§ 1. Характеристика химического элемента на основании его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева

Определения и обозначения

Атомный номер — заряд ядра атома, выраженный числом положительных элементарных зарядов. Он равен числу протонов, а в нейтральном атоме — ещё и числу электронов. Поэтому по номеру элемента можно начать составлять его электронную формулу и понять, сколько электронов распределять по уровням.

Период — горизонтальный ряд элементов в Периодической системе. Номер периода указывает число энергетических уровней, занятых электронами в атоме. Это помогает проверить распределение электронов: если элемент стоит в третьем периоде, в его атоме заняты три уровня.

Группа — вертикальный столбец элементов. У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне. Поэтому группа помогает описать внешнее строение атома, но эту подсказку нельзя автоматически переносить на все элементы побочных подгрупп.

Электронная формула — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Она показывает, сколько электронов находится на каждом уровне, а при более подробной записи — на каждом подуровне. По ней проверяют соответствие атомного номера, периода и числа внешних электронов.

Как это устроено

Атомный номер задаёт заряд ядра: например, номер 12 означает, что в ядре 12 протонов. Нейтральный атом не имеет общего заряда, поэтому положительный заряд протонов уравновешен таким же числом электронов. Получив число электронов, распределяют их по уровням и подуровням в установленном порядке заполнения, а сумма электронов в записи должна совпасть с атомным номером.

Номер периода соответствует числу занятых уровней, потому что элементы одного горизонтального ряда имеют одинаковое число таких уровней. При движении по периоду добавляемые электроны заполняют уровень, который для этого периода является внешним. Поэтому электронная формула служит проверкой: наибольший номер занятого уровня должен совпадать с номером периода.

Чтобы определить группу и подгруппу, сначала находят элемент в таблице и читают его координаты. Для главных подгрупп число электронов внешнего уровня связано с номером группы: это отражает сходство строения внешних оболочек и свойств элементов столбца. У побочных подгрупп могут участвовать в свойствах также электроны предвнешнего уровня, поэтому простое равенство номера группы и числа внешних электронов для них не работает.

Строение внешнего уровня влияет на то, как атом взаимодействует с другими атомами. Элементы в левой и центральной частях таблицы обычно относятся к металлам, а многие элементы правой части — к неметаллам; положение даёт ориентир, но не заменяет проверку конкретного элемента. Число электронов, которые атом может отдавать, принимать или обобществлять, связано с характерными степенями окисления — условными зарядами атомов в соединениях.

По группе и подгруппе можно предположить высшую степень окисления и состав оксидов, но формулу всегда сверяют с конкретным элементом. Для многих элементов главных подгрупп высшая степень окисления связана с номером группы; у неметаллов высшему оксиду часто соответствует кислота, а у металлов — основный оксид и гидроксид. Формулу летучего водородного соединения также выводят с учётом подгруппы и характерной валентности, поэтому одного номера группы недостаточно.

Что можно узнать о химическом элементе по его положению в Периодической системе

Пользуйтесь таблицей как последовательностью вопросов: сначала найдите атомный номер и координаты элемента, затем проверьте его электронное строение. После этого можно предполагать свойства и формулы соединений. Для побочных подгрупп и элементов с несколькими степенями окисления сверяйте предположение с конкретным элементом.

Разбор задач

Задача 1. Элемент имеет атомный номер 12. Определите число протонов и электронов в нейтральном атоме и запишите распределение электронов по энергетическим уровням. Сначала используем номер как характеристику ядра, а затем распределяем найденное число электронов. Запись проверим сложением электронов на всех уровнях.

1. Атомный номер 12 означает, что в ядре 12 протонов.
2. Атом нейтрален, значит, в нём также 12 электронов.
3. На первый уровень помещаются 2 электрона, на второй — 8; остаются 2 электрона для третьего уровня. Распределение: 2, 8, 2.

Ответ: 12 протонов, 12 электронов; распределение по уровням — 2, 8, 2. Сумма 2 + 8 + 2 равна атомному номеру, поэтому распределение согласуется с зарядом ядра.

