§ 28. Положение элементов подгруппы углерода в периодической системе, строение их атомов

Определения и обозначения

Подгруппа углерода — элементы главной подгруппы IV группы периодической системы: углерод, кремний, германий, олово и свинец. В современной нумерации это 14-я группа. Знание состава подгруппы помогает сравнивать элементы, у которых есть общие черты строения и свойств.

Электронная оболочка атома — совокупность электронов, распределённых по энергетическим уровням вокруг ядра. Уровни можно представить как области с разной энергией электронов. Их число и заполнение показывают, как устроен атом и какие электроны могут участвовать в химических связях.

Внешний энергетический уровень — наиболее удалённый от ядра занятый уровень. Его электроны взаимодействуют с атомами других элементов и поэтому особенно важны для химических свойств. Сравнивая внешние уровни, можно объяснить, почему элементы одной группы часто ведут себя сходным образом.

Электронная конфигурация — запись распределения электронов атома по энергетическим уровням и подуровням. Например, запись 2s²2p² показывает число электронов на соответствующих подуровнях второго уровня. Такая запись помогает точно увидеть строение внешней оболочки и сопоставить его с положением элемента в периодической системе.

Как это устроено

Углерод, кремний, германий, олово и свинец расположены в одной главной подгруппе, то есть в одном столбце периодической системы. Углерод находится во 2-м периоде, кремний — в 3-м, германий — в 4-м, олово — в 5-м, свинец — в 6-м. Номер периода связан с количеством занятых энергетических уровней: с переходом к следующему периоду у атомов появляется новый уровень.

Порядковый номер элемента задаёт положительный заряд ядра. В нейтральном атоме отрицательный заряд электронов уравновешивает заряд ядра, поэтому число электронов равно порядковому номеру. Период подсказывает число занятых уровней, а положение в главной подгруппе позволяет определить число электронов на внешнем уровне. Так периодическая система связывает сведения об элементе со строением его атома.

У каждого элемента подгруппы углерода на внешнем уровне четыре электрона: два s-электрона и два p-электрона. Для углерода это второй уровень, для кремния — третий, для германия — четвёртый и так далее. Общая запись внешнего электронного строения — ns²np²; буква n обозначает номер внешнего уровня. Именно сходство внешней оболочки, а не всех уровней атома, объединяет эти элементы.

При движении сверху вниз растёт порядковый номер, а вместе с ним — число электронов в атоме. Новые электроны размещаются не только на внешнем, но и на внутренних уровнях, поэтому электронные оболочки становятся сложнее. Число занятых уровней меняется от двух у углерода до шести у свинца. При этом на новом внешнем уровне снова оказываются четыре электрона.

Одинаковое число внешних электронов создаёт сходные возможности для образования химических связей, поэтому у элементов подгруппы есть общие черты химического поведения. Однако увеличение числа уровней отдаляет внешний уровень от ядра и увеличивает радиус атома. Внешние электроны слабее удерживаются ядром, и металлические свойства в целом усиливаются сверху вниз. Так объясняется переход от неметалла углерода через кремний и германий к металлам олову и свинцу.

Положение и строение атомов элементов подгруппы углерода

Чтобы определить число занятых уровней, сравните период элемента с количеством чисел в столбце распределения электронов. Последнее число показывает количество электронов на внешнем уровне. Таблица также позволяет увидеть, что одинаковое внешнее строение сочетается с разным числом внутренних уровней и разным характером элементов.

Разбор задач

Задача 1. Определите число электронов на внешнем уровне атома кремния по его положению в периодической системе. Здесь не требуется знать полное распределение электронов: достаточно определить главную подгруппу элемента. Номер группы указывает, сколько электронов находится на внешнем уровне у элементов этой подгруппы.

1. Находим кремний в периодической системе: он расположен в главной подгруппе IV группы.
2. Для элементов главных подгрупп номер группы соответствует числу электронов на внешнем уровне.
3. Следовательно, у атома кремния на внешнем уровне четыре электрона.

Ответ: 4 электрона.

Задача 2. Запишите распределение электронов по энергетическим уровням атома германия, если его порядковый номер равен 32. Сначала определяем общее число электронов, затем распределяем их по уровням. Для проверки используем положение германия в 4-м периоде и главной подгруппе IV группы.

1. В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру, поэтому у германия 32 электрона.
2. Заполняем уровни последовательно: на первом размещаются 2 электрона, на втором — 8, на третьем — 18.
3. После этого остаётся 32 − 2 − 8 − 18 = 4 электрона. Они занимают четвёртый, внешний уровень.
4. Проверяем результат: заняты четыре уровня, как и должно быть у элемента 4-го периода, а на внешнем уровне четыре электрона.

Ответ: 2, 8, 18, 4.

Задача 3. Элемент находится в 5-м периоде и главной подгруппе IV группы. Определите элемент, его порядковый номер и распределение электронов по уровням. Сначала пересекаем сведения о периоде и группе, а затем проверяем найденный элемент по числу уровней и внешних электронов.

1. В главной подгруппе IV группы пятым по периоду является олово, символ Sn.
2. По периодической системе его порядковый номер равен 50, значит, нейтральный атом содержит 50 электронов.
3. Распределяем электроны по уровням: 2, 8, 18, 18 и 4. Сумма равна 50, а число занятых уровней равно пяти.
4. На внешнем уровне остаются четыре электрона, что согласуется с положением олова в IV группе.

Ответ: олово Sn, порядковый номер 50, распределение электронов 2, 8, 18, 18, 4.

Типичные ошибки

Путают номер периода с числом электронов на внешнем уровне. Ошибка возникает из-за того, что оба числа связаны с положением элемента в таблице. Но период указывает количество занятых уровней, а у элементов подгруппы углерода внешних электронов всегда четыре. Проверьте себя: число уровней должно совпасть с номером периода.

Принимают порядковый номер за число нейтронов. Порядковый номер показывает заряд ядра, а в нейтральном атоме — ещё и число электронов; количество нейтронов по нему напрямую не определить. Путаница появляется потому, что обе характеристики относятся к составу атома. Проверка проста: число электронов равно порядковому номеру только для нейтрального атома.

Приписывают всем элементам подгруппы четыре занятых уровня. Четыре — это число внешних электронов, а не уровней. Ошибку помогает заметить сравнение периодов: углерод во втором периоде имеет два уровня, а свинец в шестом — шесть. Сверяйте число уровней с периодом конкретного элемента.

Считают, что у элементов совпадает строение всех уровней. Сходство касается прежде всего внешнего уровня: внутренние оболочки при движении вниз по подгруппе становятся многочисленнее и сложнее. Такая ошибка возникает, когда общие свойства группы принимают за полное тождество атомов. Чтобы проверить ответ, сравните распределения электронов: общим должно быть последнее число 4, а не вся последовательность.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о периодической системе: порядковый номер связан с зарядом ядра, а период — с числом занятых уровней. Также важно уметь распределять электроны по уровням. Строение внешней оболочки помогает объяснять валентность, степени окисления и сходство химических свойств элементов. Эти знания пригодятся при изучении углерода и его соединений, кремния и закономерностей изменения свойств элементов в группах.

Что запомнить

• Элементы подгруппы углерода — C, Si, Ge, Sn и Pb.
• Все эти элементы находятся в главной подгруппе IV группы.
• Номер периода показывает число занятых энергетических уровней атома.
• В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру элемента.
• На внешнем уровне атомов элементов подгруппы углерода находятся четыре электрона.
• Сверху вниз по подгруппе увеличивается число энергетических уровней.