Электронное строение атома и периодический закон

Российский государственный педагогический университет  
им. А. И. Герцена  
Е. И. Исаева, В. В. Горбунова 
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА 
И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН 
Учебное пособие 
Санкт-Петербург 
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена 
2023 

УДК 541.2 
ББК 24.1 
И85  
Печатается по решению 
редакционно-издательского совета 
РГПУ им. А. И. Герцена 
Посвящается 120-летию кафедры неорганической химии и 60-летию 
факультета химии РГПУ им. А. И. Герцена 
Рецензенты: 
Л. П. Ардашева, кандидат химических наук, 
Высшая школа технологии и энергетики СПбГУПТД; 
Е. С. Остроглядов, кандидат химических наук, 
Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена 
И85    Исаева Е. И. Электронное строение атома и периодический закон : 
учебное пособие / Е. И. Исаева, В. В. Горбунова. — Санкт-Петербург : 
Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2023. — 146 с. 
ISBN 978-5-8064-3382-5 
     Учебное пособие предназначено для обучающихся бакалавриата 
факультета химии РГПУ им. А. И. Герцена по направлениям 04.03.01 — 
Химия (профиль «Химия»), 44.03.01 — Педагогическое образование 
(профиль «Химическое образование». Пособие содержит краткое 
теоретическое введение к каждой из глав, варианты индивидуальных 
заданий для самостоятельной работы студентов, а также контрольные 
вопросы для работы на практических занятиях по разделу электронное 
строение атомов и периодический закон. 
УДК 541.2 
ББК 24.1 
ISBN 978-5-8064-3382-5 
© РГПУ им. А. И. Герцена, 2023 
© С. В. Лебединский, обложка, 2023 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Глава 1. Предмет и место химии в системе естественнонаучных дисциплин. 
Формы существования материи и их основные характеристики.  
Закон сохранения материи ....................................................................... 5 
Глава 2. Стехиометрические законы. Атомно-молекулярное учение ................ 14 
Глава 3. Доквантовые модели строения вещества. Основные характеристики 
атома. Открытие электрона, определение его массы и размеров 
....... 20 
Глава 4. Свойства электромагнитного излучения и его взаимодействие 
с веществом. Модель строения атома Бора .......................................... 27 
Глава 5. Волны материи. Уравнение де Бройля. Принцип неопределенности 
Гейзенберга. Вероятностная модель строения атома водорода. 
Волновое уравнение Э. Шредингера 
..................................................... 39 
Глава 6. Радиальная и угловая составляющие волновой функции, функция 
радиального распределения электронной плотности. Квантовые 
числа и их физический смысл ................................................................ 50
Глава 7. Многоэлектронные атомы — приближенные методы нахождения 
волновой функции ................................................................................... 61 
Глава 8. Принципы и правила заполнения электронами атомных орбиталей 
в многоэлектронном атоме ..................................................................... 68 
Глава 9. Электронные конфигурации атомов, электронная и электронно- 
графическая формулы ......................................................................................... 72 
Глава 10. Электронное строение атомов и периодическая система  
химических элементов Д. И. Менделеева. Периодический закон, 
периодическая системы и периодические таблицы 
............................. 74 
Глава 11. Классификация химических элементов в зависимости от  
положения в периодической системе 
.................................................... 87 
Глава 12. Периодическое изменение атомных характеристик элементов ......... 93 
12.1. Периодичность изменения радиусов в периодической системе 
...... 93 
12.2 Периодичность изменения энергии ионизации и энергии сродства 
к электрону в периодической системе ............................................. 101 
3 

12.3. Относительная электроотрицателъность. Характерные степени 
окисления и координационные числа химических элементов в 
соединениях ........................................................................................ 112 
12.4. Горизонтальные, вертикальные и диагональные аналогии 
в периодической системе................................................................... 121 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 125 
Индивидуальные задания ....................................................................................... 133 
Список литературы ................................................................................................. 144 

