stringtranslate.com

Блок (периодическая таблица)

Блоки s, f, d и p в периодической таблице

Блок периодической таблицы — это набор элементов, объединенных атомными орбиталями, на которых находятся их валентные электроны или вакансии. [1] Термин, по-видимому, впервые использовал Чарльз Жане . [2] Каждый блок назван в честь своей характерной орбитали: s-блок, p-блок, d-блок, f-блок и g-блок.

Названия блоков (s, p, d и f) получены из спектроскопической нотации для значения азимутального квантового числа электрона : острый (0), главный (1), диффузный (2) и фундаментальный (3). Последующие нотации идут в алфавитном порядке, как g, h и т. д., хотя элементы, которые могли бы принадлежать к таким блокам, пока не найдены.

Характеристики

Разделение на блоки оправдано их отличительной природой: s характеризуется, за исключением H и He, высокоэлектроположительными металлами; p — рядом очень отличительных металлов и неметаллов, многие из которых необходимы для жизни; d — металлами с несколькими степенями окисления; f — металлами, настолько похожими, что их разделение проблематично. Полезные утверждения об элементах могут быть сделаны на основе блока, к которому они принадлежат, и их положения в нем, например, наивысшая степень окисления, плотность, температура плавления... Электроотрицательность довольно систематически распределена по блокам и между ними.

П. Дж. Стюарт
в «Основах химии», 2017 [3]

Существует приблизительное соответствие между этой номенклатурой блоков, основанной на электронной конфигурации , и наборами элементов, основанными на химических свойствах. S-блок и p-блок вместе обычно считаются элементами главной группы , d-блок соответствует переходным металлам , а f-блок соответствует внутренним переходным металлам и охватывает почти все лантаноиды ( например, лантан , празеодим и диспрозий ) и актиноиды (например , актиний , уран и эйнштейний ).

Элементы 12-й группы цинк , кадмий и ртуть иногда рассматриваются как основная группа, а не как переходная группа, поскольку они химически и физически более похожи на элементы p-блока, чем на другие элементы d-блока. Элементы 3-й группы иногда считаются элементами основной группы из-за их сходства с элементами s-блока. Однако они остаются элементами d-блока, даже если их считают основной группой.

Группы (столбцы) в f-блоке (между группами 2 и 3) не нумеруются.

Гелий является элементом s-блока , его внешние (и единственные) электроны находятся на 1s- атомной орбитали , хотя его химические свойства больше похожи на свойства благородных газов p-блока в группе 18 из-за его полной оболочки.

s-блок

Na, K, Mg и Ca необходимы в биологических системах. Некоторые ... другие элементы s-блока используются в медицине (например, Li и Ba) и/или встречаются как второстепенные, но полезные примеси в биоминералах Ca, например, Sr… Эти металлы демонстрируют только одну стабильную степень окисления [+1 или +2]. Это позволяет [их] ... ионам перемещаться по клетке без... опасности окисления или восстановления.

Уилкинс, Р. Г. и Уилкинс, П. К. (2003)
Роль кальция и сопоставимых катионов в поведении животных, Королевское онкологическое общество , Кембридж, стр. 1

S-блок, где s обозначает «острый» и азимутальное квантовое число 0, находится на левой стороне обычной периодической таблицы и состоит из элементов из первых двух столбцов плюс один элемент из самого правого столбца, неметаллы водород и гелий и щелочные металлы (в группе 1) и щелочноземельные металлы (группа 2). Их общая валентная конфигурация n s 1–2 . Гелий является s-элементом, но почти всегда находит свое место в крайней правой части группы 18 , над p-элементом неоном . Каждая строка таблицы содержит два s-элемента.

Металлы s-блока (со второго периода ) в основном мягкие и имеют, как правило, низкие температуры плавления и кипения. Большинство из них придают цвет пламени.

