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

Определения и обозначения

Периодическая система — таблица химических элементов, отражающая периодическое изменение их свойств в связи с зарядом ядер атомов. Она расположена так, чтобы можно было сопоставлять строение атомов и свойства элементов. По положению элемента в таблице находят важные сведения о его атоме. Поэтому система служит удобной картой химических элементов.

Период — горизонтальный ряд элементов; для элементов главных подгрупп его номер показывает число занятых электронных слоёв в атоме. Электронным слоем называют область, в которой находятся электроны с близкой энергией. Например, элемент третьего периода имеет три занятых слоя. Это правило помогает связать строку таблицы со строением атома.

Группа — вертикальный столбец элементов со сходным строением внешнего электронного слоя. У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое. Эти электроны участвуют в химических превращениях, поэтому сходство внешнего слоя помогает объяснить сходство свойств. По группе можно предположить, как элемент будет вести себя в реакциях.

Порядковый номер элемента — число, равное заряду ядра атома и числу протонов. В нейтральном атоме он также равен числу электронов, поскольку положительный и отрицательный заряды уравновешивают друг друга. Например, атом с номером 13 содержит 13 протонов и 13 электронов, если он нейтрален. Номер позволяет начать определение состава атома без дополнительных сведений.

Как это устроено

В современной периодической системе элементы расположены по возрастанию заряда ядра, то есть порядкового номера. Заряд ядра задаётся количеством протонов, а число протонов определяет, какой именно это элемент. Поэтому именно порядковый номер служит надёжным основанием для порядка элементов. Атомная масса при этом не является главным критерием: она может изменяться из-за разного числа нейтронов у атомов одного элемента.

В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру, потому что число отрицательных электронных зарядов должно уравновешивать положительный заряд всех протонов. Электроны распределяются по энергетическим уровням, начиная с ближайшего к ядру. Ближайший уровень заполняется раньше, чем следующий, поэтому распределение нельзя выбирать произвольно. Зная число электронов, можно записать их по слоям и сравнить получившуюся схему с положением элемента в таблице.

Число занятых электронных уровней связано с номером периода: для элементов главных подгрупп оно совпадает с ним. При переходе к следующему периоду в атомах появляется новый слой, потому что электроны начинают занимать уровень, более удалённый от ядра. Например, у атома второго периода заняты два слоя, а у атома третьего — три. Значит, строка таблицы сообщает не просто место элемента, но и важную часть схемы его атома.

Элементы главных подгрупп объединяют в группы, потому что у них сходно устроен внешний электронный слой. Именно внешние электроны сильнее всего определяют, как атом взаимодействует с атомами других элементов. Поэтому одинаковое или близкое число таких электронов приводит к сходным особенностям химического поведения. Номер группы в принятой школьной нумерации связан с числом внешних электронов у элементов главных подгрупп.

Свойства элементов меняются закономерно, поскольку при движении по таблице меняется строение атомов. В периоде заряд ядра и число внешних электронов увеличиваются, а число занятых слоёв остаётся постоянным. В группе сверху вниз число электронных слоёв возрастает, тогда как сходство внешнего слоя сохраняется. Эти повторяющиеся изменения объясняют периодичность свойств: похожее строение внешних слоёв вновь приводит к похожему поведению элементов.

Связь строения атома с положением элемента в периодической системе

В таблице собраны данные, которые позволяют проверить связь между атомным строением и положением элемента. Сначала найдите порядковый номер, затем распределите столько же электронов по слоям. По числу слоёв проверьте период, а у элементов главных подгрупп сопоставьте внешние электроны с номером группы.

Разбор задач

Число протонов и электронов в атоме алюминия

Условие: порядковый номер алюминия равен 13; нужно найти числа протонов и электронов в нейтральном атоме. Порядковый номер задаёт число протонов, поэтому сначала определяем состав ядра по номеру. Затем учитываем, что атом нейтрален, то есть суммарный заряд его частиц равен нулю. Для этого число электронов должно уравновесить число протонов.

1. Число протонов равно порядковому номеру: 13.
2. Атом нейтрален, следовательно, число электронов равно числу протонов: 13.

Ответ: в нейтральном атоме алюминия 13 протонов и 13 электронов. Число нейтронов из одного порядкового номера узнать нельзя. Для этого понадобилось бы массовое число атома.

