Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

У атома неона вторая электронная оболочка заполнена, и в атомах следующих элементов заполняется уже третья электронная оболочка. Эта оболочка состоит уже из 3 подоболочкек: 35 (2 электрона), Зр (6 электронов), 3d (до 10 электронов).

Обратите внимание на сходство заполнения оболочек этих элементов и элементов предыдущего списка. Одинаково заполнены 2s2р атома лития и 3s3p натрия; 2s2p бериллия и 3s3p магния; 2s2p бора и 3s3p алюминия и т. д. Вот почему таблица химических элементов является периодической.

У атома аргона на 3s и 3p подоболочках по 2 и 6 электронов соответственно — столько же, сколько и у неона на 2s и 2p. Оба этих элемента относятся к благородным газам. В то же время 3d подоболочка атома аргона не заполнена полностью — там есть место для 10 электронов. Значит, инертность благородных газов определяется полным заполнением s и p подоболочек внешней электронной оболочки их атомов, содержащих в общей сложности 8 электронов. Таким образом, наличие этого количества электронов на внешней оболочке является признаком благородного газа. Единственное исключение составляет гелий, у которого всего одна подоболочка (1s), которая также полностью заполнена.

Вы, возможно, предполагаете, что в атомах следующих за аргоном элементов заполнена подоболочка 3d. Однако это не так. Дело в том, что каждому электрону, условно говоря, требуется место, а каждая оболочка атома содержит все больше и больше электронных подоболочек, и в конце концов внешние подоболочки одной электронной оболочки начинают перекрывать внутренние подоболочки другой. В данном случае подоболочка 3d перекрывает подоболочку 45. To есть заполняется подоболочка 45, а не 3d.

У кальция 1 электрон на подоболчке 4s, как у натрия на 3s и лития на 2s. Подобную аналогию можно провести между кальцием, магнием и бериллием.

Если бы у атома скандия, следующего за кальцием элемента, на 4р подоболочке был 1 электрон, то его s и р подоболочки были бы заполнены так же, как у алюминия (2 и 1 электрон). Этого, однако, не происходит. На 45 подоболочке атомов следующих за кальцием элементов 2 электрона (как у и кальция), а остальные электроны заполняют подоболочку 3d:

Подоболочки 3d и 4s перекрывают друг друга достаточно нечетко, поэтому количество электронов на 3d/4s можно представить и как 5/1, и как 4/2, или, скажем, и как 10/1, и как 9/2. Впрочем, в случае с хромом и медью принято считать, что у них по одному электрону на 4s, ну да это не столь важно.

А важно то, что различия между этими десятью элементами (от скандия до цинка) заключаются в количестве электронов на подоболочке 3d, в то время как на внешней 4s подоболочке у всех (или почти у всех) количество электронов одинаково. Эти элементы называются переходными элементами. Они мало отличаются друг от друга по свойствам, в то время как разница между элементами от водорода до кальция (у которых по-разному заполняется именно внешняя подоболочка) очевидна.