Статья: Причина периодичности Периодического закона

103Lr 7s₂ 6d¹ .

104Rf 7s₂ 6d² .

105Db 7s₂ 6d³ .

106Sg 7s₂ 6d⁴ .

107Bh 7s₂ 6d⁵ .

108Hs 7s₂ 6d⁶ .

109Mt 7s₂ 6d⁷ .

110Ds 7s₂ 6d⁸ .

111Rg (7s² 6d⁹ )7s¹ 6d¹⁰ .

112Cp 7s₂ 6d¹⁰ .

113Uut 7s² 7p¹ .

114Ku 7s² 7p² .

115Uup 7s² 7p³ .

116Uuh 7s² 7p⁴ .

117Uus 7s² 7p⁵ .

118Uuo 7s² 7p⁶ .

Проанализируем особенности усложнения строения электронных оболочек. Несмотря на исключения логической последовательности усложнения электронных формул, «исправляемые» однако содержимым в скобках (об этом - ниже), соблюдается следующая закономерность.

Вначале самым простым порядком Идеальной математики - сложением 1й ступени (прибавлением единицы, где единицей служит «добавленный» электрон с определёнными значениями его квантовых чисел n,l,m,s - обозначим его a) создается 1H 1s¹ . Сложением 1й ступени Идеальной математики требуется «добавлять» следующий электрон, абсолютно подобный электрону a, но принцип Паули запрещает это. Поэтому возможности такого порядка усложнения электронных оболочек, жёстко ограниченные строгими физическими условиями, исчерпываются.

Переходим к более сложному порядку Идеальной математики – умножению 2й ступени. Самое простое из них – это умножение двух одинаковых целых чисел. В нашем случае – это образование орбитали из двух одинаковых электронов aa (не трёх, не четырёх…) и создание 2He 1s² . Для удовлетворения принципа Паули у двух электронов a с одинаковыми квантовыми числами n,l,m разные спины s. На этом комбинации самого простого умножения исчерпываются, и размеры пространства первого уровня – тоже. Так Природа построила все элементы первого периода.

Во втором периоде, используя минимальное усложнение - увеличение энергии переходом на второй уровень, опять строим: сложением - 3Li 2s¹ и умножением - 4Be 2s² . Размеры пространства второго уровня позволяют использовать для строительства следующий по сложности порядок Идеальной математики – сочетание 3й ступени (минимальное из возможных) «по два из трёх» (ab,ac,bc). То есть, в орбиталях второго уровня возможно добавление комбинаций сочетания по два из трёх электронов (обозначим их a,b,c), разнящихся своими квантовыми числами n,l,m,s. Всего комбинации нового порядка строительства электронных оболочек обеспечивают возможность присоединения ещё шести «добавленных» электронов. Поэтому таким порядком строятся следующие шесть элементов: 5B 2s² 2p¹ ; 6C 2s² 2p² ; 7N 2s² 2p³ ; 8O 2s² 2p⁴ ; 9F 2s² 2p⁵ ; 10Ne 2s² 2p⁶ . На этом возможности данного порядка, да и пространство второго уровня – исчерпываются. Так Природа построила все элементы второго периода.

При строительстве элементов третьего периода опять, используя минимальное усложнение - увеличение энергии, переходим на третий уровень, и уже на нём начинаем располагать новые «добавленные» электроны: опять сложением - 11Na 3s¹ ; умножением - 12Ma 3s² ; сочетанием - 13Al 3s² 3p¹ , 14Si 3s² 3p² , ... 18Ar 3s² 3p⁶ . Так Природа построила все элементы третьего периода.

Для строительства элементов четвёртого периода пространство третьего уровня позволяет располагать другие «добавленные» электроны, но минимальная энергия целого атома заставляет предварительно заполнить начало следующего, четвёртого уровня: опять сложением - 19K 4s¹ и умножением - 20Ca 4s² . И только после этого продолжается заполнение ранее недостроенного третьего уровня на подуровне 3d следующим по сложности порядком Идеальной математики – размещением 4й ступени, опять минимальным: «по два из трёх» (aa,ab,ac,bc,ba,ca,cb,bb,cc). Но на третьем уровне часть комбинаций такого размещения (aa,ab,ac,bc) уже использована для строительства подуровней 3s² (aa) и 3p⁶ (ab,ac,bc). Неиспользованными остаются только пять орбиталей для комбинаций (ba,ca,cb,bb,cc) – новый вклад, а их образуют десять «добавленных» электронов. Поэтому таким порядком строятся следующие десять элементов: 21Sc… 30Zn. При этом первые пять элементов от 21Sc 4s² 3d¹ до 25Mn 4s² 3d⁵ образуются по комбинациям (ba,ca и начало cb), зеркально повторяющим комбинации(ab,ac и начало bc) сочетания, по которым строились элементы от 5B до 9F и от 13Al до 17Cl. Поэтому элементы Sc-Mn попадают в аналогичные группы Периодической таблицы Д.И.Менделеева, но по «зеркальным» свойствам выделены голубым цветом. Далее, по комбинациям (конец cb и bb,cc), «зеркально» повторяющим комбинацию (aa), образуется особая группа d-переходных металлов 26Fe 4s² 3d⁶ , 27Co 4s² 3d⁷ , 28Ni 4s² 3d⁸ , а также 29Cu 4s¹ 3d¹⁰ (4s² 3d⁹ ) и 30Zn 4s² 3d¹⁰ – все тоже «зеркальные» (например, построенным по комбинации aa: 3Li 1s² 2s¹ и 4Be 1s² 2s² ) и потому «голубые».

