§ 42. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Группы

Определения и обозначения

Группа — вертикальный столбец периодической системы, объединяющий элементы с похожим строением внешнего электронного слоя и сходными свойствами. Внешний слой — самый удалённый от ядра энергетический уровень, электроны которого участвуют в реакциях. Понятие группы помогает сравнивать элементы и предсказывать, какие соединения они могут образовывать.

Главная подгруппа — совокупность элементов, у которых заполняется внешний энергетический уровень; в старой системе её обозначали буквой A. К ней относят элементы групп 1, 2 и 13–18 в современной нумерации. Это деление удобно, потому что у таких элементов число внешних электронов обычно связано с их химическими свойствами.

Побочная подгруппа — совокупность переходных элементов, у которых заполняется внутренний d-подуровень, а в более широком делении периодической системы — также f-подуровень. В старых обозначениях такие элементы относили к подгруппам B. Их строение сложнее, поэтому свойства нельзя предсказывать только по числу электронов на внешнем уровне.

Номер группы обозначает положение вертикального столбца в периодической системе. Для элементов главных подгрупп он обычно связан с числом электронов внешнего уровня и высшей валентностью, если пользоваться старой нумерацией с буквами A и B. Это обозначение служит подсказкой, но не заменяет проверку электронного строения и учёт исключений.

Как это устроено

Элементы одной группы стоят в одном вертикальном столбце не случайно: их атомы имеют сходное строение внешнего слоя. Именно внешние электроны вступают во взаимодействие с атомами других элементов и влияют на образование химических связей. Поэтому у элементов группы часто совпадают типичные формулы соединений и проявляются похожие химические свойства, хотя их активность может различаться.

Электронная формула показывает, сколько электронов находится на каждом энергетическом уровне. Число занятых уровней определяет период: чем больше уровней, тем ниже расположен элемент в таблице. Для главных подгрупп число электронов на внешнем уровне помогает установить группу, поскольку оно обычно совпадает с номером группы в старом обозначении A. Например, запись 2, 8, 7 содержит три уровня и семь электронов на внешнем.

Для элементов главных подгрупп номер группы обычно показывает число электронов внешнего слоя, потому что именно внешний уровень последовательно заполняется у s- и p-элементов. У переходных элементов после заполнения внешнего уровня могут добавляться электроны на внутренний d-подуровень. Поэтому подсчёт внешних электронов не даёт для них прямого номера группы и не позволяет простым способом определить все их свойства.

При движении сверху вниз по главной подгруппе добавляются энергетические уровни, и электронное облако атома становится крупнее. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и слабее притягиваются к нему, поэтому атомам-металлам обычно легче отдавать электроны. По этой причине металлические свойства в главных подгруппах чаще усиливаются вниз. У переходных металлов изменения сложнее и зависят от строения атомов и конкретных реакций.

Положение элемента главной подгруппы помогает предположить его высшую валентность — наибольшее число связей, которое элемент обычно образует в соединениях. Часто она соответствует номеру группы в старой системе, поэтому по ней можно составить формулу высшего оксида, учитывая, что кислород обычно двухвалентен. По группе также находят типичные формулы водородных соединений неметаллов. Но эти закономерности имеют исключения, поэтому их нельзя применять автоматически ко всем элементам.

Строение и закономерности групп периодической системы

Сначала по таблице определите, к какой подгруппе относится элемент: это подскажет, можно ли связывать номер группы с числом внешних электронов. Затем сравните свойства сверху вниз, учитывая, что закономерности у переходных металлов выражены сложнее. Данные о высшей валентности используйте как подсказку для составления формул, а не как правило без исключений.

Разбор задач

Определите группу и подгруппу элемента с электронной формулой 2, 8, 7.

В записи через запятую указано число электронов на каждом энергетическом уровне. Чтобы найти положение элемента, сначала определяем число уровней, а затем рассматриваем внешний слой. Эти шаги нельзя менять местами: число уровней указывает период, а не группу.

1. Считаем числа в электронной формуле: их три, значит, у атома заняты три энергетических уровня. Элемент находится в третьем периоде.
2. На внешнем, третьем уровне находятся семь электронов. Такая электронная конфигурация характерна для элемента главной подгруппы VIIA в старой системе обозначений.
3. В современной нумерации это группа 17. По числу внешних электронов определили главную подгруппу, поскольку речь идёт об элементе главной группы.

