"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Периодический закон связывает свойства химических элементов и образуемых ими веществ с зарядом ядра атома. При увеличении заряда свойства не меняются случайно: сходные черты повторяются, потому что строение внешнего электронного слоя атомов периодически становится похожим. Положение элемента в таблице помогает сравнивать радиусы атомов, металлические и неметаллические свойства, а также предсказывать характер оксидов и гидроксидов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодический закон — свойства химических элементов и образуемых ими веществ периодически зависят от зарядов ядер их атомов. Заряд ядра определяется числом протонов. Эта формулировка помогает объяснить порядок элементов в таблице и предсказывать свойства веществ по положению элемента.
Периодичность свойств — повторение сходных свойств элементов при увеличении заряда ядра. Сходство возникает не через равные промежутки атомных масс, а при повторении похожего строения внешнего электронного слоя. Понятие периодичности нужно, чтобы увидеть закономерность за разнообразием элементов.
Период — последовательность элементов, расположенных по возрастанию заряда ядра. Номер периода связан с числом электронных слоёв в атоме: например, в третьем периоде у атомов элементов три слоя. Это позволяет определить строение атома по его месту в таблице.
Главная подгруппа — вертикальный ряд элементов, атомы которых имеют сходное строение внешнего электронного слоя. Поэтому элементы одной главной подгруппы проявляют сходные химические свойства, хотя их свойства не одинаковы. По подгруппе удобно сравнивать элементы, находящиеся в разных периодах.
Современная формулировка связывает свойства с зарядом ядра, а не с атомной массой, потому что именно заряд задаёт число протонов и влияет на притяжение электронов. При расположении элементов по атомной массе встречались исключения: масса не всегда давала правильный порядок химических свойств. Заряд ядра последовательно увеличивается на единицу от элемента к элементу. Поэтому он служит надёжным основанием периодического закона.
С ростом заряда ядра в атом добавляются электроны, которые занимают электронные слои и подслои в определённом порядке. После заполнения внешнего слоя начинает формироваться новый, а строение внешних электронов со временем снова становится похожим на уже встречавшееся. Внешние электроны участвуют в образовании химических связей и во многом определяют поведение атома. Поэтому вслед за похожим строением повторяются и свойства элементов.
В одном периоде число электронных слоёв не меняется, но заряд ядра слева направо увеличивается. Притяжение электронов к ядру становится сильнее, а атомный радиус — расстояние от ядра до внешней электронной оболочки — обычно уменьшается. Отдать внешний электрон становится труднее, поэтому металлические свойства ослабевают. Одновременно атомы охотнее принимают электроны или участвуют в их совместном использовании, так что неметаллические свойства усиливаются.
В главной подгруппе сверху вниз каждый следующий период добавляет атомам новый электронный слой. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними слоями, поэтому радиус атома увеличивается. Такие электроны легче отдать — это способствует усилению металлических свойств. Способность атомов притягивать дополнительные электроны в целом уменьшается, поэтому неметаллические свойства обычно ослабевают.
Изменение строения атомов отражается на простых веществах и их соединениях. В периоде свойства простых веществ обычно меняются от металлических к неметаллическим; высшие оксиды и соответствующие гидроксиды переходят от основного характера к амфотерному, а затем к кислотному. В главной подгруппе вниз металлический характер простых веществ и основных соединений обычно усиливается. Это закономерности, а не правило без исключений: для вывода важно учитывать конкретный элемент и состав его соединения.
| Свойство | Слева направо в периоде | Сверху вниз в главной подгруппе |
|---|---|---|
| Заряд ядра атома | Увеличивается | Увеличивается |
| Число электронных слоёв | Не изменяется | Увеличивается |
| Радиус атома | Обычно уменьшается | Увеличивается |
| Металлические свойства | Ослабевают | Обычно усиливаются |
| Неметаллические свойства | Усиливаются | Обычно ослабевают |
| Характер высших оксидов и соответствующих гидроксидов | От основного через амфотерный к кислотному | У металлических элементов обычно усиливается основной характер |
Чтобы сравнить элементы, сначала определите, находятся ли они в одном периоде или в одной главной подгруппе: направления изменения свойств различаются. Затем проследите нужную строку таблицы. Слова «обычно» и «у металлических элементов» напоминают, что для конкретных соединений могут быть исключения.
Задача 1. Расположить Na, Mg и Al по возрастанию металлических свойств и объяснить порядок. Все три элемента находятся в третьем периоде, значит, сравнивать их нужно слева направо, а не сверху вниз. В периоде металлические свойства ослабевают. Поэтому первым в порядке возрастания будет элемент с наименее выраженными металлическими свойствами.
