Блок (таблица Менделеева)
| Часть серии о |
| Периодическая таблица |
|---|
Блок — это таблицы Менделеева совокупность элементов, объединенных атомными орбиталями, на которых лежат их валентные электроны или вакансии. [1] Этот термин, кажется, впервые был использован Чарльзом Джанетом . [2] Каждый блок назван в честь его характерной орбитали: s-блок , p-блок , d-блок , f-блок и g-блок .
Имена блоков (s, p, d и f) получены из спектроскопических обозначений значения азимутального квантового числа электрона : острое (0), основное (1), диффузное (2) и фундаментальное (3). Последующие обозначения идут в алфавитном порядке, как g, h и т. д., хотя элементы, которые могли бы принадлежать таким блокам, еще не найдены.
Характеристики
[ редактировать ]Разделение на блоки оправдано их своеобразием: s характеризуется, за исключением H и He, высокоэлектроположительными металлами; p рядом весьма характерных металлов и неметаллов, многие из которых необходимы для жизни; г металлами с несколькими степенями окисления; f металлами настолько схожими, что их разделение проблематично. Полезные утверждения об элементах можно сделать на основе блока, к которому они принадлежат, и их положения в нем, например, наивысшей степени окисления, плотности, температуры плавления ... Электроотрицательность довольно систематически распределяется по блокам и между ними.
Пи Джей Стюарт
В основах химии, 2017 г. [3]
существует приблизительное Между этой номенклатурой блоков, основанной на электронной конфигурации , и наборами элементов, основанной на химических свойствах, соответствие. S-блок и p-блок вместе обычно считаются элементами основной группы , d-блок соответствует переходным металлам , а f-блок соответствует внутренним переходным металлам и охватывает почти все лантаноиды ( например, лантан , празеодим) . и диспрозий ) и актиниды (такие как актиний , уран и эйнштейний ).
группы 12 Элементы (цинк , кадмий и ртуть) иногда рассматриваются как основная группа, а не переходная группа, поскольку они химически и физически более похожи на элементы p-блока, чем на другие элементы d-блока. Элементы группы 3 иногда считаются элементами основной группы из-за их сходства с элементами s-блока. Однако они остаются элементами d-блока, даже если их считать основной группой.
Группы (столбцы) в f-блоке (между 2 и 3 группами) не нумеруются.
Гелий является элементом s-блока , его внешние (и единственные) электроны находятся на атомной орбитали 1s , хотя его химические свойства больше похожи на благородные газы p-блока в группе 18 из-за его полной оболочки.
S-блок
[ редактировать ]Na, K, Mg и Ca необходимы в биологических системах. Некоторые... другие элементы s-блока используются в медицине (например, Li и Ba) и/или встречаются в качестве незначительных, но полезных примесей в кальциевых биоминералах, например, Sr… Эти металлы проявляют 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, ПК (2003)
Роль кальция и аналогичных катионов в поведении животных, RSC , Кембридж, с. 1
S-блок, где буква s означает «острое» и азимутальное квантовое число 0, находится в левой части обычной таблицы Менделеева и состоит из элементов из первых двух столбцов плюс один элемент в крайнем правом столбце, неметаллы, водород. гелий (группа 2 и щелочные металлы (в группе 1) и щелочноземельные металлы ). Их общая валентная конфигурация n s 1–2 . Гелий является s-элементом, но почти всегда находится в крайне правой части группы 18 , над p-элементом неона . Каждая строка таблицы содержит два s-элемента.
Металлы s-блока (начиная со второго периода ) в основном мягкие и обычно имеют низкие температуры плавления и кипения. Большинство из них придают цвет пламени.
В химическом отношении все s-элементы, кроме гелия, обладают высокой реакционной способностью. Металлы s-блока обладают высокой электроположительностью и часто образуют по существу ионные соединения с неметаллами, особенно с высокоэлектроотрицательными галогенными неметаллами.
p-блок
[ редактировать ]P-блок, где p означает «главное» и азимутальное квантовое число 1, находится в правой части стандартной таблицы Менделеева и включает элементы в группах с 13 по 18. Их общая электронная конфигурация равна n s. 2 nнапример 1–6 . Гелий хоть и является первым элементом в группе 18, но не входит в p-блок. В каждой строке таблицы есть место для шести p-элементов, кроме первой строки (в которой ее нет).
Этот блок — единственный, в котором присутствуют все три типа элементов: металлы , неметаллы и металлоиды . Элементы p-блока можно описать по группам как: группа 13, икозагены ; 14 — кристаллогены ; 15 — пиктогены ; 16 — халькогены ; 17 — галогены ; и 18 — группа гелия , состоящая из благородных газов (исключая гелий) и оганессона . Альтернативно, p-блок можно описать как содержащий постпереходные металлы ; металлоиды ; реакционноспособные неметаллы, включая галогены ; и благородные газы (кроме гелия).
