3. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (длиннопериодный вариант)

Определения и обозначения

Периодическая система химических элементов — таблица, в которой элементы расположены по возрастанию порядкового номера и с учётом периодического изменения их свойств. Она нужна, чтобы видеть связь между строением атома и свойствами элемента. По месту элемента в таблице можно делать выводы о его электронном строении и реакционной способности.

Период — горизонтальный ряд элементов, соответствующий определённому числу занятых электронных слоёв в атомах. Например, элементы третьего периода имеют по три занятых слоя. Номер периода помогает быстро определить общую структуру электронной оболочки.

Группа — вертикальный столбец длиннопериодной системы, объединяющий элементы с закономерно сходным строением внешних электронных уровней и свойствами. Особенно хорошо это сходство проявляется у элементов главных подгрупп. По группе можно предположить число внешних электронов и характерные свойства элемента.

Длиннопериодный вариант — форма периодической системы, в которой элементы размещены в 18 вертикальных группах без выделения главных и побочных подгрупп. Такой вариант подробно показывает расположение переходных элементов между s-, d-, f- и p-элементами. Он удобен для связи положения элемента с последовательностью заполнения подуровней.

Как это устроено

Основой таблицы служит порядковый номер, потому что он равен положительному заряду ядра атома. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому увеличение номера означает добавление электрона в электронную оболочку. Именно электронное строение определяет химические свойства, а не просто масса атома.

Число электронных слоёв определяет номер периода. Когда начинается заполнение нового главного уровня, начинается и новый период, поскольку у атомов появляется новый, более удалённый от ядра слой. Поэтому все элементы одного периода имеют одинаковое число занятых слоёв, хотя число электронов на внешнем уровне постепенно меняется.

Периоды имеют разную длину из-за различной вместимости подуровней. s-подуровень вмещает 2 электрона, p — 6, d — 10, а f — 14 электронов. Поэтому последовательное заполнение подуровней даёт периоды длиной 2, 8, 18 и 32 элемента.

В длиннопериодной системе 18 групп. В начале и конце периодов заполняются s- и p-подуровни, а между ними расположены переходные элементы с заполнением d-подуровней; в шестом и седьмом периодах выделяется место для f-элементов. Положение в группе связано с повторением похожего строения внешнего уровня, поэтому элементы одной группы часто имеют сходные свойства.

По положению элемента можно восстановить его электронное строение и предсказать свойства. Двигаясь слева направо в периоде, заряд ядра увеличивается, а число слоёв остаётся тем же, поэтому радиус атома обычно уменьшается: металлические свойства ослабевают, неметаллические усиливаются. Сверху вниз в группе добавляются электронные слои, радиус возрастает, а металлические свойства обычно усиливаются.

Строение периодов в длиннопериодной системе

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите период и группу элемента, а затем свяжите их с числом слоёв и порядком заполнения подуровней. Строка «Заполняемые подуровни» показывает, какие части электронной оболочки формируются при прохождении периода. Для 7-го периода указано «до 32 элементов», поскольку его заполнение связано с современным составом известных элементов.

Разбор задач

Сера с порядковым номером 16

Условие: определить период, группу и число электронных слоёв в атоме серы. Известно, что порядковый номер серы равен 16. Нужно использовать число электронов и их распределение по подуровням.

1. В нейтральном атоме серы 16 электронов, поэтому конфигурация имеет вид 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴.
2. Наибольший главный уровень равен 3, значит, заняты три электронных слоя и элемент находится в 3-м периоде.
3. На внешнем уровне находятся 6 электронов: 3s² и 3p⁴. Сера расположена в 16-й группе длиннопериодной системы.

Ответ: сера находится в 3-м периоде и 16-й группе; в её атоме три электронных слоя.

Элемент 3-го периода и 17-й группы

Условие: назвать элемент, расположенный в 3-м периоде и 17-й группе, и указать строение его внешнего уровня. Сначала нужно найти пересечение заданных периода и группы. Затем следует записать внешнюю часть электронной конфигурации.

1. В 3-м периоде элементы идут от натрия до аргона, а 17-я группа соответствует предпоследнему элементу этого ряда.
2. На пересечении находится хлор с порядковым номером 17.
3. Его внешний уровень имеет строение 3s² 3p⁵, то есть содержит 7 электронов.

Ответ: это хлор; строение внешнего уровня — 3s² 3p⁵.

Сравнение натрия, магния и хлора

Условие: сравнить радиус атома, металлические и неметаллические свойства натрия, магния и хлора. Все три элемента находятся в 3-м периоде, поэтому число электронных слоёв у них одинаково. Сравнивать их нужно слева направо, учитывая рост заряда ядра.

1. Порядок элементов в периоде таков: натрий, магний, хлор. При движении вправо заряд ядра увеличивается, а число слоёв не меняется.
2. Притяжение электронов к ядру усиливается, поэтому радиус уменьшается: Na больше Mg, а Mg больше Cl.
3. Металлические свойства ослабевают в той же последовательности, а неметаллические усиливаются: натрий — наиболее металлический, хлор — наиболее неметаллический.

Ответ: радиус: Na > Mg > Cl; металлические свойства убывают от натрия к хлору, а неметаллические возрастают.

Типичные ошибки

Путают номер периода с номером группы. Так происходит, потому что оба числа записаны рядом с символом элемента. Проверьте себя: период ищут по горизонтали и связывают с числом слоёв, а группу — по вертикали.

Считают, что номер группы всегда равен числу внешних электронов. Это правило хорошо работает главным образом для элементов главных подгрупп, но переходные элементы заполняют d-подуровни. Для проверки запишите электронную конфигурацию и отдельно посмотрите на внешний уровень.

Забывают о нейтральности атома. Порядковый номер равен числу протонов всегда, а числу электронов — только в нейтральном атоме; у иона число электронов изменено. Перед расчётом определите, рассматривается атом или ион.

Неверно переносят закономерность изменения свойств. В периоде металлические свойства ослабевают слева направо, а в группе сверху вниз обычно усиливаются. Проверьте направление движения и не смешивайте горизонтальный ряд с вертикальным столбцом.

Связь с другими темами

Для понимания системы нужны знания о строении атома, составе ядра, энергетических уровнях и электронных конфигурациях. Без них трудно объяснить, почему номер периода связан со слоями, а группы — с внешними электронами.

Понятия периодического закона и порядкового номера объясняют принцип построения таблицы. Периодический закон показывает, что свойства элементов повторяются закономерно при увеличении заряда ядра.

Система используется при составлении формул и уравнений реакций, определении валентности и типа химической связи. Она также помогает заранее оценить свойства простых веществ и соединений элементов.

Что запомнить

• Элементы в системе расположены по возрастанию порядкового номера.
• Период — горизонтальный ряд элементов.
• Группа — вертикальный столбец системы.
• Номер периода показывает число занятых электронных слоёв.
• Длиннопериодная система содержит 7 периодов и 18 групп.
• Свойства элементов периодически изменяются при увеличении заряда ядра.
• Положение элемента позволяет предсказывать его электронное строение и химические свойства.