ГЛАВА 1. Предмет и место химии в системе естественнонаучных 
дисциплин. Формы существования материи и их основные 
характеристики. Закон сохранения материи 
Химия — наука о веществах, изучающая процессы превращения веществ, 
которые сопровождаются изменением состава и структуры, а также взаимные 
переходы между этими процессами и другими формами движения материи. 
В общей системе наук химия относится к естественнонаучным 
дисциплинам, изучающим объекты и процессы материального мира. Главным 
объектом химии как науки являются вещества и их превращения. 
Известны две формы существования материи как объективной 
реальности — вещество и поле. 
Вещество — материальный объект, имеющий собственную массу покоя. 
Масса — мера инертности материи. 
В отличие от вещества поле — материальная среда, в которой 
осуществляется взаимодействие частиц. Поле, как форма существования 
материи, характеризуется и проявляется в виде различных форм энергии. 
Энергия (Е) — мера движения и взаимодействия всех видов материи, 
способность материи к совершению работы. Существование в природе 
разнообразных полей определяет и различные виды энергии (механическая, 
электрическая, тепловая и др.). Все виды энергии эквивалентны (Дж. Джоуль, 
1847 г., эквивалентность механической и тепловой энергии) и могут быть 
измерены 
своим 
механическим 
эквивалентом — 
количеством 
энергии 
в джоулях (Дж), соответствующим работе силы в один ньютон при перемещении 
тела в один метр. 
Механическая энергия подразделяется на два типа — потенциальную 
и кинетическую. Потенциальная энергия связана с гравитационным полем 
и определяется положением тела или системы тел по отношению к другим 
телам, а также внутренним строением тела. 
5 

Кинетическая энергия — энергия движения, которая определяется 
движением материальных тел или системы тел по отношению к другим 
системам. 
Исторически в химии наряду с джоулем (Дж) используются и другие 
единицы измерения энергии. Например, тепловую энергию можно измерять 
в калориях Одна калория — это количество энергии, необходимое для 
нагревания 1 г воды на один градус от 19,5 °C до 20,5 °C (1 кал = 4,184 Дж). 
Следует отличать понятия «температура» и «тепловая энергия». 
Тепловая энергия — это мера полной кинетической энергии молекул 
вещества. 
Температура — мера средней кинетической энергии молекул, которая 
определяется по условной температурной шкале. 
Существует несколько температурных шкал, наиболее распространенные из 
которых абсолютная шкала Кельвина, шкала Цельсия и шкала Фаренгейта 
(табл. 1). 
Таблица 1 
Температурные шкалы и взаимосвязь между ними 
Шкала (обозначение) 
Абсолютный 
нуль 
Замерзание воды 
Кипение воды 
Шкала Кельвина (Т, К) 
0 
273,15 
373,15 
Шкала Цельсия (t, °C) 
–273,15 
0 
100 
Шкала Фаренгейта (t, °F) 
–459,7 
32 
212 
 
Т, К = °С + 273,15 
(1) 
t, °C = 5/9(t° F — 32) 
(2) 
t, °F = 9/5 °C + 32 
 
(3) 
Единицей электрической формы энергии является электронвольт (эВ). 
Один 
электронвольт 
соответствует 
кинетической 
энергии 
электрона, 
ускоренного из состояния покоя под действием электрического поля 
с разностью потенциалов в один вольт (1 эВ = 1,6  · 10–19 Дж). 
6 
 

Также наряду с тепловой и электрической энергией, в химии часто 
встречается 
энергия 
электромагнитного 
излучения — 
энергия 
электромагнитного 
поля, 
распространяющегося 
со 
скоростью 
света 
и характеризующегосяся длиной волны (λ, нм) или частотой (ν  = c/λ, сек–1 или 
Гц = сек–1): 
E = h ∙ c/λ = hν 
(4) 
где: h — постоянная Планка, равная 6,626 · 10–34 Дж/с. 
Так как все виды энергии эквивалентны, то для количественной 
характеристики любых физико-химических процессов Международным Союзом 
по Теоретической и Прикладной Химии (IUPAC) рекомендовано использовать 
единую механическую единицу энергии — джоуль, или кратные ей единицы на 
основе приставок (табл. 2): 
Таблица 2 
Приставки для обозначения кратных единиц в системе СИ 
Приставка 
Символ 
Кратность 
Приставка 
Символ 
Кратность 
Тера 
Т 
1012 
Санти 
с 
10–2 
Гига 
Г 
109 
Милли 
м 
10–3 
Мега 
М 
106 
Микро 
мк 
10–6 
Кило 
К 
103 
Нано 
н 
10–9 
Гиго 
г 
102 
Пико 
п 
10–12 
Деци 
д 
10–1 
Фемто 
ф 
10–15 
Одним из фундаментальных законов естествознания является закон 
сохранения материи — материя не образуется и не исчезает, а только 
переходит в различные формы и виды существования. 
Следствия из закона сохранения материи: 
1. Закон сохранения массы. Масса реагентов, вступивших в химическую 
реакцию, соответсвует массе веществ, образующихся в результате реакции. 
2. Закон сохранения энергии. Энергия не образуется и не исчезает, 
а только переходит из одного вида в другой. 
7 
 

Взаимосвязь между массой тела и его энергией, показанная А. 
Эйнштейном, выражается формулой: 
E = mc2 
 