Задача 2. Охарактеризуйте положение серы в Периодической системе: укажите период, группу и подгруппу, число внешних электронов и принадлежность к металлам или неметаллам. Сначала находим серу в таблице, затем сверяем координаты с электронной формулой. Такое сопоставление не позволяет перепутать число уровней с числом электронов на внешнем уровне.

1. Сера имеет атомный номер 16 и расположена в третьем периоде, главной подгруппе VI группы.
2. Её распределение по уровням — 2, 8, 6, поэтому внешний уровень содержит 6 электронов, а занятых уровней три.
3. Сера находится в правой части таблицы и относится к неметаллам.

Ответ: сера — элемент третьего периода, главной подгруппы VI группы; у неё 6 внешних электронов, она неметалл. Номер периода совпал с числом занятых уровней, а номер главной группы — с числом внешних электронов.

Задача 3. Элемент находится в третьем периоде, главной подгруппе VII группы. Определите элемент, составьте формулы его высшего оксида и летучего водородного соединения. Сначала по периоду и группе находим элемент, а затем используем характерные для него степени окисления. Формулы не следует выводить только из римской цифры группы: нужно учесть, что речь идёт о главной подгруппе неметалла.

1. В третьем периоде главной подгруппы VII группы находится хлор.
2. Для высшего оксида хлора используют степень окисления +7, а кислорода −2. Наименьшее общее число зарядов — 14, поэтому формула оксида Cl₂O₇.
3. Для летучего водородного соединения хлора записывают HCl: водород имеет степень окисления +1, хлор — −1.

Ответ: это хлор; формулы высшего оксида и летучего водородного соединения — Cl₂O₇ и HCl. Проверка зарядов в оксиде даёт 2 · (+7) + 7 · (−2) = 0, то есть соединение нейтрально.

Типичные ошибки

Путают номер периода с числом электронов на внешнем уровне. Это происходит потому, что обе характеристики связаны с расположением элемента в таблице, но период показывает число занятых уровней. Проверьте себя по электронной формуле: число уровней равно номеру самого внешнего занятого уровня, а электроны на нём нужно посчитать отдельно.

Считают, что номер группы всегда равен числу внешних электронов. Такое правило удобно запоминать для главных подгрупп, поэтому его ошибочно распространяют на всю таблицу. Сначала установите, главная перед вами подгруппа или побочная, а затем проверьте число электронов по строению атома.

Принимают номер группы за число энергетических уровней. Вероятно, так происходит из-за того, что обе координаты указывают на положение элемента, однако уровни определяет именно период. Для проверки найдите горизонтальный ряд элемента и сравните его номер с числом уровней в электронной формуле.

Составляют формулы оксидов и водородных соединений только по номеру группы, не учитывая подгруппу и возможные степени окисления. Одна и та же группа не означает, что для любого элемента подходит единственная формула. Перед записью определите тип элемента и соединения, выберите характерную степень окисления и проверьте, что суммарный заряд формулы равен нулю.

Связь с другими темами

Для характеристики элемента нужны знания о строении атома, заряде ядра, электронейтральности и распределении электронов по энергетическим уровням. Если вы умеете определять число электронов и составлять их распределение, будет проще проверить выводы о периоде и внешнем уровне. Эти знания помогают связать место элемента в таблице с его строением.

Понимание устройства Периодической системы пригодится при изучении химической связи, степеней окисления и свойств соединений элементов. Предположения о внешних электронах помогают объяснять, как атомы образуют соединения, а степени окисления — составлять и проверять формулы. Поэтому характеристика по таблице становится основой для дальнейшего изучения химии.

Что запомнить

• Атомный номер равен числу протонов в ядре, а в нейтральном атоме — ещё и числу электронов.
• Номер периода указывает число занятых энергетических уровней.
• У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне.
• Положение элемента помогает предсказать его металлические или неметаллические свойства.
• По положению элемента можно предположить характерные степени окисления и формулы важнейших соединений.
• При характеристике элемента нужно учитывать не только номер группы, но и подгруппу.