Ответ: третий период, главная подгруппа VIIA, или группа 17. Элемент с такой электронной формулой — хлор. При решении полезно отдельно проговаривать, что уровни дают период, а внешний слой помогает определить группу.

Сравните химические свойства натрия и калия и объясните, какой из них активнее как металл.

Натрий и калий — металлы одной главной подгруппы, причём калий расположен ниже натрия. Поэтому у атома калия больше энергетических уровней, а внешний электрон находится дальше от ядра. Сравнение положения элементов позволяет объяснить разницу в способности отдавать электроны.

1. Определяем, что Na и K относятся к одной главной подгруппе. У каждого атома по одному электрону на внешнем уровне.
2. При переходе от натрия к калию вниз по группе радиус атома увеличивается. Внешний электрон притягивается к ядру слабее, поэтому калий легче его отдаёт.
3. Отдавая электрон, атом металла превращается в положительно заряженный ион. Калий делает это охотнее, следовательно, его металлическая активность выше.

Ответ: калий активнее натрия как металл. Оба элемента проявляют сходные химические свойства, но активность возрастает вниз по главной подгруппе. Это сравнение описывает общую закономерность и не означает, что любые свойства элементов меняются одинаково.

По положению серы в периодической системе составьте формулы её высшего оксида и водородного соединения.

Сера находится в главной подгруппе группы VIА, или группы 16. Для элементов этой подгруппы высшая валентность обычно равна шести, а водородное соединение неметалла имеет типичную формулу H₂S. Чтобы получить формулу оксида, нужно уравнять валентности серы и кислорода.

1. Определяем положение серы: это главная подгруппа VIА. Для серы её высшая валентность равна VI.
2. Кислород в оксидах обычно двухвалентен. Один атом серы может соединиться с тремя атомами кислорода: VI делим на II, поэтому формула высшего оксида — SO₃.
3. Водород одновалентен, а типичная формула водородного соединения серы — H₂S. Два атома водорода дают суммарную валентность II, соответствующую валентности серы в этом соединении.

Ответ: высший оксид серы — SO₃, водородное соединение — H₂S. Здесь высшую валентность нельзя механически переносить на формулу H₂S: в разных соединениях элемент может проявлять разные валентности. При составлении формул нужно учитывать тип соединения и характерную валентность каждого элемента.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что номер группы всегда равен числу электронов внешнего уровня. Так делают, потому что это удобное правило часто срабатывает для главных подгрупп, но переходные элементы устроены сложнее. Проверьте, к какой подгруппе относится элемент; для побочной подгруппы такое соответствие напрямую не применяют.

Путать период и группу — значит смешивать число энергетических уровней и положение элемента в вертикальном столбце. Это происходит, если не разделять сведения электронной формулы: число уровней показывает период, а внешний слой помогает определить группу. Для самопроверки сначала посчитайте уровни, а затем отдельно — электроны на внешнем уровне.

Нельзя считать, что элементы одной группы полностью одинаковы. Сходство их внешнего слоя объясняет похожие реакции, но сверху вниз меняются радиус атома, активность и физические свойства. Сравните элементы по их положению: если один стоит ниже другого, свойства могут проявляться сильнее или слабее, несмотря на общие черты группы.

Высшую валентность нельзя во всех случаях определять только по номеру группы. Так ошибаются, перенося закономерность главных подгрупп на исключения вроде кислорода и фтора или на переходные элементы. Перед составлением формулы уточните, какой элемент рассматривается, и проверьте, типична ли для него предполагаемая валентность.

Связь с другими темами

Чтобы понимать группы, нужно знать строение атома, энергетические уровни и запись электронной формулы. Эти знания позволяют отличать период от группы и объяснять, почему элементы объединяют в вертикальные столбцы. Положение в группе помогает разбирать закономерности изменения металлических и неметаллических свойств. Оно также используется при составлении формул высших оксидов и водородных соединений и при прогнозировании свойств веществ.

Что запомнить

• Группа — вертикальный столбец периодической системы.
• Элементы одной группы имеют сходное строение внешнего электронного слоя и похожие химические свойства.
• Главные и побочные подгруппы различаются характером заполнения электронных подуровней.
• Для элементов главных подгрупп число электронов внешнего уровня обычно связано с номером группы.
• При движении сверху вниз в главной подгруппе обычно усиливаются металлические свойства.
• Номер группы помогает определить высшую валентность элемента, но это правило имеет исключения.
• Положение элемента в группе позволяет предсказывать свойства его соединений.