Элементы p-блока объединены тем, что их валентные (крайние) электроны находятся на p-орбитали. P-орбиталь состоит из шести лепестковых форм, исходящих из центральной точки под равномерно расположенными углами. На p-орбитали может находиться максимум шесть электронов, следовательно, 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. Эта тенденция продолжается до тех пор, пока не появится столбец 18, в котором имеется шесть p-орбитальных электронов.
Блок является оплотом правила октетов в своей первой строке, но элементы в последующих строках часто демонстрируют гипервалентность . Элементы p-блока демонстрируют переменные степени окисления, обычно отличающиеся кратно двум. Реакционная способность элементов в группе обычно снижается в сторону уменьшения. (Гелий нарушает эту тенденцию в группе 18, будучи более реактивным, чем неон, но поскольку гелий на самом деле является элементом s-блока, часть тенденции с p-блоком остается неизменной.)
Связь между металлами и неметаллами зависит от разницы электроотрицательностей. Ионичность 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 ). Есть также некоторые оксиды металлов, обладающие электрической (металлической) проводимостью , например 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
[ редактировать ]Элементы демонстрируют горизонтальное сходство своих физических и химических свойств, 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.
Книн, В.Р., Роджерс, MJW, и Симпсон, П. (1972)
Химия: факты, закономерности и принципы, Аддисон-Уэсли, Лондон, стр. 487–489.
D-блок, где буква d означает «диффузный» и азимутальное квантовое число 2, находится в середине таблицы Менделеева и включает элементы из групп с 3 по 12; оно начинается в 4-м периоде . Периоды, начиная с четвертого, имеют место для десяти элементов d-блока. Большинство или все эти элементы также известны как переходные металлы , поскольку они занимают переходную зону по свойствам между сильно электроположительными металлами групп 1 и 2 и слабо электроположительными металлами групп с 13 по 16. Группа 3 или группа 12, в то время как все еще считающиеся металлами d-блока, иногда не считаются переходными металлами, поскольку они не проявляют в такой степени химических свойств, характерных для переходных металлов, например, множественных степеней окисления и окрашенных соединений.
Все элементы d-блока представляют собой металлы, большинство из которых имеют один или несколько химически активных d-орбитальных электронов. Поскольку существует относительно небольшая разница в энергии различных d-орбитальных электронов, количество электронов, участвующих в химической связи, может варьироваться. Элементы d-блока имеют тенденцию проявлять две или более степени окисления, отличающиеся кратно единице. Наиболее распространенные степени окисления +2 и +3. Хром , железо , молибден , рутений , вольфрам и осмий могут иметь формальные степени окисления всего -4; Иридий уникален тем, что способен достигать степени окисления +9.
D-орбитали (четыре имеют форму четырехлистного клевера , а пятая — гантель с кольцом вокруг нее) могут содержать до пяти пар электронов.
f-блок
[ редактировать ]Из-за своей сложной электронной структуры, значительных эффектов электронной корреляции и большого релятивистского вклада элементы f-блока, вероятно, являются самой сложной группой элементов для теории электронной структуры.
Dolg, M., ed. (2015)
Вычислительный метод в химии лантаноидов и актинидов, John Wiley & Sons, Чичестер, с. XVII
F-блок, где буква f означает «фундаментальное» и азимутальное квантовое число 3, отображается в виде сноски в стандартной таблице из 18 столбцов, но расположен в левом центре полноразмерной таблицы из 32 столбцов, между группами. 2 и 3. Периоды, начиная с шестого, имеют место для четырнадцати элементов f-блока. Эти элементы обычно не считаются частью какой-либо группы . Их иногда называют внутренними переходными металлами , поскольку они обеспечивают переход между s-блоком и d-блоком в 6-м и 7-м ряду (периоде), точно так же, как переходные металлы d-блока обеспечивают переходный мост между s-блоком. блок и п-блок в 4-м и 5-м рядах.
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 и вносят некоторый вклад; [5] они довольно похожи друг на друга. Они более активны в элементах 7 f-блока раннего периода, где энергии оболочек 5f, 7s и 6d весьма схожи; следовательно, эти элементы имеют такую же химическую изменчивость, как и их аналоги из переходных металлов. Элементы f-блока более позднего периода 7, начиная примерно с кюрия, ведут себя больше как их аналоги из периода 6.
Элементы f-блока объединены тем, что в основном они содержат один или несколько электронов на внутренней f-орбитали. Из форорбиталей шесть имеют по шесть долей, а седьмая имеет вид гантели с бубликом с двумя кольцами. Они могут содержать до семи пар электронов; следовательно, блок занимает четырнадцать столбцов периодической таблицы. Номера групп им не присваиваются, поскольку в «группе» из двух элементов невозможно различить вертикальные периодические тенденции.