Распределение электронов и положение магния

Условие: порядковый номер магния равен 12; нужно записать распределение электронов по слоям и определить период и группу. В нейтральном атоме магния 12 электронов. Сначала заполняем ближайший к ядру слой, затем следующий; для этих элементов на втором слое размещаются восемь электронов, а оставшиеся переходят на третий. Полученное распределение проверяем по числу слоёв и электронов на внешнем слое.

1. Распределяем 12 электронов: 2 на первом слое, 8 на втором и 2 на третьем. Получаем запись 2, 8, 2.
2. Заняты три слоя, значит, магний находится в третьем периоде.
3. На внешнем слое два электрона, поэтому магний относится ко второй группе главной подгруппы.

Ответ: распределение электронов — 2, 8, 2; период — 3, группа — II. Такая проверка согласует данные о строении атома с таблицей. Если число электронов в записи не равно 12, значит, при распределении допущена ошибка.

Элемент третьего периода с семью внешними электронами

Условие: элемент главной подгруппы находится в третьем периоде и имеет семь электронов на внешнем уровне. Нужно определить элемент, его порядковый номер и распределение электронов по слоям. Число внешних электронов помогает найти группу, а номер периода сообщает число занятых слоёв. Пересечение этих признаков в периодической системе указывает на хлор.

1. Семь электронов на внешнем слое соответствуют седьмой группе главной подгруппы.
2. Третий период и седьмая группа — положение хлора (Cl) в периодической системе.
3. Порядковый номер хлора равен 17, следовательно, в нейтральном атоме 17 электронов.
4. Распределяем их по трём слоям: 2 на первом, 8 на втором и 7 на третьем. Получаем 2, 8, 7.

Ответ: хлор, порядковый номер 17, распределение электронов по слоям — 2, 8, 7. Проверка проста: сумма электронов равна 17, а число слоёв соответствует третьему периоду. На внешнем слое действительно находятся семь электронов.

Типичные ошибки

Номер периода иногда принимают за число электронов в атоме. Путаница возникает потому, что и тот и другой показатель записывают числом рядом с элементом, но они описывают разные характеристики. Для элементов главных подгрупп номер периода показывает число занятых уровней, а общее число электронов равно порядковому номеру. Проверьте себя: сложите электроны по слоям и сравните сумму с порядковым номером, а число слоёв — с периодом.

Номер группы ошибочно считают числом всех электронов атома. Вероятно, причина в том, что этот номер действительно связан с числом электронов, но только на внешнем уровне элементов главных подгрупп. Число всех электронов нейтрального атома определяет порядковый номер. Чтобы проверить ответ, отдельно посчитайте электроны во всех слоях и только на внешнем слое.

Порядковый номер иногда принимают за число нейтронов. На самом деле он показывает число протонов в ядре, а количество нейтронов зависит от изотопа и определяется по массовому числу. Для расчёта число протонов вычитают из массового числа. Если в условии дана только периодическая система без сведений о массовом числе, число нейтронов по одному порядковому номеру установить нельзя.

Считают, что у всех элементов одной группы одинаковое число электронных слоёв. Так происходит, когда группу путают с периодом: группа задаёт вертикальное положение, а число слоёв связано с периодом. Поэтому у элементов одной группы число занятых слоёв меняется при движении сверху вниз. Проверка: посмотрите на номера периодов — они показывают число слоёв у элементов главных подгрупп.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать, из каких частиц состоит атом, какие заряды имеют протон и электрон и что означает нейтральность атома. Также пригодится понятие электронного слоя: оно помогает описать расположение электронов вокруг ядра. Эти знания позволяют понять, почему порядковый номер задаёт число протонов и электронов. Без них связь таблицы со строением атома останется набором правил.

Дальше эти сведения помогают объяснять периодическое изменение свойств элементов и составлять электронные схемы атомов. Понимание внешнего электронного слоя особенно важно при изучении химической связи, поскольку внешние электроны участвуют во взаимодействии атомов. Умение переходить от положения элемента к строению его атома пригодится при решении задач. Так периодическая система становится инструментом для предсказания химического поведения.

Что запомнить

• Порядковый номер элемента равен заряду ядра.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Электроны распределяются по энергетическим уровням.
• У элементов главных подгрупп номер периода соответствует числу занятых уровней.
• У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов внешнего уровня.
• Периодический закон связывает свойства элементов со строением их атомов и зарядом ядра.