"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Периодический закон связывает свойства химических элементов и их соединений с зарядом атомного ядра. Периодическая система помогает увидеть эту закономерность и предсказать свойства элемента по его положению. Чтобы понять, почему свойства повторяются, нужно рассмотреть распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. Число занятых уровней связано с номером периода, а строение внешней оболочки помогает объяснить сходство элементов группы и изменение их свойств.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодический закон — современная зависимость свойств химических элементов и их соединений от зарядов атомных ядер. Иными словами, свойства меняются не случайно: при закономерном изменении заряда ядра некоторые особенности строения атомов и свойства повторяются. Закон помогает объяснить устройство периодической системы и предсказывать свойства элементов.
Период — горизонтальный ряд элементов в периодической системе. Номер периода соответствует числу энергетических уровней, занятых электронами в атоме элемента. Это позволяет по месту элемента в таблице понять, сколько электронных слоёв нужно учитывать.
Группа — вертикальный столбец элементов, атомы которых имеют сходное строение внешних электронных оболочек и близкие химические свойства. Для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне обычно одинаково. По группе можно проследить, как меняются свойства при добавлении новых электронных уровней.
Электронная конфигурация атома — распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. Например, запись 1s² означает, что на подуровне 1s находятся два электрона. Конфигурация позволяет связать строение атома с его положением в таблице и химическими свойствами.
Заряд ядра определяется числом протонов, а порядковый номер элемента показывает, сколько протонов находится в ядре. У нейтрального атома положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом электронов, поэтому число электронов равно числу протонов. Следовательно, порядковый номер одновременно задаёт число электронов нейтрального атома и помогает начать составление его электронной конфигурации.
Электроны занимают энергетические уровни, а внутри уровней — подуровни, обозначаемые буквами s, p, d и f. Заполнение подуровней происходит в определённой последовательности, поскольку электроны стремятся занять доступные состояния с наименьшей энергией. Поэтому при движении по таблице число электронов растёт постепенно, а конфигурация атома позволяет установить место элемента в периодической системе.
Номер периода связан не с количеством электронов вообще, а с числом занятых энергетических уровней: новый уровень появляется, когда начинается заполнение следующей электронной оболочки. Внешний уровень — самый удалённый от ядра из занятых — особенно важен для химических превращений. У элементов главных подгрупп сходное число внешних электронов, поэтому строение оболочки помогает определить группу и объяснить общность свойств.
По мере роста заряда ядра добавляются электроны, и электронные оболочки проходят через повторяющиеся схемы заполнения. Когда на внешнем уровне снова возникает характерное число электронов, атомы приобретают сходные особенности химического поведения. Так строение атома объясняет периодическое повторение свойств, сформулированное периодическим законом.
В пределах периода число занятых уровней остаётся одинаковым, но заряд ядра возрастает. Ядро сильнее притягивает электронную оболочку, поэтому атомный радиус обычно уменьшается, металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. В главной подгруппе сверху вниз появляется всё больше уровней, внешний уровень удаляется от ядра, радиус обычно увеличивается и металлические свойства усиливаются.
| Параметр | В периоде слева направо | В главной подгруппе сверху вниз |
|---|---|---|
| Заряд ядра и порядковый номер | Увеличиваются | Увеличиваются |
| Число энергетических уровней | Обычно не меняется | Увеличивается |
| Число электронов на внешнем уровне | Обычно увеличивается | У элементов главных подгрупп обычно одинаково |
| Атомный радиус | Обычно уменьшается | Обычно увеличивается |
| Металлические свойства | Ослабевают | Обычно усиливаются |
| Неметаллические свойства | Усиливаются | Обычно ослабевают |
Сначала определите, сравниваются ли элементы одного периода или одной главной подгруппы: от этого зависит направление изменения уровня и радиуса. Затем используйте данные о строении атома, чтобы обосновать изменение свойств. Слова «обычно» и «для главных подгрупп» учитывают, что простые правила не следует без проверки переносить на все элементы.
