§ 10. Характеристика химического элемента по положению в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева

Определения и обозначения

Порядковый номер элемента равен заряду его ядра и числу протонов в ядре. В нейтральном атоме он также равен числу электронов, потому что положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом электронов. Зная номер, можно определить состав электрически нейтральной части атома, но не число нейтронов: оно зависит от изотопа.

Период — горизонтальный ряд элементов в Периодической системе. Номер периода показывает число электронных слоёв, занятых электронами в атоме. Это помогает понять, на каких энергетических уровнях находятся электроны и как представить их распределение.

Группа — вертикальный столбец элементов. Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне — слое, наиболее удалённом от ядра. Это число помогает объяснить сходство свойств элементов одной группы; для побочных подгрупп такое соответствие нельзя применять без оговорок.

Характеристика элемента по положению в Периодической системе — последовательное определение строения атома и свойств элемента по его порядковому номеру, периоду и группе. Эти сведения нужны, чтобы описать элемент не наугад, а по закономерностям таблицы. По ним также прогнозируют типичные валентности и состав некоторых соединений.

Как это устроено

Чтобы найти заряд ядра и число протонов, достаточно посмотреть порядковый номер элемента: например, у натрия он равен 11, значит, ядро имеет заряд +11 и содержит 11 протонов. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, поэтому у натрия 11 электронов. Причина равенства в том, что суммарный заряд такого атома равен нулю, а каждый протон и электрон несут заряды противоположных знаков.

Число слоёв определяют по номеру периода, потому что элементы одного периода заполняют одинаковое число электронных уровней. У натрия номер периода 3, следовательно, его электроны распределены по трём слоям: 2, 8, 1. Числа показывают, сколько электронов находится на каждом слое, и в сумме дают 11; такая запись помогает увидеть внешний слой.

У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем слое: например, у серы из главной подгруппы VI группы их шесть. Эти электроны участвуют в образовании химических связей, поэтому их число влияет на сходство свойств элементов. У элементов побочных подгрупп электроны могут участвовать в связях иначе, поэтому номер группы сам по себе не даёт простого ответа о внешних электронах.

Внешний электронный слой помогает предположить характер простого вещества и типичные валентности — число связей, которые атом обычно образует. Например, у натрия один внешний электрон, который атом сравнительно легко отдаёт, поэтому натрий — активный металл и обычно проявляет валентность I. У серы шесть внешних электронов, и для неё типичны валентности II, IV и VI; у неметаллов проявления валентности могут быть разнообразнее, чем у щелочных металлов.

Положение элемента помогает прогнозировать соединения, потому что в пределах групп и периодов закономерно меняются валентности и степени окисления. По высшей степени окисления элемента составляют формулу высшего оксида, а для многих неметаллов — соответствующего ему гидроксида, например кислоты. Для элементов, образующих водородные соединения, положение также подсказывает их типичную формулу: у серы это H₂S, у хлора — HCl; конкретные свойства вещества устанавливают отдельно.

План характеристики элемента по положению в Периодической системе

Пользуйся таблицей как последовательным планом: сначала найди положение элемента, затем установи строение атома. После этого переходи к свойствам и формулам соединений, не делая выводов только по одному признаку. Для побочных подгрупп проверяй особенности элемента отдельно.

Разбор задач

Натрий: заряд ядра, число электронов и слоёв

Условие. Охарактеризовать натрий по положению в Периодической системе: указать заряд ядра, число электронов и слоёв. Сначала нужно найти элемент Na в таблице и взять два независимых сведения: порядковый номер и номер периода. Первое описывает ядро и число электронов нейтрального атома, второе — электронные слои.

1. Находим порядковый номер натрия: Z = 11. Значит, заряд ядра равен +11, а в ядре 11 протонов.
2. Для нейтрального атома число электронов также равно 11. Ионы натрия здесь не рассматриваем: при образовании иона число электронов меняется.
3. Натрий находится в 3-м периоде, поэтому его атом имеет три электронных слоя. Их заполнение записывается как 2, 8, 1.

Ответ: заряд ядра Na равен +11, в нейтральном атоме 11 электронов, распределённых по трём слоям. Числа 2, 8, 1 в сумме дают порядковый номер, что служит проверкой. Не следует принимать номер периода за число электронов.

