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

Определения и обозначения

Порядковый номер элемента — число протонов в ядре атома; у нейтрального атома он равен также числу электронов. Его обозначают Z, и по нему можно начать составление электронной характеристики: станет известно, сколько электронов распределять по уровням. Для иона это равенство с числом электронов не действует.

Период — горизонтальный ряд элементов в таблице; его номер показывает число электронных слоёв, или энергетических уровней, в атоме. Например, у элемента третьего периода электроны занимают три уровня. Это помогает проверить, верно ли составлено распределение электронов.

Группа — вертикальный столбец элементов. Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне. Внешним называют самый удалённый от ядра занятый уровень; его строение помогает объяснить, почему элементы одной группы часто обладают сходными химическими свойствами.

Электронная конфигурация — распределение электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. На школьном начальном этапе часто записывают, сколько электронов находится на каждом уровне, например 2, 8, 1. Такая запись связывает число электронов, найденное по порядковому номеру, с периодом и группой элемента.

Как это устроено

Положение элемента задаётся порядковым номером, периодом и группой. Эти сведения связаны не случайно: таблица упорядочивает элементы по заряду ядра, а периодическое расположение отражает повторение особенностей электронного строения. Поэтому место элемента помогает перейти от записи в таблице к характеристике атома и его свойств.

Порядковый номер показывает заряд ядра, потому что заряд создают положительно заряженные протоны, число которых у каждого элемента определённое. В нейтральном атоме положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов, поэтому число электронов совпадает с числом протонов. Зная Z, можно определить общее количество электронов, которое предстоит распределить по энергетическим уровням.

Число занятых уровней связано с номером периода: при переходе от одного периода к следующему в строении атомов появляется новый энергетический уровень. Поэтому элементы одного периода имеют одинаковое число занятых уровней, хотя число электронов на внешнем уровне по ходу периода меняется. Изменение внешнего слоя приводит к закономерному изменению свойств элементов в ряду.

У элементов главных подгрупп число электронов внешнего уровня связано с номером группы. Именно внешний слой чаще всего участвует во взаимодействии атома с другими атомами, поэтому его сходное строение у элементов одной группы приводит к сходству химических свойств. Это сходство не означает, что свойства полностью одинаковы: они могут закономерно меняться сверху вниз по группе.

Когда известны строение атома и положение элемента, можно оценить, относится ли его простое вещество к металлам или неметаллам, и предсказать характер некоторых соединений. Для составления формул используют типичные валентности и степени окисления элемента, а не только номер группы. Так находят, например, формулу высшего оксида и соответствующего гидроксида, а для неметалла — водородного соединения.

Характеристика элемента по положению в Периодической системе

Таблица ниже — план характеристики, а не готовая характеристика одного элемента. Заполняйте строки по порядку: сначала определите сведения из клетки элемента, затем установите электронное строение, и только после этого переходите к простому веществу и соединениям. Для формул проверяйте валентности или степени окисления, чтобы индексы показывали правильное соотношение атомов.

Разбор задач

Натрий по положению в таблице

Условие. Охарактеризуйте натрий: укажите порядковый номер, заряд ядра, число электронов, период, группу и распределение электронов по уровням. Сначала найдём элемент в таблице, а затем проверим, согласуются ли сведения о его атоме с номером периода и главной подгруппы.

1. В клетке натрия указаны знак Na и порядковый номер 11. Значит, заряд ядра равен +11, а в нейтральном атоме находится 11 электронов.
2. Натрий стоит в третьем периоде и первой группе главной подгруппы. Следовательно, его атом имеет три занятых уровня, а на внешнем уровне — один электрон.
3. Распределяем 11 электронов по уровням: на первом размещаются 2, на втором — 8, остаётся 1 электрон для третьего уровня. Получаем запись 2, 8, 1; сумма 2 + 8 + 1 = 11 подтверждает, что учтены все электроны.

Ответ. Na, Z = 11, заряд ядра +11, в нейтральном атоме 11 электронов; третий период, первая группа главной подгруппы. Распределение по уровням — 2, 8, 1. Номер периода совпал с числом уровней, а номер главной группы — с числом электронов на внешнем уровне.