Условие: для атома натрия с порядковым номером 11 определить число протонов и электронов, распределить электроны по энергетическим уровням и указать период. Порядковый номер сообщает заряд ядра, а нейтральность атома позволяет установить число электронов. Затем уровни заполняются последовательно, начиная с ближайшего к ядру.
Ответ: 11 протонов, 11 электронов; распределение по уровням — 2, 8, 1; третий период. Проверка: сумма электронов на уровнях равна порядковому номеру, а число занятых уровней совпадает с номером периода.
Условие: записать электронную конфигурацию серы при Z = 16, определить число электронов внешнего уровня и положение элемента. Нужно последовательно заполнить подуровни, не теряя ни одного из 16 электронов. Затем по конфигурации выделить самый высокий занятый уровень и посчитать электроны на нём.
Ответ: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴; на внешнем уровне 6 электронов; третий период, главная подгруппа VI группы (16-я группа). Проверка: сумма показателей степени в конфигурации равна 16.
Условие: сравнить атомы натрия и хлора, определить, у какого радиус больше и у какого сильнее выражены неметаллические свойства. Оба элемента находятся в третьем периоде, поэтому у их атомов одинаковое число занятых уровней. Хлор расположен правее натрия, значит, сравнение нужно проводить по закономерностям периода.
Ответ: больший атомный радиус у натрия, а неметаллические свойства сильнее выражены у хлора. Обоснование опирается на одинаковое число уровней и рост заряда ядра при движении слева направо.
Путать номер группы с числом энергетических уровней. Уровни связывают с периодом, а не с номером группы; ошибка возникает из-за смешения двух координат элемента в таблице. Проверьте себя: найдите самый высокий занятый уровень в конфигурации и сопоставьте его с номером периода.
Считать порядковый номер массовым числом. Порядковый номер равен числу протонов, тогда как массовое число учитывает также нейтроны. Их легко спутать, потому что оба числа относятся к атому и часто указываются рядом. Проверьте себя: для массового числа сложите число протонов и нейтронов, а для порядкового используйте число протонов.
Считать, что у всех элементов одной группы одинаковое число электронов. Это правило применимо к элементам главных подгрупп, но не ко всем группам периодической системы. Ошибка возникает, если свести сложное строение таблицы к одному правилу. Проверьте обозначение подгруппы и сравните внешние конфигурации атомов.
Определять свойства только по числу внешних электронов. Внешние электроны важны, но на свойства влияют также заряд ядра и число занятых уровней. Поэтому одинаковое число внешних электронов ещё не означает одинаковый радиус или полностью одинаковое поведение. Для проверки учитывайте и конфигурацию оболочки, и положение элемента в периоде и группе.
Для работы с темой нужны знания о составе атома, зарядах протона и электрона, атомном номере и изотопах. Также важно уметь пользоваться периодической системой и читать обозначения энергетических уровней и подуровней. Эти знания позволяют перейти от места элемента в таблице к строению его атома. Позже они понадобятся при изучении химической связи, свойств элементов и соединений, а также окислительно-восстановительных реакций.
Почему свойства элементов повторяются при увеличении порядкового номера?
При увеличении порядкового номера растёт заряд ядра и число электронов, а электроны заполняют уровни и подуровни в закономерном порядке. Через определённые промежутки строение внешней электронной оболочки становится похожим, поэтому сходные свойства повторяются.
Как по электронной конфигурации определить номер периода?
Нужно определить, сколько энергетических уровней занято электронами. Число занятых уровней соответствует номеру периода, в котором находится элемент.
Почему элементы одной группы имеют сходные химические свойства?
У элементов главных подгрупп сходно устроен внешний энергетический уровень, в частности совпадает число электронов на нём. Эти электроны участвуют в образовании химических связей, поэтому элементы проявляют близкие химические свойства.
Чем порядковый номер элемента отличается от массового числа?
Порядковый номер равен заряду ядра и числу протонов в атоме. Массовое число — это общее число протонов и нейтронов в ядре, поэтому оно зависит от изотопа.
Как меняются металлические свойства элементов в периоде и в группе?
В периоде слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются. В главной подгруппе сверху вниз металлические свойства, как правило, усиливаются.
§ 2. Периодический закон и строение атома
