§ 5. Положение в периодической системе водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов

Определения и обозначения

Водород — химический элемент с атомным номером 1, помещённый в 1-ю группу и 1-й период периодической системы. В его атоме один электрон, а электронная оболочка состоит из одного энергетического уровня. Положение водорода в таблице помогает увидеть связь между строением атома и его местом, но само по себе не делает его щелочным металлом.

Лантаноиды — семейство элементов 6-го периода, связанное с заполнением 4f-подуровня. В таблице их обычно изображают отдельным рядом под её основной частью. Такое обозначение сохраняет компактность таблицы и напоминает, что лантаноиды входят в шестой период, а не образуют самостоятельный период.

Актиноиды — семейство элементов 7-го периода, у которых заполняется 5f-подуровень. Их также показывают отдельным рядом внизу периодической системы. Это вынесение нужно для удобного изображения таблицы, а не означает, что элементы не принадлежат к её периодам.

Искусственно полученные элементы — элементы, созданные человеком в ядерных реакциях. Отдельно выделяют трансурановые элементы: так называют элементы с атомным номером больше 92, то есть больше номера урана. Эти названия описывают разные признаки: способ получения элемента и его положение по атомному номеру.

Как это устроено

Положение водорода объясняется строением его атома. Один электрон находится на единственном энергетическом уровне, поэтому водород относят к 1-му периоду; наличие одного электрона на внешнем уровне соответствует 1-й группе. Однако сходство с элементами этой группы касается прежде всего числа внешних электронов. В отличие от щелочных металлов, водород — неметалл и при обычных условиях представляет собой газ.

Особое положение водорода становится понятнее, если сравнить не только число электронов, но и их поведение. Как и элементы 1-й группы, он может отдавать единственный электрон, поэтому его помещают в этой части таблицы. Но водород способен и принимать электрон, образуя отрицательно заряженный ион, а по некоторым свойствам напоминает галогены. Значит, его нельзя без оговорок считать типичным представителем ни одной из этих групп.

Лантаноиды относятся к 6-му периоду, потому что при последовательном увеличении атомного номера у элементов этого ряда заполняется 4f-подуровень. Подуровень — часть энергетического уровня, на которой располагаются электроны с определёнными состояниями. Если поместить весь ряд внутрь основной схемы таблицы, она станет очень широкой. Поэтому лантаноиды изображают ниже, сохраняя их связь с шестым периодом.

У актиноидов заполняется 5f-подуровень, и этот ряд относится к 7-му периоду. Их отдельное изображение решает ту же задачу: позволяет не растягивать таблицу по горизонтали. При этом атомные номера элементов продолжают возрастать по порядку, поэтому вынесенный ряд остаётся частью периодической системы. Сходство расположения с лантаноидами не должно скрывать различие между 4f- и 5f-подуровнями.

У искусственно полученных элементов место в таблице определяет атомный номер — число протонов в ядре. После получения нового элемента его номер задаёт последовательность, в которой он располагается, а строение электронных оболочек помогает соотнести его с периодом и группой. Многие такие элементы радиоактивны, то есть их ядра самопроизвольно превращаются с испусканием излучения. Большинство трансурановых элементов получено искусственно, но определения «искусственный» и «трансурановый» не совпадают: первое говорит о происхождении, второе — об атомном номере.

Особенности положения водорода, лантаноидов, актиноидов и искусственно полученных элементов

Сначала найдите в таблице период и область, где расположен элемент, затем сопоставьте их с особенностью его электронного строения. Для вынесенных рядов не забывайте проверять, к какому периоду они относятся. У искусственного элемента отдельно уточняйте атомный номер: именно он позволяет решить, является ли элемент трансурановым.

Разбор задач

Задача 1. Определите период и группу водорода по его положению в периодической системе и объясните, почему его свойства не позволяют считать его обычным щелочным металлом. Чтобы ответить, нужно использовать два признака строения атома, а затем проверить, совпадает ли химический характер водорода с металлами 1-й группы.

1. В атоме водорода один электрон, поэтому на внешнем уровне тоже один электрон; это соответствует 1-й группе.
2. У атома только один энергетический уровень, следовательно, водород находится в 1-м периоде.
3. Сравните свойства: водород является неметаллом и газом, а не типичным щелочным металлом; кроме того, он может принимать электрон.

