Самое важное в главе 7

Определения и обозначения

Периодический закон — закономерность изменения свойств химических элементов и их соединений с увеличением заряда ядра атома. Иными словами, свойства не меняются случайно: по мере роста числа протонов появляются повторяющиеся особенности. Закон нужен, чтобы объяснять сходство и различия элементов и предсказывать их свойства.

Периодическая система химических элементов — таблица, в которой элементы расположены в соответствии с периодическим законом. Их место связано с зарядом ядра и строением атомов, поэтому таблица не просто перечисляет элементы. По ней можно увидеть закономерности и сделать выводы о свойствах элемента.

Период — горизонтальный ряд элементов, атомы которых имеют одинаковое число занятых электронных слоёв. При переходе слева направо в пределах периода заряд ядра растёт, а число электронов увеличивается. Понятие периода помогает соотнести строку таблицы со строением атома.

Группа — вертикальный столбец элементов со сходными свойствами и, для элементов главных групп, общим числом электронов на внешнем уровне. Внешними называют электроны самого дальнего занятого слоя. Номер группы помогает сравнивать строение внешнего уровня и объяснять сходство химического поведения.

Как это устроено

Порядковый номер элемента показывает число протонов в его ядре: с ростом номера в ядре появляется следующий протон. Так как протон несёт положительный заряд, численное значение заряда ядра в единицах элементарного заряда равно порядковому номеру. В нейтральном атоме суммарный заряд равен нулю, поэтому число отрицательно заряженных электронов должно совпадать с числом протонов. У иона число электронов может отличаться, но число протонов и порядковый номер элемента сохраняются.

Электроны располагаются вокруг ядра не как попало, а по энергетическим слоям — областям, связанным с определёнными уровнями энергии. Сначала заполняется слой с наименьшей энергией, а после его заполнения электроны занимают следующий доступный слой. Поэтому распределение электронов по слоям позволяет представить строение атома, не перечисляя положения каждого электрона отдельно. Например, запись распределения по слоям показывает и число занятых уровней, и число электронов на внешнем из них.

Номер периода связан с числом занятых электронных слоёв потому, что элементы одной горизонтальной строки имеют одинаковое число таких слоёв. При движении по строке добавляются протоны в ядро и электроны в атоме, но новый слой обычно не начинается до перехода к следующему периоду. Поэтому элементы первого периода имеют один занятый слой, второго — два, третьего — три. Номер строки помогает проверить, соответствует ли выбранное распределение электронов положению элемента.

В элементах главных групп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне. Именно эти электроны чаще всего участвуют в образовании химических связей и определяют, как атом взаимодействует с другими атомами. Поэтому сходное число внешних электронов приводит к сходным способам образования соединений и похожим химическим свойствам. Для некоторых элементов переходных групп связь номера группы с числом внешних электронов устроена сложнее, поэтому здесь важно учитывать тип рассматриваемых элементов.

В периоде заряд ядра увеличивается от элемента к элементу, а число электронов растёт; при этом строение внешнего уровня постепенно меняется, и вместе с ним меняются свойства. В группе элементы имеют сходное строение внешнего уровня, но при движении сверху вниз добавляются новые электронные слои, поэтому свойства также закономерно изменяются. Когда начинается новый период, последовательность заполнения внешнего уровня повторяется. Из-за этого сходные изменения свойств возникают снова, а не продолжаются бесконечно в одном направлении.

Как читать положение элемента в периодической системе

Чтобы разобрать положение элемента, сначала найдите его порядковый номер, затем определите период и группу. Номер периода подскажет число занятых слоёв, а для элемента главной группы номер группы поможет судить о внешнем уровне. Сравнивая элементы, учитывайте оба направления таблицы: свойства меняются по периоду и по группе не одинаково.

Разбор задач

Задача 1. В нейтральном атоме порядковый номер элемента равен 12. Нужно определить число протонов и электронов. Сначала используем связь порядкового номера с составом ядра, а затем учитываем условие о нейтральности атома. Это позволяет не путать число электронов с числом нейтронов.

1. Порядковый номер равен 12, значит, в ядре 12 протонов.
2. Атом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов.
3. Следовательно, электронов тоже 12.

