Химиялық элементтердің периодтық жүйесін атом құрылысы тұрғысынан сипаттау

Атомның құрамына оң зарядты ядро мен теріс зарядты электрондар кіреді. Д. И. Менделеев ұсынған химиялық элементтердің периодтық жүйесіндегі рет нөмірі сол элементтің атом ядросы зарядының мәнімен сәйкес келеді. Aтом ядросы оң зарядты протондар мен заряды жоқ нейтрондардан тұрады. Әр элемент атомының ядро зарядына тең протондар саны тұрақты, ал нейтрондар саны өзгермелі болуына орай изотоптар шығады. Мысалы, табиғатта кездесетін көміртек екі изотоптан тұрады, олар: ¹²₆С, ¹³₆С. Сонымен қатар атмосферадан радиоактивті изотоптың ¹⁴₆С сілемі табылған. Бұл изотоптардағы нейтрондар саны 6,7,8-ге тең.

Атомдағы электрондар энергия мөлшеріне қарай белгілі бір квант қабаттарына (деңгейлерге) бөлінеді. Ондай энергетикалық деңгейлердің саны — 7, олар кестедегі периодтар санына тең. Жалпы деңгейлер мен периодтар санының бірдей болуын атом құрылысы теориясы бас квант санының мәнімен түсіндіреді.

Әр деңгейде бірнеше деңгейше бар. Деңгейшелер өз кезегінде орбитальдардан тұрады. Мысалы, бірінші квант қабатындағы (n= 1) бір деңгейшеде 1s орбиталь, ал екінші қабаттағы екі деңгейшеде екі түрлі орбиталь 2s, 2р, үшіншідегі үш деңгейшеде үш түрлі орбиталь 3s, 3р, 3d бар.

s-орбитальдардың пішіні сфера тәрізді, ал p-орбитальдардың пішіні гантель немесе көлемді сегіздік, d-орбитальдардікі одан да күрделі болып келеді. Әр деңгейшеде бір ғана s-орбиталь, х, у, z осьтері бойынша бағытталған пішіні бірдей үш p-орбиталь бола алады. Олардағы электрондарды да s-электрон, р-электрон деп бөледі.

Атомдардағы электрондарды Паули принципі, Гунд ережесіне сай энергетикалық деңгейлерге, олардың деңгейшелеріндегі s-, р-, d- орбитальдарға таратып, электрондық формулалармен белгілеп немесе квант ұяшықтарына орналастырып көрсетеді. Мысалы, реттік нөмірлері 3 литий және 6 көміртек атомдарының электрондық конфигурациясын формула түрінде бейнелейік:

₃Li 1s² 2s¹

₆С 1s² 2s² 2p²

Екеуі де екінші периодтың элементі, өйткені соңғы электроны екінші деңгейде түр. Алғашқы литий s-элементке, келесі көміртек р-элементке жататыны ең соңғы электроны орын алған орбитальдардан көрінеді. Егер соңғы электрон d- немесе f- орбитальдарына орналасса, ол элемент соған сәйкес d- (мысалы, темір, күміс, алтын, т.б.) немесе f- элементтер (лантаноидтар, актиноидтар) деп аталады.

Д. И. Менделеев ұсынған элементтердің периодтық жүйесі атомдардың құрылысымен тікелей байланысты. Атомдардың құрылысы элементтер қасиеттерінің периодты өзгеруінің мәнін ашып береді. Ең кіші периодтағы s-орбитальға 2 электрон сыяды, оған екі элемент Н пен He сәйкес келеді. Ал кіші периодтарда (II, III) сыртқы энергетикалық s және p-орбитальдардағы электрондар саны 1-ден 8-ге дейін өсіп, осыған сәйкес элементтердің (Li—Ne, Na—Аr) металдық қасиеті кеміп, бейметалдығы артып, ең соңында инертті элементтермен аяқталады. Үлкен периодтарға (IV,V) ауысқанда, олардың жұп қатарындағы (4, 6, 8) элементтердің валенттік электрондары сыртқы энергетикалық деңгейдегі s-орбитальдан ішкері жатқан (n-1) d-орбитальдарға орналасатындықтан, металдық қасиет баяу кемиді. Периодтың соңына жақындағанда, қайтадан сыртқы p-орбитальдар толтырылып, бейметалдық қасиет күшейіп, сосын инертті элементтермен аяқталады.

