§ 8. Положение металлов в Периодической системе Д. И. Менделеева и строение их атомов

Определения и обозначения

Металлические элементы — элементы, атомы которых обычно отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Это определение описывает поведение атомов в химических реакциях, а не только внешний вид вещества. Поэтому к металлам относят не лишь элементы с привычными физическими свойствами, но и некоторые элементы, чьи простые вещества на них мало похожи.

Положение металлов в Периодической системе — их преимущественное расположение в левой и центральной частях таблицы, а также в нижних её рядах. Металлы отделены от большинства неметаллов условной диагональной границей, но граница не исключает всех случаев между ними. Например, водород стоит в первой группе, однако по свойствам относится к неметаллам.

Внешний энергетический уровень — наиболее удалённый от ядра уровень, на котором в атоме есть электроны. Именно его электроны обычно первыми вступают во взаимодействие с другими атомами. Зная строение этого уровня, можно понять, сколько электронов атом способен отдать или принять при химической реакции.

Металлические свойства — способность атомов отдавать электроны. Она зависит от того, сколько электронов находится на внешнем уровне и насколько сильно ядро их притягивает. Это понятие помогает связать строение атома с положением элемента в таблице и объяснить, почему свойства меняются в периодах и группах.

Как это устроено

Металлы находятся преимущественно слева и в центре таблицы, потому что атомы этих элементов чаще отдают электроны, чем присоединяют их. У неметаллов справа обычно больше электронов на внешнем уровне, поэтому им легче принять электроны или образовать общие электронные пары. Граница между двумя областями проходит примерно по диагонали, но не является строгим разделителем: существуют исключения и элементы с промежуточными свойствами. Водород расположен в первой группе, однако его один электрон не делает его металлом.

У элементов главных подгрупп номер группы помогает определить число электронов внешнего уровня: например, у натрия из первой группы один такой электрон, у магния из второй — два. У большинства металлов главных подгрупп на внешнем уровне один, два или три электрона, поэтому их сравнительно легко отдать. Но нельзя считать это правилом без исключений для каждого металла. У переходных металлов строение сложнее, и при реакциях иногда участвуют электроны не только внешнего уровня.

Номер периода показывает, сколько энергетических уровней занято электронами в атоме. Например, у атомов третьего периода заняты три уровня, а у атомов четвёртого — четыре. При движении вниз по группе каждый следующий элемент имеет ещё один уровень, потому что номер периода увеличивается. Новые электронные слои оказываются дальше от ядра, и это влияет на прочность удерживания внешних электронов.

Атомы металлов обычно отдают электроны внешнего уровня и становятся положительными ионами: заряд такого иона равен числу отданных электронов. Отдача удобна для атомов, у которых внешних электронов немного, поскольку им не приходится присоединять много электронов для завершения уровня. Кроме того, внешние электроны металлов часто удерживаются ядром сравнительно слабо. Поэтому в реакции атом может потерять один или несколько электронов, хотя конкретный заряд иона зависит от элемента и условий.

В периоде металлические свойства обычно ослабевают слева направо: заряд ядра растёт, а электроны добавляются на тот же энергетический уровень. Ядро сильнее притягивает внешние электроны, поэтому отдать их становится труднее. В группе сверху вниз металлические свойства обычно усиливаются: появляется больше электронных слоёв, а расстояние внешних электронов от ядра увеличивается. Из-за этого внешние электроны притягиваются слабее и легче отдаются.

Положение металлов и строение их атомов

Сначала по положению элемента определите, к главной или побочной подгруппе он относится. Затем сопоставьте число внешних электронов с типичным поведением атома, помня, что у переходных металлов возможны исключения. Таблица показывает общие закономерности, а не неизменное правило для каждого элемента.

Разбор задач

1. Натрий

Определите, является ли натрий металлом, если электронная схема его атома — 2, 8, 1, и укажите число электронов внешнего уровня. Важно не просто посчитать все электроны, а найти последний занятый уровень. Затем результат можно связать с положением элемента в Периодической системе.