Два 14-членных ряда элементов f-блока иногда путают с лантанидами и актинидами , которые представляют собой названия наборов элементов, основанных в большей степени на химических свойствах, чем на электронных конфигурациях. В этих наборах 15 элементов, а не 14, и они простираются до первых членов d-блока в их периодах, лютеция и лоуренция соответственно.
Во многих таблицах Менделеева f-блок сдвинут 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 два очень неравномерных элемента. порции. Это пережиток ранних ошибочных измерений электронных конфигураций, согласно которым считалось, что оболочка 4f завершает свое заполнение только у лютеция. [6] Фактически иттербий завершает 4f-оболочку, 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 данные убедительно подтвердили, что f-блок содержит элементы La–Yb и Ac–No. [6] [8] как показано здесь и подтверждено отчетами Международного союза теоретической и прикладной химии за 1988 год. [8] и 2021 год. [9]
G-блок
[ редактировать ]По прогнозам, g-блок с азимутальным квантовым числом 4 начнется вблизи элемента 121 . Хотя ожидается, что g-орбитали не начнут заполнять основное состояние примерно до элемента 124–126 . расширенную (см. периодическую таблицу ), они, вероятно, уже имеют достаточно низкую энергию, чтобы начать химическое участие в элементе 121 [10] аналогично ситуации с 4f- и 5f-орбиталями.
Если бы тенденция предыдущих строк продолжилась, то в g-блоке было бы восемнадцать элементов. Однако расчеты предсказывают очень сильное размытие периодичности в восьмом периоде, вплоть до того, что отдельные блоки становится трудно выделить. Вполне вероятно, что восьмой период будет не совсем следовать тенденции предыдущих рядов. [11]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дженсен, Уильям Б. (21 марта 2015 г.). «Положения лантана (актиния) и лютеция (лоуренция) в периодической таблице: обновление». Основы химии . 17 : 23–31. дои : 10.1007/s10698-015-9216-1 . S2CID 98624395 .
- ^ Шарль Жане, Спиральная классификация химических элементов , Бове, 1928 г.
- ^ Стюарт, П.Дж. (7 ноября 2017 г.). «Тетраэдрические и сферические представления периодической системы» . Основы химии . 20 (2): 111–120. дои : 10.1007/s10698-017-9299-y .
- ^ 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). дои : 10.1098/rsta.2020.0213 . ПМЦ 7435143 .
- ^ Гшнейднер, Карл А. младший (2016). «282. Систематика». В Бюнцли, Жан-Клод Г.; Печарский, Виталий К. (ред.). Справочник по физике и химии редких земель . Том. 50. стр. 12–16. ISBN 978-0-444-63851-9 .
- ^ Jump up to: а б Дженсен, Уильям Б. (1982). «Положения лантана (актиния) и лютеция (лоуренция) в периодической таблице». Журнал химического образования . 59 (8): 634–636. Бибкод : 1982JChEd..59..634J . дои : 10.1021/ed059p634 .
- ^ Ландау, LD ; Лифшиц Е.М.]] (1958). Квантовая механика: нерелятивистская теория . Том. 3 (1-е изд.). Пергамон Пресс . стр. 256–57.
- ^ Jump up to: а б Флак, Э. (1988). «Новые обозначения в таблице Менделеева» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 60 (3): 431–436. дои : 10.1351/pac198860030431 . S2CID 96704008 . Архивировано (PDF) из оригинала 25 марта 2012 года . Проверено 24 марта 2012 г.
- ^ Шерри, Эрик (18 января 2021 г.). «Предварительный отчет о дискуссиях по группе 3 периодической таблицы» (PDF) . Химия Интернэшнл . 43 (1): 31–34. дои : 10.1515/ci-2021-0115 . S2CID 231694898 . Архивировано (PDF) из оригинала 13 апреля 2021 года . Проверено 9 апреля 2021 г.
- ^ Умэмото, Коитиро; Сайто, Сусуму (1996). «Электронные конфигурации сверхтяжелых элементов» . Журнал Физического общества Японии . 65 (10): 3175–9. Бибкод : 1996JPSJ...65.3175U . дои : 10.1143/JPSJ.65.3175 . Проверено 31 января 2021 г.
- ^ Шерри, Эрик (2020). «Недавние попытки изменить таблицу Менделеева» . Философские труды Королевского общества А. 378 (2180). Бибкод : 2020RSPTA.37890300S . дои : 10.1098/rsta.2019.0300 . ПМИД 32811365 . S2CID 221136189 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]Тетраэдрическая периодическая таблица элементов . Анимация, показывающая переход от обычного стола к тетраэдру.
