§ 36. Периодическая система Д. И. Менделеева и строение атома

Определения и обозначения

Заряд ядра атома — положительный заряд ядра, равный числу протонов; в нейтральном атоме он равен числу электронов по величине. Протоны находятся в ядре, а электроны — в электронной оболочке. Это понятие помогает сопоставить состав ядра с атомным номером и понять, почему атом в целом может быть нейтральным.

Порядковый номер элемента — номер элемента в периодической системе; он равен заряду ядра и числу протонов в атоме. Для нейтрального атома он также равен числу электронов. По нему можно определить важные частицы атома, но нельзя узнать число нейтронов без дополнительных данных об изотопе.

Период — горизонтальный ряд элементов; атомы элементов одного периода имеют одинаковое число занятых электронных слоёв. Электронный слой — область оболочки атома с электронами, расположенная на определённом энергетическом уровне. Номер периода нужен, чтобы установить, сколько таких слоёв занято в атоме элемента.

Группа — вертикальный столбец элементов; у элементов главной подгруппы одинаковое число электронов на внешнем электронном слое. Внешний слой — наиболее удалённый от ядра занятый слой, электроны которого особенно важны для химических свойств. Поэтому номер группы главной подгруппы позволяет сравнивать строение внешних слоёв и свойства элементов.

Как это устроено

Порядковый номер связан с зарядом ядра потому, что он задаёт число протонов в нём. Каждый протон несёт заряд +1, поэтому ядро из Z протонов имеет заряд +Z. В нейтральном атоме отрицательные заряды электронов уравновешивают положительный заряд ядра, значит, электронов тоже Z. Если атом превратился в ион, число электронов уже может отличаться от порядкового номера, но число протонов и заряд ядра не меняются.

Число занятых слоёв определяет период, потому что элементы располагают так, чтобы строение атомов отражалось в строках таблицы. У атомов одного периода одинаково число занятых электронных слоёв, хотя число электронов на них может различаться. Например, у натрия и хлора третьего периода заняты три слоя. Значит, чтобы узнать номер периода по строению атома, достаточно найти самый внешний слой, на котором есть электроны.

У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое. Внешние электроны участвуют в образовании химических связей и определяют, как атом взаимодействует с другими атомами. Если у элементов одинаково устроен внешний слой, они часто сходно вступают в реакции и образуют похожие соединения. Поэтому их объединяют в одну главную подгруппу; это правило не следует без оговорок переносить на все элементы таблицы.

При движении слева направо по периоду порядковый номер увеличивается на единицу, а заряд ядра возрастает на единицу. У нейтральных атомов при этом тоже добавляется по одному электрону, и электроны постепенно заполняют внешний слой. Поскольку одновременно меняются заряд ядра и электронное строение, свойства элементов изменяются не случайно, а закономерно. По мере заполнения внешнего слоя сходные особенности строения и свойств повторяются в следующих периодах — это и выражает периодичность.

Периодическая система показывает, как расположение элементов связано с устройством их атомов: номер элемента сообщает заряд ядра, период — число занятых слоёв, а главная подгруппа — число внешних электронов. Эти сведения позволяют восстановить часть строения атома, даже не видя его электронной схемы. По внешнему слою можно ожидать, как элемент будет вести себя в реакциях, а затем проверять предположение по его свойствам. Поэтому таблица служит не только перечнем элементов, но и удобным способом делать обоснованные прогнозы.

Связь положения элемента в периодической системе со строением атома

Пользуйся таблицей, начиная с порядкового номера: он помогает найти число протонов, а для нейтрального атома — и электронов. Затем по периоду определи число занятых слоёв, а для главной подгруппы — число электронов на внешнем слое. Если выводы противоречат друг другу, проверь, не перепутаны ли номер периода и номер группы.

