"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Периодическая система связывает положение химического элемента с устройством его атома и помогает объяснять свойства веществ. Порядковый номер показывает число протонов в ядре, а в нейтральном атоме — ещё и число электронов. Номер периода указывает, сколько энергетических уровней занято; строение внешнего уровня связано с номером группы и химическими свойствами. При движении по таблице свойства изменяются закономерно и периодически повторяются.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Периодический закон — закономерность повторения свойств химических элементов и их соединений с увеличением порядкового номера элемента. Иными словами, свойства не меняются случайно: при изменении строения атомов возникают похожие сочетания свойств. Закон помогает объяснить, почему элементы расположены в таблице именно так.
Периодическая система — таблица химических элементов, отражающая связь между порядковым номером элемента, строением его атома и свойствами. Положение элемента в ней позволяет делать выводы об атоме и сравнивать элементы. Поэтому таблицу используют не только для поиска символа или названия элемента.
Энергетический уровень — слой электронной оболочки атома, на котором находятся электроны с близкими запасами энергии. Уровни можно представить как оболочки вокруг ядра, на которых распределяются электроны. Это понятие нужно, чтобы связывать электронное строение с номером периода.
Валентные электроны — электроны внешнего энергетического уровня, определяющие химические свойства элемента. Именно они в первую очередь участвуют во взаимодействиях атомов. Зная их число, можно объяснять сходство элементов и предполагать, как они будут вести себя в реакциях.
Порядковый номер связан с числом протонов, потому что именно заряд ядра задаёт, к какому химическому элементу относится атом. Если число протонов изменить, получится ядро другого элемента. В нейтральном атоме положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом электронов, поэтому число электронов равно числу протонов. У иона число электронов может отличаться, но порядковый номер при этом не меняется: состав ядра остаётся прежним.
Электроны занимают энергетические уровни вокруг ядра, причём электроны одного атома распределяются по нескольким уровням. Номер периода показывает число уровней, на которых есть электроны, а не число электронов на внешнем уровне. Например, у атома натрия три занятых уровня, поэтому натрий находится в 3-м периоде. Это правило помогает связать строку таблицы с размером электронной оболочки.
При движении слева направо по периоду заряд ядра увеличивается на единицу, и каждый следующий нейтральный атом имеет ещё один электрон. В пределах периода новые электроны обычно заполняют внешний уровень, а число занятых уровней остаётся тем же. Поэтому постепенно меняются число и поведение валентных электронов, а вместе с ними — химические свойства. В начале периода обычно находятся металлы, а ближе к концу — неметаллы; между ними свойства меняются не скачком, а закономерно.
У элементов одной группы сходно устроен внешний уровень: у элементов главных подгрупп обычно совпадает число валентных электронов. Так как именно эти электроны чаще всего участвуют в образовании связей, элементы проявляют похожие химические свойства. При этом сверху вниз по группе добавляются занятые уровни, поэтому меняются размеры атомов и выраженность свойств. Следовательно, сходство элементов группы не означает полного совпадения их поведения.
Периодическое повторение свойств объясняется тем, что при росте порядкового номера электронное строение меняется последовательно, а строение внешнего уровня через определённые промежутки становится похожим. Сходная внешняя оболочка приводит к сходству химических свойств, а её постепенное изменение — к изменению свойств в периоде. Металлы обычно легче отдают внешние электроны, а неметаллы чаще стремятся принять электроны или участвовать в их образовании общих связей. Поэтому положение элемента помогает оценить, к какой части этого ряда свойств он ближе.
| Признак | Что показывает | Связь со строением атома | Пример |
|---|---|---|---|
| Порядковый номер элемента | Место элемента в системе | Число протонов; в нейтральном атоме также число электронов | У натрия Z = 11: 11 протонов и 11 электронов |
| Номер периода | Строку таблицы | Число занятых энергетических уровней | Натрий в 3-м периоде имеет три занятых уровня |
| Номер группы | Столбец таблицы | Для главных подгрупп связан с числом электронов внешнего уровня | Натрий в 1-й группе имеет один внешний электрон |
| Число энергетических уровней | Размер занятой электронной оболочки | Совпадает с номером периода | У кальция четыре занятых уровня |
| Число валентных электронов | Особенности внешнего уровня | Влияет на химическое поведение атома | У магния два валентных электрона |
| Изменение металлических и неметаллических свойств в периоде | Общий переход от металлических свойств к неметаллическим | Меняются заряд ядра и число электронов внешнего уровня | От натрия к хлору металлические свойства ослабевают |
| Сходство свойств элементов одной группы | Повторение похожих химических свойств | У элементов сходно устроен внешний уровень | Магний и кальций относятся ко 2-й группе |
Чтобы прочитать таблицу, сначала найдите положение элемента, затем отдельно проверьте номер периода и группы. Период подсказывает число занятых уровней, а для элементов главных подгрупп группа помогает судить о числе внешних электронов. Эти сведения позволяют объяснить сходство или различие свойств, но не заменяют учёт строения конкретного атома.
