§ 2. Периодический закон и строение атома

Определения и обозначения

Периодический закон — это зависимость свойств химических элементов и их соединений от заряда ядра атома. Заряд ядра определяется числом протонов и выражается порядковым номером элемента. Закон нужен, чтобы объяснять повторение свойств и предсказывать поведение ещё не изученных веществ.

Периодическая система химических элементов — таблица, в которой элементы расположены по возрастанию заряда ядра. Номер периода показывает число занятых энергетических уровней, а положение в группе связано со строением внешнего уровня. Поэтому таблица служит не просто списком символов, а схемой закономерностей.

Энергетический уровень — совокупность электронов, имеющих близкую энергию и находящихся примерно на одинаковом расстоянии от ядра. Уровни обозначают числами 1, 2, 3 и так далее. Их число в атоме определяет период, к которому относится элемент.

Электронная конфигурация — распределение электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Например, запись 2, 8, 7 показывает число электронов на первом, втором и третьем уровнях. Конфигурация позволяет определить период, оценить группу и предсказать химические свойства.

Как это устроено

При переходе от элемента к элементу заряд ядра увеличивается на единицу, потому что добавляется один протон. В нейтральном атоме одновременно добавляется и один электрон, поэтому меняется электронная конфигурация. Последовательное заполнение уровней и подуровней создаёт закономерный ряд свойств, а не случайный набор различий.

Периодичность возникает потому, что электроны последовательно занимают энергетические уровни. Когда один уровень заполнен, начинается заполнение следующего, а через определённое число элементов похожее строение внешнего уровня повторяется. Именно внешние электроны сильнее всего влияют на способность атома образовывать связи и вступать в реакции.

Номер периода равен числу энергетических уровней, занятых электронами в атоме. Например, у элементов третьего периода есть первый, второй и третий уровни, даже если последний заполнен лишь частично. Поэтому период определяют по наибольшему номеру уровня в электронной конфигурации.

Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне. Эти электроны называют валентными, потому что они участвуют в образовании химических связей и во многом определяют валентность. Поэтому одинаковое число внешних электронов часто приводит к сходным свойствам элементов одной группы.

В периоде слева направо ядро притягивает электроны сильнее, поэтому радиус атома обычно уменьшается. Одновременно усиливаются неметаллические свойства и электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны в химической связи. В группе сверху вниз появляются новые уровни, электронная оболочка расширяется, радиус и металлические свойства обычно увеличиваются.

Изменение строения атома и свойств элементов в периодической системе

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите направление сравнения: движение по периоду или по группе. Затем найдите нужный параметр и учтите, что слова «обычно» допускают отдельные исключения.

При прогнозе свойств полезно связывать несколько строк. Например, увеличение радиуса и ослабление электроотрицательности обычно означают усиление металлического характера.

Разбор задач

Элемент с порядковым номером 17

Условие. Для элемента с порядковым номером 17 определить состав атома, электронную конфигурацию, период, группу и характерные свойства. Порядковый номер используем как исходное число протонов, а для нейтрального атома — и электронов.

1. В ядре 17 протонов; если атом нейтрален, вокруг ядра находятся 17 электронов. Число нейтронов без массового числа определить нельзя.
2. Электроны распределяются по уровням так: 2, 8, 7. Внешний уровень содержит семь электронов.
3. Заняты три уровня, значит, элемент расположен в третьем периоде. Семь внешних электронов указывают на главную подгруппу VII группы, современный номер — 17.
4. Такой атом относится к неметаллам и стремится принять один электрон до завершения внешнего уровня. Его высший оксид имеет кислотный характер.

Ответ: это хлор, Cl; атом содержит 17 протонов и 17 электронов, конфигурация 2, 8, 7, третий период, группа 17. Для него характерны неметаллические свойства и высокая электроотрицательность.

Сравнение Na, Mg и Cl

Условие. Сравнить радиус атома, металлические свойства и электроотрицательность натрия, магния и хлора. Все три элемента находятся в третьем периоде, поэтому сравниваем их слева направо.

1. Заряд ядра возрастает: у Na он меньше, чем у Mg, а у Mg меньше, чем у Cl. Новые электроны добавляются на тот же основной уровень.
2. Из-за усиления притяжения ядра радиус уменьшается: r(Na) > r(Mg) > r(Cl).
3. Металлические свойства ослабевают в том же направлении: Na проявляет их сильнее Mg, а Cl является неметаллом. Электроотрицательность, наоборот, возрастает: χ(Na) < χ(Mg) < χ(Cl).

Ответ: натрий имеет наибольший радиус и наиболее выраженные металлические свойства, а хлор — наименьший радиус и наибольшую электроотрицательность.

Электронное распределение 2, 8, 2

Условие. Определить положение элемента, формулу его высшего оксида и характер свойств оксида. Сначала читаем конфигурацию, не пытаясь сразу запоминать название элемента.

1. В распределении три числа, значит, заняты три энергетических уровня и элемент находится в третьем периоде.
2. На внешнем уровне два электрона, поэтому это элемент главной подгруппы II группы, или группы 2. Общее число электронов равно 12, следовательно, порядковый номер элемента 12 — это магний.
3. Максимальная степень окисления магния равна +2, кислород имеет степень окисления −2. Формула высшего оксида MgO.
4. Магний — металл, поэтому его высший оксид проявляет основные свойства и реагирует с кислотами.

Ответ: элемент — Mg, третий период, группа 2; высший оксид MgO, его характер — основной.

Типичные ошибки

Порядковый номер и номер периода. Их путают, потому что оба записываются цифрами рядом с символом элемента. Порядковый номер равен заряду ядра, а период показывает число занятых уровней; проверьте себя по электронной конфигурации.

Номер группы и число всех электронов. Общее число электронов определяет порядковый номер, а не группу. Для главных подгрупп сопоставляйте группу прежде всего с числом электронов на внешнем уровне.

Слишком строгие закономерности. Иногда считают, что каждое свойство меняется абсолютно без исключений. Формулировка «обычно» напоминает о деталях строения атомов, поэтому проверяйте, не относится ли элемент к особому случаю.

Неверное направление изменения радиуса. Частая ошибка — считать, что радиус растёт слева направо. Запомните: в периоде он обычно уменьшается, а сверху вниз по группе увеличивается из-за появления новых уровней.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, составе ядра, заряде ядра и электронных оболочках. Без них трудно объяснить, почему меняются радиус и свойства элементов.

Нужно уметь читать периодическую систему и находить период и группу по положению элемента или его электронной конфигурации. Этот навык превращает таблицу в инструмент решения задач.

Закономерности пригодятся при изучении химической связи, валентности, степеней окисления, свойств простых веществ и реакций. По положению элемента можно заранее оценить тип связи и характер многих соединений.

Что запомнить

• Современная формулировка периодического закона связывает свойства элементов со строением их атомов и зарядом ядра.
• Порядковый номер равен заряду ядра и числу электронов в нейтральном атоме.
• Номер периода равен числу занятых энергетических уровней.
• Периодичность свойств обусловлена повторением строения внешнего электронного уровня.
• В периоде радиус атомов обычно уменьшается, а неметаллические свойства усиливаются.
• В группе сверху вниз радиус атомов и металлические свойства обычно увеличиваются.
• По положению элемента в периодической системе можно предсказывать его свойства и свойства его соединений.