Ответ: Al, Mg, Na. Алюминий проявляет металлические свойства слабее магния, а магний — слабее натрия.
Задача 2. Сравнить радиусы атомов Li, Na и K и указать, у какого элемента сильнее выражены металлические свойства. Элементы находятся в одной главной подгруппе: литий выше натрия, а натрий выше калия. При движении вниз добавляется электронный слой, поэтому атом становится крупнее, а внешнему электрону легче покинуть атом.
Ответ: радиусы возрастают так: Li < Na < K. Наиболее выраженные металлические свойства — у калия.
Задача 3. Элемент образует высший оксид состава ЭО₃, а его атом имеет три электронных слоя. Определить возможный элемент и охарактеризовать изменение его свойств относительно соседних элементов периода. Сначала формула оксида помогает установить группу, затем число слоёв — период. Для элементов главных подгрупп высший оксид ЭО₃ характерен для шестой группы; в третьем периоде этой группе соответствует сера.
Ответ: возможный элемент — сера, S; её высший оксид — SO₃. По сравнению с соседними элементами слева у серы слабее металлические и сильнее неметаллические свойства, а справа неметаллические свойства продолжают усиливаться.
Ошибка — считать, что свойства периодически зависят от атомной массы. Так рассуждают, помня первоначальную формулировку закона и не учитывая современные данные о строении атома. Проверка: в формулировке закона ищите заряд ядра, который равен числу протонов, а не массу атома.
Ошибка — считать номер периода числом электронов на внешнем слое. Их путают, потому что оба показателя связаны с положением элемента в таблице. Проверка: номер периода показывает число электронных слоёв, а число внешних электронов определяют отдельно по строению атома.
Ошибка — переносить изменения в периоде на движение вниз по группе. Направления сравнения разные, поэтому одна и та же тенденция не обязана сохраняться. Проверка: сначала назовите, куда движетесь — слева направо или сверху вниз, — и только затем применяйте нужную закономерность.
Ошибка — считать, что все элементы одной группы обладают одинаковыми свойствами. Сходство внешнего слоя означает общие черты, но не полное совпадение свойств: вниз по подгруппе растёт число слоёв и меняются радиусы атомов. Проверка: сравните положение элементов по вертикали и учтите направление изменения свойств.
Для понимания закономерностей нужно знать строение атома: заряд ядра, число электронов и электронные слои, а также уметь находить период и группу в таблице. Эти знания позволяют сравнивать элементы и предсказывать свойства тех из них, которые ещё подробно не изучались. Позже закономерности пригодятся при изучении химической связи и свойств оксидов, оснований и кислот. Так положение элемента связывается со строением атома и поведением его соединений.
Почему современная формулировка периодического закона отличается от первоначальной?
Первоначально свойства элементов связывали с атомной массой. Позже выяснили, что основная причина периодичности — заряд ядра, то есть число протонов в атоме. Поэтому современная формулировка точнее объясняет порядок элементов и повторение их свойств.
Почему свойства элементов повторяются при увеличении заряда ядра?
При росте заряда ядра электроны заполняют энергетические слои и подслои по определённому порядку. Через промежутки строение внешнего электронного слоя становится похожим на строение атомов ранее встречавшихся элементов. Именно внешний слой во многом определяет химические свойства.
Как по номеру периода определить число электронных слоёв атома?
Для элементов главных подгрупп номер периода показывает число занятых электронных слоёв атома. Например, у элемента третьего периода три слоя. Номер периода не указывает число электронов на внешнем слое.
Почему металлические свойства изменяются в периоде и в главной подгруппе по-разному?
В периоде слева направо заряд ядра растёт, а число слоёв остаётся прежним, поэтому атом сильнее притягивает внешние электроны и труднее их отдаёт. В главной подгруппе сверху вниз добавляются слои, внешние электроны дальше от ядра и легче отрываются. Поэтому металлические свойства в этих направлениях меняются противоположно.
Можно ли по положению элемента в таблице предсказать свойства его оксидов?
Да, положение элемента помогает оценить состав и характер его высшего оксида, а также соответствующего гидроксида. В периоде слева направо характер соединений обычно меняется от основного к амфотерному, а затем к кислотному. В главной подгруппе сверху вниз у металлов обычно усиливается основной характер соединений.
§ 41. Периодические изменения свойств химических элементов. Современная трактовка периодического закона