Условие. Определить число протонов, электронов и энергетических уровней в атоме натрия, если его порядковый номер равен 11, а положение — 3-й период, 1-я группа. Начнём с того, что порядковый номер даёт число протонов. Поскольку речь идёт о нейтральном атоме, число электронов будет таким же.
Ответ. В атоме натрия 11 протонов, 11 электронов и 3 занятых энергетических уровня. Номер группы здесь дополнительно подсказывает, что у натрия один электрон на внешнем уровне. Он не означает, что во всём атоме только один электрон.
Условие. По электронной схеме 2, 8, 7 определить порядковый номер элемента, его период, группу и принадлежность к металлам или неметаллам. Числа в схеме показывают, сколько электронов находится на каждом занятом уровне. Сначала найдём общее число электронов, а затем разберём внешний уровень.
Ответ. Это хлор с порядковым номером 17: 3-й период, 17-я группа (VIIA), неметалл. При записи номера группы сверяйтесь с принятой в вашей таблице нумерацией: в краткой школьной записи это VIIA. Главное при разборе схемы — не спутать число уровней с числом электронов на внешнем уровне.
Условие. Сравнить строение атомов магния и кальция и объяснить, почему элементы находятся в одной группе и имеют сходные химические свойства. Для ответа нужно сравнить не общее число электронов, а прежде всего внешний уровень. При этом число занятых уровней тоже важно: оно показывает различие атомов.
Ответ. Магний и кальций имеют по два электрона на внешнем уровне, поэтому находятся во 2-й группе и проявляют сходные химические свойства. У магния три занятых уровня, у кальция — четыре. Значит, строение внешнего уровня объясняет сходство, а число уровней — некоторые различия.
Путают номер периода с числом электронов на внешнем уровне. Так происходит, потому что оба признака связаны с оболочкой атома, но описывают разное: период показывает число занятых уровней. Проверьте себя по схеме электронов: сосчитайте группы чисел, а затем отдельно прочитайте последнее число.
Считают, что номер группы всегда равен общему числу электронов в атоме. Обычно путают номер группы с порядковым номером или забывают, что связь с внешними электронами относится прежде всего к главным подгруппам. Для проверки сначала найдите общее число электронов по порядковому номеру, а потом отдельно определите число электронов на внешнем уровне.
Забывают, что порядковый номер нейтрального атома равен и числу протонов, и числу электронов. Ошибка возникает, когда заряд ядра и электронную оболочку запоминают как несвязанные сведения. Проверьте условие: если атом нейтрален, числа протонов и электронов одинаковы; для иона равенство может нарушаться, но число протонов задаётся элементом.
Делают вывод, что свойства элементов одной группы полностью совпадают. Сходство внешнего уровня действительно ведёт к похожим реакциям, но при движении сверху вниз добавляются энергетические уровни и меняется размер атома. Проверяйте вывод так: называйте и общее свойство группы, и признак, который меняется от одного элемента к другому.
Для понимания темы нужно знать, из чего состоит атомное ядро и как устроена электронная оболочка. Также понадобятся понятия химического элемента, порядкового номера и энергетического уровня: без них трудно связать клетку таблицы со строением атома. Эти знания пригодятся дальше при составлении формул веществ, определении валентности и объяснении химических свойств элементов. Периодическая система служит опорой, которая объединяет эти темы.
Почему порядковый номер элемента связан именно с числом протонов?
Число протонов определяет заряд ядра. У атомов с разным числом протонов разные химические элементы, поэтому порядковый номер и равен числу протонов. В нейтральном атоме столько же электронов, сколько протонов.
Как по номеру периода определить строение электронной оболочки?
Номер периода показывает число занятых энергетических уровней. Например, атом элемента 3-го периода имеет три занятых уровня. Само распределение электронов по уровням находят с учётом общего числа электронов.
Почему элементы одной группы обладают сходными свойствами?
У элементов одной группы сходно устроен внешний энергетический уровень, в частности число валентных электронов. Эти электроны участвуют в химических взаимодействиях и во многом определяют свойства атома. Сходство не означает, что свойства полностью одинаковы.
Всегда ли номер группы показывает число валентных электронов?
Нет, такое соответствие удобно прежде всего для элементов главных подгрупп: например, у элементов 1-й группы обычно один внешний электрон. Для переходных элементов связь устроена сложнее. Поэтому номер группы нельзя считать общим числом электронов атома.
Почему металлические свойства изменяются при движении по периоду и группе?
В периоде слева направо растёт заряд ядра, а электроны добавляются на один и тот же внешний уровень, поэтому атомы сильнее притягивают электроны и металлические свойства обычно ослабевают. В группе сверху вниз уровней становится больше, внешний уровень дальше от ядра, и металлические свойства обычно усиливаются.
§ 42. Периодическая система в свете теории строения атома
