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

Определения и обозначения

Периодический закон — закономерность, согласно которой свойства химических элементов и образованных ими веществ периодически зависят от заряда атомных ядер, то есть от порядкового номера элемента. Он помогает объяснить повторение свойств и предсказывать их для ещё малоизученных веществ.

Периодическая система химических элементов — таблица, в которой выражен периодический закон. Положение каждой клетки показывает взаимосвязь элементов и повторяемость их свойств, поэтому таблица служит не только списком, но и удобным инструментом для характеристики атомов.

Порядковый номер элемента равен заряду его ядра и числу протонов в атоме. В нейтральном атоме он также равен числу электронов, поэтому по номеру можно установить состав атома и его место в системе.

Период — горизонтальный ряд, а группа — вертикальный столбец Периодической системы. Номер периода связан с числом электронных слоёв, а принадлежность к группе помогает судить о строении внешнего слоя и сходстве химических свойств.

Как это устроено

Д. И. Менделеев расположил известные элементы в порядке возрастания относительной атомной массы и сравнил их свойства. Через определённые промежутки свойства простых веществ и соединений начинали повторяться, потому что элементы образовывали закономерные ряды. На этой основе учёный сформулировал периодический закон и оставил места для ещё не открытых элементов.

Атомная масса не могла быть точной основой закона: у некоторых элементов порядок масс не совпадал с порядком свойств. После открытия строения атома выяснилось, что главное отличие одного элемента от другого задаёт заряд ядра. Поэтому современный закон связывает периодичность с порядковым номером, равным числу протонов.

В системе семь периодов. В первом периоде два элемента, во втором и третьем — по восемь, в четвёртом и пятом — по восемнадцать, в шестом и седьмом — по тридцать два с учётом вынесенных рядов лантаноидов и актиноидов. Номер периода показывает число занятых электронных слоёв: при движении слева направо заряд ядра растёт, а свойства постепенно меняются от более металлических к более неметаллическим.

Группы расположены вертикально; в современной форме их 18. В школьной записи часто выделяют главные и побочные подгруппы, чтобы подчеркнуть различия в строении атомов. У элементов одной группы сходно устроен внешний электронный слой, поэтому похожи их реакции, хотя сверху вниз размеры атомов и выраженность свойств изменяются.

Чтобы охарактеризовать элемент, сначала находят его клетку и порядковый номер, затем определяют период и группу. Положение слева или справа от условной границы между металлами и неметаллами даёт общий вывод о типе элемента: слева преобладают металлы, справа — неметаллы, а рядом с границей встречаются элементы с промежуточными свойствами. Для точного вывода учитывают одновременно период, группу и строение внешнего слоя.

Сведения, которые можно определить по положению элемента в Периодической системе

Сначала найдите клетку по символу или порядковому номеру, затем проведите мысленно горизонталь и вертикаль к заголовкам. Сопоставив период и группу, можно перейти от положения элемента к строению атома и ожидаемым свойствам.

Таблица даёт общий прогноз, а не заменяет проверку электронного строения. Особенно осторожно нужно рассуждать о переходных элементах и элементах, свойства которых меняются внутри группы.

Разбор задач

Задача 1. Элемент с порядковым номером 17

Условие: определите, что можно узнать о строении атома и свойствах элемента с порядковым номером 17. Нужно связать номер с клеткой элемента, периодом, группой и внешними электронами.

1. Порядковый номер 17 означает 17 протонов и, для нейтрального атома, 17 электронов. В таблице этому номеру соответствует хлор, символ Cl.
2. Хлор находится в третьем периоде, значит, его электроны занимают три электронных слоя. Распределение по слоям можно записать так: 2, 8, 7.
3. Хлор расположен в 17-й группе, поэтому на внешнем слое у него семь электронов. Ему выгодно принять один электрон до завершения внешнего слоя, поэтому хлор — типичный неметалл и сильный окислитель.

Ответ: №17 — хлор Cl, 3-й период, 17-я группа; в нейтральном атоме 17 электронов, три слоя и семь внешних электронов. Элемент относится к неметаллам и обычно проявляет валентность I в соединениях с металлами.

Задача 2. Натрий, магний и хлор

Условие: сравните металлические и неметаллические свойства Na, Mg и Cl, расположенных в одном третьем периоде. Нужно объяснить не только порядок свойств, но и причину изменения.

1. Расположим элементы слева направо: Na, Mg, Cl. Заряд ядра при этом возрастает, а число электронных слоёв остаётся равным трём.
2. Притяжение внешних электронов усиливается, поэтому натрий легче отдаёт электрон, магний делает это труднее, а хлор стремится принять электрон.
3. Следовательно, металлические свойства ослабевают от Na к Mg и Cl, а неметаллические усиливаются.

Ответ: натрий — самый активный металл из трёх, магний тоже металл, но менее активный, а хлор — неметалл. Такое изменение объясняется увеличением заряда ядра в пределах одного периода.

Задача 3. Высший оксид неизвестного элемента

Условие: элемент находится в третьем периоде и 16-й группе. Предскажите формулу его высшего оксида и характер свойств.

1. В третьем периоде и 16-й группе находится сера, S. Для элемента главной подгруппы номер группы указывает на шесть внешних электронов.
2. В высшем оксиде сера проявляет валентность VI, а кислород — II. Чтобы уравнять валентности, нужны три атома кислорода: формула оксида SO₃.
3. Сера — неметалл, расположенный в правой части периода, поэтому её высший оксид имеет кислотный характер и реагирует с водой с образованием кислоты.

Ответ: высший оксид — SO₃, это кислотный оксид; при взаимодействии с водой образуется H₂SO₄. Вывод сделан по группе, типу элемента и закономерности высшей валентности.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Современный закон связывают с атомной массой, потому что именно её использовал Менделеев. Проверка: вспомните, что современной основой служит порядковый номер, то есть заряд ядра и число протонов.

Ошибка 2. Период и группу путают из-за похожих названий. Период идёт горизонтально и показывает число электронных слоёв, а группа вертикальна и помогает определить сходство внешнего строения.

Ошибка 3. Элементам одной группы приписывают совершенно одинаковые свойства. Сходство действительно закономерно, но размеры атомов, активность и характер соединений меняются сверху вниз, поэтому сравнивайте конкретные элементы.

Ошибка 4. Металлические свойства определяют только по порядковому номеру. Один номер сам по себе ничего не говорит о положении в ряду: сначала найдите период и группу, затем оцените, где находится элемент относительно границы металлов и неметаллов.

Связь с другими темами

Для работы с Периодической системой нужны знания о строении атома, составе ядра, электронных слоях и конфигурации электронов. Также необходимо различать металлы и неметаллы, поскольку положение элемента связано с его способностью отдавать или принимать электроны.

Тема пригодится при составлении характеристики элемента, прогнозировании формул соединений и объяснении изменения свойств в периодах и группах. Она помогает обосновывать, а не просто запоминать свойства веществ.

Дальше эти закономерности используются при изучении простых веществ, химической связи, валентности, степеней окисления, а также свойств оксидов, кислот и оснований.

Что запомнить

• Периодический закон связывает свойства элементов со строением их атомов и порядковым номером.
• Порядковый номер равен заряду ядра и числу протонов в атоме.
• Периоды — горизонтальные ряды Периодической системы.
• Номер периода показывает число занятых электронных слоёв.
• Группы — вертикальные столбцы элементов со сходным строением внешнего электронного слоя.
• В периоде слева направо металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются.
• Положение элемента в системе позволяет предсказывать его свойства и свойства его соединений.