Квантовомеханическое объяснение таблицы менделеева

КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ТАБЛИЦЫ
МЕНДЕЛЕЕВА
Периодическая таблица элементов, составленная Менделеевым в 1869 г.,
играет важную роль при исследовании структуры и свойств вещества.
Законами
классической
физики
и
химии
невозможно
объяснить
закономерности этой таблицы.
Только после появления квантовой механики эти закономерности были
объяснены. Как известно, энергия электронов в многоэлектронных атомах,
зависит от квантовых чисел n и  . Последовательность расположения
электронных оболочек имеет вид:
1s2s2 p3s3 p3d ,... - это идеальное заполнение оболочек.
Опыты показывают, что начиная с d оболочек эта последовательность
нарушается.
Для объяснения закономерностей таблицы Менделеева используется,
так называемый, принцип построения:
1.
Заполнение электронных оболочек начинается с орбитали с
наименьшей энергией и продолжается по мере возрастания энергии.
2.
Согласно принципу Паули, на каждой атомной орбитали (АО), с
определенным набором квантовых чисел n.l и m находится по 2
электрона с противоположными спинами.
3.
Правило
Хунда.
Для
данной
электронной
конфигурации:
наименьшей энергией обладает (уровень) терм, с наибольшей
мультиплетностью, т.е. с наибольшим значением S
(полный
спиновый момент или полный спин) и с наибольшим значением L
(суммарный орбитальный момент) при данной S .
Используя
эти
правила,
построим
некоторых атомов, начиная с водорода:
электронную
конфигурацию
1
1
, s
2
2
1 1
2 He : n  1,   0, m  0, m s   , , s  0
2 2
1H : n  1,   0, m  0, m s 
Третий электрон при заполнении электронных оболочек не может
находиться на 1s орбитали, в соответствии с принципом Паули.
В атоме Li третий электрон
находится либо на 2 s , либо на 2 p
орбитали.
Экспериментально установлено, что энергия Enp  Ens , однако:
Enp  E( n 1) s
Таким образом, третий электрон Li находится на 2 s орбитали; тогда
2
1
электронная конфигурация Li будет иметь вид: 1s 2s
3Li : 1s 2 2s 1
4 Be : 1s 2 2s 2
Квантовые числа четвертого электрона:
1
n  2,   0, me  0, ms   ,
2
5B : 1s 2 2 s 2 2 p 1 , S 
S  0.
1
2
Известно, что 2 p – орбитали состоят из 3-х эквивалентных орбиталей:
2 px 2 p y 2 pz . Пятый электрон
бора с одинаковой вероятностью может
находиться в одной из них. Аналогичная картина имеет место в атоме
углерода.
6С : 1s 2 2s 2 2 p 2
1s 2 2s 2 2 p x 2 p y x 2 p z 

2


 
1s 2s 2 p x 2 p y 2 p z 

1s 2 2s 2 2 p x 2 p y 2 p z 

7 N : 1s 2 2 s 2 2 p 3
1s 2 2 s 2 2 p x 2 p y 2 p z
В некоторых случаях сперва заполняются оболочки с большим
значением главного квантового числа n.
Для объяснения этого Клечковский предложил следующее правило:
Если для 2-х уровней энергии n    одинаково, то первым заполняется
уровень с меньшим n например:
3 pn     3  1  4
4sn     4  0  4
4 s n     4  0  4
4 p n     4  1  5
5s n     5  0  5
6 s n     6  0  6
4d n     4  2  6
5 p n     5  1  6
Используя правило Клечковского и принцип построения таблицы
Менделеева,
можно
представить
заполнение
электронных
оболочек
следующим образом:
Период
1
Электронное состояние
1s
2
Число электронов
2
2
2s 2 2 p 6
8
3
3s 2 3 p 6
8
4
4s 2 3d 10 4 p 6
18
5
5s 2 4d 10 5 p 6
18
6
6s 2 4 f 14 5d 10 6 p 6
32
7
7s 2 5 f 14 6d 10 7 p 6 …
--
Таблица Менделеева состоит из 7 периодов. Первый
элемент каждого
периода входит в I группу. Всего групп – 8.
Каждый период начинается с заполнения s – оболочки и заканчивается
заполнением p – оболочки.