1. Запись 2, 8, 1 показывает, что в атоме заняты три уровня, а на последнем находится один электрон.
2. Натрий стоит в первой группе главной подгруппы, что согласуется с одним внешним электроном.
3. Атом натрия обычно отдаёт этот электрон и образует положительный ион Na⁺.

Ответ: натрий — металл; на внешнем уровне у его атома один электрон.

2. Магний

Составьте электронную схему атома магния с порядковым номером 12 и определите число уровней и внешних электронов. Порядковый номер нейтрального атома равен числу его электронов, значит, распределить нужно 12 электронов. Период и группа помогут проверить полученный результат.

1. На первый уровень помещаются 2 электрона, на второй — 8; остаются 2 электрона.
2. Схема атома магния: 2, 8, 2. В ней три числа, следовательно, заняты три энергетических уровня.
3. Магний находится во втором столбце главной подгруппы: два внешних электрона согласуются с его положением и типичным образованием иона Mg²⁺.

Ответ: электронная схема — 2, 8, 2; у атома три энергетических уровня и два электрона на внешнем уровне.

3. Железо

Порядковый номер железа — 26. Определите его положение, запишите электронную конфигурацию и объясните, почему его относят к металлам. Для переходного элемента нужно учитывать не только распределение по оболочкам, но и заполнение d-подуровня. По этому примеру видно, почему простое правило о числе внешних электронов подходит не всем металлам.

1. У нейтрального атома железа 26 электронов; их конфигурация: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s².
2. Наибольшее главное квантовое число — 4, значит, железо находится в четвёртом периоде. Оно относится к побочной подгруппе, то есть к переходным металлам.
3. Железо относят к металлам, поскольку его атомы способны отдавать электроны и образовывать положительные ионы. В реакциях могут участвовать электроны 4s- и 3d-подуровней, поэтому железо образует ионы с разными зарядами.

Ответ: железо — металл четвёртого периода побочной подгруппы; конфигурация атома — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s².

Типичные ошибки

Считать металлами только элементы левой части таблицы. Так ошибаются, потому что в начале таблицы действительно много металлов. Но крупная область металлов находится и в центре, а некоторые металлы расположены в нижней части. Проверьте себя по всей таблице и вспомните, что переходные элементы тоже являются металлами.

Утверждать, что у любого металла на внешнем уровне строго один, два или три электрона. Это обобщение обычно подходит для металлов главных подгрупп, поэтому его легко принять за универсальное правило. У переходных металлов строение сложнее, а число участвующих в реакциях электронов не сводится только к внешнему уровню. Чтобы проверить ответ, выясните, относится ли элемент к главной или побочной подгруппе.

Путать номер периода с числом электронов внешнего уровня. Номер периода показывает число занятых энергетических уровней, а не число электронов на последнем из них. Путаница возникает потому, что и период, и группа записаны как номера в таблице. Самопроверка проста: сопоставьте номер периода с количеством чисел в электронной схеме по уровням.

Считать, что атом металла присоединяет электроны и становится отрицательным ионом. Так можно подумать, если спутать поведение металлов с поведением неметаллов. Обычно металлический атом отдаёт электроны, а его заряд становится положительным; присоединение электронов характернее для многих неметаллов. Проверьте знак заряда: потеря отрицательно заряженных электронов оставляет положительный ион.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома: заряде ядра, порядковом номере и распределении электронов по энергетическим уровням. По этим сведениям можно связать место элемента в таблице с его строением и поведением. Далее эти знания пригодятся при изучении образования ионов и химической связи, свойств простых веществ и периодического изменения свойств элементов. Так строение атома помогает объяснять свойства веществ, а не только запоминать их.

Что запомнить

• Металлы занимают преимущественно левую и центральную части Периодической системы.
• Номер периода указывает на число занятых энергетических уровней.
• У большинства металлов главных подгрупп на внешнем уровне один, два или три электрона.
• Атомы металлов обычно отдают электроны и образуют положительные ионы.
• В периоде металлические свойства обычно ослабевают слева направо.
• В группе металлические свойства обычно усиливаются сверху вниз.