2. Периодическая система элементов д.И.Менделеева

2.1. Строение атома

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро состоит из заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Число протонов равно порядковому номеру элемента в ПСЭМ. Например, порядковый номер кальция в ПСЭМ равен 20, следовательно, ядро кальция содержит 20 протонов. Число нейтронов определяется как разность между атомной массой изотопа элемента и его порядковым номером. Например, порядковый номер углерода в ПСЭМ равен 6, следовательно, ядро изотопа углерода ¹²С содержит 12 – 6 = 6 нейтронов, а изотоп углерода ¹⁴С содержит 14 – 6 = 8 нейтронов. Атомные массы элементов, приведенные в ПСЭМ, представляют собой средние атомные массы природной смеси различных изотопов элементов, поэтому эти величины не всегда могут быть использованы для нахождения числа нейтронов в ядре атома.

Заряд протона принято считать положительным. Заряд протона численно равен заряду электрона, который принято считать отрицательным. Атомы элементов электронейтральны, следовательно, число электронов в атоме равно числу протонов в ядре и равно порядковому номеру элемента в ПСЭМ.

Электроны в атоме образуют электронные уровни и подуровни. Число электронных уровней атома равно номеру периода в ПСЭМ, в котором располагается элемент. Например, элемент калий находится в четвертом периоде, следовательно, его электроны располагаются на 4 электронных уровнях. Электронные уровни могут быть обозначены целыми положительными числами от 1 до 7, что соответствует числу периодов в ПСЭМ. Эти числа носят название главного квантового числа, которое обозначается буквой n. В пределах электронного уровня электроны располагаются на электронных подуровнях. Максимально возможное число электронных подуровней на данном электронном уровне равно номеру уровня. Например, на 3-м электронном уровне может быть 3 электронных подуровня, однако в действительности, число электронных уровней не превышает четырёх. Так, на 5-м и 6-м уровнях имеется только по 4 подуровня. Электронные подуровни обозначаются буквами латинского алфавита s, p, d, f и носят название орбитального или побочного квантового числа. На 1-м электронном уровне имеется только один электронный подуровень – s. Это записывается как 1s. На втором электронном уровне находятся 2 электронных подуровня s и p. Эти подуровни обозначаются как 2s и 2p. Соответственно, на 3-м электронном уровне электроны располагаются на трёх подуровнях 3s, 3p и 3d, а на 4-м – на четырёх подуровнях – 4s, 4p, 4d и 4f. Максимальное количество электронов на s-подуровне составляет 2, на p-подуровне -6, на d-подуровне – 10, а на f-подуровне -14. Количество электронов, находящихся на электронном подуровне обозначается правым верхним индексом. Например, если на р-подуровне 2-го электронного уровня находится 3 электрона, то это записывается как 2p³, а 7 электронов на d-подуровне 3-го электронного уровня обозначаются как 3d⁷.

Если на электронном уровне находится несколько подуровней, то электроны в первую очередь заполняют s-подуровень, затем – p-подуровень, далее – d-подуровень и в последнюю очередь f-подуровень. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням называется электронной формулой элемента.

Пример 2.1. Записать электронную формулу атома элемента хлор.

Решение. Порядковый номер хлора в ПСЭМ равен 17, следовательно, ядро атома хлора содержит 17 протонов и нейтральный атом имеет 17 электронов. Хлор находится в 3-м периоде ПСЭМ, следовательно, электроны расположены на трех электронных уровнях. На 1-м уровне имеется только один электронный подуровень s, на котором может находиться максимально 2 электрона (1s²). На 2-м уровне имеется 2 подуровня – s- и p, на которых могут располагаться максимально 2 и 6 электронов, соответственно (2s² и 2p⁶). На 3-м уровне может быть 3 подуровня s-, p- и d. Но на этом уровне у атома хлора находится только 17-(2+2+6)=7 электронов. Два из них находятся на s- подуровне

Таблица 2.1. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева

периоды	ряды	группы элементов
		I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	I	1 H							2 He
2	II	3 Li	4 Be	5 B	6 С	7 N	8 O	9 F	10 Ne
3	III	11 Na	12 Mg	13 Al	14 Si	15 P	16 S	17 Cl	18 Ar
4	IV	19 K	20 Ca	21 Sc	22 Ti	23 V	24 Cr	25 Mn	26 Fe	27 Co	28 Ni
	V	29 Cu	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se	35 Br	36 Kr
5	VI	37 Rb	38 Sr	39 Y	40 Zr	41 Nb	42 Mo	43 Tc	44 Ru	45 Rh	46 Pd
	VII	47 Ag	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te	53 I	54 Xe
6	VIII	55 Cs	56 Ba	57* La	72 Hf	73 Ta	74 W	75 Re	76 Os	77 Ir	78 Pt
	IX	79 Au	80 Hg	81 Tl	82 Pb	83 Bi	84 Po	85 At	86 Rn
7	X	87 Fr	88 Ra	89* Ac	104 Ku	105 Ns	106	107	108	109	110

^{* Л А Н Т А Н И Д Ы}

^58 ^Ce

^59 ^Pr

^60 ^Nd

^61 ^Pm

^62 ^Sm

^63 ^Eu

^64 ^Gd

^65 ^Tb

^66 ^Dy

^67 ^Ho

^68 ^Er

^69 ^Tm

^70 ^Yb

^71 ^Lu

^**^А К Т И Н И Д Ы

.

^90 ^Th

^91 ^Pa

^92 ^U

^93 ^Np

^94 ^Pu

^95 ^Am

^96 ^Cm

^97 ^Bk

^98 ^Cf

^99 ^Es

^100 ^Fm

^101 ^Md

^102 ^(No)

^103 ^(Lr)

(3s²) и 5 – на p-подуровне (3p⁵). Таким образом, электронная формула хлора будет иметь вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

Электронные формулы первых 20 элементов ПСЭМ приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Электронные формулы элементов ПСЭМ.

Пери-од	Порядко-вый номер	Элемент		Электронная конфигурация
		Сим- вол	Название
1	1 2	H He	водород гелий	1s^1 1s^2
2	3 4 5 6 7 8 9 10	Li Be B С N O F Ne	литий бериллий бор углерод азот кислород фтор неон	1s^22s^1 1s^22s^2 1s^22s^22p^1 1s^22s^22p^2 1s^22s^22p^3 1s^22s^22p^4 1s^22s^22p^5 1s^22s^22p^6
3	11 12 13 14 15 16 17 18	Na Mg Al Si P S Cl Ar	натрий магний алюминий кремний фосфор сера хлор аргон	1s^22s^22p^63s^1 1s^22s^22p^63s^2 1s^22s^22p^63s^23p^1 1s^22s^22p^63s^23p^2 1s^22s^22p^63s^23p^3 1s^22s^22p^63s^23p^4 1s^22s^22p^63s^23p^5 1s^22s^22p^63s^23p^3
4	19 20	K Ca	калий кальций	1s^22s^22p^63s^23p^34s^1 1s^22s^22p^63s^23p^34s^2

Отметим, что изложенное применимо в полной мере только к элементам первых трёх периодов ПСЭМ.