Разбор задач

Задача 1. Определите число протонов и электронов в нейтральном атоме натрия, если его порядковый номер равен 11. Сначала выясним, что сообщает порядковый номер: он равен числу протонов в ядре. Затем учтём нейтральность атома: число отрицательно заряженных электронов должно уравновешивать число положительных протонов. Поэтому оба количества равны 11. Ответ: 11 протонов и 11 электронов.

1. Порядковый номер натрия Z = 11.
2. Число протонов равно Z, то есть 11.
3. Атом нейтрален, поэтому число электронов тоже равно 11.

Задача 2. Определите число электронных слоёв атома магния и число электронов на внешнем слое по его положению в периодической системе. Магний находится в третьем периоде и главной подгруппе II группы. Номер периода показывает число занятых слоёв, а номер главной подгруппы — число внешних электронов. Значит, у атома магния три занятых слоя и два электрона на внешнем слое. Ответ: 3 слоя и 2 внешних электрона.

1. Находим период магния: третий, значит, заняты три слоя.
2. Устанавливаем, что магний — элемент главной подгруппы II группы.
3. Делаем вывод: на внешнем слое находятся два электрона.

Задача 3. Элемент находится в третьем периоде и главной подгруппе VII группы. Определите заряд ядра, число электронов в нейтральном атоме и строение внешнего слоя. В третьем периоде семь элементов главных подгрупп заполняют внешний слой, поэтому искомый элемент — хлор, расположенный в конце этого периода. Его порядковый номер равен 17; значит, ядро имеет заряд +17, а нейтральный атом содержит 17 электронов. На внешнем, третьем, слое у хлора семь электронов: 3s² 3p⁵. Ответ: заряд ядра +17, 17 электронов, внешний слой 3s² 3p⁵.

1. По положению в третьем периоде и главной подгруппе VII группы определяем элемент: хлор.
2. По таблице находим его порядковый номер: Z = 17, следовательно, заряд ядра +17.
3. Для нейтрального атома число электронов равно 17; седьмая главная подгруппа означает семь электронов на внешнем слое.

Типичные ошибки

Путать порядковый номер с числом нейтронов — ошибка: номер показывает число протонов, а в нейтральном атоме также число электронов. Её допускают, смешивая сведения о ядре и массовом числе. Проверь себя: если известен только порядковый номер, число нейтронов найти нельзя, а протонов — можно.

Считать, что номер периода показывает число внешних электронов, неверно: он указывает число занятых слоёв. Путаница возникает потому, что оба числа связаны с положением элемента в таблице. Для проверки спроси себя, о чём идёт речь: о количестве слоёв или об электронах на одном, внешнем, слое.

Нельзя без оговорок применять правило «номер группы равен числу внешних электронов» ко всем группам. В школьных задачах эта связь относится к элементам главных подгрупп; устройство атомов элементов других групп требует отдельного рассмотрения. Проверь, указана ли главная подгруппа, прежде чем делать вывод о числе внешних электронов.

Смешивать номер группы с числом электронных слоёв тоже неправильно: группа связана со строением внешнего слоя, а слои определяются периодом. Такую ошибку допускают, если запоминают только положение элемента, не разделяя горизонтальные ряды и вертикальные столбцы. Проверка проста: номер периода используй для подсчёта слоёв, а главную подгруппу — для числа внешних электронов.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в строении атома, нужно знать, что в нём есть протоны, нейтроны и электроны, понимать заряд протона и электрона и помнить, что означает нейтральность атома. Эти знания помогают объяснить связь между порядковым номером и числом частиц. Позже сведения об электронных оболочках и периодичности свойств пригодятся при изучении химической связи и семейств элементов. Положение элемента в таблице также используют, чтобы предсказывать состав атома и особенности химических реакций.

Что запомнить

• Порядковый номер равен заряду ядра и числу протонов.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Номер периода показывает число занятых электронных слоёв.
• У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое.
• При движении по периоду заряд ядра возрастает на единицу.
• Периодическая система связывает положение элемента со строением его атома и свойствами.