Ответ: водород находится в 1-й группе и 1-м периоде. Его положение в 1-й группе объясняется одним внешним электроном, но свойства существенно отличаются от свойств обычных щелочных металлов. Поэтому водород считают элементом с особым положением.

Задача 2. Укажите, к какому периоду относятся лантаноиды и актиноиды, и объясните, почему оба ряда помещены отдельно под основной частью таблицы. Здесь важно не принимать расположение на странице за номер периода. Сначала определите принадлежность каждого семейства, а затем объясните устройство таблицы.

1. Лантаноиды связаны с заполнением 4f-подуровня и относятся к 6-му периоду.
2. Актиноиды связаны с заполнением 5f-подуровня и относятся к 7-му периоду.
3. Оба ряда показывают внизу, чтобы основная часть периодической системы не была чрезмерно широкой.

Ответ: лантаноиды входят в 6-й, а актиноиды — в 7-й период. Отдельное изображение — способ сделать таблицу компактнее, а не указание на то, что эти элементы находятся вне периодической системы. Различие рядов связано с заполняемыми f-подуровнями: 4f и 5f.

Задача 3. Элемент имеет атомный номер 95. Определите, к какому ряду он относится, является ли он трансурановым и где его следует искать в периодической системе. Решение опирается на последовательность атомных номеров и положение урана. После установления ряда нужно отделить принадлежность к семейству от критерия трансуранового элемента.

1. Сопоставьте номер 95 с номером урана: у урана атомный номер 92, поэтому 95 больше 92.
2. Элемент с номером 95 — америций; он относится к семейству актиноидов.
3. Актиноиды входят в 7-й период, а их ряд в таблице вынесен под основной частью.

Ответ: элемент с номером 95 — америций, актиноид 7-го периода. Он является трансурановым, потому что его атомный номер больше 92. Искать его следует в отдельном ряду актиноидов под основной частью таблицы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать водород обычным щелочным металлом только из-за его положения в 1-й группе. Так рассуждают, когда ориентируются лишь на номер группы и не учитывают свойства элемента. Проверьте себя по строению и свойствам: один внешний электрон объясняет положение, но водород является неметаллом и может принимать электрон.

Ошибка — путать периоды лантаноидов и актиноидов или считать их отдельными периодами. Причина часто в том, что оба ряда напечатаны отдельно и похожи по оформлению. Для проверки запомните соответствие: лантаноиды — 6-й период и 4f-подуровень, актиноиды — 7-й период и 5f-подуровень.

Ошибка — думать, что вынесенные вниз элементы не входят в периодическую систему. Визуально отдельные строки могут выглядеть как самостоятельное дополнение к таблице, но это сделано ради компактности. Проверьте указанный период: лантаноиды принадлежат к шестому, а актиноиды — к седьмому.

Ошибка — считать все искусственно полученные элементы трансурановыми или утверждать, что каждый трансурановый элемент встречается исключительно в лаборатории. Эти понятия описывают разные признаки: происхождение элемента и его атомный номер. Для самопроверки отдельно задайте два вопроса: как элемент получен и больше ли его номер 92; некоторые трансурановые элементы могут встречаться в природе в следовых количествах.

Связь с другими темами

Чтобы понять положение элементов, нужно знать устройство периодической системы, смысл группы и периода, строение электронной оболочки и значение атомного номера. Период связан с числом энергетических уровней, а положение в группе помогает сопоставлять число внешних электронов. Эти знания позволяют объяснить, почему водород занимает особое место, а f-элементы выделяют в отдельные ряды.

Тема пригодится при изучении электронных конфигураций и периодического изменения свойств элементов. Она также подготавливает к разговору о радиоактивности и ядерных реакциях, благодаря которым получают многие искусственные элементы. Зная атомный номер и место элемента, легче связывать его строение с химическими и ядерными свойствами.

Что запомнить

• Водород расположен в 1-м периоде и 1-й группе, но обладает особыми свойствами.
• Лантаноиды связаны с заполнением 4f-подуровня и относятся к 6-му периоду.
• Актиноиды связаны с заполнением 5f-подуровня и относятся к 7-му периоду.
• Лантаноиды и актиноиды вынесены вниз таблицы ради компактности её изображения.
• Трансурановые элементы имеют атомный номер больше 92.
• Многие искусственно полученные элементы радиоактивны.