§ 43. Характеристика химического элемента по его положению в Периодической системе

Определения и обозначения

Характеристика химического элемента по положению в Периодической системе — это описание сведений об атоме и свойствах элемента, которые можно получить из его клетки. Она связывает расположение элемента со строением его атома и возможными соединениями. Такой способ помогает не заучивать отдельные факты, а выводить их из таблицы. Характеристику обычно составляют последовательно, начиная с номера элемента.

Порядковый номер — число, которое показывает заряд ядра атома и число протонов в нём. У нейтрального атома оно равно также числу электронов, потому что положительные и отрицательные заряды уравновешены. По порядковому номеру можно определить состав атома, если известны свойства его изотопа. Изотопы — разновидности атомов одного элемента с разным числом нейтронов.

Период — горизонтальный ряд Периодической системы, в котором находится элемент. Номер периода указывает, сколько электронных слоёв занято в атоме. Электронным слоем называют область, на которой располагаются электроны с определённой энергией. Это правило позволяет связать положение элемента со строением его атома.

Группа и подгруппа показывают положение элемента в вертикальном столбце и его принадлежность к определённому семейству элементов. В главных подгруппах номер группы связан с числом электронов на внешнем слое атома. Внешний слой важен, потому что его электроны участвуют в химических связях. Для элементов побочных подгрупп это соответствие нельзя применять автоматически.

Как это устроено

Порядковый номер задаёт число протонов, потому что именно заряд ядра определяет, к какому химическому элементу относится атом. В нейтральном атоме число электронов совпадает с числом протонов: суммарный заряд такого атома равен нулю. Если атом присоединил или отдал электроны, он стал ионом, и равенство уже не действует. Для известного изотопа число нейтронов находят как разность массового числа и порядкового номера: нейтроны не влияют на заряд ядра, но входят в массу атома.

Номер периода показывает число занятых электронных слоёв, потому что при переходе к следующему периоду у атомов появляется ещё один слой, на который начинают располагаться электроны. Номер группы помогает узнать число электронов внешнего слоя у элементов главных подгрупп: внутри такой подгруппы внешнее строение атомов сходно. Эти электроны называют внешними, так как они находятся дальше остальных от ядра и прежде всего участвуют в образовании связей. Поэтому период и группа вместе дают начальную схему строения атома.

Число электронов внешнего слоя помогает судить о валентности — способности атома образовывать определённое число химических связей. Оно также связано с возможными степенями окисления, то есть условными зарядами атомов в соединениях. Однако одного номера группы недостаточно для точного вывода: нужно учитывать, металл это или неметалл, а также конкретное соединение. Сопоставление с соседними элементами и знакомыми формулами помогает проверить предположение.

Положение элемента, его группа и металлические или неметаллические свойства позволяют предсказывать формулу высшего оксида — оксида, в котором элемент проявляет характерную для него наибольшую степень окисления. Затем по формуле оксида и свойствам элемента устанавливают характер соответствующего гидроксида: у металлов это обычно основание, у многих неметаллов — кислота. Это не означает, что любой элемент образует одинаковый набор соединений: важно уточнять его подгруппу и учитывать известные закономерности. Например, высший оксид серы SO₃ соответствует серной кислоте H₂SO₄.

Для неметаллов главных подгрупп формулу летучего водородного соединения можно связать с номером группы. В простых примерах для элементов IV–VII групп главных подгрупп число атомов водорода в формуле уменьшается от четырёх до одного: CH₄, NH₃, H₂O, HF. Причина в том, что такие атомы образуют нужное число связей, чтобы заполнить внешний электронный слой. При этом правило относится к определённым неметаллам и не заменяет проверку конкретного элемента и его подгруппы.

Что можно определить по положению элемента в Периодической системе

Сначала по строке элемента определите номер, период и группу, а затем проверьте, главная это подгруппа или побочная. После этого можно перейти от строения атома к свойствам и формулам соединений. Таблица задаёт порядок рассуждения, но формулы и характер веществ нужно проверять с учётом типа элемента.

Разбор задач

Натрий: строение атома

Условие. Составить характеристику натрия по положению в Периодической системе: указать заряд ядра, число электронов, число слоёв и электронов на внешнем слое. Сначала найдём клетку натрия: его порядковый номер равен 11, он находится в третьем периоде и первой группе главной подгруппы. Эти данные относятся к разным частям характеристики, поэтому используем каждое отдельно. Решение:

1. Порядковый номер 11 означает заряд ядра +11 и наличие 11 протонов.
2. Атом натрия нейтрален, поэтому электронов тоже 11.
3. Третий период указывает на три занятых электронных слоя; электроны распределяются как 2, 8, 1.
4. Натрий — элемент первой группы главной подгруппы, значит, на внешнем слое у него один электрон.

Ответ. Заряд ядра натрия +11, в нейтральном атоме 11 электронов, заняты три слоя, на внешнем слое находится один электрон. Распределение 2, 8, 1 проверяет одновременно число слоёв и сумму электронов. Один внешний электрон помогает объяснить свойства натрия как металла.

