки благороден елемент съдържа 8 електрона (с изключение на хелий).
  В малките периоди (I, II и III) се изгражда само външният електронен слой на атомите. Затова в първия период може да има само 2 елемента, а във втория и третия – по 8. В големите периоди (IV, V, VI и VII), поради по-сложното изграждане на обвивката им,  броят на елементите е по-голям: 18, 18, 32, седмият период е незавършен. Да проследим периодичността в изграждането на електронните слоеве. В първия период са водородът и хелият. В атома на водорода единственият електрон заема 1s–подслой,  електронната му конфигурация е 1s1.
При хелия вторият електрон също се намира в 1s–подслой, като двата му електрона имат различни спинове и образуват електронна двойка. Конфигурацията на хелиевият атом е 1s2. При него К-слоят е напълно запълнен. 
  Вторият период започва с литий (3Li) и обхваща елементите с пореден номер от 3 до 10. От литий започва изграждането на втория (L) електронен слой и втория период на периодичната система. Електронната конфигурация на лития е 1s22s1 . Третият електрон заема  2s–подслоя. При берилия (4Be), електронна конфигурация е 1s22s2 ; 2s–подслоя е зает с два електрона и те образуват електронна двойка.
  В атома на бора (5B) петият електрон заема едно от състоянията на  2р-подслоя. При следващите елементи електроните заемат последователно 2р-подслоя. При въглерода ( 6C) двата електрона в 2р-подслоя са с еднакви спинове.
Атомът на азота (7N) има три единични електрона  и те имат еднакви спинове. От кислорода ( 8О ) до неона ( 10Ne ) започва cдвояването на електроните в 2р—подслоя. При неона  вторият (L)  слой е напълно изграден и завършва вторият период на периодичната система  (ПС).
От натрий  започва изграждането на третия слой (М)  и третия период . В този период от натрий ( 11Na ) до аргон ( 18Ar ) се запълват последователно 3s- и 3р-подслоевете. Периодът завършва с аргона, при който 3s- и 3р-подслоевете са заети съответно с 2 и 6 електрона (3s26). 
Остава незапълнен само 3d-подслоят, в който максималният брой електрони е 10. Тъй като енергията на електроните в 4s-подслоя е по-ниска от енергията на електроните в 3d, поредните два електрона заемат 4s-подслоя при калия (19К ) и калция (20Са). Затова от калий започва четвъртият период на ПС (N).
Всички разгледани двадесет елемента са s- и р-елементи от главни групи.
От скандий (  21Sс) до цинк ( 30Zn) електроните заемат последователно 3d-подслоя при общо 10 елемента. Те са елементи от вторичните (Б) групи.
След като 3d-подслоят е вече изграден, от галий ( Ga ) до криптон ( Kr)  електроните заемат последователно състоянията на 4р-подслоя. С криптона (4s24р6) завършва четвъртият период.
От рубидия ( 37Rb)  започва изграждането на петия електронен слой (О) и петия период на ПС. И тук се запълват последователно с електрони следните  подслоеве: 5s с два електрона, 4d - с десет електрона и 5р – с шест електрона. Периодът завършва с ксенона (54Хе), който има последен слой   5s26.
От цезий ( 55Cs) започва изграждането на шестия електронен слой  (Р) и шестия период на ПС.
 
Групи – 8 на брой
Главните  (А)  групи  съдържат s- или р-елементи, при които електроните заемат s- или р-подслоевете на последния слой. Броят на електроните в последния слой е равен на номера на групата. Изключение - само хелий, от VIIIA-група. 
 
Главна (А) ІА     ІІА     ІІІА          ІVА          VА           VІА         VІІА         VІІІА
група          ns1  ns2    ns2np1  ns2np2     ns2np3    ns2np4    ns2np5    ns2np6
                     s-елементи                             p-елементи       
 
 Вторичните (Б) групи включват елементи само от големите периоди. Те са d- и  f-елементи, защото при тях електроните заемат d- и f-състояния на по-долу лежащите слоеве. Електронната конфигурация на предпоследния ( n-1 ) и последния ( n ) слой на d-елементите най-общо се изразява по следния начин:
( n-1 )s2 ( n-1 )p6 ( n -1) d1-10  ns2(1)    
При f-елементите електроните заемат последователно ( n-2 )f-орбиталите на предпредпоследния слой и тяхната електронна конфигурация на последните слоеве най-общо се изразява с формулата:
( n-2 )s2 ( n-2 )p6 (n-2)d10(n -2) f1-14  ns2(1)
Елементите в дадена група проявяват сходни химични свойства, защото техните атоми имат равен брой валентни електрони в еднакви по вид подслоеве.   
Електронната конфигурация на d-подслоя на предпоследния (n-1) слой и на s-подслоя на последния слой за елементите от Б-групите се показва по следния начин:
ІІІБ (n-1)d1ns2
ІVБ (n-1)d2ns2
(n-1)d3ns2
VІБ (n-1)d5ns1
VІІБ (n-1)d5ns2
VІІІБ (n-1)d6ns2;  (n-1)d7ns2; (n-1)d8ns2
ІБ (n-1)d10ns1
ІІБ (n-1)d10ns2