Химически все s-элементы, за исключением гелия, очень реакционноспособны. Металлы s-блока очень электроположительны и часто образуют по существу ионные соединения с неметаллами, особенно с высокоэлектроотрицательными галогенными неметаллами.

p-блок

P-блок, где p обозначает «главный» и азимутальное квантовое число 1, находится на правой стороне стандартной периодической таблицы и охватывает элементы в группах с 13 по 18. Их общая электронная конфигурация — n s 2 n p 1–6 . Гелий , хотя и является первым элементом в группе 18, не включен в p-блок. Каждая строка таблицы имеет место для шести p-элементов, за исключением первой строки (в которой их нет).

Этот блок единственный, имеющий все три типа элементов: металлы , неметаллы и металлоиды . Элементы p-блока можно описать по группам следующим образом: группа 13 — икосагены ; 14 — кристаллогены; 15 — пниктогены ; 16 — халькогены ; 17 — галогены ; и 18 — гелиевая группа , состоящая из благородных газов (исключая гелий) и оганесона . С другой стороны, p-блок можно описать как содержащий постпереходные металлы ; металлоиды ; реактивные неметаллы , включая галогены ; и благородные газы (исключая гелий).

Элементы p-блока объединены тем фактом, что их валентные (внешние) электроны находятся на p-орбитали. P-орбиталь состоит из шести лепестковых форм, исходящих из центральной точки под равномерно разнесенными углами. P-орбиталь может содержать максимум шесть электронов, поэтому в p-блоке шесть столбцов. Элементы в столбце 13, первом столбце p-блока, имеют один p-орбитальный электрон. Элементы в столбце 14, втором столбце p-блока, имеют два p-орбитальных электрона. Тенденция продолжается таким образом до столбца 18, который имеет шесть p-орбитальных электронов.

Блок является оплотом правила октета в своей первой строке, но элементы в последующих строках часто демонстрируют гипервалентность . Элементы p-блока показывают переменные степени окисления, обычно отличающиеся на кратные двум. Реакционная способность элементов в группе обычно уменьшается вниз. (Гелий нарушает эту тенденцию в группе 18, будучи более реакционноспособным, чем неон, но поскольку гелий на самом деле является элементом s-блока, часть p-блока тенденции остается нетронутой.)

Связь между металлами и неметаллами зависит от разницы электроотрицательностей. Ионность возможна, когда разница электроотрицательностей достаточно велика (например, Li 3 N , NaCl , PbO ). Металлы в относительно высоких степенях окисления имеют тенденцию образовывать ковалентные структуры (например, WF 6 , OsO 4 , TiCl 4 , AlCl 3 ), как и более благородные металлы даже в низких степенях окисления (например, AuCl , HgCl 2 ). Существуют также некоторые оксиды металлов, демонстрирующие электрическую (металлическую) проводимость , такие как RuO 2 , ReO 3 и IrO 2 . [4] Металлоиды имеют тенденцию образовывать либо ковалентные соединения, либо сплавы с металлами, хотя даже в этом случае ионность возможна с большинством электроположительных металлов (например, Mg 2 Si ).

d-блок

... элементы  показывают горизонтальное сходство в своих физических и химических свойствах, а также обычное вертикальное соотношение. Это горизонтальное сходство настолько заметно, что химия первой  ... серии  ... часто обсуждается отдельно от химии второй и третьей серий, которые более похожи друг на друга, чем на первую серию.

Нин, В. Р., Роджерс, М. Дж. У. и Симпсон, П. (1972)
Химия: факты, закономерности и принципы, Эддисон-Уэсли, Лондон, стр. 487−489 

D-блок, где d обозначает «диффузный» и азимутальное квантовое число 2, находится в середине периодической таблицы и охватывает элементы с 3 по 12 группу; он начинается с 4-го периода . Периоды с четвертого и далее имеют место для десяти элементов d-блока. Большинство или все эти элементы также известны как переходные металлы , потому что они занимают переходную зону по свойствам, между сильно электроположительными металлами групп 1 и 2 и слабо электроположительными металлами групп 13-16. Группа 3 или группа 12, хотя и считаются металлами d-блока, иногда не считаются переходными металлами, потому что они не проявляют химических свойств, характерных для переходных металлов, например, множественных степеней окисления и окрашенных соединений.