(5) 
где Е — энергия; m — масса; с — коэффициент пропорциональности, равный 
скорости света в вакууме. 
Ввиду чрезвычайно большого численного значения с2 — квадрата 
скорости света — даже крайне малые изменения массы должны привести 
к огромным изменениям энергии. При сообщении телу энергии в 1 Дж его масса 
увеличивается на 1,11 ∙ 10–14 г (что не обнаруживается современными 
измерительными приборами). 
Масса и энергия — взаимосвязанные свойства материи. Энергия 
движущегося тела увеличивается при увеличении скорости его движения, 
и одновременно увеличивается масса движущегося тела. Взаимозависимость 
массы тела m и его скорости υ выражается соотношением: 
(6) 
 
 
где с — скорость света в вакууме, а m0 — масса покоя. Масса покоя численно 
равна массе тела, когда его скорость υ равна нулю. Масса покоящегося тела 
минимальна, она безгранично возрастает при приближении скорости тела 
к скорости света; при этом одновременно возрастает и его энергия. При 
скоростях движения тела, близких к скорости света, зависимость энергии тела Е 
от его скорости и описывается уже не формулой: 
(7) 
а соотношением: 
(8) 
 
 
из которого следует, что при скорости, стремящейся к скорости света, энергия 
тела стремится к бесконечности. Если же масса покоя тела равна нулю, то его 
8 
 

скорость может достигнуть скорости света. Так, фотоны и нейтрино, имеющие 
нулевые массы покоя, движутся со скоростью света. Скорость света — 
максимальная скорость передачи в пространстве любых взаимодействий (в том 
числе и сигналов при передаче информации). Масса всегда связана с энергией 
и наоборот. Поэтому, строго говоря, закон сохранения массы и закон сохранения 
энергии являются единым законом неуничтожимости материи и движения. 
При протекании химических процессов формируются системы, имеющие 
более прочные связи между составными частями (элементами) по сравнению со 
связями элементов системы с окружающей средой или с элементами других 
систем. 
В 
XVIII веке 
вследствие 
накопления 
и 
cиcтематизации 
знаний 
о материальном мире произошло условное разделение естествознания на 
отдельные дисциплины: физику, химию, биологию, геологию и другие. В основе 
такой систематизации знаний о материальном мире лежит принцип 
дискретности материи — любой сложный материальный объект состоит из 
определенного набора более простых (элементарных) структурных единиц, 
взаимодействие между которыми, соответствующее различным формам 
движения материи, и приводит к их объединению. 
Химия — 
еcтеcтвеннонаучная 
диcциплина, 
изучающая 
вещеcтва 
и процеccы 
их 
превращения, 
cопровождающихся 
изменением 
cоcтава 
и cтруктуры. Данное определение науки химии предполагает необходимость 
идентификации как химических cтруктурных элементов вещества, так 
и cпецифического 
взаимодействия 
между 
ними 
(химической 
связи), 
приводящего к их объединению и образованию всего многообразия химических 
соединений (к настоящему времени химиками получено более восьми 
миллионов химических соединений, большинство из которых не встречаются 
в природе). 
Структурная организация вещества (схема 1) в качестве элементарных 
«физических» 
единиц 
материи 
определяет 
«элементарные» 
частицы, 
важнейшими из которых являются — нуклоны (протоны (р+) и нейтроны (n0)) 
9 
 

и электроны (е–). Ядерное и последующее электростатическое (кулоновское) 
«физическое» взаимодействие между этими «физическими» элементами 
вещества приводит к образованию электронейтральных атомов, основными 
характеристиками которых являются их заряд ядра (Z) и массовое число (А). 
Заряд ядра характеризует количество протонов в ядре атома и равное ему число 
электронов в атоме. Массовое число определяет общее число нуклонов 
(протонов и нейтронов) в ядре атома. 
Совокупность атомов с постоянным зарядом ядра (равным числу 
электронов) определяет формирование новых — «химических» структурных 
элементов вещества — химических элементов и их производных (изотопов 
и ионов химических элементов), взаимодействие между которыми приводит 
к образованию химических соединений (химическая связь). 
Химические элементы обозначаются особым символом, который 
соответствует 
начальным 
буквам 
латинского 
названия 
элементов, 
и характеризуются своим номером в периодической системе Д. И. Менделеева, 
определяемым величиной их заряда ядра. 
Изотопами химического элемента называется совокупность атомов 
с постоянным зарядом ядра, но разным массовым числом. Для 109 химических 
элементов известно более 280 стабильных и 2000 радиоактивных изотопов. 
Массовое число изотопов химических элементов указывается в верхнем левом 
индексе символа химического элемента: 14С, 12С, 35С1,37С1 и т. д. 
10