Сера: внешние электроны, валентности и высший оксид

Условие. Составить план характеристики серы и определить число электронов на внешнем уровне, типичные валентности и формулу высшего оксида. В таблице сера имеет Z = 16, находится в 3-м периоде и главной подгруппе VI группы. Эти данные нужно использовать по очереди: номер периода описывает слои, а группа главной подгруппы помогает определить внешние электроны.

1. Записываем положение серы: Z = 16, 3-й период, главная подгруппа VI группы. Значит, у нейтрального атома 16 электронов, а слоёв три.
2. Для главной подгруппы номер VI группы указывает на шесть внешних электронов. Распределение по слоям — 2, 8, 6; сумма снова равна 16.
3. Для серы типичны валентности II, IV и VI. Наивысшей из них соответствует степень окисления +6, поэтому формула высшего оксида — SO₃.

Ответ: у серы шесть электронов на внешнем уровне, типичные валентности II, IV и VI, высший оксид SO₃. Рассуждение опирается на группу главной подгруппы и типичные свойства серы. Для определения формулы важно брать именно высшую, а не любую возможную валентность.

Хлор: строение атома и прогноз соединений

Условие. По положению хлора определить строение его атома, охарактеризовать неметаллические свойства и записать формулы высшего оксида, соответствующего гидроксида и водородного соединения. Хлор расположен в 3-м периоде и главной подгруппе VII группы, его порядковый номер равен 17. Поэтому сначала можно описать атом, а затем перейти к свойствам и соединениям.

1. Ядро хлора имеет заряд +17 и содержит 17 протонов; нейтральный атом содержит 17 электронов. Три занятых слоя, согласно номеру периода, имеют распределение 2, 8, 7.
2. Семь внешних электронов означают, что до заполнения внешнего слоя атому не хватает одного электрона. Это согласуется с неметаллическим характером хлора и его способностью принимать электрон при образовании некоторых соединений.
3. Для хлора высшая степень окисления равна +7, поэтому формула высшего оксида — Cl₂O₇. Соответствующий ему гидроксид — HClO₄, а водородное соединение хлора — HCl.

Ответ: строение атома хлора — 2, 8, 7; хлор — неметалл, высший оксид Cl₂O₇, соответствующий гидроксид HClO₄, водородное соединение HCl. Здесь формулы получены из положения и типичных степеней окисления, но это не означает, что все соединения хлора устроены одинаково. Проверяй, к какому именно соединению относится каждый вывод.

Типичные ошибки

Ошибка: считать номер периода числом электронов в атоме. Это путают, потому что оба числа относятся к строению атома. Номер периода показывает число электронных слоёв, а число электронов в нейтральном атоме находят по порядковому номеру. Проверь себя: количество электронов должно совпасть с числом протонов.

Ошибка: считать, что номер группы всегда равен числу внешних электронов. Такое правило запоминают по элементам главных подгрупп и переносят на всю таблицу. Для побочных подгрупп связь не такая простая, поэтому нужно учитывать особенности строения атомов. Сначала проверь, к какой подгруппе относится элемент.

Ошибка: путать заряд ядра с числом нейтронов. Порядковый номер задаёт число протонов, а значит, и заряд ядра; нейтроны электрического заряда не имеют. Число нейтронов зависит от изотопа, поэтому одного порядкового номера для него недостаточно. Проверь себя: у изотопов одного элемента протонов поровну, а нейтронов может быть разное число.

Ошибка: автоматически применять закономерности главных подгрупп к побочным. Это происходит, когда правило о внешних электронах запоминают без ограничения. У побочных элементов особенности строения и свойств требуют дополнительного рассмотрения. Проверяй подгруппу и не выводи число внешних электронов только из номера группы.

Связь с другими темами

Для характеристики элемента нужно знать строение атома, смысл понятий «протон», «электрон» и «электронный слой», а также уметь находить элемент в таблице. Тема использует закономерности изменения свойств элементов и их соединений в периодах и группах. Позже эти знания помогут разбирать химическую связь, степени окисления и свойства оксидов, гидроксидов и других соединений.

Что запомнить

• Порядковый номер равен заряду ядра и числу протонов.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Номер периода показывает число электронных слоёв.
• Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов внешнего уровня.
• По строению внешнего слоя можно прогнозировать химические свойства элемента.
• Положение элемента помогает предсказывать состав и характер его соединений.