§ 208. Периодическая система элементов Менделеева

Периодический закон изменения химических свойств элементов, открытый Д. И. Менделеевым, является отражением глубоких закономерностей строения атомов; он имеет поэтому первостепенное значение не только для химии, но и для физики. Правильная теория строения атома должна согласовываться с законом Менделеева, т. е. должна объяснять закономерности в химических свойствах элементов, которые нашли выражение в периодической системе Менделеева. Рассмотрим, как решает эту задачу планетарная модель атома.

Химические свойства проявляются при атомных столкновениях, ведущих к образованию молекул. Но при столкновении атомов сближаются и взаимодействуют прежде всего их электронные оболочки. Поэтому химические особенности атома определяются строением его электронных оболочек, т. е. в конечном счете зарядом атомного ядра. В этом состоит причина того, что элементы в периодической системе располагаются в порядке возрастания ядерного заряда. Этим объясняется также совпадение химических свойств атомов-изотопов, ядра которых отличаются по массе, но имеют равные заряды.

На рис. 370 изображено начало таблицы Менделеева, причем для каждого элемента указано размещение электронов по возможным орбитам. Как отмечалось в предыдущем параграфе, возможные орбиты группируются в оболочки ( и т. д.).

Рис. 370. Первые три периода периодической системы Менделеева. Для каждого элемента указано размещение атомных электронов по оболочкам

Обращает на себя внимание тот факт, что номер группы системы Менделеева, в которую входит элемент, равен числу электронов на последней из занятых оболочек атома. Так, в первую группу входят водород (один электрон на оболочке), литий (один электрон на оболочке), натрий (один электрон на третьей оболочке) и т. д. Все эти элементы обладают сходными химическими свойствами. Во вторую группу входят бериллий (два электрона на оболочке), магний (два электрона на третьей оболочке) и т. д. Элементы второй группы также весьма сходны в химическом отношении. Аналогичное положение имеет место и для остальных групп. Отсюда следует, что химические свойства атомов определяются электронами, расположенными на последней, не полностью занятой оболочке. Эти электроны носят название валентных. Число валентных электронов определяет валентность элемента. Так, все щелочные металлы , имеющие по одному валентному электрону, одновалентны; все щелочно-земельные элементы  двухвалентны и имеют по два валентных электрона и т. д. Атомы с целиком заполненными оболочками не имеют валентных электронов и химически неактивны. Они образуют инертные газы — гелий, неон, аргон и другие и составляют нулевую группу, ибо их валентность равна нулю.

С возрастанием числа электронов в атоме свойства элемента изменяются от металлов к неметаллам. Когда очередная оболочка целиком заполняется электронами, получаем инертный газ. При дальнейшем увеличении количества электронов начинает строиться новая атомная оболочка — открывается следующий период периодической системы, в котором снова имеет место переход от металлов к неметаллам.

Начиная с 4-го периода системы Менделеева наблюдаются отступления от указанного порядка заполнения оболочек. На некоторых участках периодической системы новая оболочка начинает заполняться еще до того, как завершилось построение предыдущей оболочки. На других участках с увеличением числа электронов в атоме число электронов на последней оболочке остается неизменным и достраиваются предыдущие оболочки. В этом случае образуемся группа соседних элементов с одинаковым числом валентных электронов, т. е. со сходными химическими свойствами. Примером такой группы являются так называемые редкие земли.

Мы нашли, таким образом, причину периодичности химических свойств элементов. Периодичность вызвана тем, что химические свойства в главных чертах определяются числом внешних (валентных) элементов в атоме, а число внешних электронов периодически повторяется по мере заполнения оболочек  и т. д.

Почему же на химических свойствах атома сказывается не вся совокупность атомных электронов, а только внешние электроны? Дело в том, что энергия, выделяемая или поглощаемая при химических реакциях, не превышает нескольких электронвольт на атом (см. упражнение 3 в конце главы). Этой энергии достаточно, чтобы изменить расположение внешних электронов атома. Но она слишком мала, чтобы изменить орбиты внутренних электронов, для которых энергия переходов значительно больше (см. § 207). Поэтому при объединении атомов в молекулы расположение внутренних электронов объединяющихся атомов сохраняется. Это доказывается тем, что спектр рентгеновского излучения химических соединений (возбужденного, например, электронной бомбардировкой) представляет собой наложение спектров излучений чистых элементов, входящих в это соединение.

В отличие от рентгеновского оптический спектр обусловлен, как мы видели, поведением внешних электронов, т. е. тех же электронов, которые определяют и химические свойства атома. Этим объясняется, что химически сходные элементы характеризуются сходными оптическими спектрами. При образовании молекулы из атомов происходит перегруппировка «химических» (валентных) электронов, которые в то же время являются и «оптическими». Следовательно, образование молекулы сопровождается изменением и оптических свойств атомов. Поэтому-то оптический спектр молекулы обычно резко отличается от спектров атомов, составляющих молекулу.

Остановимся в заключение на устойчивости (прочности) атомов, о которой шла речь в начале этой главы. Эта устойчивость связана с устойчивостью атомных ядер. Поверхностные изменения свойств атома (например, его ионизация, образование сложных молекул из атомов) ограничиваются перегруппировкой внешних электронов и не затрагивают атомного ядра. Поэтому после таких изменений атом сравнительно легко может быть вновь восстановлен (нейтрализация иона, распад молекулы и т. д.). Но для радикального преобразования свойств атома, при котором атом изменяет свою природу и восстановление его представляет новый, сложный процесс, должно произойти изменение заряда ядра и связанное с этим изменение нормального числа электронов в атоме. Изменить заряд ядра, вообще говоря, можно. Однако ввиду малости и прочности ядер задача эта требует особых, исключительно мощных средств, с которыми мы познакомимся в гл. XXIV.