Элементы d-блока все являются металлами, и большинство из них имеют один или несколько химически активных электронов d-орбитали. Поскольку существует относительно небольшая разница в энергии различных электронов d-орбитали, число электронов, участвующих в химической связи, может варьироваться. Элементы d-блока имеют тенденцию проявлять две или более степени окисления, отличающиеся на кратные единице. Наиболее распространенные степени окисления - +2 и +3. Хром , железо , молибден , рутений , вольфрам и осмий могут иметь формальные степени окисления вплоть до -4; иридий отличается тем, что способен достигать степени окисления +9 , хотя и только в условиях, далеких от стандартных.

D-орбитали (четыре в форме четырехлистного клевера и пятая в форме гантели с кольцом вокруг нее) могут содержать до пяти пар электронов.

f-блок

Из-за своей сложной электронной структуры, значительных эффектов электронной корреляции и больших релятивистских вкладов элементы f-блока, вероятно, являются наиболее сложной группой элементов для теории электронной структуры. 

Долг, М., ред. (2015)
Вычислительный метод в химии лантаноидов и актинидов, John Wiley & Sons, Чичестер, стр. xvii

F-блок, где f обозначает «фундаментальный» и азимутальное квантовое число 3, появляется как сноска в стандартной таблице из 18 столбцов, но расположен в центре слева в таблице полной ширины из 32 столбцов, между группами 2 и 3. Периоды с шестого и далее имеют место для четырнадцати элементов f-блока. Эти элементы, как правило, не считаются частью какой-либо группы . Иногда их называют внутренними переходными металлами , поскольку они обеспечивают переход между s-блоком и d-блоком в 6-й и 7-й строках (период), таким же образом, как переходные металлы d-блока обеспечивают переходный мост между s-блоком и p-блоком в 4-й и 5-й строках.

Элементы f-блока делятся на две серии: от лантана до иттербия в периоде 6 и от актиния до нобелия в периоде 7. Все они являются металлами. Электроны f-орбитали менее активны в химии элементов f-блока периода 6, хотя они вносят некоторый вклад; [5] они довольно похожи друг на друга. Они более активны в элементах f-блока раннего периода 7, где энергии оболочек 5f, 7s и 6d довольно похожи; следовательно, эти элементы, как правило, демонстрируют такую ​​же химическую изменчивость, как и их аналоги из переходных металлов. Элементы f-блока позднего периода 7, начиная примерно с кюрия , ведут себя больше как их аналоги из периода 6.

Элементы f-блока объединены в основном наличием одного или нескольких электронов на внутренней f-орбитали. Из f-орбиталей шесть имеют по шесть лепестков каждая, а седьмая выглядит как гантель с бубликом с двумя кольцами. Они могут содержать до семи пар электронов; следовательно, блок занимает четырнадцать столбцов в периодической таблице. Им не присваиваются номера групп, поскольку вертикальные периодические тренды не могут быть различены в «группе» из двух элементов.

Два ряда элементов f-блока из 14 элементов иногда путают с лантаноидами и актиноидами , которые являются названиями наборов элементов, основанных больше на химических свойствах, чем на электронных конфигурациях. Эти наборы имеют 15 элементов, а не 14, простираясь до первых членов d-блока в их периодах, лютеция и лоуренсия соответственно.

Во многих периодических таблицах f-блок смещен на один элемент вправо, так что лантан и актиний становятся элементами d-блока, а Ce–Lu и Th–Lr образуют f-блок, разрывая d-блок на две очень неровные части. Это пережиток ранних ошибочных измерений электронных конфигураций, в которых считалось, что оболочка 4f завершает свое заполнение только в лютеции. [6] Фактически иттербий завершает оболочку 4f, и на этом основании Лев Ландау и Евгений Лифшиц в 1948 году считали, что лютеций нельзя правильно считать элементом f-блока. [7] С тех пор физические, химические и электронные доказательства в подавляющем большинстве подтверждают, что f-блок содержит элементы La–Yb и Ac–No, [6] [8] как показано здесь и как подтверждено отчетами Международного союза теоретической и прикладной химии, датированными 1988 [8] и 2021 годами. [9]

г-блок

Предполагается, что g-блок с азимутальным квантовым числом 4 начнется вблизи элемента 121. Хотя ожидается, что g-орбитали не начнут заполняться в основном состоянии до элемента 124–126 (см. расширенную периодическую таблицу ), они, вероятно, уже достаточно низки по энергии, чтобы начать химически участвовать в элементе 121, [ 10] аналогично ситуации с 4f- и 5f-орбиталями.

