ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

Периодическая система отражает закон изменения физико-химических свойств элементов с изменением заряда ядра Z и числа электронов во внешней оболочке атомов (периодический закон).
     В первоначальном варианте таблицы Д. И. Менделеева элементы располагались в порядке возрастания атомных масс и группировались по сходству химических свойств. Объяснение периодическому закону и структуре периодической системы в дальнейшем было дано на основе квантовой теории строения атома. Оказалось, что последовательность расположения элементов в таблице определяется зарядом ядра, а периодичность физико-химических свойств связана с существованием электронных оболочек атома, постепенно заполняющихся с возрастанием Z.
     Состояние электрона в атоме зависит от главного квантового числа n, орбитального квантового числа l, его проекции m, спинового числа s и его проекции σ. Электроны с разными n и l образуют разные оболочки. С учетом принципа Паули число электронов в оболочке с индексом l не может быть больше 2 (2 l + 1). В зависимости от значения l = 0, 1, 2, 3... оболочки обозначают буквами s, p, d, f, g, h, i, k, l, m...
     Современная таблица химических элементов построена таким образом, что при переходе от какого-либо элемента к следующему заряд ядра увеличивается на единицу и к оболочке добавляется один электрон. Заряд ядра определяет порядковый номер элемента.
     По способу заполнения электронных оболочек все злементы разбиты на периоды. В первый период входят два элемента (H, He), у которых застраивается 1 s - оболочка. Второй и третий периоды содержат по восемь элементов, у которых застраиваются сначала s²-оболочки (2 s² и 3 s²), а затем p⁶-оболочки (2 p⁶ и 3 ⁶). Первые три периода обычно называют малыми.
Периоды с четвертого по седьмой занимают в таблице по два ряда; их обычно называют большими. У элементов четвертого и пятого периодов прежде всего застраиваются s²-оболочки (4 s² и 5 s²). После этого заполняются d¹⁰-оболочки предыдущих слоев (3 d¹⁰ и 4 d¹⁰) и, наконец p⁶-оболочки (4 p⁶ и 5 p⁶). Оба эти периода содержат по 18 элементов.
     Оболочки элементов шестого и седьмого периодов также застраиваются в одинаковой последовательности: сначала заполняются внешние s-оболочки (6 s² и 7 s²), после этого появляется один электрон в предыдущей d-оболочке (в атомах La и Ac), но у последующих элементов в основном заполняются глубокие f-оболочки (4 f¹⁴ и 5 f¹⁴) и лишь после этого достраиваются d-оболочки (5 d¹⁰ и 6 d¹⁰).
     Элементы, у которых заполняются не внешние, а более глубокие оболочки, называют переходными. Так, в четвертом периоде к переходным относятся элементы от Sc до Zn, у которых застраиваются 3 d-оболочки, в пятом - от Y до Cd (4 d-переходные элементы), в шестом - от La до Hg, в седьмом - все актиноиды.
     Седьмой период остался недостроенным, поскольку у элементов с Z > 83 отсутствуют устойчивые изотопы, причем их нестабильность возрастает с увеличением Z. Таблица, таким образом, заканчивается последним из полученных искусственным путем элементов с Z = 107. Неустановившиеся названия, недостоверные электронные конфигурации и гипотетические массовые числа наиболее долгоживущих изотопов радионуклидов приведены в скобках.
     Взаимодействие электронов в оболочках приводит к тому, что у некоторых элементов оболочки заполняются не так, как им предписывает система: в четвертом периоде в атомах Cr и Cu число d-электронов увеличивается на два по сравнению с предшествующими им V и Ni за счет одного из 4 s-электронов; в пятом периоде подобная "аномалия" наблюдается у Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, причем у Pd на d-оболочку "переходят" оба 5 s-электрона; наконец, в шестом периоде на один s-электрон меньше, чем остальные, имеют атомы Os, Pt, и Au: в f-переходных металлах конкурируют по энергии f- и d-состояния, поэтому у некоторых элементов очередной электрон попадает не в 4 f (5 f)-оболочку, а в 5 d (6 d)-оболочку: это происходит у Gd, Tb, Lu в группе редких земель и у Pa, U, Np, Cm, Bk, Lw - в группе актиноидов.
     Кроме горизонтального разделения элементов в таблице по периодам производится вертикальное разделение их по группам. Элементы, входящие в каждую группу, имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек. В "коротком" варианте таблицы каждый из больших периодов разбит на два ряда, помещенных один под другим, поэтому наряду с главными группами возникают побочные. В первых двух группах главную подгруппу составляют элементы, имеющие соответственно один и два s-электрона на внешней оболочке (2,3,4,6, 8 и 10-й ряды), а в побочную подгруппу выделяются элементы с заполненными d-оболочками (5, 7 и 9-й ряды). В группах с III по VII переходные элементы относятся к по-бочным подгруппам (4, 6, 8 и 10-й ряды), а элементы с незаполненными p-оболочками - к главным (2, 3, 5, 7 и 9-й ряды). Водород может быть отнесен к первой главной подгруппе как имеющий один электрон в s-оболочке и к седьмой, поскольку ему не хватает до заполненной оболочки одного электрона. У элементов инертных газов, составляющих восьмую группу, застроены все оболочки. Эти элементы замыкают периоды. Названия элементов главных подгрупп в таблице смещены влево, а побочных - вправо. В отдельные группы (триады) выделены переходные элементы с почти заполненными d-оболочками (группы железа, палладия и платины). Особые группы составляют также элементы с застраиваемыми f-оболочками (лантаноиды и актиноиды).
     Многие физические свойства элементов связаны с положением, которое они занимают в периодической системе. Так, атомные массы элементов возрастают с увеличением порядкового номера (исключение из этого правила составляют пары Ar - K, Co - Ni, Te - I): к магнитному упорядочению способны только металлы с незаполненными 3- и 4-й оболочками (исключением является твердый кислород), а сверхпроводящими свойствами в основном обладают парамагнитные переходные металлы четвертого - седьмого периодов; полупроводники располагаются в середине периодов в главных подгруппах III, IV и VI, а полуметаллы - в главной подгруппе V; все периоды заканчиваются диэлектрическими кристаллами. Отчетливую периодичность обнаруживают и другие физические свойства.
     Для выявления закономерностей изменения физических свойств элементов удобно располагать их в "длинную" периодическую систему, в которой всем элементам, имеющим одинаковую структуру внешних электронных оболочек, отводится по отдельной группе. Длинную таблицу нередко изображают в компактной ступенчатой форме, располагая периоды один за другим симметрично относительно оси таблицы, и соединяя линиями элементы, принадлежащие к одной группе. Другая форма длинной таблицы использована для построения периодической системы физических свойств элементов. В этой таблице представлены атомные и термодинамические характеристики физических элементов в твердой кристаллической фазе при атмосферном давлении. Указан тип решетки, в которой элемент кристаллизуется при температуре 20^oC (для веществ, которые при нормальных условиях находятся в жидком или газообразном состоянии, указана фаза, в которую они переходят в результате охлаждения при атмосферном давлении). Приведены атомные и ионные радиусы (по Полингу) для основных валентностей элементов, а также температуры кипения, плавления, магнитных и сверхпроводящих переходов. Для немагнитных кристаллов указан тип магнитной восприимчивости (парамагнитная или диамагнитная). Приведены также значения температуры Дебая, определенные для большинства элементов из данных по теплоемкости при температуре 20^oC.