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

Определения и обозначения

Группа — вертикальный столбец периодической системы. В группе элементы расположены один под другим; их свойства во многом сходны, поэтому сравнение внутри столбца помогает заметить общие закономерности. Группы нумеруются, и номер позволяет ориентироваться в таблице и предполагать особенности элементов.

Главная подгруппа — часть группы, в которую входят элементы малых и больших периодов. У элементов главной подгруппы число электронов на внешнем уровне обычно связано с номером группы. Это помогает судить о том, как атом будет взаимодействовать с другими атомами и какие соединения может образовать.

Побочная подгруппа — часть группы, состоящая из элементов больших периодов. Такие элементы располагаются в центральной части таблицы и отличаются от элементов главной подгруппы строением электронных оболочек: у них заполняются не только внешние уровни. Поэтому простую связь между номером группы и числом внешних электронов к ним применять нельзя.

Номер группы — обозначение вертикального столбца, в котором находится элемент. Для элементов главных подгрупп он обычно показывает число электронов на внешнем уровне; это правило особенно полезно при изучении строения атомов и прогнозировании соединений. Однако номер группы не заменяет проверку подгруппы и возможных исключений.

Как это устроено

Чтобы найти группу элемента, сначала отыщите его клетку и проследите вверх или вниз по вертикали: клетки одного столбца относятся к одной группе. Номер периода находят иначе — по горизонтальному ряду, в котором стоит элемент. Эти номера отвечают на разные вопросы: группа помогает сравнить элементы по свойствам, а период показывает положение элемента в ряду таблицы.

Сходство элементов одной группы связано со строением их атомов. В химических реакциях особенно важны электроны внешнего уровня: именно они участвуют в образовании связей и определяют, как атом взаимодействует с другими атомами. У элементов главной подгруппы одной группы число таких электронов обычно одинаково, поэтому часто повторяются характерные свойства и типы соединений.

Внутри группы различают главную и побочную подгруппы. Главная подгруппа объединяет элементы малых и больших периодов, а побочная — только элементы больших периодов, расположенные в центральной части таблицы. Чтобы определить подгруппу, проверьте не только номер группы, но и положение элемента: крайние столбцы и центральный блок относятся к разным частям системы. Такое различие важно, потому что строение электронных оболочек у этих элементов устроено неодинаково.

У элементов главных подгрупп номер группы обычно совпадает с числом электронов на внешнем уровне. Например, сера находится в VI группе главной подгруппы, значит, на её внешнем уровне шесть электронов. Это правило нельзя без проверки переносить на все элементы: у гелия два внешних электрона, хотя он помещён в VIII группу, а у элементов побочных подгрупп устройство внешнего уровня сложнее.

Номер группы помогает предсказывать типичные формулы соединений элементов главных подгрупп. Для элементов VI группы высший оксид имеет общую формулу ЭО₃, а водородное соединение — H₂Э; буква Э обозначает любой элемент подходящей группы. Так, для серы получаются SO₃ и H₂S. Перед применением правила проверьте подгруппу и известные свойства элемента: формулы главных подгрупп нельзя автоматически переносить на все элементы группы.

Главные и побочные подгруппы периодической системы

Сначала найдите элемент в таблице и определите, находится ли он в крайней или центральной части. Затем проверьте, в каких периодах расположены элементы соответствующей подгруппы. Сравнивая связь номера группы со строением атома, всегда учитывайте, главная это подгруппа или побочная.

Разбор задач

Задача 1. Определите группу и подгруппу натрия по его положению в периодической системе. Важно не спутать номер его строки с номером столбца: это разные характеристики элемента. Натрий находится в начале таблицы, поэтому при поиске следует смотреть на вертикальное положение его клетки.

1. Найдём клетку натрия Na в периодической системе.
2. Проследим вверх по её столбцу и прочитаем номер: натрий стоит в I группе.
3. Проверим положение: натрий — элемент крайней части таблицы, относящийся к главной подгруппе.

Ответ: натрий находится в I группе, главной подгруппе.

Задача 2. Укажите число электронов на внешнем уровне атома серы и объясните, как это следует из положения элемента. В данном случае нужно сначала установить подгруппу, иначе правило о номере группы может быть применено неверно. Сера относится к элементам главной подгруппы, поэтому связь номера группы с внешними электронами подходит.

1. Находим серу S в периодической системе: она стоит в VI группе.
2. Определяем подгруппу: сера находится в главной подгруппе.
3. Для главной подгруппы используем правило: номер группы обычно равен числу электронов внешнего уровня.

Ответ: у атома серы шесть электронов на внешнем уровне.

Задача 3. Составьте формулы высшего оксида и водородного соединения элемента главной подгруппы VI группы, если известно, что он образует соединение с водородом состава H₂Э. Нужно применить типичные формулы главной подгруппы и сверить результат с условием. Формула H₂Э согласуется с характерным водородным соединением элементов VI группы.

1. Записываем общую формулу высшего оксида для элемента главной подгруппы VI группы: ЭО₃.
2. Используем данное в условии водородное соединение H₂Э; оно соответствует типичной формуле для этой группы.
3. Проверяем, что обе формулы относятся к одному и тому же элементу Э и не противоречат условию.

Ответ: высший оксид — ЭО₃, водородное соединение — H₂Э.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что номер группы всегда равен числу электронов на внешнем уровне. Так думают, потому что для элементов главных подгрупп это правило часто работает. Проверяйте подгруппу и учитывайте исключения, например гелий: у него два внешних электрона, но он находится в VIII группе.

Ошибка — путать группу и период. Причина обычно в том, что оба понятия обозначены номерами и встречаются рядом при описании элемента. Проверьте направление: группу читают по вертикали, период — по горизонтали; клетка элемента должна находиться и в конкретном столбце, и в конкретной строке.

Ошибка — считать главную и побочную подгруппы одинаковыми по составу. Такое впечатление возникает из-за общего номера группы, хотя элементы относятся к разным частям таблицы и периодам. Уточняйте положение элемента: главная подгруппа включает малые и большие периоды, побочная — только большие.

Ошибка — переносить формулы соединений главной подгруппы на все элементы группы. Похожие номера создают ложное ощущение, что правила одинаковы, но строение атомов побочных элементов сложнее. Перед составлением формулы проверьте подгруппу и не выводите её только из номера группы.

Связь с другими темами

Для работы с группами нужно уметь находить элемент в таблице и различать горизонтальные периоды и вертикальные группы. Эта тема связана со строением электронных оболочек: положение элемента помогает понять распределение электронов и объяснить свойства. Позднее эти знания пригодятся при сравнении элементов и изучении химических связей. Они также помогают предсказывать формулы соединений, если учитывать подгруппу и область применимости правила.

Что запомнить

• Группы — вертикальные столбцы периодической системы.
• Элементы одной группы имеют сходные химические свойства.
• Группа может включать главную и побочную подгруппы.
• Элементы главных подгрупп находятся в малых и больших периодах.
• Элементы побочных подгрупп находятся в больших периодах.
• Для элементов главных подгрупп номер группы обычно связан с числом электронов на внешнем уровне.
• По группе можно предсказывать типичные формулы соединений элементов главных подгрупп.