8.1: Периодическая классификация элементов

Периодическая таблица упорядочивает атомы на основе увеличения атомного числа, чтобы периодически повторялись элементы с одинаковыми химическими свойствами. При добавлении в таблицу их электронных конфигураций наблюдается периодическое повторение аналогичных электронных конфигураций в наружных оболочках этих элементов. Поскольку они находятся во внешних оболочках атома, валентные электроны играют наиболее важную роль в химических реакциях. Внешние электроны обладают самой высокой энергией электронов в атоме и легче теряются или разделяются, чем основные электроны. Валентные электроны также являются определяющим фактором в некоторых физических свойствах элементов.

Горизонтальные ряды называются периодами. За период времени каждый последовательный элемент имеет дополнительный протон в ядре и дополнительный электрон в оболочке валентности. Вертикальные столбцы представляют собой группы. Элементы в любой группе (или столбце) имеют одинаковое количество валентных электронов (рис. 1); литий и натрий щелочных металлов имеют только один валентный электрон, а щелочные металлы, а также магний и лигеновые флюорин и хлор имеют по два, а галогены имеют по семь валентных электронов.  Именно потеря, усиление или распределение электронной валентности определяют реакцию элементов. Сходство химических свойств элементов одной группы происходит потому, что они имеют одинаковое количество валентных электронов.  

Важно помнить, что периодическая таблица была разработана на основе химического поведения элементов, задолго до появления какой-либо идеи об их атомной структуре. Теперь расположение периодической таблицы лучше понята; элементы, атомы которых имеют одинаковое количество валентных электронов, находятся в одной группе. Цветные разделы на рисунке 1 показывают три категории элементов, классифицируемых по заполняемым орбиталям.

Рисунок 1: В этой версии периодической таблицы показана конфигурация каждого элемента. Обратите внимание, что в каждой группе конфигурация часто сходна.

Элементы основной группы иногда называются репрезентативные элементы. Это элементы, в которых последний добавленный электрон входит в орбиту с или п в самой дальней оболочке, показанной синим и красным на рисунке 1. В эту категорию входят все неметаллические элементы, а также металлоиды и многие металлы. Валентные электроны для элементов основной группы — это электроны самого высокого уровня n. Например, галлий (GA, атомный номер 31) имеет электронную конфигурацию [Ar]4s²3d¹⁰4p¹, которая содержит три валентных электрона (подчеркнутые). Электроны полностью заполненных d орбиталей считаются ядрерными, а не валентными, электронами.

Два крайне левых столбца составляют s-блок, а шесть крайне правых столбцов составляют p-блок. Благородные газы, которые являются частью p-блока, имеют восемь валентных электронов, кроме гелия, который имеет два. Эти элементы очень стабильны и неустойчивы.

Переходные элементы или переходные металлы . Это металлические элементы, в которых последний добавленный электрон выходит на орбиталь d . Валентные электроны (добавленные после последней конфигурации благородного газа) в этих элементах включают электроны ns и ( n & ndash; 1) d . Официальное определение переходных элементов ИЮПАК определяет элементы с частично заполненными d орбиталями. Таким образом, элементы с полностью заполненными орбиталями (Zn, Cd, Hg, а также Cu, Ag и Au на рисунке 1) технически не являются переходными элементами. Однако этот термин часто используется для обозначения всего блока d (выделен желтым на рис. 1).

d-блок состоит из 10 столбцов. Главное квантовое число d орбитали, заполняемого по каждой строке, равно номеру строки минус один. В четвертом ряду заполняются, 3 d орбитали, заполняются в пятой строке 4 d орбитали и так далее.

Внутренние переходные элементы : они показаны зеленым на рисунке 1. Валентные оболочки внутренних переходных элементов состоят из ( n & ndash; 2) f , ( n & ndash; 1) d и подоболочки ns . Внутренние переходные элементы составляют f -блок, когда последний электрон входит на f орбиталь. Главное квантовое число орбиталей f , заполняющих каждую строку, равно номеру строки минус два. В шестой строке заполняются 4 орбитали f , а в седьмой строке - 5 орбиталей f . Есть две серии внутренних переходов:

1. Ряд лантанидов: от лантанида (La) до лютеция (Lu)
2. Актинидный ряд: от актинида (Ac) до лоуренсия (Lr)

Лантан и актиний, из-за их сходства с другими членами этой серии, включены и используются для названия серии, даже если они являются переходными металлами без f электронов.

Этот текст адаптирован из OpenStax Химия 2е изд., раздел 6.4: Электронная структура атомов.

Электроны, занимающие внешнюю оболочку атома, являются валентными электронами, в то время как электроны, занимающие основные внутренние уровни энергии, являются ядерными электронами. Атом натрия с электронной конфигурацией 3s1 имеет три основных энергетических уровня. Полные внутренние основные энергетические уровни 2s2 2p6 показывают, что есть десять ядерных электронов, за которыми следует третий внешний уровень, содержащий оставшийся один электрон.

Следовательно, у натрия есть один валентный электрон. Точно так же у хлора есть десять ядерных электронов и семь валентных электронов. Валентные электроны находятся дальше всего от ядра и удерживаются наиболее свободно.

Следовательно, их легче всего потерять или отделить, и они играют важную роль в образовании химической связи. Элементы, которые имеют одинаковое количество валентных электронов, обладают схожими химическими свойствами, как видно из расположения в современной периодической таблице. Для элементов основной группы номер группы, обозначенный буквами, равен количеству валентных электронов, а номер строки равен наибольшему главному квантовому числу этого элемента.

Каждый элемент в группе имеет одинаковое количество электронов, доступных для образования связи. Вниз по группе главное квантовое число увеличивается на единицу, в то время как количество валентных электронов остается прежним. Два крайних левых столбца периодической таблицы составляют s-блок.

Для этих элементов последний электрон выходит на s-орбиталь. Элементы первой группы, за исключением водорода, называются щелочными металлами и чрезвычайно реактивны, так как имеют только один валентный электрон. Элементы второй группы это щелочноземельные металлы с двумя электронами в валентной оболочке.

Шесть крайних правых столбцов образуют p-блок. Валентная оболочка этих элементов полностью заняла s-орбитали, и последний электрон переходит на p-орбиталь. От группы три A до группы восемь A количество электронов на p-орбиталях увеличивается на единицу.

Благородные газы имеют восемь валентных электронов, за исключением гелия, который относится к s-блоку и имеет только два электрона. D-блок состоит из десяти столбцов, помещенных между s и p-блоками. Эти элементы называют переходными металлами.

Последний электрон попадает на d-орбиталь главной оболочки с номером на единицу меньше номера строки. В четвертом ряду заполняются 3-d орбитали, в пятом ряду заполняются 4-d орбитали и так далее. Внутренние переходные элементы составляют f-блок, и последний электрон входит на f-орбиталь.

Главное квантовое число f-орбиталей, заполняющих каждую строку, на два меньше, чем номер строки. В шестом ряду заполняются 4-f орбитали, а в седьмом ряду 5-f орбитали. Внутренние переходные элементы расположены в ряду лантаноидов и ряду актиноидов.

Количество столбцов в каждом блоке указывает, сколько электронов может быть заполнено на подуровне блока. Два столбца в s-блоке коррелируют с s-орбиталью с двумя электронами, шесть столбцов в p-блоке представляют три p-орбитали с шестью электронами, а десять столбцов в d-блоке соответствуют пяти d-орбиталям с двумя электронами.каждая. Наконец, f-блок состоит из четырнадцати столбцов, указывающих максимальную емкость семи f-орбиталей.