§ 3. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Определения и обозначения

Периодический закон — это закон, согласно которому свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически зависят от зарядов атомных ядер. Иными словами, по мере увеличения заряда ядра изменения свойств происходят не случайно, а закономерно повторяются. Закон помогает увидеть связь между строением атомов и химическим поведением элементов. Он также позволяет предсказывать свойства веществ, даже если их ещё не изучали подробно.

Периодическая система химических элементов — это таблица, которая отображает периодический закон и упорядочивает элементы по возрастанию заряда ядра. Положение элемента в ней связано со строением его атома, поэтому таблица — не просто список названий и символов. По ней можно сравнить элементы и сделать выводы о свойствах их соединений. Для этого важно учитывать и горизонтальный ряд, и вертикальный столбец.

Период — горизонтальный ряд элементов, атомы которых имеют одинаковое число электронных слоёв. Электронный слой — область вокруг ядра, в которой находятся электроны с определённой энергией. Поэтому номер периода помогает определить, сколько таких слоёв занято в атоме. Это нужно, чтобы связать место элемента в таблице со строением его электронной оболочки.

Группа — вертикальный столбец элементов со сходным строением внешнего электронного слоя и близкими химическими свойствами. Внешним называют самый удалённый от ядра занятый слой; его электроны особенно важны при образовании химических связей. Сходство внешнего строения объясняет, почему элементы группы часто взаимодействуют с другими веществами похожим образом. При этом свойства не обязательно совпадают полностью и могут закономерно изменяться сверху вниз.

Как это устроено

Заряд ядра увеличивается на единицу при переходе к следующему элементу, и в нейтральном атоме на один возрастает число электронов. Электроны занимают энергетические уровни по определённым правилам, поэтому меняется не только их общее количество, но и распределение по слоям. От распределения электронов зависит, насколько легко атом отдаёт, принимает или обобществляет электроны при образовании связей. Поэтому химические свойства меняются вслед за строением атома.

Свойства элементов повторяются периодически не потому, что через равные промежутки повторяется масса атомов. Важнее то, как устроена электронная оболочка, особенно её внешний слой: именно внешние электроны участвуют во взаимодействии атомов. По мере заполнения оболочек строение внешнего слоя со временем приобретает сходные особенности у следующих элементов. Поэтому возникают похожие химические свойства, хотя сами атомы и их массы различны.

В таблице периоды идут горизонтально, а группы — вертикально. Порядковый номер элемента указывает на заряд его ядра: например, у атома с номером 16 в ядре 16 протонов; в нейтральном атоме у него также 16 электронов. Номер помогает однозначно найти элемент и установить его место в системе. Сопоставив его с периодом и группой, можно перейти от положения в таблице к устройству атома.

Периоды бывают малыми и большими: малые периоды содержат один ряд, а большие включают два ряда. Группы в традиционном школьном обозначении делятся на главные и побочные подгруппы; элементы главных подгрупп расположены в крайних частях таблицы, а побочных — в её центральной части. У элементов одного периода одинаково число занятых электронных слоёв, а при движении по периоду слева направо постепенно заполняется внешний слой. Для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем слое обычно связано с номером группы, но переносить это правило на побочные подгруппы без оговорок нельзя.

В периоде слева направо заряд ядра растёт, и атомы обычно сильнее притягивают электроны. Поэтому отдавать электроны им становится труднее: металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются. Меняется и характер соединений: оксиды и гидроксиды в целом переходят от основных к амфотерным, а затем к кислотным. Это общая закономерность, и конкретные свойства вещества зависят от элемента и состава соединения.

Строение Периодической системы и сведения о положении элементов

Сначала найдите клетку элемента и его порядковый номер, затем определите период и группу. Номер периода помогает установить число электронных слоёв, а группа — оценить сходство внешнего строения с другими элементами столбца. Если рассматриваете число внешних электронов, обязательно учитывайте, главная это подгруппа или побочная.

Разбор задач

Задача 1. Определите заряд ядра атома и число электронных слоёв атома серы, если известны её порядковый номер и положение в таблице. Здесь нужно использовать два разных сведения: номер элемента связан с зарядом ядра, а период — со слоями. Сера имеет порядковый номер 16 и находится в третьем периоде. Решение:

1. Порядковый номер серы равен 16, значит, в её ядре 16 протонов и заряд ядра составляет +16 элементарных зарядов.
2. Сера находится в третьем периоде, поэтому её атом имеет три занятых электронных слоя.