Сера: внешний слой и высший оксид

Условие. По положению серы определить строение внешнего слоя, характер элемента, возможную высшую степень окисления и формулу высшего оксида. Сера имеет порядковый номер 16 и находится в третьем периоде, шестой группе главной подгруппы. Используем сначала период и группу, а затем учитываем, что сера — неметалл. Решение:

1. Третий период означает три занятых слоя; распределение электронов серы — 2, 8, 6.
2. Шестая группа главной подгруппы соответствует шести электронам на внешнем слое.
3. Сера — неметалл; в высшем оксиде она может иметь степень окисления +6.
4. Кислород имеет степень окисления −2, поэтому для уравновешивания +6 нужны три атома кислорода: формула оксида SO₃.

Ответ. На внешнем слое серы шесть электронов, высшая степень окисления в рассматриваемом оксиде +6, формула высшего оксида SO₃. Проверка: сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю, а +6 + 3 · (−2) = 0. Кислотный характер этого оксида согласуется с неметаллическими свойствами серы.

Элемент с порядковым номером 15

Условие. Составить полную характеристику элемента с порядковым номером 15: определить строение атома, свойства простого вещества, формулы высшего оксида, соответствующего гидроксида и летучего водородного соединения. Находим в таблице элемент фосфор: он находится в третьем периоде и пятой группе главной подгруппы. Далее используем сведения о строении атома и правила для неметаллов. Решение:

1. Заряд ядра фосфора +15; в нейтральном атоме 15 протонов и 15 электронов.
2. Третий период означает три слоя, а пятая группа главной подгруппы — пять электронов на внешнем слое; распределение электронов: 2, 8, 5.
3. Фосфор — неметалл, поэтому его простое вещество относится к неметаллическим веществам.
4. Высшая степень окисления фосфора равна +5. Для уравновешивания зарядов кислорода в высшем оксиде получают формулу P₂O₅.
5. Соответствующий кислотный гидроксид — H₃PO₄, а летучее водородное соединение фосфора — PH₃.

Ответ. Элемент № 15 — фосфор; в нейтральном атоме 15 электронов, они распределены по слоям как 2, 8, 5. Фосфор — неметалл, его высший оксид записывают P₂O₅, соответствующий гидроксид — H₃PO₄, летучее водородное соединение — PH₃. При составлении формул мы последовательно использовали номер, период, главную подгруппу и характер элемента.

Типичные ошибки

Путают номер периода с числом электронов на внешнем слое и приписывают атому, например, третьего периода три внешних электрона. Ошибка возникает потому, что номер периода и число электронов оба описывают строение атома, но относятся к разным его особенностям. Период показывает число занятых слоёв, а внешние электроны для главной подгруппы помогают определить номер группы. Проверьте себя: сначала посчитайте слои по распределению электронов, затем отдельно сосчитайте электроны на последнем слое.

Связь номера группы с числом внешних электронов иногда ошибочно переносят на все элементы таблицы. Причина — правило запоминают без уточнения, что оно относится к элементам главных подгрупп. У элементов побочных подгрупп строение отличается, поэтому номер группы нельзя напрямую использовать так же. Перед выводом проверьте подгруппу элемента и только затем применяйте правило.

Число электронов в ионе принимают равным порядковому номеру, как у нейтрального атома. Так происходит, если забыть, что ион образуется при потере или присоединении электронов, тогда как ядро и его заряд не меняются. Проверьте, указан ли заряд: у положительного иона электронов меньше, у отрицательного — больше, чем протонов. Равенство числа электронов порядковому номеру верно только для нейтрального атома.

Формулы оксидов и водородных соединений иногда выводят только по номеру группы, не учитывая характер элемента и подгруппу. Одного номера мало: нужно понять, металл перед нами или неметалл, и проверить, относится ли элемент к главной подгруппе. Иначе можно неверно определить характер оксида или формулу летучего соединения. Проверяйте ход решения по шагам: положение элемента, тип элемента, подходящее правило и проверка формулы по зарядам или валентности.

Связь с другими темами

Для характеристики нужно знать устройство Периодической системы: смысл порядкового номера, периодов, групп и подгрупп. Без этого нельзя верно прочитать клетку элемента и понять, какие правила к нему относятся. Предварительно также полезно уметь распределять электроны по энергетическим уровням и отличать нейтральный атом от иона. Эти знания позволяют перейти от положения элемента к его строению.

Способ характеристики понадобится при изучении валентности, степеней окисления и химической связи. Зная строение внешнего слоя, легче объяснить, почему атомы образуют определённые соединения. Предсказания формул оксидов и гидроксидов станут опорой при изучении их свойств. Так Периодическая система помогает связывать строение вещества с его химическим поведением.

Что запомнить

• Порядковый номер равен числу протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру.
• Номер периода показывает число занятых электронных слоёв.
• Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое.
• Положение элемента помогает предсказать свойства его простого вещества и соединений.
• Характеристику элемента составляют последовательно, связывая положение в таблице со строением атома и его свойствами.