Если бы тенденция предыдущих строк продолжилась, то g-блок имел бы восемнадцать элементов. Однако расчеты предсказывают очень сильное размывание периодичности в восьмом периоде, до такой степени, что отдельные блоки становится трудно разграничить. Вероятно, что восьмой период не будет полностью следовать тенденции предыдущих строк. [11]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Йенсен, Уильям Б. (21 марта 2015 г.). «Позиции лантана (актиния) и лютеция (лоуренсия) в периодической таблице: обновление». Основы химии . 17 : 23–31. doi :10.1007/s10698-015-9216-1. S2CID  98624395.
  2. ^ Шарль Жане, Геликоидальная классификация химических элементов , Бове, 1928 г.
  3. ^ Стюарт, П. Дж. (7 ноября 2017 г.). «Тетраэдрические и сферические представления периодической системы». Основы химии . 20 (2): 111–120. doi : 10.1007/s10698-017-9299-y .
  4. ^ Яо, Бенчжэнь; Кузнецов Владимир Леонидович; Сяо, Тяньцунь; Слокомб, Дэниел Р.; Рао, CN R; Хензель, Фридрих; Эдвардс, Питер П. (2020). «Металлы и неметаллы в таблице Менделеева». Философские труды Королевского общества А. 378 (2180). Бибкод : 2020RSPTA.37800213Y. дои : 10.1098/rsta.2020.0213. ПМЦ 7435143 . ПМИД  32811363. 
  5. ^ Gschneidner, Karl A. Jr. (2016). "282. Систематика". В Bünzli, Jean-Claude G.; Pecharsky, Vitalij K. (ред.). Справочник по физике и химии редких земель . Том 50. С. 12–16. ISBN 978-0-444-63851-9.
  6. ^ ab Jensen, William B. (1982). «Позиции лантана (актиния) и лютеция (лоуренсия) в периодической таблице». Журнал химического образования . 59 (8): 634–636. Bibcode : 1982JChEd..59..634J. doi : 10.1021/ed059p634.
  7. ^ Ландау, Л. Д.; Лифшиц , Э. М.]] (1958). Квантовая механика: нерелятивистская теория . Т. 3 (1-е изд.). Pergamon Press . С. 256–57.
  8. ^ ab Fluck, E. (1988). "Новые обозначения в периодической таблице" (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 60 (3): 431–436. doi :10.1351/pac198860030431. S2CID  96704008. Архивировано (PDF) из оригинала 25 марта 2012 г. . Получено 24 марта 2012 г. .
  9. ^ Scerri, Eric (18 января 2021 г.). «Provisional Report on Discussions on Group 3 of the Periodic Table» (PDF) . Chemistry International . 43 (1): 31–34. doi :10.1515/ci-2021-0115. S2CID  231694898. Архивировано (PDF) из оригинала 13 апреля 2021 г. . Получено 9 апреля 2021 г. .
  10. ^ Umemoto, Koichiro; Saito, Susumu (1996). «Электронные конфигурации сверхтяжелых элементов». Журнал Физического общества Японии . 65 (10): 3175–9. Bibcode : 1996JPSJ...65.3175U. doi : 10.1143/JPSJ.65.3175 . Получено 31 января 2021 г.
  11. ^ Шерри, Эрик (2020). «Недавние попытки изменить периодическую таблицу». Philosophical Transactions of the Royal Society A. 378 ( 2180). Bibcode : 2020RSPTA.37890300S. doi : 10.1098/rsta.2019.0300 . PMID  32811365. S2CID  221136189.

Внешние ссылки

Тетраэдрическая периодическая таблица элементов. Анимация, показывающая переход от обычной таблицы к тетраэдру.