Атом серы

Условие. Определите число протонов и электронов атома серы, число уровней и внешних электронов, запишите распределение по уровням. Порядковый номер даст число протонов, а для нейтрального атома по нему же найдём число электронов; период и главная подгруппа помогут проверить результат.

1. У серы Z = 16, поэтому в ядре 16 протонов, а у нейтрального атома — 16 электронов.
2. Сера находится в третьем периоде и шестой группе главной подгруппы. Значит, заняты три уровня, а на внешнем уровне расположено шесть электронов.
3. Распределяем электроны: 2 на первом уровне и 8 на втором; после этого остаётся 6 электронов для третьего. Получается 2, 8, 6, а сумма равна 16.

Ответ. У атома серы 16 протонов и 16 электронов; заняты три уровня, на внешнем уровне шесть электронов. Распределение — 2, 8, 6. Оно соответствует третьему периоду и шестой группе главной подгруппы.

Соединения фосфора

Условие. Определите, металл или неметалл фосфор, и составьте формулы его высшего оксида и водородного соединения. Рассуждаем от положения элемента к типу простого вещества, а затем используем типичные для неметалла формулы соединений; запись оксида в школьных задачах обычно приводят как P₂O₅.

1. Фосфор расположен в правой части таблицы среди неметаллов, поэтому его простое вещество относят к неметаллам.
2. Для высшего оксида учитываем, что кислород обычно проявляет степень окисления −2, а фосфор в высшем оксиде — +5. Наименьшее соотношение, при котором суммарный заряд равен нулю, — два атома фосфора и пять атомов кислорода: P₂O₅.
3. В водородном соединении фосфора три атома водорода соединены с одним атомом фосфора. Формула такого соединения — PH₃.

Ответ. Фосфор — неметалл; формулы его высшего оксида и водородного соединения — P₂O₅ и PH₃. При составлении оксида нужно было уравнять суммарные степени окисления, а формулу водородного соединения определить по характерному составу.

Типичные ошибки

Путают номер периода с числом электронов на внешнем уровне. Это происходит из-за того, что обе величины связаны со строением атома, но отвечают на разные вопросы. Номер периода показывает число занятых уровней, а число внешних электронов для главной подгруппы связывают с номером группы. Проверьте себя: у натрия третий период и три уровня, но на внешнем уровне только один электрон.

Принимают номер группы за общее число электронов атома. Так можно ошибиться, если забыть, что номер группы связан с внешними электронами только у элементов главных подгрупп. Число всех электронов нейтрального атома определяют по порядковому номеру. Для проверки сложите электроны на всех уровнях: сумма должна совпасть с Z.

Считают, что число электронов всегда равно порядковому номеру. Это верно для нейтрального атома, но не для иона, который потерял или присоединил электроны. Ошибку допускают, когда не учитывают заряд частицы. Проверьте, указан ли в задаче ион: у положительного иона электронов меньше, у отрицательного — больше, чем протонов.

Переносят номер группы прямо в индекс формулы. Номер группы помогает рассуждать о внешнем слое, но сам по себе не задаёт индексы любых соединений. Перед записью формулы установите валентности или степени окисления элементов и подберите соотношение атомов. Затем проверьте, что суммарный заряд формульной единицы равен нулю, если соединение нейтральное.

Связь с другими темами

Чтобы пользоваться Периодической системой, нужно знать, из чего состоит атом, что такое заряд ядра, электрон и энергетический уровень. Также пригодятся правила распределения электронов по уровням: без них нельзя проверить электронную характеристику элемента. Эти знания соединяют таблицу с моделью строения атома.

Характеристика по таблице становится основой для изучения периодического изменения свойств, химической связи и валентности. Она помогает предсказывать, как элементы образуют соединения, и составлять их формулы. Поэтому умение читать положение элемента пригодится при разборе оксидов, гидроксидов и водородных соединений.

Что запомнить

• Порядковый номер равен заряду ядра.
• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру.
• Номер периода показывает число электронных уровней.
• Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне.
• Элементы одной группы главной подгруппы имеют сходное строение внешнего электронного слоя и сходные свойства.
• Положение элемента помогает предсказывать свойства его простого вещества и характерные соединения.