§ 4. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева в свете теории строения атома

Определения и обозначения

Периодический закон — закон, согласно которому свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически зависят от заряда ядра атома. Иными словами, при последовательном увеличении заряда ядра свойства меняются не случайно: после определённых шагов появляются сходные особенности. Закон нужен, чтобы объяснить повторение свойств и предсказывать их для элементов.

Периодическая система химических элементов — графическое выражение периодического закона, в котором элементы расположены по возрастанию заряда ядра, то есть атомного номера. Таблица позволяет увидеть закономерности и сопоставить положение элемента со строением его атома. По ней можно делать выводы о свойствах элемента и его соединений.

Период — горизонтальный ряд элементов в Периодической системе. Номер периода связан с числом энергетических уровней, занятых электронами атома. Поэтому, зная период, можно определить, сколько электронных слоёв есть у атома, не записывая всю конфигурацию.

Группа — вертикальный столбец элементов. Сходство химических свойств элементов одной группы связано с особенностями строения внешних электронных оболочек, прежде всего с числом внешних электронов у элементов главных подгрупп. Группа помогает искать элементы с похожим поведением в реакциях, хотя строение и свойства внутри неё не полностью одинаковы.

Как это устроено

Атомный номер Z показывает заряд ядра в единицах элементарного заряда. В нейтральном атоме число электронов равно Z, поэтому при переходе к следующему элементу к ядру добавляется протон и появляется ещё один электрон. Новый электрон занимает место в электронной оболочке согласно её строению, а значит, меняется распределение электронов по уровням и подуровням. Именно эта последовательная перестройка делает атомный номер надёжной основой расположения элементов.

Химические свойства во многом зависят от электронов внешней оболочки: они участвуют в образовании связей и взаимодействии атома с другими частицами. По мере заполнения уровней и подуровней внешняя конфигурация постепенно меняется, а затем возникает сходная конфигурация у следующего ряда элементов. Поэтому свойства повторяются периодически, хотя атомы элементов, разделённых периодом, не становятся одинаковыми. Периодичность отражает повторение важных особенностей внешнего строения.

Номер периода показывает число энергетических уровней, занятых электронами, потому что очередной период связан с заполнением уровня, соответствующего данному ряду. Длина периода зависит от того, сколько электронов помещается на заполняемые подуровни: уровни и подуровни имеют разную вместимость. Поэтому периоды различаются по числу элементов. Чтобы понять место элемента, учитывают не только номер уровня, но и последовательность заполнения подуровней.

У элементов главных подгрупп сходное число электронов на внешнем уровне обычно приводит к сходным способам отдавать, присоединять или обобществлять электроны. Но у побочных подгрупп в образовании связей могут участвовать также электроны незавершённого внутреннего уровня, поэтому правило о внешних электронах здесь работает не так просто. Внутри одной группы сохраняются общие черты, однако радиусы, активность и некоторые соединения отличаются. Значит, сходство группы нельзя понимать как полное совпадение свойств.

Положение элемента позволяет оценить, насколько сильно ядро притягивает внешние электроны. В периоде заряд ядра растёт, а число занятых уровней остаётся прежним, поэтому радиус обычно уменьшается; металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются. В главных подгруппах сверху вниз уровней становится больше, внешний электрон в среднем дальше от ядра и удерживается слабее, поэтому радиус и металлические свойства обычно растут. Высшие оксиды и соответствующие гидроксиды в периоде обычно меняются от основных через амфотерные к кислотным.

Положение элемента в Периодической системе и свойства его атома

Сравнивайте элементы, сначала уточнив направление движения: по периоду — слева направо, по группе — сверху вниз. Таблица показывает общие тенденции, а не отменяет особенности отдельных элементов и подгрупп. Для прогноза свойств соединений дополнительно учитывайте, какой именно элемент рассматривается.

Разбор задач

Задача 1. Электронная конфигурация атома элемента: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹. Определите его порядковый номер, период и группу. Сначала найдём общее число электронов, затем по максимальному номеру уровня установим период. Для группы проверим число электронов внешнего уровня.

1. Складываем показатели: 2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, поэтому Z = 13.
2. Наибольший номер энергетического уровня в конфигурации — 3. Значит, атом находится в третьем периоде.
3. На третьем, внешнем уровне находятся электроны 3s² 3p¹, всего три. Это элемент главной подгруппы 13-й группы (III A).