Периодтық кестедегі элементтердің топтарын негізгі және қосымша деп бөлу энергетикалық деңгейшелерге байланысты. Негізгі топша элементтері сыртқы s және р-деңгейшелеріне орналасса, қосымша топша элементтерін d-және f-металдар құрайды. Әрбір топшадағы элементтердің валенттік электрондық конфигурациясы бірдей болады. Негізгі топша элементінің сыртқы деңгейшесіндегі электрондар саны топша нөмірімен сәйкес келеді. Қосымша тогапа элементтерінің сыртқы энергетикалық деңгейшесінде 1 (Ag) не 2 (көптеген d-элементтер) электрон ғана болатындықтан, олар айқын металдарға жатады. Мысалы, VII негізгі топшада галогендердің сыртқы деңгейшесінде 7 электрон — ns²np⁵ бар. Сондықтан олар — нағыз бейметалдар, ал қосымша марганец топшасын алсақ, сыртқы s-орбиталінде 2 ғана электрон болатындықтан, олар нағыз металдарға жатады. Марганец топшасы нөміріне сай валенттікке ие болу үшін ішкергі (n-1) d-деңгейшедегі 5 электронды пайдаланады: 4s²3d⁵. Жалпы алғанда, топ нөмірі химиялық байланыс түзуге қатыса алатын максимал электрондар санын көрсетеді.

Aтом құрылысы теориясы тұрғысынан әр топтағы элементтердің ядро зарядының өсуі олардың металдық қасиеттерінің күшейіп, керісінше, бейметалдық қасиеттерінің төмендеуіне әкелетіні атомдар радиустарының өзгеру заңдылығына сүйеніп түсіндіріледі. Неғұрлым атом радиусы ұлғайған сайын, соғұрлым оның валенттік электрондарының ядромен байланысы кеми бастайды да, үзіліп кетуі жеңілдейді, яғни металдық қасиеті — тотықсыздандырғыштығы күшейеді. Бейметалдық қасиет р-элементтерге тән. Олар октетті 8 электронды қабат түзу үшін өздеріне жетпейтін 1—3 электронды қосып алады. Әрі радиусы кішірейген сайын бейметалдығы күшейіп, тотықтырғыштық қасиеті арта бастайды. Мысалы, галогендердің бейметалдығы топша бойынша йодтан фторға қарай күшейе береді.

Атомдардың электрондық конфигурациясына байланысты периодты өзгеретін қасиеттерінің қатарына олардың валенттігі, радиусымен қатар электртерістігі де, тотығу дәрежелері де жатады. Элементтердің реттік нөмірінің (ядро зарядының) артуына қарай атомдардың басқа да көптеген қасиеттерінің периодты өзгеруі айқын байқалады.

Элементтердің салыстырмалы электртерістігін дәлірек сипаттайтын 1-кестеден олардың периодты өзгеру заңдылығымен қоса негізгі топша бойынша мәндерінің кемитіні, период бойынша сілтілік металдан галогендерге дейін біртіндеп артатыны байқалады. Жалпы алғанда, металдардың электртерістігі аздау, ал бейметалдардікі көптеу болып келеді. Инертті газдардың электртерістігі жоқ, өйткені атомдарының сыртқы электрондық деңгейшесі толық толған, сондықтан әрекеттесуге бейімділігі өте төмен болады.

Химиялық әрекеттесу кезінде элементтердің электрондық бұлттары салыстырмалы түрде электртерістігі аздау атомнан көптеу атомға қарай ығысады. Осыған орай, алғашқысы электрон, кейінгісі электртеріс мәнге ие болып, оң және теріс тотығу дәрежелерін көрсетеді. Мысалы, метан СН₄ молекуласын алайық, электртерістігі көптеу көміртек (2,5) сутектен (2,1) электрон бұлтын өзіне тартады, сондықтан тотығу дәрежелері СН₄ болып шығады. Керісінше, көмірқышқыл газындағы С0₂ оттек атомының электртерістігі (3,5) көміртектен әлдеқайда көп, демек, ондағы тотығу дәрежесінің мәндері соған сай С0₂ болып өзгереді.