Вопрос 22.

Электронная структура атомов химических элементов 6 периода ПС. Чем увеличение числа химических элементов с 18 до 32 по сравнению с пятым периодом? У атомов каких элементов 6 периода наблюдаются провалы (проскоки) электронов? Как сказывается d- и f- сжатие на свойствах d-элементов 6 периода?

У шестого периода начинает заполняться 4f-подуровень.

У бария (Ва №56) на 6s-подуровне два электрона. Следующий электрон, согласно правилу n+1, должен вступить на 4f-подуровенъ. Однако, вследствие очень близких энергий 4f- и 5d-подуровней и особой устойчивости незаполненного 4f-подуровня, у лантана (№57) электрон вступает на 5d-подуровенъ. У цезия, следующего за лантаном, распределение электронов подчинено правилу n+1, поэтому на 4f-подуровне у него находится 2 электрона; один новый, а другой - перешедший с 5d-подуровня. В дальнейшем заполнение 4f-подуровня происходит согласно правилу Хунда: 4f-подуровень заполняется (у европия) неспаренными электронами, а затем образуются пары электронов.

4f-подуровень, заполненный наполовину неспаренными электронами, обладает повышенной устойчивостью, поэтому у гадолиния Gd, следующего за европием, на 4f-подуровне сохраняется прежнее количество электронов (7), а новый электрон вступает на 5d-подуровень, нарушая правило (n+1). У тербия Тb очередной электрон вступает на 4f-подуровень и происходит переход электрона с 5d-подуровня. Иттербием Yb заканчивается заполнение 4f-подуровня и уровня с n=4. Новый электрон входит на 5d-подуровень, создавая электронную конфигурацию атома лютеция Lu, отличающаяся от конфигурации атома лантана только полностью заполненным 4f-подуровнем. Обычно в периодической системе сразу за барием помещают лантан, а следующие четырнадцать элементов выносят за пределы таблицы. Если бы правило (n+1) соблюдалось, то лантан был бы не d-элементом, а первым f-элементом. Заполнение 4f-подуровня заканчивается у иттербия, и следующий за ним лютеций по существу не является f-элементом. Поэтому в таблице Менделеева под скандием и иттербием правильнее расположить лютеций как первый d-элемент, а все 14 элементов перед ним, включая и лантан, вынести в отдельную группу лантаноидов за пределы системы. Химические свойства элементов главным образом связаны со структурой внешних электронных уровней. Изменение числа электронов на третьем снаружи 4f-подуровне слабо отражается на химических свойствах элементов. Поэтому все f-элементы похожи друг на друга. Все лантаноиды проявляют валентное состояние 3, которое для них наиболее характерно. После лантаноидов в шестом периоде идут элементы, у которых заполняется 5d-подуровень, заканчивающийся ртутью, а затем по радон включительно - элементы с заполняющимся 6p-подуровнем.

Провалы электронов в 6 периоде происходят у Gd ,Pt, Au.

d- и f- сжатие (лантаноидное сжатие) имеет важные последствия для свойств атомов, стоящих за лантаноидами. Радиусы атомов, стоящих за лантаноидами, меньше, чем значения, ожидаемые в «отсутствии» лантаноидов. В связи с тем, что лантаноиды находятся в III побочной подгруппе периодической таблицы, изменение радиусов атомов элементов данной подгруппы отличается от такового для атомов элементов всех остальных побочных подгрупп.

Элементы IVВ–VIIВ подгрупп очень схожи по многим химическим свойствам. Это сходство обусловлено лантаноидным сжатием, которое из-за монотонного уменьшения радиусов при заполнении 4f-орбиталей приводит к практическому совпадению радиусов циркония и гафния, ниобия и тантала, молибдена и вольфрама, технеция и рения. Элементы этих пар очень близки по физическим и особенно по химическим свойствам; первые шесть элементов встречаются в одних рудных месторождениях, трудно разделяются; их иногда называют элементами-близнецами.

Вопрос 23. Электронная структура атомов химических элементов 7 периода ПС. Какой порядковый номер должен иметь элемент, заканчивающий 7 период? Что общего между актиноидами и лантаноидами с точки зрения электронного строения атомов?

В шестом периоде после заполнения 6s-подуровня начинается заполнение 4f-подуровня, и следуют атомы f-элементов. В связи с тем, что у них внешним является шестой уровень, а электроны последовательно занимают 4-й уровень, лежащий гораздо ближе к ядру, то химические свойства всех этих f-элементов близки к лантану, поэтому их часто называют лантаноидами (в 7-м периоде f-элементы называются актиноидами). После 4f заполняется 5d и, наконец, 6p-подуровень, заполнением которого заканчивается построение шестого периода. Седьмой период не завершен, т.к. элементы с большим зарядом ядра оказываются очень неустойчивыми (легко протекают ядерные реакции).

Порядок заполнения подуровней в соответствии с правилами Клечковского можно записать в виде последовательности: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p. Однако для некоторых элементов эта последовательность нарушается, т.е. из правил Клечковского имеются исключения. У атомов Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au имеет место “провал” электрона с s-подуровня внешнего слоя на d-подуровень предыдущего слоя, что приводит к энергетически более устойчивому состоянию атома. Например, электронная формула атома меди имеет вид: Cu 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1, т.е. один из двух 4s-электронов “проваливается” на 3d-подуровень. Особо следует отметить палладий, у которого “проваливаются” два электрона: Pd 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p6 4d10 5s0. Второй тип исключений из правила Клечковского состоит в том, что перед заполнением 4f-подуровня один электрон располагается на 5d-подуровне: La 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f0 5s2 5p6 5d1 6s2. У следующего элемента (церия) 5d-подуровень освобождается, и оба электрона располагаются на 4f-подуровне: Ce 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f2 5s2 5p6 5d0 6s2. Аналогично, в 7-м периоде у актиния последний из электронов располагается на 6d-подуровне (а не на 5f, как должно быть по правилам Клечковского).

7 период является незавершенным. В настоящее время можно с уверенностью утверждать о наличии в нем двух элементов s-семейства (Cs и Ba), четырнадцати элементов f-семейства – актиноидов (от Th до Lr) и семи d-элементов (от Ac до Mt). Имеется предварительная информация о синтезе некоторых элементов с большими порядковыми номерами. Так, по сообщениям из Германии там синтезированы элементы 110 и 111 в количестве нескольких атомов. Стабильность элемента 111 оценивалась временным интервалом в 0.0015 секунд. 28 октября 2000 г. средства массовой информации сообщили о синтезе элемента с порядковым номером 116, время "жизни" которого оценивалось 50 миллисекундами, а в феврале 2004 – о синтезе элементов 113 и 115. Это произошло в России, в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований. Правда, сообщения носили предварительный характер.

Выдвинута версия, что ПС закончится 118 элементом.