Номер 70, страница 29 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

70. *Почему $3d$-элементы находятся в четвертом периоде периодической системы?

Решение

Положение химического элемента в периодической системе определяется строением его электронной оболочки. В частности, номер периода, в котором находится элемент, соответствует номеру внешнего (валентного) электронного слоя, то есть главному квантовому числу $n$ этого слоя.

Заполнение электронами атомных орбиталей происходит в порядке увеличения их энергии в соответствии с принципом наименьшей энергии, который конкретизируется правилом Клечковского (правило $n+l$):

Орбитали заполняются в порядке возрастания суммы главного ($n$) и орбитального ($l$) квантовых чисел, то есть $n+l$.

При одинаковой сумме $n+l$ сначала заполняется орбиталь с меньшим значением $n$.

Рассмотрим порядок заполнения орбиталей, начиная с конца третьего периода. Третий период заканчивается элементом аргоном ($Ar$), у которого полностью заполнены $3s$- и $3p$-подуровни: $1s^22s^22p^63s^23p^6$.

Для следующего, четвертого периода, необходимо определить, какая орбиталь будет заполняться после $3p$ — $4s$ или $3d$. Применим правило Клечковского:

Для $4s$-орбитали: $n=4$, $l=0$ (s-орбиталь). Сумма $n+l = 4+0 = 4$.

Для $3d$-орбитали: $n=3$, $l=2$ (d-орбиталь). Сумма $n+l = 3+2 = 5$.

Поскольку $4 < 5$, энергия $4s$-орбитали ниже, чем у $3d$-орбитали. Поэтому после $3p$-подуровня начинает заполняться $4s$-подуровень.

Первые два элемента четвертого периода — калий ($K$) и кальций ($Ca$) — являются $s$-элементами. Их электронные конфигурации:

$K$ (Z=19): $[Ar]4s^1$

$Ca$ (Z=20): $[Ar]4s^2$

Поскольку у этих элементов появляется и заполняется четвертый электронный слой ($n=4$), они начинают четвертый период.

Только после полного заполнения $4s$-подуровня начинается заполнение $3d$-подуровня, так как его энергия ($n+l=5$) является следующей по величине. Начиная со скандия ($Sc$) и заканчивая цинком ($Zn$), происходит заполнение десятью электронами $3d$-подуровня. Эти элементы и называются $3d$-элементами или переходными металлами первого ряда.

Например, конфигурация скандия ($Sc$, Z=21) — $[Ar]3d^14s^2$.

Таким образом, хотя у $3d$-элементов заполняется "внутренний" $3d$-подуровень, у них уже существует и заполнен внешний, четвертый энергетический уровень ($4s$-подуровень). Именно наличие электронов на четвертом уровне ($n=4$) определяет их принадлежность к четвертому периоду периодической системы.

Ответ:

$3d$-элементы находятся в четвертом периоде, так как номер периода определяется главным квантовым числом ($n$) внешнего электронного слоя. В соответствии с правилом Клечковского (правило $n+l$), энергия $4s$-подуровня ($n+l = 4+0=4$) ниже энергии $3d$-подуровня ($n+l = 3+2=5$). Поэтому в атомах сначала заполняется $4s$-подуровень (элементы $K$ и $Ca$), что и начинает четвертый период ($n=4$). Только после этого начинается заполнение $3d$-подуровня. Поскольку у всех $3d$-элементов (от скандия до цинка) уже есть электроны на четвертом энергетическом уровне, они и располагаются в четвертом периоде.