Ответ: Z = 13, третий период, 13-я группа (III A), алюминий. Такой вывод следует из конфигурации, а не из запоминания символа элемента.

Задача 2. Сравните атомы натрия и хлора: у какого атома больше радиус и какой элемент обладает более выраженными металлическими свойствами? Оба элемента находятся в третьем периоде, поэтому сравниваем их слева направо. Заряд ядра у хлора больше, но число занятых уровней одинаково.

1. Натрий расположен левее хлора в третьем периоде.
2. При движении слева направо радиус обычно уменьшается, поскольку растущий заряд ядра сильнее притягивает электроны того же числа уровней.
3. Металлические свойства в этом направлении ослабевают, поэтому более выражены они у натрия.

Ответ: больший радиус у атома натрия; более выраженные металлические свойства у натрия. Сравнение корректно именно потому, что элементы находятся в одном периоде.

Задача 3. Элемент третьего периода образует высший оксид состава ЭО₃. Определите возможное положение элемента в системе и предскажите характер оксида. Индекс кислорода позволяет оценить степень окисления элемента, а период ограничивает круг подходящих элементов.

1. В оксиде кислород обычно имеет степень окисления −2. Три атома кислорода дают суммарно −6, поэтому элемент Э в высшем оксиде имеет степень окисления +6.
2. В третьем периоде такую степень окисления в высшем оксиде проявляет сера: её формула — SO₃. Сера находится в 16-й группе (VI A).
3. Сера — неметалл, а её высший оксид имеет кислотный характер: при взаимодействии с водой он образует серную кислоту H₂SO₄.

Ответ: возможный элемент — сера, третий период, 16-я группа (VI A); SO₃ — кислотный оксид. Состав оксида даёт подсказку о степени окисления, но окончательное определение требует учёта периода и свойств элемента.

Типичные ошибки

Ошибка: связывать периодический закон с атомной массой. Так иногда рассуждают, потому что масса элементов во многих местах таблицы тоже возрастает. Но массу могут менять изотопы, тогда как заряд ядра задаёт порядковый номер и определяет число электронов нейтрального атома. Проверьте себя: для объяснения электронного строения используйте Z, а не относительную атомную массу.

Ошибка: считать номер периода числом электронов внешнего уровня. Путаница возникает из-за того, что номер периода и число внешних электронов можно определить по таблице, но они отвечают на разные вопросы. Номер периода связан с числом занятых уровней, а число внешних электронов у элементов главных подгрупп — с их положением в группе. Проверка проста: у натрия третий период и один электрон на внешнем уровне.

Ошибка: считать, что в одной группе строение внешней оболочки и свойства полностью одинаковы. Сходство элементов не означает тождество: число уровней и радиусы меняются, а у побочных подгрупп в химических свойствах важны электроны внутренних подуровней. Такое упрощение появляется, если учитывать только номер группы. Сверяйте вывод с типом подгруппы и конкретной электронной конфигурацией.

Ошибка: применять тенденцию без направления. Например, уменьшение радиуса в периоде нельзя переносить на движение вниз по группе, где радиус обычно увеличивается. Это происходит потому, что направления соответствуют разным изменениям электронной оболочки. Перед ответом называйте направление сравнения и уточняйте, сравниваете ли вы элементы одного периода или одной группы.

Связь с другими темами

Для понимания периодического закона нужны знания о строении атома: заряде ядра, атомном номере, электронной оболочке, энергетических уровнях и электронных конфигурациях. Если вы умеете считать электроны и находить занятые уровни по записи конфигурации, то сможете объяснить положение элемента в системе. Эти сведения превращают таблицу из набора символов в модель строения атомов.

Закономерности темы применяют, когда прогнозируют химические свойства элементов, состав и характер их оксидов и гидроксидов. Они также помогают объяснить, почему атомы образуют разные типы химической связи и как внешние электроны участвуют во взаимодействиях. Поэтому при изучении соединений полезно сначала определить положение элемента и оценить строение его внешней оболочки.

Что запомнить

• Современная формулировка периодического закона основана на заряде ядра атома.
• Элементы в Периодической системе расположены по возрастанию атомного номера.
• Номер периода связан с числом занятых энергетических уровней.
• Сходство свойств элементов группы связано со строением внешних электронных оболочек.
• В периоде слева направо обычно усиливаются неметаллические свойства.
• В главных подгруппах сверху вниз обычно усиливаются металлические свойства.
• Положение элемента в системе помогает предсказывать строение атома и свойства образуемых им веществ.