§4. Структура Периодической системы химических элементов

Определения и обозначения

Период — горизонтальный ряд элементов в Периодической системе. Его номер показывает число занятых электронных слоёв в атоме: у элементов третьего периода заняты три слоя. Это позволяет по одному положению элемента определить общую «этажность» его электронной оболочки.

Группа — вертикальный столбец элементов. В одной группе находятся элементы со сходными особенностями строения внешнего электронного слоя, поэтому они часто проявляют похожие свойства. Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне.

Главная подгруппа — часть группы, в которую входят элементы малых и больших периодов. К ней относятся элементы s- и p-семейств, у которых заполняются внешние s- или p-орбитали. По главной подгруппе удобно сравнивать элементы разных периодов с похожим строением внешнего слоя.

Побочная подгруппа — часть группы, включающая элементы больших периодов. В неё входят переходные элементы, у которых заполняется внутренний d-слой. Поэтому число электронов на самом внешнем слое у них не всегда прямо соответствует номеру группы.

Как это устроено

Современная Периодическая система построена по возрастанию заряда ядра атомов. Заряд ядра определяется числом протонов, а оно совпадает с порядковым номером элемента. При таком порядке электронное строение атомов изменяется закономерно, поэтому положение элемента в таблице отражает строение его атома и помогает предсказывать свойства.

В системе семь периодов, но они содержат разное число элементов. В первом периоде находятся 2 элемента, во втором и третьем — по 8, в четвёртом и пятом — по 18, в шестом и седьмом — по 32 элемента с учётом вынесенных рядов лантаноидов и актиноидов. Номер периода показывает число электронных слоёв, занятых электронами, потому что каждый новый период начинается с заполнения нового главного энергетического уровня.

Группы расположены вертикально и объединяют элементы со сходными особенностями строения и свойств. В традиционной короткой форме каждая группа разделена на главную и побочную подгруппы, а в современной длинной форме группы нумеруются от 1 до 18. Сходство особенно заметно у элементов главных подгрупп: у них похожее число внешних электронов и одинаковый тип внешнего слоя.

Короткая форма системы компактнее: периоды расположены строками, а главные и побочные подгруппы показывают отдельно внутри общих групп. В длинной форме все элементы идут в одной широкой таблице, поэтому переходные элементы занимают отдельный участок между s- и p-элементами. Чтобы определить положение элемента, находят его порядковый номер, затем читают период и группу, а по электронной структуре проверяют число слоёв и внешний уровень.

Как устроена Периодическая система

Таблицу удобно читать в два этапа: сначала определить горизонтальный ряд, затем вертикальный столбец. После этого нужно уточнить, к какой подгруппе относится элемент, и сопоставить результат с его электронной структурой.

Короткая и длинная формы изображают один и тот же порядок элементов, но по-разному размещают группы и переходные элементы. Поэтому обозначения группы следует читать с учётом формы таблицы.

Разбор задач

Хлор с порядковым номером 17

Условие. Определим период и группу хлора, а также его подгруппу. Порядковый номер 17 означает, что в ядре атома 17 протонов и вокруг ядра находится 17 электронов.

1. Находим элемент с номером 17 в Периодической системе: это хлор, Cl.
2. Смотрим на горизонтальный ряд: хлор расположен в третьем периоде.
3. Определяем вертикальный столбец: в короткой форме это VII группа, а в длинной — группа 17.
4. Хлор относится к главной подгруппе, потому что является p-элементом и находится среди неметаллов главной части группы.

Ответ: хлор находится в третьем периоде, VII группе, главной подгруппе; в современной нумерации это группа 17.

Кальций: электронное строение 2, 8, 8, 2

Условие. Нужно определить положение кальция по распределению электронов по слоям. Запись показывает, что всего заняты четыре слоя, а на внешнем слое находятся два электрона.

1. Считаем занятые слои: их четыре, значит, кальций находится в четвёртом периоде.
2. Смотрим на внешний слой: два электрона соответствуют II группе для элемента главной подгруппы.
3. Кальций относится к главной подгруппе, так как является s-элементом.
4. Проверяем результат по таблице: кальций имеет порядковый номер 20 и действительно расположен в IV группе главной подгруппы.

Ответ: кальций находится в четвёртом периоде, II группе, главной подгруппе; в современной нумерации это группа 2.

Третий период и VII главная подгруппа

Условие. Элемент уже описан двумя признаками: он находится в третьем периоде и VII главной подгруппе. Нужно найти название, порядковый номер и число электронных слоёв.

1. В третьем периоде последовательно расположены Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl и Ar.
2. VII главной подгруппе соответствует галоген хлор, Cl.
3. По Периодической системе у хлора порядковый номер 17.
4. Номер периода сразу даёт число занятых слоёв: у атома хлора их три. Его электронное строение по слоям — 2, 8, 7.

Ответ: это хлор, его порядковый номер 17, а число занятых электронных слоёв равно трём.

Типичные ошибки

Путают период и группу. Иногда горизонтальный ряд называют группой, потому что оба понятия связаны с положением в таблице. Проверка простая: период читают слева направо, а группу — сверху вниз.

Считают, что номер периода показывает число внешних электронов. Такая ошибка возникает из-за смешения двух разных признаков атома. Сначала посчитайте занятые слои — это период, затем электроны на последнем слое — признак группы главного элемента.

Приравнивают номер группы к числу внешних электронов у любого элемента. Правило хорошо работает для главных подгрупп, но не применяется без оговорок к переходным элементам побочных подгрупп. Перед выводом проверьте, является ли элемент главным или переходным.

Смешивают главную и побочную подгруппы. Побочная подгруппа не является отдельной группой с независимой нумерацией, а входит в состав общей группы. Сверяйте одновременно номер группы, период и тип элемента: s- и p-элементы обычно относятся к главным, переходные d-элементы — к побочным.

Связь с другими темами

Для работы с Периодической системой нужно знать заряд ядра, порядковый номер и распределение электронов по слоям. Эти сведения позволяют переходить от номера элемента к его положению в таблице и обратно.

Положение элемента понадобится при изучении электронных конфигураций, валентности и периодического изменения свойств. По номеру периода и группе можно заранее предположить строение внешнего уровня.

Связь внешних электронов со свойствами объясняет сходство элементов одной группы и различия элементов разных периодов. Поэтому структура таблицы становится основой для понимания химических связей и реакционной способности.

Что запомнить

• Элементы в Периодической системе расположены по возрастанию заряда ядра.
• Период — горизонтальный ряд, группа — вертикальный столбец.
• Номер периода соответствует числу занятых электронных слоёв в атоме.
• Группы делятся на главные и побочные подгруппы.
• У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне.
• Элементы одной группы имеют сходные особенности строения и свойств.