§ 41. Периодический закон. Периоды

Определения и обозначения

Периодический закон — закон, согласно которому свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически зависят от заряда ядра атома. Иными словами, при увеличении заряда ядра свойства не меняются случайно, а через определённые промежутки приобретают сходные черты. Этот закон помогает увидеть общую закономерность в свойствах множества элементов.

Период — горизонтальный ряд элементов, расположенных по возрастанию заряда ядра. Обычно период начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом; исключение составляет первый период, где ряд начинается водородом. Понятие периода нужно, чтобы определить положение элемента в таблице и проследить, как меняются свойства внутри ряда.

Порядковый номер элемента — число, равное заряду ядра атома и количеству протонов в нём. Поэтому элементы в каждом периоде следуют друг за другом по возрастанию порядкового номера. По нему можно найти элемент в таблице и понять, какое место он занимает в последовательности.

Периодичность свойств — повторение сходных свойств элементов и их веществ при последовательном увеличении заряда ядра. Это не означает, что соседние элементы одинаковы: их свойства меняются постепенно, а затем сходные черты появляются снова. Понятие периодичности объясняет, почему расположение элементов в таблице позволяет предсказывать их свойства.

Как это устроено

Элементы располагают по возрастанию заряда ядра, а не атомной массы, потому что заряд ядра задаёт порядковый номер и последовательность элементов. Число протонов в ядре однозначно определяет, какой перед нами химический элемент. Если упорядочить атомы по массе, последовательность некоторых элементов не согласуется с закономерным изменением их свойств. Современная таблица поэтому опирается на заряд ядра.

Двигаясь слева направо по периоду, мы переходим к атомам с каждым разом большим зарядом ядра. Одновременно меняется строение внешней части электронных оболочек, а вместе с ним — способность атомов взаимодействовать с другими атомами. Поэтому свойства элементов не скачут произвольно, а постепенно меняются по ряду. К концу периода эта последовательность приводит к элементу с иными характерными свойствами, чем у его начала.

В начале следующего периода свойства снова начинают изменяться сходным образом, потому что начинается заполнение нового электронного слоя. По мере продвижения по ряду электроны размещаются на оболочках атомов в закономерной последовательности. Когда начинается новый слой, меняется и характер дальнейшего изменения свойств. Так повторение в строении электронных оболочек связано с периодическим повторением свойств.

Периоды различаются числом элементов: первые три короткие, последующие — длинные. Это связано с тем, что электронные оболочки и их части вмещают разное число электронов, поэтому на их последовательное заполнение требуется разное количество элементов. В коротких периодах 2 или 8 элементов, в длинных — 18 или 32. Значит, длина периода отражает особенности заполнения электронных оболочек, а не случайный выбор составителей таблицы.

Номер периода показывает, сколько электронных слоёв занято в атоме элемента этого периода. Например, элемент третьего периода имеет три занятых слоя, а элемент пятого — пять. Это правило помогает по месту элемента в таблице сделать вывод о строении его атома. При этом номер периода не показывает число элементов в ряду: эти величины нужно различать.

Периоды периодической таблицы

Сначала найдите номер периода, затем прочитайте число элементов и его начало с концом. Так можно проверить, не перепутали ли вы номер ряда с количеством элементов в нём. Первый период особый: он начинается водородом, а не щелочным металлом.

Разбор задач

Определите номер периода, в котором находится фосфор (порядковый номер 15).

Порядковый номер нужен, чтобы найти фосфор среди элементов таблицы. Затем следует определить не столбец, а горизонтальный ряд, в котором он расположен. Рассуждение по шагам показывает, как перейти от известного номера к периоду.

1. Найдём в периодической таблице элемент с порядковым номером 15 — это фосфор.
2. Посмотрим, в каком горизонтальном ряду находится его клетка: фосфор расположен в третьем ряду.
3. Номер горизонтального ряда и есть номер периода.

Ответ: фосфор находится в третьем периоде.

Назовите число элементов в третьем периоде и элементы, которыми он начинается и заканчивается.

В условии указана строка таблицы, а не число элементов. Чтобы ответить, нужно обратиться к строке третьего периода и отдельно прочитать её длину и крайние элементы. Это помогает не принять номер ряда за количество его клеток.

1. Найдём в таблице третий горизонтальный ряд.
2. Установим его начало и конец: ряд начинается натрием и заканчивается аргоном.
3. По таблице периодов проверим длину ряда: в нём восемь элементов.

Ответ: в третьем периоде 8 элементов; он начинается натрием и заканчивается аргоном.

Элемент имеет порядковый номер 17. Определите его период и число занятых электронных слоёв, затем объясните связь этих ответов.

Сначала по порядковому номеру найдём сам элемент, затем определим его горизонтальный ряд. После этого применим правило о связи номера периода с числом занятых электронных слоёв. Так один ответ можно использовать для проверки другого.

1. Найдём элемент с номером 17: это хлор.
2. Определим его положение в таблице: хлор находится в третьем периоде.
3. Число занятых электронных слоёв равно номеру периода, значит, у атома хлора заняты три слоя.

Ответ: хлор находится в третьем периоде, его атом имеет три занятых электронных слоя. Ответы связаны правилом: номер периода показывает число занятых слоёв.

Типичные ошибки

Ошибка: формулировать закон через атомную массу. Такую формулировку можно встретить при изучении истории открытия периодического закона, поэтому её переносят на современное объяснение. Сегодня периодичность свойств связывают с зарядом ядра, который задаёт порядковый номер элемента. Проверьте себя: в формулировке должны быть слова о заряде ядра.

Ошибка: называть период вертикальным столбцом. Это происходит, когда путают два направления в таблице. Периоды идут горизонтально, а вертикальные столбцы называются группами. Проверить себя просто: проследите, движется ли ряд слева направо или сверху вниз.

Ошибка: считать, что во всех периодах одинаковое число элементов. Такое предположение возникает, если запомнить только один ряд и распространить его длину на всю таблицу. На самом деле периоды различаются: короткие содержат 2 или 8 элементов, длинные — 18 или 32. Сверяйте число элементов с номером конкретного периода.

Ошибка: путать номер периода с числом элементов в нём. Номер обозначает место горизонтального ряда в таблице, а число элементов — его длину. Их значения не совпадают, например, в третьем периоде восемь элементов. Чтобы проверить ответ, отдельно назовите номер ряда и пересчитайте его элементы.

Связь с другими темами

Для работы с периодами нужно знать, что порядковый номер равен заряду ядра и числу протонов, а также уметь находить элемент по этому номеру в таблице. Эти знания связывают положение элемента с устройством его атома: номер периода показывает число занятых электронных слоёв. Позже это поможет изучать электронное строение атомов, группы и периодическое изменение свойств элементов. Значит, периодическая таблица служит переходом от порядка элементов к объяснению их свойств.

Что запомнить

• Элементы в таблице расположены по возрастанию заряда ядра.
• Свойства элементов и их соединений периодически изменяются с увеличением заряда ядра.
• Период — горизонтальный ряд элементов.
• В таблице семь периодов.
• Первые три периода короткие, остальные — длинные.
• Номер периода соответствует числу занятых электронных слоёв атома.