Ответ: заряд ядра серы +16, электронных слоёв — три. Число 16 относится к заряду ядра, а не к числу слоёв: это разные характеристики атома. Такое разделение помогает не смешивать номер элемента с номером периода.

Задача 2. Сравните металлические свойства натрия и магния, расположенных в одном периоде, и объясните различие по их положению в системе. Оба элемента находятся во втором периоде, но натрий расположен левее магния. Значит, при переходе от натрия к магнию заряд ядра возрастает, а атом сильнее притягивает электроны. Решение:

1. Натрий стоит левее магния в одном периоде, следовательно, сравниваем элементы при движении слева направо.
2. В этом направлении металлические свойства обычно ослабевают, потому что атомам становится труднее отдавать электроны.
3. Следовательно, натрий проявляет более выраженные металлические свойства, чем магний.

Ответ: натрий более активный металл в этом сравнении; металлические свойства магния слабее. Вывод основан на общей закономерности периода, а не на том, что металлы просто расположены рядом. Рост заряда ядра объясняет направление изменения свойств.

Задача 3. Неизвестный элемент находится в третьем периоде и главной подгруппе VII группы. Определите число электронных слоёв и внешних электронов, а также охарактеризуйте его свойства и свойства высшего оксида. Положение указывает на хлор: в школьной системе главных и побочных подгрупп это элемент VIIА группы. Решение:

1. Третий период означает, что у атома три занятых электронных слоя.
2. Для элемента главной подгруппы VII группы характерны семь электронов на внешнем слое.
3. Это неметалл; его высший оксид имеет формулу Cl₂O₇ и проявляет кислотный характер.

Ответ: речь идёт о хлоре: у его атома три электронных слоя и семь внешних электронов, а высший оксид Cl₂O₇ — кислотный. Здесь использованы одновременно период и главная подгруппа. Вывод о свойствах оксида согласуется с усилением неметаллических свойств при движении к правой части периода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что элементы расположены в современной системе по возрастанию относительной атомной массы. Такое представление возникает потому, что масса часто увеличивается вместе с номером, но именно заряд ядра задаёт основной порядок. Проверка простая: найдите порядковый номер элемента и вспомните, что он равен числу протонов. Масса атома не заменяет этот критерий.

Не путайте номер периода с числом внешних электронов: номер периода связан с числом занятых электронных слоёв. Ошибку провоцирует то, что и период, и группа записаны числами в таблице. Чтобы проверить себя, задайте два отдельных вопроса: «Сколько слоёв?» — смотрите на период; «Сколько внешних электронов?» — учитывайте строение атома и тип подгруппы.

Неверно считать, что номер группы всегда непосредственно равен числу электронов на внешнем уровне. Это правило удобно для элементов главных подгрупп, но не подходит без оговорок для побочных элементов. Убедитесь, к какой подгруппе относится элемент, а затем применяйте подходящее правило. Если строение атома уже известно, проверьте число электронов на внешнем слое по нему.

Периодический закон — не простое повторение свойств через одинаковое число элементов. Такое описание упускает причину закономерности: меняется заряд ядра и вслед за ним строение электронной оболочки, в том числе внешнего слоя. Чтобы проверить объяснение, свяжите положение элемента в системе с его атомом и электронным строением. Если названа только последовательность элементов, причина периодичности ещё не раскрыта.

Связь с другими темами

Для работы с Периодической системой нужны знания о строении атома: заряде ядра, порядковом номере, электронных слоях и распределении электронов. Эти сведения позволяют перейти от клетки таблицы к объяснению свойств элемента. Периодический закон, в свою очередь, помогает разбираться в химической связи и свойствах элементов и их соединений. Он также служит основой для предсказания свойств веществ, которые ещё не изучались подробно.

Что запомнить

• Элементы в современной Периодической системе расположены по возрастанию заряда ядра.
• Периодический закон связывает свойства элементов и их соединений с зарядом атомного ядра.
• Номер периода указывает на число электронных слоёв атома.
• Элементы одной группы имеют сходное строение внешних электронных слоёв и близкие химические свойства.
• В периоде слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются.
• Периодичность свойств объясняется периодическим изменением строения электронных оболочек атомов.