§ 36. Периодический закон и строение атома

Определения и обозначения

Периодический закон — закономерность, согласно которой свойства химических элементов и их соединений периодически зависят от заряда ядер атомов. Иными словами, с ростом заряда ядра свойства меняются не случайно: через определённые промежутки сходные особенности повторяются. Закон помогает объяснять и предсказывать свойства элементов.

Периодическая система химических элементов — форма представления периодического закона. Элементы расположены в ней по возрастанию порядкового номера и объединены в горизонтальные ряды — периоды — и вертикальные столбцы — группы. По месту элемента в системе можно сделать вывод о некоторых особенностях его атома и сравнить его с другими элементами.

Порядковый номер элемента — номер элемента в периодической системе. Он равен числу протонов в ядре, поэтому показывает и заряд ядра: если протонов 11, заряд ядра равен +11. Этот номер нужен, чтобы определить состав атома и положение элемента среди остальных.

Электронная оболочка атома — совокупность электронов, распределённых по энергетическим уровням вокруг ядра. Уровни можно представить как области, в которых находятся электроны с определённой энергией. Такое представление помогает связать устройство атома с его местом в периодической системе и химическими свойствами.

Как это устроено

Заряд ядра создают протоны, каждый из которых имеет заряд +1. Поэтому порядковый номер, число протонов и величина положительного заряда ядра совпадают. В нейтральном атоме отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд ядра, значит, электронов столько же, сколько протонов; у иона это равенство может нарушаться.

Электроны распределяются по энергетическим уровням, начиная с ближайших к ядру. У атома натрия распределение записывают как 2, 8, 1: заняты три уровня, поэтому натрий находится в третьем периоде. Номер периода связан не с общим числом электронов, а с числом уровней, на которых они расположены.

Для элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне связано с номером группы. Например, у натрия на внешнем уровне один электрон, поэтому он относится к первой группе главной подгруппы. Внешний уровень важен потому, что именно его электроны чаще всего участвуют во взаимодействии атомов и образовании химических связей.

В пределах периода порядковый номер возрастает на единицу от элемента к элементу. Следовательно, заряд ядра увеличивается на один протон, а в нейтральном атоме появляется ещё один электрон. Уровни при этом остаются теми же, но внешний уровень постепенно заполняется, поэтому строение атомов меняется закономерно.

По мере заполнения внешнего уровня свойства элементов меняются, а при начале нового периода строение этого уровня начинает повторяться. У элементов одной главной подгруппы внешние уровни имеют одинаковое число электронов, поэтому атомы сходным образом взаимодействуют с другими атомами. Так повторение строения внешних уровней объясняет периодическое повторение сходных свойств.

Связь положения элемента в периодической системе со строением атома

Сначала по порядковому номеру определите число протонов и электронов нейтрального атома. Затем используйте номер периода, чтобы узнать число занятых уровней. Для элемента главной подгруппы номер группы поможет определить число внешних электронов.

Разбор задач

Задача 1. У атома натрия порядковый номер 11. Определите число протонов и электронов в нейтральном атоме.

1. Порядковый номер равен числу протонов, поэтому в ядре натрия 11 протонов.
2. Атом назван нейтральным: его суммарный заряд равен нулю. Значит, отрицательный заряд электронов уравновешивает заряд 11 протонов.
3. Следовательно, электронов тоже 11. Число нейтронов из этих данных определить нельзя: для него нужна информация о массовом числе.

Ответ: 11 протонов и 11 электронов.

Задача 2. Электроны атома распределены по уровням как 2, 8, 1. Определите число уровней и электронов на внешнем уровне, затем укажите период и группу главной подгруппы.

1. Запись содержит три числа, значит, электроны занимают три уровня.
2. На внешнем, последнем уровне указан один электрон.
3. Число уровней определяет период: это третий период. Для элемента главной подгруппы один внешний электрон связан с первой группой.
4. Проверим, что уровни заполнены последовательно: на них всего 2 + 8 + 1 = 11 электронов. Это согласуется с атомом натрия, у которого порядковый номер 11.

Ответ: три уровня, один электрон на внешнем уровне; третий период, первая группа главной подгруппы.

Задача 3. Атомы двух элементов имеют порядковые номера 11 и 17. Сравните строение их электронных оболочек и объясните, почему элементы находятся в одном периоде, но обладают разными свойствами.

1. В нейтральных атомах число электронов равно порядковому номеру: у первого 11 электронов, у второго 17.
2. Распределяем их по уровням: для номера 11 получаем 2, 8, 1; для номера 17 — 2, 8, 7. В обоих случаях заняты три уровня, поэтому оба элемента находятся в третьем периоде.
3. Внешние уровни различаются: у первого атома один электрон, у второго — семь. При переходе от номера 11 к 17 заряд ядра увеличивается на шесть, и в нейтральных атомах добавляются шесть электронов.
4. Разное число внешних электронов приводит к разному поведению атомов во взаимодействиях, поэтому свойства элементов различаются, хотя число занятых уровней совпадает.

Ответ: электронные оболочки имеют распределения 2, 8, 1 и 2, 8, 7; элементы находятся в третьем периоде, но различаются числом внешних электронов и свойствами.

Типичные ошибки

Ошибка: считать порядковый номер числом нейтронов. Номер показывает число протонов, а количество нейтронов находят, учитывая массовое число: из него вычитают число протонов. Путаница возникает из-за того, что и протоны, и нейтроны находятся в ядре. Проверь себя: для нейтронов нужны массовое число и порядковый номер, одного номера недостаточно.

Ошибка: принимать номер периода за число электронов. Период показывает количество занятых уровней, а электронов в атоме может быть гораздо больше. Это смешивают, потому что оба признака описывают атом. Проверь себя, сосчитав числа в записи распределения по уровням: число уровней, а не сумма электронов, должно совпасть с номером периода.

Ошибка: считать, что номер группы всегда равен числу внешних электронов. Эта связь применяется к элементам главных подгрупп, поэтому её нельзя автоматически переносить на все элементы. Ошибка возникает, если помнить правило без области его применения. Проверь, относится ли рассматриваемый элемент к главной подгруппе, прежде чем делать вывод о внешних электронах.

Ошибка: объяснять периодичность только ростом атомной массы. Периодический закон связывает периодическое изменение свойств с зарядом ядра, а устройство атома помогает понять повторение свойств. Массу и порядковый номер нельзя считать одним и тем же признаком. Проверь объяснение: в нём должны быть указаны заряд ядра и закономерность строения электронных оболочек.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать состав атома, заряды протона и электрона и понимать, что нейтральный атом имеет суммарный заряд, равный нулю. Эти знания позволяют связать порядковый номер с числом протонов и электронов. Далее периодический закон поможет объяснять закономерности изменения свойств элементов, а представление об электронных оболочках пригодится при изучении химической связи. Так строение атома связывает положение элемента в таблице с его взаимодействиями.

Что запомнить

• Порядковый номер элемента равен заряду ядра и числу протонов.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Номер периода показывает число занятых электронных уровней.
• Для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне.
• Свойства элементов и их соединений изменяются периодически с увеличением заряда ядра.
• Периодичность свойств связана с периодическим повторением строения внешних электронных уровней.