§ 40. Группы и подгруппы химических элементов

Определения и обозначения

Группа химических элементов — вертикальный столбец периодической таблицы; элементы группы имеют сходные свойства. Это понятие помогает находить соседей элемента не по горизонтали, а сверху и снизу, и сравнивать их химическое поведение.

Главная подгруппа — часть группы, включающая элементы малых и больших периодов; в неё входят s- и p-элементы. Она объединяет элементы, у которых свойства особенно наглядно связаны с числом электронов на внешнем энергетическом уровне.

Побочная подгруппа — часть группы, включающая элементы больших периодов; в неё входят d-элементы. Это обозначение позволяет отделить переходные металлы от элементов главной подгруппы, хотя они занимают один и тот же номер группы.

Номер группы — обозначение вертикального столбца таблицы; для элементов главных подгрупп он связан с числом электронов на внешнем уровне. По нему можно предварительно судить о строении атома и ожидаемых свойствах, если учесть, к какой подгруппе относится элемент.

Как это устроено

В таблице элементы расположены не только по горизонталям-периодам, но и по вертикалям-группам. Период показывает последовательность элементов с возрастающим атомным номером, а группа собирает элементы, у которых повторяются важные особенности строения атомов. Поэтому при чтении таблицы нужно сначала понять, движетесь ли вы по ряду или по столбцу: это помогает не перепутать период и группу.

Группы делятся на главные и побочные подгруппы, потому что атомы элементов различаются тем, какие электронные подуровни заполняются. Главные подгруппы включают s- и p-элементы малых и больших периодов. Побочные подгруппы образованы d-элементами больших периодов, которые расположены в центральной части таблицы. Деление помогает точнее связывать место элемента с его электронным строением.

Сходство элементов главной подгруппы объясняется одинаковым числом электронов на внешнем энергетическом уровне. Именно эти электроны в первую очередь участвуют в образовании химических связей и определяют, как атом взаимодействует с другими атомами. Поэтому элементы одной главной подгруппы часто образуют похожие соединения. Сходство не означает полного совпадения: свойства и активность меняются при движении сверху вниз по столбцу.

В традиционной записи с группами I–VIII номер группы для элементов главных подгрупп связан с числом электронов на внешнем уровне. Это полезная подсказка, но она работает не для всех элементов одинаково: у d-элементов в химических взаимодействиях могут участвовать электроны не только внешнего уровня. Поэтому нельзя, увидев номер побочной подгруппы, автоматически объявить его числом внешних электронов. Сначала выясните, главная это подгруппа или побочная.

Чтобы определить положение элемента, найдите его клетку: вертикальный столбец задаёт группу, а принадлежность к главной или побочной подгруппе устанавливают по расположению и типу элемента. Например, натрий стоит в I группе главной подгруппы; литий и калий расположены в том же столбце и относятся к той же подгруппе. Соседи сверху и снизу в группе дают возможность сравнивать сходные свойства, но нужно помнить, что их выраженность может различаться.

Группы и подгруппы химических элементов

Пользуйтесь таблицей, чтобы сравнить элементы одного номера группы и увидеть, к какой подгруппе они относятся. Сначала проверьте тип элемента и период, а затем применяйте связь номера группы с числом электронов только для главной подгруппы. Так вы не перепутаете сходство свойств с полным совпадением свойств.

Разбор задач

Натрий

Условие. Определите группу и подгруппу элемента натрия по его положению в периодической таблице. Для этого нужно проследить не горизонтальный ряд, а вертикальный столбец и проверить тип элемента.

1. Найдите в таблице символ натрия Na.
2. Определите вертикальный столбец, в котором стоит элемент: натрий находится в I группе.
3. Натрий — s-элемент, значит, он относится к главной подгруппе этой группы.

Ответ. Натрий находится в I группе, главной подгруппе. Это положение также подсказывает, что у атома натрия один электрон на внешнем энергетическом уровне.

Литий и калий

Условие. Сравните литий и калий: укажите их группу и подгруппу и объясните сходство химических свойств. Здесь важно найти общую вертикаль, а не сравнивать только номера периодов.

1. Найдите Li и K в периодической таблице: литий находится во втором периоде, калий — в четвёртом.
2. Оба элемента стоят в I группе главной подгруппы.
3. У атомов обоих элементов по одному электрону на внешнем уровне. Такое сходное строение объясняет похожее химическое поведение, хотя активность лития и калия не одинакова.

Ответ. Литий и калий относятся к I группе главной подгруппы и имеют по одному внешнему электрону. Поэтому их химические свойства сходны, но не полностью одинаковы.

Элемент VI периода побочной подгруппы I группы

Условие. Элемент находится в шестом периоде и в побочной подгруппе первой группы. Определите его по таблице и объясните, почему номер группы нельзя прямо считать числом внешних электронов.

1. Найдите пересечение шестого периода с побочной подгруппой I группы.
2. В этой клетке расположен Au — золото, d-элемент.
3. Правило о соответствии номера группы числу внешних электронов предназначено прежде всего для главных подгрупп. У d-элементов строение сложнее: в химическом поведении учитываются особенности d-подуровня, поэтому номер I группы нельзя механически принять за число внешних электронов.

Ответ. Это золото Au. Оно относится к побочной подгруппе, поэтому связь номера группы с числом электронов на внешнем уровне нельзя применять к нему напрямую.

Типичные ошибки

Ошибка — считать группу горизонтальным рядом. Так путают группу с периодом, потому что оба понятия описывают расположение элементов в таблице. Проверьте себя: если вы идёте слева направо, это период, а если сверху вниз — группа.

Ошибка — определять главную или побочную подгруппу только по номеру группы. В одном номере могут находиться элементы обеих подгрупп, поэтому одного номера недостаточно. Сверьте положение элемента и его тип: s- и p-элементы относятся к главным подгруппам, d-элементы — к побочным.

Ошибка — ожидать, что у всех элементов одной группы свойства полностью одинаковы. Сходство часто заметно, но оно не отменяет различий в строении атомов и изменении свойств сверху вниз. Проверьте вывод по конкретному свойству и не заменяйте слово «сходные» словом «одинаковые».

Ошибка — без оговорок считать номер группы числом внешних электронов у любого элемента. Это правило относится прежде всего к главным подгруппам, а для d-элементов строение сложнее. Чтобы проверить себя, сначала определите подгруппу и только после этого связывайте номер группы с числом электронов.

Связь с другими темами

Для чтения групп нужно знать устройство периодической таблицы: периоды идут горизонтально, группы — вертикально, а элементы упорядочены по атомному номеру. Также необходимо представлять строение атома и понимать, что электроны внешнего энергетического уровня участвуют в химических взаимодействиях. Эти знания объясняют, почему положение элемента помогает сравнивать его с соседями по столбцу.

Сведения о группах пригодятся при изучении свойств элементов и их соединений. Сравнивая элементы одной подгруппы, можно заметить общие черты и использовать их для предположений о составе и свойствах веществ. Такие предположения нужно проверять с учётом конкретного элемента.

Что запомнить

• Группы — вертикальные столбцы периодической таблицы.
• Группы делятся на главные и побочные подгруппы.
• Элементы главной подгруппы одной группы имеют одинаковое число электронов на внешнем уровне.
• Элементы одной группы часто обладают сходными химическими свойствами.
• У элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов на внешнем уровне.
• Правило о числе внешних электронов нельзя одинаково применять к главным и побочным подгруппам.