Ответ: 12 протонов и 12 электронов. Если бы речь шла об ионе, равенство числа протонов и электронов использовать было бы нельзя без уточнения заряда. Для нейтрального атома такой вывод верен всегда.

Задача 2. Элемент находится в третьем периоде и главной группе с номером 2. Определим число занятых слоёв и число электронов на внешнем уровне. Здесь нужно отдельно использовать строку и столбец таблицы, потому что они сообщают разную информацию. Такой способ чтения помогает составить краткое описание атома.

1. Номер периода равен 3, значит, в атоме заняты три электронных слоя.
2. Элемент находится во второй главной группе, поэтому на внешнем уровне у него два электрона.
3. Сопоставляем результаты: атом имеет три занятых слоя, а на внешнем слое — два электрона.

Ответ: три электронных слоя и два электрона на внешнем уровне. Вывод о внешних электронах здесь применяется к элементам главных групп. В других группах эту связь следует проверять с учётом строения атома.

Задача 3. Сравним два элемента одной группы и объясним, почему их свойства сходны, хотя атомы не одинаковы. По одному только месту в таблице нельзя утверждать, что все свойства совпадают. Нужно связать общие черты внешнего уровня с различиями, возникающими при добавлении слоёв.

1. Определяем положение элементов: они стоят в одной вертикальной группе.
2. Для элементов главной группы проверяем число электронов на внешнем уровне: оно одинаково.
3. Объясняем сходство: внешние электроны участвуют в образовании связей, поэтому атомы часто взаимодействуют похожим образом.
4. Учитываем различие: у расположенного ниже элемента больше занятых слоёв, поэтому его свойства не обязаны полностью совпадать со свойствами верхнего.

Ответ: элементы одной группы часто имеют сходные химические свойства благодаря похожему внешнему уровню, но свойства закономерно меняются при движении сверху вниз. Чтобы объяснить положение элемента, сопоставьте его номер группы с внешними электронами, а номер периода — с числом слоёв. Затем используйте эти данные для сравнения атомов.

Типичные ошибки

Порядковый номер иногда принимают за число нейтронов, потому что оба числа относятся к частицам атома. На самом деле номер показывает число протонов, а число нейтронов зависит от изотопа: у атомов одного элемента оно может различаться. Проверка: если в задаче нет сведений об изотопе или массовом числе, число нейтронов по одному номеру определить нельзя. Для нейтрального атома номер также равен числу электронов, но это не меняет число нейтронов.

Номер периода путают с числом электронов, поскольку оба понятия относятся к электронной оболочке. Однако период указывает число занятых слоёв, а общее число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру. Проверьте себя: у элемента третьего периода три занятых слоя, но электронов может быть больше трёх. Не смешивайте число слоёв с числом частиц на них.

Номер группы иногда считают числом всех электронов атома. Ошибка возникает из-за того, что таблица связывает группу с электронным строением, но речь идёт о внешнем уровне элементов главных групп, а не обо всей оболочке. Для проверки сравните порядковый номер и число электронов в нейтральном атоме с номером группы: обычно это разные числа. Уточняйте, к каким элементам применяете правило о внешних электронах.

Неверно думать, что свойства элементов меняются только постепенно и никогда не повторяются. При увеличении заряда ядра изменения действительно происходят последовательно, но строение внешнего уровня и свойства закономерно повторяются с началом новых периодов. Такую ошибку помогает заметить сравнение элементов в разных периодах: сходное положение в группе связано с повторением особенностей внешнего уровня. Поэтому в названии закона и системы важна периодичность.

Связь с другими темами

Для работы с периодической системой нужно знать состав атома, заряд ядра и понятие электронного слоя. Без этого трудно понять, почему порядковый номер связан с протонами, а номер периода — с занятыми уровнями. Позже эти знания понадобятся при объяснении химической связи и валентности — способности атомов образовывать определённое число связей. Они также помогают разбираться в свойствах простых веществ и соединений, которые зависят от строения атомов.

Что запомнить

• Порядковый номер элемента равен заряду ядра и числу протонов.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Номер периода связан с числом занятых электронных слоёв.
• Элементы одной группы имеют сходное строение внешнего электронного уровня.
• Свойства элементов и их соединений изменяются закономерно и периодически.
• Положение элемента в таблице помогает предсказывать свойства его атома и соединений.