Четвёртый период таблицы Д.И.Менделеева заканчивается заполнением подуровня 4p обычным сочетанием «по два из трёх» шести элементов: 31Ga 4s² 3d¹⁰ 4p¹ … 36Kr 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ .

Теперь понятна повторяющаяся логика усложнения электронных оболочек очередных элементов пятого периода: от 37Rb 5s¹ до 54Xe 5s² 5p⁶ .

Начало шестого периода – тоже стандартно: сложением - 55Cs 6s¹ и умножением - 56Ba 6s² . Далее продолжает заполняться четвёртый уровень на подуровне 4f, перебором комбинаций теперь уже следующего порядка Идеальной математики с минимальным усложнением - размещением «по два из четырёх» электронов (обозначим их a,b,c,d), опять разнящихся своими квантовыми числами n,l,m,s. При этом всего возможных комбинаций должно быть (aa,ab,ac,bc,ba,ca,cb,bb,cc,ad,bd,cd,dd,da,db,dc). Но на четвёртом уровне, на подуровнях 4s² ,4p⁶ ,4d¹⁰ , уже заполнены комбинации (aa,ab,ac,bc,ba,ca,cb,bb,cc). Осталось заполнить только комбинации (ad,bd,cd,dd,da,db,dc), а в них – четырнадцать «добавляемых» электронов. Поэтому, таким порядком добавления электронов на подуровне 4f строятся следующие четырнадцать элементов: 57La…70Yb. Вот почему они «вывалились» в краткой и полудлинойформах Периодической таблицы (в таблице нет комбинаций, подобных им)в отдельную побочную подгруппу лантаноидов.

Остановимся на явлении «размывания периодичности».

Известно, что наибольшей устойчивостью обладают незаполненные (d⁰ ,f⁰ ), наполовину заполненные (d⁵ ,f⁷ ) и полностью заполненные (d¹⁰ ,f¹⁴ ) подуровни. Поэтому «добавляемому» электрону энергетически выгодно перейти на эти устойчивые или близкие к ним подуровни, нарушая, «размывая» периодичность. Поводом для перехода может служить малейшее возбуждение атома. И вариантов перехода может быть больше одного, например - 91Pa (7s² 5f³ ) 7s² 6d¹ 5f² , 7s² 6d² 5f¹ . Но этим сообщением подчёркивается, что в любом наблюдаемом случае «размывания периодичности» всегда имеется задуманная Природой единственная идеальная форма электронной оболочки атома (приведенная в круглых скобках), назовём её – нормальной. Ранее мы обошли вниманием примеры такого отклонения от нормы: уже пройденные 24Cr(4s² 3d⁴ )4s¹ 3d⁵ , 29Cu (4s² 3d⁹ ) 4s¹ 3d¹⁰ , 41Nb(5s² 4d³ ) 5s¹ 4d⁴ , 42Mo(5s² 4d⁴ ) 5s¹ 4d⁵ , 44Ru (5s² 4d⁶ ) 5s¹ 4d⁷ , 45Rh (5s² 4d⁷ ) 5s¹ 4d⁸ , 46Pd (5s² 4d⁸ ) 5s⁰ 4d¹⁰ , 47Ag (5s² 4d⁹ ) 5s¹ 4d¹⁰ и следующие далее 78Pt (6s² 5d⁸ ) 6s¹ 5d⁹ , 79Au (6s² 5d⁹ ) 6s¹ 5d¹⁰ , 111Rg(7s² 6d⁹ ) 7s¹ 6d¹⁰ , объединяемые в особую группу общим свойством – переходом «добавляемого» электрона с s-подуровня на более ближний, но более устойчивый вновь создаваемый d-подуровень.

Лантаноиды образуются заполнением 4f подуровня. В то же время совсем рядом расположен незаполненный 5d подуровень, а разница энергий между ними настолько мала, что при незначительном возбуждении один или даже два электрона легко переходят с 4f на 5d и становятся валентными.

Родоначальник группы - 57La (6s² 4f¹ )6s² 5d¹ – первый пример отклонения от нормы такого рода: его «добавляемый» (первый для 4f) электрон располагается на 5d¹ , ради создания более устойчивого 4f⁰ . Вместе со следующими далее: 58Ce (6s² 4f² )6s² 5d¹ 4f¹ , 64Gd (6s² 4f⁸ )6s² 5d¹ 4f⁷ , 89Ac (7s² 5f¹ )7s² 6d¹ , 90Th (7s² 5f² )7s² 6d² , 91Pa (7s² 5f³ )7s² 6d¹ 5f² ,7s² 6d² 5f¹ 92U (7s² 5f⁴ )7s² 6d¹ 5f³ , 96Cm (7s² 5f⁸ )7s² 6d¹ 5f⁷ - эти примеры «размывания периодичности» объединяются в другую особую группу общим свойством – переходом «добавляемого» электрона с f-подуровня на более дальний d-подуровень, ради более устойчивого оставляемого f-подуровня.